（机械工程专业论文）烧结抽烟机组混合式振动监测与分析诊断系统的研制.pdf

重庆人学 1 _ 程硕士学位论文 摘要 ab s t r a c t an o f f - l i n e m o n i t o r i n g and ana ly s i s s y s t e m i s d e v e l o p e d f o r c i r c u m r o t a t i n g m a c h i n e w it h t h e f u n c t i o n o f r e m o t e - d i a g n o s i s . t h e s y s t e m i s in c l u d i n g in s t a l l i n g t r ans p o r t i n g and ana l y z i n g o n s i t e , d a t a c o l le c t i n g a t s i t e , m ana g e m e n t d a t a o ff - l i n e , m o n i t o r i n g t h e w o r k i n g s t a t u s o f e q u i p m e n t o n r e a l t i m e , a n a l y z i n g c o l l e c t i n g d a t a o ff - l i n e a t l a s t t r ans p o rt i n g and a n al y z i n g i s i n s t a l l i n g o n e b y o n e , b u t m a i n c o m p u t e r i s i n s t al l i n g o n e t o m o s t , m o n i t o r i n g t h e w o r k i n g s t a t u s o f e q u ip m e n t s o n r e al t i m e i n c lu d e s d a t a c o l l e c t i n g o n s i t e , n a r r o w b and w a rni n g and t r e n d p l o t ; ana l y z i n g c o l l e c t i n g d a t a i n c l u d e s : t i m e f i e l d ana l y s i s , a x i s o b i t ana l y s i s , d i g i t al f i l t e r d e m o d u l a t i o n ana l y s i s , f ft d e l i c a t e ana ly s i s , h o l o g r a p h i c s p e c t r u m anal y s i s , w a t e r f al l d i s p l a y ana l y s i s , b o d e d i s p l a y ana l y s i s , p o l a r p l o t anal y s i s . d u r i n g t h e t e s t i n g r u n n i n g o f t h e s y s t e m , t h e s y s t e m k e p t t o c o n s u m m a t e and al l f u n c t i o n s w e re v e r i fi e d . i t s a t i s f i e d t h e n e e d o f c u s t o m s and w a s p r i d e b y t h e c u s t o m s . t h e t h e s i s e x a m i n e s t h e d e v e l o p m e n t e x i s t i n g c i r c u m s t anc e and f u t u r e a b o u t c o n d i t io n - b a s e d m a in t e n anc e i n t e rn al l y c o m p a r e d w i t h e x t e rn a l ly , i t a l s o e x p l a i n s t h e d e s i g n s c h e m e o f c o m p o s i t e e q u i p m e n t s t a t u s m o n it o r i n g and f a u lt d i a g n o s i s s y s t e m , t h e s y s t e m al s o r e a l i z e d t o e l i m i n a t e t h e u n b a l anc i n g b y i n fl u e n c e c o e f f i c i e n t m e a n s f i n al l y t h e i n s t a l l and a p p l i c a t i o n a b o u t t h e s y s t e m i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l s k e y wo r d s c o n d i t i o n - b as e d m a i n t e n anc e f a u l t d i a g n o s i s , c i r c u m r o t a t i n g m a c h in e b al anc e d a t a ana l y s i s 电 呀 二 重庆大学1 . 