旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的研究現(xiàn)狀

1、現(xiàn)代信號處理與故障診斷課程論文旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的研究現(xiàn)狀姓名：楊 大 鵬 學(xué)號：200812020080202023鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的研究現(xiàn)狀摘 要：本文詳細介紹了旋轉(zhuǎn)機械故障診斷國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對主要采用的研究方法進行了概要的說明，分析了故障診斷現(xiàn)在主要的研究方向，介紹了故障診斷裝置的開發(fā)和研究，簡要說明了故障診斷的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：故障診斷；研究方法；故障診斷裝置1. 引言機器的振動總是伴隨著機器的運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。即使機器在最佳的運行狀態(tài)，山于很小的缺陷，也將產(chǎn)生某些振動。例如，飛機在飛行時機翼的振動，火車在鐵軌上行駛時產(chǎn)生的振動和噪聲，機床在切削是刀具產(chǎn)生的振動等。同

2、樣，旋轉(zhuǎn)機械，包括蒸氣機、燃氣透平機、水力透平機、壓縮機、鼓風(fēng)機、離心機、發(fā)電機、泵以及各種齒輪減速(增速)器等在運轉(zhuǎn)時也必然會產(chǎn)生振動和噪聲。由于轉(zhuǎn)子、軸承、殼體、聯(lián)軸節(jié)、密封和基礎(chǔ)等部分的結(jié)構(gòu)以及加工和安裝方面的缺陷，使機器在運行時引起振動，過大的振動往往是機器破壞的主要原因，所以對旋轉(zhuǎn)機械的振動測量、監(jiān)視和分析是非常重要的。又由于振動比其它狀態(tài)參數(shù)，例如潤滑油或內(nèi)部流體的溫度、壓力、流量或電機的電流等更能直接、快速準確地反映機組的運行狀態(tài)，即，正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，所以一般把振動信號作為對旋轉(zhuǎn)機械進行狀態(tài)監(jiān)測和診斷的主要依據(jù)。機械設(shè)備故障常以振動形式表現(xiàn)出來，振動危及設(shè)備的正常運行，嚴重時

3、甚至可能導(dǎo)致機毀人亡事故，如1972年日本關(guān)西電力公司南海電廠600mw汽輪發(fā)電機組、1985年大同電廠和1988年秦嶺電廠的zoomw汽輪發(fā)電機組的斷軸毀機事故。進行振動監(jiān)測與故障診斷的目的在于預(yù)防及減少設(shè)備故障的發(fā)生，以最小的維修費用，確保機組安全運行并獲得最大的機組可用率及經(jīng)濟效益。旋轉(zhuǎn)機械是生產(chǎn)實踐中的關(guān)鍵設(shè)備，開展旋轉(zhuǎn)機械的監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。2. 旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的目的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的目的主要有三個:(1)能及時、正確地對旋轉(zhuǎn)機械各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預(yù)防或消除故障，對設(shè)備的運行進行必要的指導(dǎo)，提高設(shè)備運行的可靠性、安全性和有效性，以把故障損失降低到最

4、低水平。(2)保證旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備發(fā)揮最大的設(shè)計能力，制定合理的檢測維修制度，以便在允許的條件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長使用壽命，降低設(shè)備安全壽命周期費用。(3)通過監(jiān)測、故障分析、性能評估為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設(shè)計等提供數(shù)據(jù)和信息。總之，旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷既要保證設(shè)備的安全可靠運行，又要獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。3. 轉(zhuǎn)機械故障診斷研究現(xiàn)狀近幾十年來各國都在大力開展有關(guān)設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究，并已取得了顯著的成效，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展，大致可以分為五個階段：第一個階段是19世紀，由于機器設(shè)備本身的技術(shù)水平和復(fù)雜程度都很低，因此多采用事后維修的方式。第二個階段是進入20世

5、紀后，隨著大生產(chǎn)的發(fā)展，機器設(shè)備本身的技術(shù)復(fù)雜程度也有了提高，設(shè)備故障或事故對生產(chǎn)的影響顯著增加，在這種情況下，出現(xiàn)了定期預(yù)防維修方式。第三階段是從60年代開始，特別是70年代以來，設(shè)備診斷技術(shù)隨著現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更科學(xué)的按設(shè)備狀態(tài)來進行維修的方式。第四階段是進入80年代以后，人工智能技術(shù)開始發(fā)展，并有實際應(yīng)用，使設(shè)備維修技術(shù)達到了智能化高度。第五階段是90年代以來，模擬人腦物理結(jié)構(gòu)和直覺聯(lián)想的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)開始迅速發(fā)展，已成為國際上該領(lǐng)域的最新熱點。旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)可大致劃分為三類:傳統(tǒng)的診斷方法、數(shù)學(xué)診斷方法和智能診斷方法。其中，傳統(tǒng)的診斷方