程硕士学位论立 第一章绪论 第一章绪 论 1 . 1 预 测 维 修 体 制 的 发 展 概 况 1 l (2 ) 9 1 10 1 随着工业生产与 科学技术的发展， 机械设备越来越精密复杂，自 动化 水平也相应提高，这些设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也将 给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，选择合理的设备维修体制，做 好设备的维修管理工作， 对于确保安全生产，提高产品质量， 节约维修费 用，增加社会效益，就具有特别重要的意义。 在国内 外大多数工业领域中，设备维修体制的发展经历了三个阶段， 即故障维修、 定期维修和预测维修， 每种维修体制都有各自 的长处和不足。 故障维修以“ 事后维修”为指导思想，是让设备运行直至故障停车才进 行维修的一种维修方式，一般适用于设备价格不高，有多组生产线，发生 事故损失不大， 且有备用机组的 情况。这种维修方式对较重要的关键设备 虽然平均检修时间最长， 但对发生事故难以 预料，往往会造成设备的严重 损坏，既不安全又延长了检修时间，维修费用反而加大，而且还有不容忽 视的生产损失。 定期维修以“ 预防维修”为指导思想，是按照预定的时间间隔或检修 周期进行计划修理的一种维修方式。一般适用产品价格高，大型机组，高 效且无备用和连续性生产过程的情况。这种方式是建立在设备故障率的统 计 分 析 基 础之 上的， 其 检 修周 期 远小 于 最 短故 障 发生 周 期， 因 此 可 保 证 不 会出现设备损坏的严重问 题。但是，它往往要使还能运行一段时间的设备 停下检修，减小了产量，增加了维修费用，造成了 “ 过剩维修” ，这对于 现代化大型连续生产企业是很不合理的。 预测维修以“ 状态监测” 为指导思想， 是对测试结果进行分析处理后， 证明有必要时才安排检修的一种方法。它不规定检修周期，但须定期或连 续对设备进行状态监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无异常或 故障趋势，在必要时进行检修。 这种方法根据其投入和产出效果，一般应 用于流程作业或关键设备。它能在设备失效前监测和诊断出存在的故障， 并可利用预测预报技术，较准确地估计出继续运行的可靠时间，因而使设 备的适用寿命最长和意外停机事故的几率最小。同时，还因为控制了 “ 过 剩维修” ，从而减小了备件消耗和维修工作量，也防止了因不必要检修而 出现的人为故障，致使维修费用最少。 预测维修的实质是将定期维修发展为定期 ( 连续)ma r ) 或诊断。据有 重庆大学 程硕士学位论文第二章 旋转机 械故障诊断 lr. 3m 第二章 旋转机械故障诊断原理 2 . 1 故 障 诊 断 的 实 施 方 法 3 1 71 111 12 1 13 1 14 1 大型旋转机械的状态监测与故障诊断具有其特殊性，这一特殊性表现 在测试的主要对象是一个转动部件，即转子或转轴以及转动体与静止体之 间的相对关系等。转动部件包括转子及连接转子的联轴器等;非转动部件 包括轴承、轴承座、机壳和基础等。转子是旋转机械的核心部件，整个旋 转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不 是孤立的，它通过轴承 ( 滑动轴承或滚动轴承)支承在轴承座及机壳与基 础上，即构成了 所谓的转子一支承系统.支承的动力学特性在一定程度上 影响转子的运动。但是，我们可以认为，旋转机械的大多数振动问题或故 障都是与转子直接有关，只有少数问题直接与支承箱体或基础有关。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此， 要求我们主要 是从转子运动中去监测和发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提 取信息更为直接和有效。当然， 监测转子轴的振动比之测量非转动部件的 振动，在测试技术上难度更大一些。随着传感器和其它电子测试仪器的发 展，对旋转机械的试验研究及运转监测， 特别是对转子运动的测试技术都 有了发展，使得我们有可能借助于试验和测量手段更深入地研究旋转机械 的振动问题。 设备故障诊断技术根据不同的诊断对象、要求、设备人员、时间、地 点等具体情况， 要采取不同的诊断 策略和实施措施。图2 . 1 是故障诊断的 基本实施过程， 其中 实 线表示的是计算机辅助设备故障诊断的实 施路线。 图2 . 1故障诊断实施过程 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分为简易诊断和精密诊断。简 重庆人学 程硕十学位论文 第二章旋转机械故障诊断原理 易诊断是设备运行状态的初级诊断，能够对设备的状态迅速作出概括的评 。它主要由设备现场工作人员通过测定设备的某一较为单一的特征参 ，检查其状态是正常还是异常。当特征参数在允许值范围以内时便认为 价数 是正常，否则为异常。往往以超过允许值的大小来表示故障的严重程度， 当达到某一设定值时就停机检修 高，简单易学，常作为一种常 规性的检查措施。 精密诊断是在简易诊断基 础上所进行的更深层次的诊 断，目的是对设备故障的原 因、部位以及严重程度进行深 入分析，作出判断，从而为进 一步的治理决策提供依据。精 密诊断需要专用的精密分析仪 器，价格昂贵，同时对使用者 的素质要求较高，往往应用于 大型、关键设备上。图 2 .2 所 。一般来说，简易诊断对人员素质要求不 图2 .2简易 诊断与 精密诊断的关系 示为简易诊断与精密诊断的相互关系。 故障的分析和预测比一般性的监测具有较大的难度.为了进行故障的 分析和预测，不仅要求有较完整的数据监测和采集系统，而且要求对转子 一支承系统的各类振动问题的一般规律以及机器表现出的现象有深入的 了解.只有两者的结合，才有可能判断出故障的原因及其在机器上的可能 部位。 自 从旋转机械测试中引入微处理机以后，对转子一支承系统的故障分 析和预测起到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存 大量有关振动的资料信息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和 预测提供了极为有力的工具。但是，故障预测工作到目 前为止不能说己形 成为一门完整的学科， 因为它涉及到机器多方面的因素， 比如机器的类型， 工作条件变化的影响，可能出现哪些故障，这些故障会有哪些征兆，属于 转子动力学哪一类问题， 它的振动表现有何种特点， 突出表现在哪些部位， 用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息等等。因此，完成一项大型旋 转机械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及被测对象有较为完整、 深入的整体理解， 只有这样， 监测系统才能担负起保障大型旋转设备安全、 经济运行的职责。 重庆大学工程硕士学位论文第二章 旋转 机械故障诊唆 i f t 31 2 . 2转子动力学模型的 建立3 1 1 3 2 1 3 3 1 3 5 1 (3 6 1 3 7 1 转轴在机械中的作用非常重要，同时它也是影响机器正常运行的主要 因素。转轴的速度一直在向越来越高的方向发展，作用于轴承、基础以及 其它相应零件上的动载荷也随着转速的提高而增加，因此，无论在工厂还 是在试验室，人们都极其关注转轴的牢固性。转轴一旦开始振动超常，就 有可能造成严重的破坏。 由于有许多能产生干扰的振源，轴的转动不是纯转动。干扰运动可能 有许多形式，如轴向的、 横向的、以 及扭转振动 ( 见图2 . 3 ) 。一根转轴可 能有许多振动现象共存，所以轴的运动可以是强迫振动、瞬态振动和自 激 a )以 速度w ( t ) 绕自 身 轴作 纯 运动 b )干扰的扭转振动 = 今 i - - - - - - - - - - - - - - - ， - - - 一 ( 二 =习 c ) 包含横向及角度变形的横向 千扰振动 d ) 干扰的轴向振动 图2 .3轴的动态现象 振动 ( 见图2 .4 ) . 在制造过程中，轴可能存在弯曲、不圆度或不平衡，从而在离心力作 用下产生强迫振动。在运动中，热的影响、磨损或使用条件也能产生不平 衡。另外还有一些形式的振动是由设计者造成的，例如普通发电机转子由 于紧配合零件产生的内摩擦，这些因素都能产生转轴的自 激振动。支承转 子的轴承对转子的运动也有很大影响，转轴可以由于滑动轴承中流体或空 气动力的作用产生自 激振动。这些情况使得对转子动态特性的研究不仅是 必要的，而且是非常复杂的。 在过去几十年中，由于近代仪器和监测方法在控制机械振动中日益广 泛的应用，已积累了丰富的关于转子动态状况的记载。这种以实际机器的 状况为基础的分析有助于建立所研究的现象的较正确的数学模型。数学模 型通常是以理想化的方法反映最主要的现象，把全部的或多数的次要现象 重庆大学 _ 程硕士学位论文 第二章旋转机械故障诊断原理 忽略掉，对数学模型的研究可以帮助我们进行动力学的 “ 参数”分析， 这样就能够预见机器发生非正常现象时一些参数的数值范围。每一种动力 学现象都可以用最简单的数学模型单独进行研究，这样做容易得到解析 的、定性的和定量的结果，还可以 对它们在复杂情况下适用性的限制做出 评价。 转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和 计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转 子上， 转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。 