6、法包括:振動監(jiān)測技術(shù)、噪聲監(jiān)測技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)等;數(shù)學(xué)診斷方法包括:基于貝葉斯決策判據(jù)以及基于線性和非線性判別函數(shù)的模式識別方法、基于距離判據(jù)的故障診斷方法、基于概率統(tǒng)計的時序模型診斷方法、模糊診斷原理、灰色系統(tǒng)診斷方法、故障樹分析法、小波分析法以及混沌分析法與分形幾何法等;智能診斷方法包括:模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和進化計算方法等。3.1國外旋轉(zhuǎn)機械故障診斷發(fā)展現(xiàn)狀日本的設(shè)備診斷技術(shù)在某些民用工業(yè)，如鋼鐵、化工、鐵路等部門發(fā)展的很快，占有優(yōu)勢。日本機械維修一協(xié)會，計測自動控制學(xué)會、電氣學(xué)會、機械學(xué)會也相繼設(shè)立了自己的專研究機構(gòu)。國立研究機構(gòu)中，機械技術(shù)研究所和

7、船舶技術(shù)研究所重點研究機械基礎(chǔ)件的診斷技術(shù)，東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、京都大學(xué)、早稻田大學(xué)等高等學(xué)校著重基礎(chǔ)性理論研究。其他民辦企業(yè)，如三菱重工、川崎重工、日立制作所、東京芝浦電氣等企業(yè)內(nèi)部工作為中心開展應(yīng)用水平較高的實用項目，三菱重工的白木萬博在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方面開展了系統(tǒng)的工作，他所研制的“機械保健系統(tǒng)”在汽輪發(fā)電機組故障監(jiān)測和診斷方面起到了有效的作用。美國軍方大約在60年代，意識到定期維修的一系列弊病，開始變定期維修為預(yù)知維修，即在設(shè)備正常運行過程中就開始進行監(jiān)護，以發(fā)現(xiàn)潛在的故障因素，及早采取措施，防止突發(fā)性故障的產(chǎn)生。恩泰克一愛迪國際公司 (entekird hitemational

8、nevada)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)知維修技術(shù)研究和軟硬件產(chǎn)品開發(fā)方面做了大量的工作，在世范圍內(nèi)安裝近15000套系統(tǒng)。奔特力公司 (bentleynevada)開發(fā)的dm2000網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能對多臺設(shè)備進行在線監(jiān)測和智能診斷，能與企業(yè)的管理和控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊，使企業(yè)不同部門都能同時獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設(shè)備進行監(jiān)測和診斷等。由此可見設(shè)備診斷與預(yù)維修技術(shù)已成為企業(yè)現(xiàn)代化管理的基本內(nèi)容。美國機械工程師學(xué)會(asme)領(lǐng)導(dǎo)下的鍋爐壓力容器監(jiān)測中心，在應(yīng)用聲發(fā)射診斷技術(shù)(ae)對靜設(shè)備故障診斷方面取得了較大的進展。美國在航空方面，在可靠性維修管理的基礎(chǔ)上，大規(guī)模地對飛機進

9、行狀態(tài)監(jiān)測，采用了飛行器計算機數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)(aids)，分析處理大量飛行中的信息來確定飛機各部位的故障原因并發(fā)出消除故障的命令，這一技術(shù)己用于b747和dcg等巨型客機中，大大提高了飛行安全性。據(jù)統(tǒng)計，世界班機每億旅客公里的死亡率從20世紀60年代的0.6左右下降到70年代的0.2左右。歐洲其他一些國家也在診斷技術(shù)的某些方面具有特色或占有領(lǐng)先地位，如英國曼徹斯特大學(xué)成立了沃福森工業(yè)維修公司(wn討u)，瑞典的spm軸承監(jiān)測技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥b&k的振動和聲發(fā)射技術(shù)。3.2國內(nèi)旋轉(zhuǎn)機械故障診斷發(fā)展現(xiàn)狀在我國，設(shè)備故障診斷與預(yù)維修技術(shù)研究工作起步較晚。國內(nèi)的一些民用工業(yè)，尤其是冶金、石

10、化和電力等流程工業(yè)，在開發(fā)和應(yīng)用設(shè)備診斷技術(shù)方面走在了前面，因為這些工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生事故就會造成很大的損失。八十年代國內(nèi)一些高校和科研單位開始進行機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的理論研究和小范圍工程實際應(yīng)用研究。并且在冶金、化工、機械、交通、電力及核工業(yè)等部門取得了一批卓有成效的成果，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的微計算機化旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測故障診斷裝置“mmmd一m”、哈爾濱電工儀表所等單位聯(lián)合研制的“zoomw汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測/分析及故障診斷系統(tǒng)zhx一10”等，目前全國已有數(shù)十個單位開展設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究工作，各行業(yè)都很重視在關(guān)鍵設(shè)備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是具有智能化功能的故障診斷

11、專家系統(tǒng)，并已經(jīng)成功開發(fā)了20種以上的機組故障診斷系統(tǒng)。石化總公司從20世紀70年代組織無損檢測到80年代開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，已投資600多萬元為其所屬企業(yè)裝備了各類監(jiān)測儀表1400多臺，加強了對旋轉(zhuǎn)機械的振動監(jiān)測及故障原因分析。鄭州大學(xué)以全矢譜分析技術(shù)為核心，開發(fā)了em3000設(shè)備遠程監(jiān)控與運行管理系統(tǒng)和pdes設(shè)備狀態(tài)檢測與安全評價系統(tǒng)。前者主要應(yīng)用在連續(xù)性作業(yè)的石油、化工、冶金、電力等行業(yè)的關(guān)鍵機組，后者則主要應(yīng)用在大、中型分布式機組。此外，機械行業(yè)在現(xiàn)場簡易診斷和精密診斷方面，航空工業(yè)在研制診斷儀器方面，核工業(yè)在進行反應(yīng)堆故障診斷和壽命預(yù)測方面，鐵道部門在進行內(nèi)燃機車油液的光譜、鐵譜分析

12、和電力機車診斷方面，以及交通部門在實施汽車不解體檢4. 轉(zhuǎn)機械故障診斷的研究方向目前對旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的研究主要在三個方面，故障機理的研究、機械系統(tǒng)信號信息的研究和故障診斷系統(tǒng)的研究。故障機理的研究是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的客觀依據(jù)。轉(zhuǎn)子的異?；蚬收鲜窃跈C械運行中通過其狀態(tài)信號變化反映出來的。轉(zhuǎn)子故障機理的研究主要是從運動學(xué)和動力學(xué)的角度，建立合理的物理或數(shù)學(xué)模型，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障原因和狀態(tài)效應(yīng)。它的目的是掌握轉(zhuǎn)子的故障形成和發(fā)展過程，了解其內(nèi)在的本質(zhì)及其特征，為故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測提供敏感參數(shù)及相關(guān)特征。機械系統(tǒng)信號信息的研究包括故障信號的檢測和分析處理兩部分，即利用先進的信號采集和處理技術(shù)提取

13、故障特征。信號的檢測主要是測取系統(tǒng)的振動、噪音、溫度和壓力等，為信號分析處理提供數(shù)據(jù)。信號的分析處理是對這些信號進行加工、變化、提取出反映設(shè)備狀態(tài)的特征指標。5. 故障診斷裝置的開發(fā)和研究設(shè)備故障診斷離不開實際的手段。目前在這方面的發(fā)展主要在以下兩個方向進行，即便攜式的振動監(jiān)測、診斷儀(包括數(shù)據(jù)采集器)及在線監(jiān)測與診斷裝置。(l)便攜式的監(jiān)測診斷儀器該儀器主要采用單片機，其功能主要是對機組振動情號進行測試并對所測信號進行簡易分析與診斷。一般這類儀器還配有現(xiàn)場動平衡的功能。(2)在線監(jiān)測與診斷裝置這類裝置配有傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及打印輸出系統(tǒng)，并配有豐富的監(jiān)測與論

14、斷軟件，它可存儲大量運行數(shù)據(jù)，以備分析診斷使用。這類裝置一般采用上下位機工作方式，下位機進行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，上位機對采集的數(shù)據(jù)進行分析、診斷。最近幾年國內(nèi)各高校、研究所相繼開發(fā)了各種類型的在線診斷裝置用于電廠大型發(fā)電機組及石化系統(tǒng)的壓縮機組，與國外產(chǎn)品相比，可以說軟件功能相當，但裝置可靠性方面應(yīng)進一步提高。國內(nèi)開發(fā)的最大優(yōu)點是，軟件功能可進一步完善，采用漢字顯示便于現(xiàn)場應(yīng)用，價格較國外產(chǎn)品大為下降。6. 設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展到今天，己成為一門獨立的跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，它以可靠性理論、信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測試儀器和計算機為技術(shù)手段，結(jié)合各種診斷