该模型称为刚性支承的转子， 对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确 的。由于作了 上述的种种简化， 若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转 机械虽然不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特征。 转动能 外 界 输 ( 脉 冲 形 式 能 输出 ( 自激振动) ( c ) 图2 .4转子振动的各种形式 a ) 强迫的b ) 瞬态的c )自 激的 外界激振力中有不平街惯性力、重力、 流体压力、各种扭矩等; 能量转换机构可以是轴承和密封中的动力、外摩擦、内摩擦、电机中电动力等。 一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点 在同一水平线上。设转子上的圆盘位于两支点的中央。当转子静止时，由 重庆大学工程硕士学位论文 第二章 旋转机械故障诊断原理 于圆盘的质量使转子轴弯曲 变形产生 静挠度，即静变形， 但由于静变形较 小，对转子运动的影响不显著， 可以忽略不计， 即认为圆盘的几何中心o 0 与轴线a b上o点相重合，如图2 . 5 所示。 图2 . 5单圆盘转子 当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度，其向 径为r 。此时，转子有两种运动:一种是转子自 身的运动，即圆盘绕其轴 线a o b的转动:另一种是弓 形转动，即弯曲的 轴心线a o b与轴承联线 a o b组成的平面绕a b 轴线的转动. 圆盘的质量以m表示，它所受的力是转子的弹性恢复力f f=一k r( 1 ) 式中k 为转子刚度系数，r0 0 。圆盘的转子微分方程为 m z 二f= - k x m y = 凡= - k y ( 2 ) 令 w, = k l m， 则有 x+w i v + w n y = ( 3 ) 它的解可以写作 x c o s ( wt + 必 ， ) y s i n ( wt + o y ) ( 4) y = 其中振幅x . 由 ( 4 )可知 y 和 初 相 位 0 . 1 yy 圆盘和转子的中心 都与起始的振动状态有关。 o ，在互相垂直的两个方向作频率 重庆大学工程硕士学位论文 第二章 旋转机械故障诊 断原理 为w的 简 谐 振 动 。 在 一 般 情 况 下 ， 振 幅x , y 不 相 等 ， o点 的 轨 迹 为一椭圆。o 的这种运动称为 “ 涡动”或 “ 进动” 。 为分析其进动情况，将 ( 3 ) 改写为复数形式 z + wz z = 0 i b, i点o ， 作正向涡动 轨迹为椭圆 b, i i b= !点0 ， 作反向涡动 圆盘或转轴中心的进动涡动属于自 然振动，它的频率就是圆盘没有转 动的转轴弯曲振动的自 然频率。 当转子以角速度口作正进动时，圆盘相对于弯曲平面的角速度是 。一 “， 其中。 及口 均以逆时针转向为正，因此对于正进动，只有。= 口 时，相对角速度才为零。同理，当圆盘作反进动时，圆 盘相对于弯曲平面 的角速度仍可用。一 “表示， 但此时口 是负值，故对于反进动，圆盘的相 对角速度与。同向，且总不为零。 由于圆盘相对于轴线弯曲平面有转动，转轴上的轴向纤维就处于交替 的拉伸及压缩状态，材料的内阻将影响转子的运动。只有在q=。的条件 重庆大学工程硕士学位论文 第 止 章 旋转 机 械m t o g i 断 瘪 1 1 刁 没有转 动， 转 轴上 各 轴向 纤维 始终 保持其原来的 拉 伸或压缩状态，故 材 料的内阻不起作用。如不计外阻的影响，则轴线弯曲平面的进动就可以持 久。我们称4二 “时轴线弯曲平面的进动为同步正向涡动或同步正进动， 。= 一 。时则称为同步反向涡动或同步反进动。 2 . 3振动信号的运动特征3 8 ) ( 3 9 1 机械设备出现的故障种类繁多，其诊断信息包括温度、声音、振动、 应力、流量等。但是，对于旋转机械而言，没有任何一种信息能象振动那 样对设备状态具由更直接的反应 诊断 ，因此振动分析及测量在旋转机械的故障 周期信号 技术中占有极为重要( 的地位。i 在工程中，我们测量动态信号悦 到的振动信号通常是幅值i 随时间变化的动态信号。戈 动态信号可分为用确定的 时间函数来表达的确定性 信号和不能用时间函数来 描述的随机信号，具体分类如图2 .6 所示。 确定性信号 非周期信号 随机信号 平稳随机信 号 非平稳随机信号 图2 . 6振动信号分类 下面分别对各类动态信号的运动学特征进行分析。 2 . 3 . 1周期信号 当两个频率相同，相位不同的简谐振动的合成时 令 x , = a , s in ( w t + - , ) ，x 2 = a z s in ( w t + a 2 ) ， 则 : x= x , + x , = a , s in ( w t + a , ) + a 2 s in ( w t + a 2 ) = a , ( s in w t c o s a , + c o s w t s in a j + a 2 ( s in w t c o s 。 。 + c o s wt s i na 2 ) = s in w t ( a , c o s a , + a 2 c o s a , ) + c o s w t ( a , s in a , + a 2 s i n a 2 ( 7 ) 令: 将 a c o s a = a s i n a = a , c o s a , +a 2 c o s a 2 a , s i n a , +a 2 s i n a 2 ( 8 ) ( 8 )两端平方再相加，可求得 a = 寸 a 矛 + a 2 + 2 a , a 2 c o s ( a ， 一 a 2 ) ( 9 ) 重庆大学工程硕士学位论文第 二章 旋转机 械故障诊断原理 a 一 v a 2 + a 2 + 2 a ,a 2 c o s ( a , - a 2 ) 将( 9 ) 两端相除，可求得: t g a a, s i n+a 2 s i n a 2 a , c o s a , +a c o s a 2 9 ) ( 1 0 ) 将( 8 ) 代入( 7 ) 式， x = a c o s a s i n7 t h w i+a s i n a c o s w t二a s i n ( w t一a ) 式中， a由 ( 9 ) 表示， a 由 ( 1 0 ) 式表 示。 由此可知:两个频率相同的简谐振动，沿同一方向进行时，合成后仍 是一个相同频率运动的谐振动。 两个以上同频率的简谐振动也可用上述方法进行合成，设有 k个谐振 动: x, = x， = .、，户 :之 介a 介十 (wt(wt一(wt a , s i n a 2 s i n x*=a k s i n 其合成振动可表示为:x二 a s in ( w t + a ) “ = 、 klr 式中:， ” 一小 k 。 。二 。 ) 艺a 。 s in。 。 a = a r c tg ;- 一 工 a ， c o s。 。 2 、当两个频率不同，相位不同的简谐振动的合成时: 令 x , = s in (w ,t + a , ， x z = a 2 s in ( w , t + a l l 其合成运动为: x= x , + x z = a , s in ( - ,t + 。 ， ) + a , s in ( w , t + a z 重庆大学工程硕士学位论文 第二章 旋转机械故障诊断原理 二 a , s in ( w ,t + 。 : ) 十 a z s in ( w ,t + a l + ( w 2 一 w i i t + ( a ， 一 a l/ = s in ( w i t + 。 ， ) ( a ， 十 a 2 c o s ( w 2 一 w 1 ) ， + ( a 2 一 a 1 ) 十 。 in ( w , t + 。 ， 十 二 / 2 ) . a 2 s in ( w 2 一 w , ) t + ( a 2 一 a , ) 由上式可以看出，两个不同频率的谐振动合成，可以看作是由幅值为 ， ， + ， ， c o s ( w 2 一 w , ) ， + ( a ， 一 a , )和a 2 s in l( w 2 一 w , ) + ( a 2 一 a , ) 以 及 相 位 为 a ， 和a 2 十 “ l 2 的 两 个 同 频 率 振 动 合 成。 其合成结果为: x二 a ( t ) g - . ,l + a , + a ( ) 式中: t9 试 t ) a (t ) = j a ; + a z + 2 a , a 2 c o s ( w ， 一 w 4 + (- ， 一 a . ) = 二 a 2 s in (. , - w , + (a 2 - a , v x . f al 人 十凡co邓洲2 一w , 厂+钾2 一 a , j l 由上两式可以 看出，其合成振动的振幅和相位都随时间变化，己 经不 是谐振动。而且当两谐振动的频率都是不大的整数时，其合成振动是周期 性运动，其周期为两个分振动周期的最小分倍数。 3 . 情况: 两 个 振 动 频 率 比 较 接 近 ， 即 其 差 ( e = w 2 一 ， . ) 远 小 于 二 : 和 ， 、 的 设 : x , = a , s in ( w it + a , ) ， x 2 = a 2 s in ( w e t + a 2 ); 而w 2 则x z =w l +e = a , s in ( w ,t + ( e t + a , ) ) ， 即 把 x : 看 作 和 x 具 有 相 同 的 频 率 ， 相 位 (a 十 - z ) 随 时 间 进 行 缓 慢 的 变 化 运 动 ， 其 合 成 运 动 为 : x= x , + x z = a , s in ( w ,t + a , ) + a z s in ( w ,t + ( e t + a , ) ) 令 : x = a (t ) s in w ， 十 。 o l 重庆大学工程硕士学位论文 第二章 旋转机械故障诊断原理 利用同频率的两个谐振动合成的公式( 9 ) . ( 1 0 ) 可得: ， ( t = , / 云+ a 2 + 2 ， ! a 2 c o s 1e 十 ( a z tg a ( t ) =a , s i n a , + a 2 s i n a , ) ( 1 1 ) a , c o s a , +a 2 可见这种合成振动近似于正弦振动 失 口 : 但其振幅随时间发生变化。由 ( 1 1 ) 可 当c o s 卜 t + ( a 2 一 a , ) 一 1 时， 即。 + a 2 一 a , = 2 n tr ( n = 0 , 1 、2 ) 或 ， = ， n 一 (a , 一 “ 方时 ， 振 幅 达 到 最 大 值 当c o s e ， 十 ( a ， 一 a , ) = 一 1 时， 即t = 2 其值为: +兀一 编 . ( a z = 人+ a , ; 一 “ i ) e 时， 振幅 达到 最小 值， 其 值 为a , =a ， 一a 2 这种振幅 在最大 值( a z 现象叫做 “ 拍振” 。 +a ) 和 最小 值( a 2 一 a , ) 之间 作周期变 化的 4 、 互相垂直的两个谐振动的合成 令 : x = a s in ( w ,t + a , ， y = b s in ( w , t + a 2 ( 1 2 ) 其合成结果与频率 ， 萨 育图 形。 当w , = w ， 时 w : 和 相 位a , + a 2 有 关 由 ( 1 2 ) 有: 合成得到的图形称为李 x-ay-b = s i n w t c o s a , + c o s w t s in a , =s mw t c o s a z + c o s w t s ma , ( 1 3 ) 消去( 1 3 ) 中时间参量t ， x 、 : ， y、 ， l -1 + t ) - a b 得到: _xya b 一 a , 一， 一 一a z ) 一般来说，上述方程是一个椭圆 动，则椭圆不会超出 2 a和 2 b ，因为质点的位移 为边的矩形。同时， x . y在有限范围内 变 椭圆长短轴的大小和 重庆大学工程硕士学位论文 第二章 旋转机械故障诊断原理 方向由 相位差( a 2 - a , ) 决定 5 、谐波分析 简谐振动是周期性振动最简单的形式，在实际问题中更多的是非简谐的周 期性振动。 周期振动只要满足以下条件， 也可以分解为简谐振动， 条件是: 1 )函数在一个周期内连续或只有有限个简短点，而且间断点上函数的左 右极限都存在:2 ) 在一个周期内只有有限个极大和极小值。把一个满足 上述条件的周期函数展开成傅立叶级数，亦即展开成一系列简谐函数之 和，称为谐波分析。谐波分析是频谱分析的基础。 设 有 一 周 期 性 函 数x ( t ) 它 的 周 期 为t ， 可 以 展 开 成 傅 立 叶 级 数 。 x (t) 一 警 + a , c o s w t + a 2 c o s 2 w t + + b , s in w t + b 2 sin w t + 二 阔业t =a o 2 艺(a c o s n w t + b s in n w t 式中w =称为基频，n w ( n = 1 ,2 , 3 . . . . . ) 称为倍频， a。 为静态分量， a。 ， b 。均为待定常数， ，由下式确定: 介 (t) c o s n w td t 少 (t) s in w td t 2t ( n = 1 , 2 , . ， n ) 2t 2 . 3 . 2非周期信号 非周期信号包括准周期信号和瞬变非周期信号。前面的分析说明:周 期信号可以分解为一系列频率成正比的正弦波信号，反之，几个频率成正 比的信号也可以 合成为一个周期信号。然而，任意的两个或几个正弦波之 和，一般不会组成周期信号，只有每一对频率之比都是有理数时，才能合 成周期性信号，因为只有这样，其基本周期才存在。当分解信号的频率之 比不全为有理数时，这样的信号称为准周期信号，可用如下形式来描述: x ( t ) = 艺 x s in ( w t + (p j 重庆大学工程硕士学位论文 第三章 旋转机械故障诊断原理 式中w/ w 。 一 般不 等于 有理 数。 如 果在 准 周 期信号中 忽 略 相角(p ， 则上 式 可用图2 . 7 所示的离散谱表征， 其频谱和周期信号频谱的差别只在于各个 频率不再是有理数的关系。 ix mi 振幅 x| 振幅 f t 。 f 4 f 5 颊 捧 图2 . 7准周期数据的频谱图 2 . 8 频 率f 瞬变非周期信号的频谱 瞬变非周期信号指除准周期信号以外的非周期信号，一般持续时间较 短，有明 显的开 端和结束， 可用某时变函数进行描述。 瞬变非周期信号不 能象周期信号那样用离散谱表示，其谱结构为傅立叶积分所表示的连续 谱，如图2 . 8 所示. 傅立叶变换是进行频率结构分析的重要工具，它可以辨别或区分组 成任意波形的一些不同频率的正弦波和它们各自 的振幅。对傅立叶正变换 ( f f t ) ，有 f ( w ) 一 j x (t )e - d t 对傅立叶逆变换 ( i f f t ) ，有 x (t ) 一 牛j f ( w )e d t 式中， x ( t ) 是被分解的正弦波之和的波形， f ( w ) 为 x ( t ) 的傅立叶变换 i = , r - 丁 。 根据欧拉公 式:e * = c o s w t 士 i s i n w t ， 也 可以 用实 谱r ( w ) 和虚谱i ( w ) 的 形式表示f f t结果: f ( w ) =r ( w ) 一 i / ( w ) 其中 重庆大学 卜 程硕士学位论文 第 二 章 旋 转 机 械 故 障 诊 m f r 遵 9 r ( w ) 一 j x (t ) c o s wt d t 1 (w ) 一 j x ( t) s in w td t 由此可见， 傅立叶变换是从时域到频域， 或从频域到时域的信号转换， 并无信息损失，所不同的只是表达方法。 2 . 3 . 3随机信号 随机信号不能用确定的时间函数来表示。对同一事物的变化过程独 立地重复进行多次观测，所得的信号是不同的，波形在无限长时间内 不会 重复。尽管随机信号每次都不同，但可对其总体规律进行研究，取其平均 性质，这就需要用概率统计的方法进行分析。 随机过程可分为平稳随机过程和非平稳随机过程。如果信号的样本 均值a s ( t , ) 和自 相关 函 数r , ( t t , + i -) 不随 时间r 。 的改 变 而 变化， 此时 随 机 过程x ( t ) 称为广义平稳的随机过程，反之为非平稳随机过程。 多数设备在正常运转时的信号可以看作时平稳的。对于广义平稳过 程，均值是常数，自 相关函数仅与时间位移有关，即 ,u x ( t ,) = ,u , r , ( tt , + z ) = r x ( z ) 这样，我们就可以用任愈一条样本曲线按时间平均的均值和自 相关 函数来表示总体均值和总体自 相关函数。 实际上， 许多 情形下的工程信号 都可以认为是各态历经的平稳随机信号。 随机信号的分析，主要采用概率和统计的方法，通过幅值统计平均 计算概率密度，通过相关分析和频谱分析 ( 谱密度分析) ，在幅域、时域 和频域里进行统计分析.设备故障诊断中常用的统计分析函数包括: 1 、幅域分析的统计函数 均值e x 指集合平均值或数学期望值， 可定义为: e ( x ) =l im 生 r - tf x ( t)d t 均 方 值 e ( x ) 是 l (t ) 的 平 均 值 e ( x 2 ) = 可定义为: lim 1 r 二 ， ( t ) d t t - . - t 重庆大学 f 一 程硕士学位论文第二章 旋转机械故障诊断原理 方 差 8 2 定 义 为 : r 2 一 e ( x - e x j ) 2 j ; 方 差 的 正 平 方 根 s 称 均 力 差 ， 也 叫 标 准 差 。 易 证 关 系 式 6 ， 一 e x 2 一 ( e x ) ) ， 成 立 ; 概率密度函数 p ( x ) 为随机变量的瞬时幅值落在增量a x 范围内 可能出 现的概率和增量a r 之比，即: p ( x ) =l im p ( x ) - p (x 上 竺 2 对于发电 用的 大型蒸汽透平等 机组，要求启动时，机壳与转子必须以同样的比率受热膨胀。如果转子与 机壳受热膨胀比率不同，就有可能发生轴向 摩擦而使机器受到损害。 测量差胀时要把电涡流传感器安装在机器末端与止推轴承相反的一 侧。测量差胀的传感器要求灵敏度较高，其线形范围一般为1 英寸;机壳 膨胀测量通常由安装在机壳外部，以地基为参考基准的线形可变差动变压 器 ( l v d t )进行的.如果机壳膨胀不正常，机壳的“ 滑脚”就会被卡住， 重庆大学上程硕士学位论文第_章旋转机械故障诊断原理 这当然就发生了问题。 不对中是在压缩机机组和燃气轮机驱动泵机组的安装过程中常常发生 的故障。通常机组安装图纸中有相应的对中性指标要求，然而处于热运行 状态下的机组，各机壳之间的对中性仍需要用传感器等仪器来监控。 3 、除了振动参量和位置参量以外，其它测量参量还包括转速、温度 和相关性测量: 在对机械运行状态分析中找出振动和转速之间的关系是很重要的。在 设计离心类机器时，它的转速运行范围应避开机器的平衡共振，并且使其 运行转速也不会激发机器的这些特殊共振。机器启动时的数据在确定平衡 共振时很重要，这些数据可表示为振动幅度和相角与机器转速之间的关系 曲线，在描绘这种曲线和寻找这些参量之间的关系时，可以很容易地确定 机器的平衡共振 ( 临界共振) 。 除此之外，温度也是最常用和最重要的参量之一，找出温度数据和振 动测量结果以及二者之间的关系 将有助于我们发现机器可能存在的故障。 在对运行中的机器进行全面系统分析时，掌握温度、压力、流量和其 它一些可能影响机器运行状态的外部参量之间的相互关系也是非常重要 的.搞清楚这些参数及其相互关系，就能最终确定 “ 某一特定机器的正 常运行状态参数” ，从而确定一组与现场情况相符的振动故障类型的标准 判据，为实现预测维修打下可靠的基础。 2 . 5 烧 结 抽 烟 机 的 常 见 故 障 类 型 和 诊 断 实 例 分 析 91 10 1 4 4 1 4 7 1 烧结抽烟机的工作方式是将烧结烟气从转子左右两端的进风口吸入腔 体，再通过转子叶片的旋转作用将烟气从风机底部的管道排出，从而保证 下游烧结工序的生产质量。图2 .9 表示了烧结抽烟机的结构原理。 s j - 1 2 0 0 0 型抽烟机的主要性能参数如下: 工作介质: 烧结烟气; 进口 压力: 0 . 8 4 m p a ;出口 压力:0 . 9 6 m p a ;进 口 温度: 1 5 0 度; 所需功率: m o m : 主 轴转 速:l 0 0 0 r p m : 一阶临界转 速:1 4 9 3 r p m : 转子重 量:1 9 1 5 4 k g ; 叶片数: 2 4 片; 原动机:t 4 0 0 0 - 6 / 1 7 3 0 型电机， 4 0 0 0 k w, 6 k v ; 传动方式:风机两端伸轴， 左端以 齿式联轴器与电 动机联结传动，右 端以插入式联轴器与主油泵联接; 旋转方向:从原动机端正视风机转子，为逆时针旋转; 吸排气口 走向:双进单出，空间呈垂直分布。 