15、對象(系統(tǒng)、設(shè)備、機器、裝置、工程結(jié)構(gòu)、工藝過程等)的特殊規(guī)律逐步形成的一門新興學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一參數(shù)閉值比較的機器監(jiān)測方法正開始向全息化、智能化監(jiān)測方法過渡，監(jiān)測手段也從依靠人的感官和簡單儀器向精密電子儀器以及以計算機為核心的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。當前，機械設(shè)備的監(jiān)測診斷呈現(xiàn)出如下一些特點。在監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，以分布監(jiān)測代替集中監(jiān)測、以網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)替代微機集中監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機械監(jiān)測中的具體應(yīng)用，也是當代設(shè)備監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的必趨勢。在監(jiān)測方式上，以實時的在線監(jiān)測替代定期監(jiān)測和巡回監(jiān)測。在監(jiān)測參數(shù)上，以多參數(shù)、大容量監(jiān)測替代單參數(shù)監(jiān)測。在軟件設(shè)計上，以多任務(wù)系統(tǒng)替代

16、單任務(wù)系統(tǒng)。在監(jiān)測的內(nèi)容上，從平穩(wěn)運行監(jiān)測到非平穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展。在系統(tǒng)功能上，由監(jiān)測、診斷逐步向監(jiān)測一診斷一預(yù)報治理和管理一體化的方向發(fā)展，診斷方法向智能化、快捷化、靈敏化方向發(fā)展，診斷方式向現(xiàn)場診斷和遠程診斷相結(jié)合的方向發(fā)展。在監(jiān)測方法上，不再是單參數(shù)的閉值比較，取而代之的是基于信息集成、融合、信息分解、提純等技術(shù)的監(jiān)測方法。與當代前沿科學(xué)的融合是設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。當今故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化;診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術(shù)的智能化，具體來說表現(xiàn)在如下方面:與當代最新傳感器技術(shù)尤其是激光測試技術(shù)的融合。近年來，激光技術(shù)已從軍事、醫(yī)療、機械加工等領(lǐng)域深入

17、發(fā)展到振動測量和設(shè)備故障診斷中，并且己經(jīng)成功應(yīng)用于測振和旋轉(zhuǎn)機械對中等方面。與最新信號處理方法相融合。隨著新的信號處理方法在設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的機械設(shè)備信號分析技術(shù)有了新的突破性進展。與非線性原理和方法的融合。機械設(shè)備在發(fā)生故障時，其行為往往表現(xiàn)為非線性。如旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子在不平衡外力的作用下表現(xiàn)出的非線性特征。隨著混沌與分形幾何方法的日趨完善，這一類診斷問題必將得到進一步解決。與多元傳感器信息的融合。現(xiàn)代化的大生產(chǎn)要求對設(shè)備進行全方位、多角度的監(jiān)測與維護，以便對設(shè)備的運行狀態(tài)有整體、全面的了解。因此，在進行故障診斷時，可用多個傳感器同時對設(shè)備的各位置進行監(jiān)測，然

18、后按照一定方法對這些信息進行處理。與現(xiàn)代智能方法的融合。現(xiàn)代智能方法包括專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化計算等?，F(xiàn)代智能方法在設(shè)備故障診斷技術(shù)中已得到廣泛的應(yīng)用。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)測和設(shè)備故障的智能診斷，將是故障診斷技術(shù)的最終目標。與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合基于智能控制的回轉(zhuǎn)壓縮機械故障診斷與研究計算機網(wǎng)絡(luò)的普及和建設(shè)，為設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展帶來了新的思路與前景。將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)造基于計算機網(wǎng)絡(luò)的遠程故障診斷系統(tǒng)。遠程故障診斷以互聯(lián)網(wǎng)為橋梁，跨越企業(yè)和研究機構(gòu)在空間上的距離，實現(xiàn)知識、理論和技術(shù)的共享。遠程診斷系統(tǒng)將具有更強的診斷能力，更高的總體可靠

19、性和先進性，良好的可擴展性和相對低廉的建設(shè)維護成本。縱覽國內(nèi)外在故障診斷技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對故障診斷體系的研究和開發(fā)應(yīng)該分兩步走:一方面，針對大型機組、關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)報警系統(tǒng)，在全國乃至全球范圍內(nèi)建立專業(yè)的故障診斷數(shù)據(jù)庫;另一方面，建立故障診斷的局域網(wǎng)，應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測軟件進行有針對性的故障診斷，進一步，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程故障診斷。可見，未來的故障診斷系統(tǒng)將會是專家型與智能型故障診斷系統(tǒng)的融合。參考文獻1徐敏,黃昭毅,等.設(shè)備故障診斷手冊.西安:西安交通大學(xué)出版社,1998:1-10782虞和濟,韓慶大,李沈.設(shè)備故障診斷工程.北京:冶金工業(yè)出版社,2001,1-7633張萍,周東華.動

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