重庆人学上程硕士学位论文 第三章 系统方案设训 第三章 系统方案设计 3 . 1系统的总体方案 便携式振动监测故障诊断与预知维修系统由传感器、信号调理模块、 a i d转换、笔记本微型计算机、软件包、打印机等组成，系统的总体布局 如图3 . 1 。 该系统把设备状态监测、故障诊断、 预知维修、 数据库管理有 机地结合在一起，真正达到了技术先进、性能可靠、使用方便、经济实用 的目的。具体工作过程是，首先在笔记本计算机上组态，即把被测对象、 测点、巡检路线，采样参数，报普值等信息输入笔记本计算机， 建立数据 库。然后携带便携式振动数据采集系统到现场采集数据，在现场采集过程 中可现场修改有关组态信息，并进行简易故障诊断.信号采集完毕后，由 计算机进行详细的信号分析、 把有关分析结果存入数据库， 进行趋势分析， 故障振动和预知维修分析。基本的功能如下: 1 、 设备测试组态 将进行数据采集的路线、方案、步骤等编辑在同一表格文件上，该 表格文件称为组态表， 它包括需监测的设备名称、 编号、 测点数量、 布置、 参数、记 录长度、上次记录值、 报普值等。设备测试组态软件包括组态表 编辑、回 放、存盘、打印及与数采器双向 通讯等功能，并对信号分析、预 测维修数据库进行管理。 2、信号分析处理 包括时域幅值域分析、时延域分析、频域分析、传递相干分析、ff t 细馄化、检波滤波、高通绝对值分析、轴心轨迹分析、数字滤波、倒频 域分析、三维功率谱分析等。频域分析时，分析频率可以改变，并在改变 分析频率时，增加了数字抗混滤波功能。 此外，开发了 适用于多测点动态 信号综合分析的通频全息谱分析技术及软件。信号分析结果按照一定的要 求自动传输到设备预测维修数据库中。 3 、 设备预知维修 设备预知维修包括数据管理、预测分析两大部份。 所管理的数据包括 信号分析结果中各种图形数据及特征值数据。预测分析包括特征值报告、 窄带报警分析、趋势预报与剩余寿命预估、时间谱阵图、选择性频率趋势 图、相位变化图、谱比较及差谱分析、综合特征量判别、谱的时域特征量 分析、频率得分法、事故记录等。 基本技术指标如下: 重庆人学上程硕士学位论文 第三章 系统方案设0 1 、 测量通道数:1 6 个模拟信号 输入通道。 数字量输入、 数字量输出、 外触发、外时钟各 1 个通道。 2 , a / d转换精度:1 2 位 3 ,最高采样频率:1 0 0 k h z 4 、输入动态范围:7 2 d b 5 、系统幅值精度:优于2 %. 6 、系统频率定位精度:优于0 .2 %. 7 , 1 0 2 4 点 f f t 运算时间 ( 8 0 m s ( c p u钟频:6 6 mh z ) 8 、光标移动读数，屏幕刻度可调。 该系统的硬件是由笔记本计算机或便携式一体化工控机、美国 i o t e c h公司的 p c m c i a型a i d卡、动态信号调理模块、和自 行研制的 以上各部件之间的信号转接件等组成。该系统的硬件具有积木化特点， 可 根据用户要求配置通道数 ( 2 至2 5 6 通道) 和各种信号调理模块。由于采 用通用的笔记本计算机，系统的软件功能和软硬件接口极易扩充。 图3 . 1 系统的总体布局图 该系统软件将综合优化重庆大学完成的国家级火炬计划项目、国家级 新产品 c d ms信号处理、故障诊断及振动分析系统的有关技术和方 法。在wi n d o ws 9 8 平台上，采样mi c r o s o ft v i s u a l c + + 6 .0 编程，打破计 算机应用软件面向文件、数据的传统做法，使用户直接面向自己的车间、 生产线、设备和测点等对象及具体功能。特别是根据现场特点，把设备组 态设置、 数据采集、状态监测、信号处理、故障诊断、数据库管理等有机 重庆大学工程硕士学位论文第四 章 转子 横向 振 动及动不平街处理力 一丛 地结合在一起。用户可以 方便地改变主菜单， 修改设备车间、 生产线和设 备的数量和名称。 该系统软件既可以安装在笔记本计算机上， 构成便携式 多通道动态信号采集及分析系统;也可以安装在笔记本计算机或台式计算 机上， 完成动态信号分析及设备状态监测、 故障诊断、 数据库管理等工作。 整体软件的技术关键主要在速度、精度、功能、实用性、灵活性、操作简 便性等方面， 本项目 主要是在充分了解国内外同 类产品的基础上，采用结 构化、集成化、模块化等软件设计方法，解决以上技术关键。 3 . 2硬件设计总体方案 烧结抽烟机在线监测诊断系统硬件部分由信号采集子系统和在线监测 诊断子系统组成.信号采集子系统包括压电式振动加速度传感器、电涡流 振动位移传感器、电 荷放大器、前置放大器、接口 箱、八 刃 板、接口扩展 端子板等部件. 在线监测诊断子系统包括工业控制计算机、 报警系统、系 统软件、显示打印设备等部件。此外，还包括一些辅助设备，( 见构成框 图3 .2 ) 。 下面简要介绍系统硬件的主要功能: 便携 式设备状态 监测与故障 诊断系统软 件包 卜一 一 一 一 前置处理器 r_ - a . j- j . 工 簇 1_ n _ 便 尸 一if 7 m 7 仪 ma fl 厂 亡 二 厂 携 打 一 二一 口 式匕ifp ! 计厂洲l 算一 i i 机 i 速度传感器 图3 .