轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)

1、介紹主要內(nèi)容1、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的概念2、大致分類3、發(fā)展歷史回顧4、分析過程簡(jiǎn)介5、不對(duì)中故障機(jī)理與診斷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的概念轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分類剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以下 判別依據(jù)：一般工作轉(zhuǎn)速6000r/min 的機(jī)械系統(tǒng)屬于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 亞同步振動(dòng)：亞同步振動(dòng)：振動(dòng)頻率 工作頻率 自激振動(dòng)：自激振動(dòng)：振動(dòng)過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部不斷有能量輸入而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障分類頂隙激振喘振旋轉(zhuǎn)失速油膜振蕩油膜渦動(dòng)）亞同步振動(dòng)（自激振動(dòng)轉(zhuǎn)子橫向裂紋轉(zhuǎn)子與定子摩擦裝配件或基礎(chǔ)松動(dòng)軸彎曲不對(duì)中不平衡同步振動(dòng)（強(qiáng)迫振動(dòng)）柔性轉(zhuǎn)子剛性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷發(fā)展歷程20 世紀(jì) 60 年代

2、NASA 成立美國機(jī)械防御小組(MFPG)20 世紀(jì) 70 年代 電子測(cè)量技術(shù)和頻譜技術(shù)應(yīng)用； 大型狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷開始實(shí)用化，并用于早期報(bào)警20 世紀(jì) 80 年代早期 以計(jì)算機(jī)為中心的商業(yè)化故障診斷系統(tǒng)； 多種傳感技術(shù)應(yīng)用（振動(dòng)、溫度、力、電、磁 等） 多種信號(hào)分析技術(shù)應(yīng)用（如模式識(shí)別、模糊邏輯等）20 世紀(jì) 80 年代中后期 人工智能應(yīng)用，特別是專家系統(tǒng)； 基于規(guī)劃的汽輪機(jī)專家系統(tǒng)； Bently 公司的工程師幫助軟件； Radiau 公司的大型機(jī)組診斷專家系統(tǒng) ；20 世紀(jì) 90 年代 人工智能；信息融合；定量診斷； 基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷 。(1)狀態(tài)信號(hào)采集。狀態(tài)信號(hào)采集。根據(jù)檢

3、測(cè)手段分為振動(dòng)檢測(cè)、噪聲檢測(cè)、溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)等。其中，振動(dòng)檢測(cè)法是最基本的檢測(cè)手段。（多種）(2)通過采集的信號(hào)提取故障特征通過采集的信號(hào)提取故障特征原始信號(hào)包含很多干擾項(xiàng)，使原始信號(hào)的故障特征不明顯。需用信號(hào)處理方法把原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為能表達(dá)工況狀態(tài)的有用信息。常用的方法有時(shí)域分析法、頻域分析法、統(tǒng)計(jì)分析法等。(3)對(duì)提取到的故障特征進(jìn)行模式識(shí)別和分析對(duì)提取到的故障特征進(jìn)行模式識(shí)別和分析故障診斷的關(guān)鍵是從設(shè)備動(dòng)態(tài)信號(hào)中提取故障特征。應(yīng)該選擇敏感程度強(qiáng)，規(guī)律性好的特征量。特征量的正確提取是模式識(shí)別、故障診斷環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)保障。(4)狀態(tài)預(yù)測(cè)狀態(tài)預(yù)測(cè)根據(jù)特征量提供的信息，對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)做出確切的判斷

4、。并針對(duì)異常工況分析原因給出維修決策。在模式識(shí)別部分應(yīng)用比較廣泛的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊聚類法、支持向量機(jī)等方法。分析過程簡(jiǎn)介故障識(shí)別分析傳統(tǒng)識(shí)別是在有先驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，按一定的規(guī)律、經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生故障的原因、種類及具體部位做出判斷，但這種方法可靠性較差。 1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種自適應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，它是科學(xué)家通過模擬生物神經(jīng)元系統(tǒng)特性而建立起來的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式存儲(chǔ)、并行處理、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)診斷推理及趨勢(shì)預(yù)測(cè)的功能，在模式識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。但缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用上的很多重要問題只能依靠經(jīng)驗(yàn)和技巧解決

5、，需要對(duì)算法和模型進(jìn)一步發(fā)展與研究，以達(dá)到越來越精確的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。 2)基于支持向量機(jī)的模式識(shí)別方法基于支持向量機(jī)的模式識(shí)別方法支持向量機(jī)是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種模式識(shí)別方法，其基本思想為：利用非線性變換將輸出空間轉(zhuǎn)化到一個(gè)高維空間當(dāng)中，在產(chǎn)生的新空間中求得最優(yōu)線性分類面，通過定義適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)來實(shí)現(xiàn)這種非線性變換。SVM在解決小樣本、非線性和高維模式識(shí)別問題當(dāng)中優(yōu)勢(shì)十分明顯，已在模式識(shí)別和函數(shù)擬合等領(lǐng)域開始應(yīng)用，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中取得了一定的成果。 3)基于隱馬爾科夫模型的模式識(shí)別方法基于隱馬爾科夫模型的模式識(shí)別方法隱馬爾科夫模型作為一種信號(hào)動(dòng)態(tài)時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)模型，具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)

6、構(gòu)和可靠的計(jì)算性能，適用于動(dòng)態(tài)過程時(shí)間序列的建模并具有強(qiáng)大的時(shí)序模式分類能力。它能通過較少的樣本訓(xùn)練出可靠的模型，并按模式匹配原理，尋找與未知信號(hào)最相似的模型作為識(shí)別結(jié)果，非常適合于對(duì)非平穩(wěn)、重復(fù)再現(xiàn)性不佳的信號(hào)進(jìn)行分析。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械升降速信號(hào)較為復(fù)雜，信號(hào)的頻率和幅值均隨時(shí)間的變化而變換，表現(xiàn)為典型的非平穩(wěn)性，由于各種隨機(jī)因素影響，這些振動(dòng)信號(hào)重復(fù)再現(xiàn)性較差。根據(jù)這些特點(diǎn)，HMM 非常適合于對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械升降速信號(hào)進(jìn)行建模和診斷。（基于 PSO 優(yōu)化的 HMM，主要優(yōu)點(diǎn)是，計(jì)算簡(jiǎn)單、收斂速度快、具有良好的全局與局部收斂能力。）檢測(cè)裝置：檢測(cè)裝置：流程圖：流程圖：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)故障

7、診斷軟件平臺(tái)開發(fā) 應(yīng)用 MATLAB軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，應(yīng)用LabVIEW 軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面開發(fā)，這兩個(gè)獨(dú)立軟件之間由 LabVIEW 軟件中的 MATLAB Script 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接，軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)清晰，實(shí)用性強(qiáng)。不對(duì)中故障機(jī)理與診斷據(jù)美國MONSANTO石化公司統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的 5060 %是由轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的。轉(zhuǎn)子不對(duì)中的類型軸承不對(duì)中：軸頸在軸承中偏斜軸系不對(duì)中：各轉(zhuǎn)子不處在同一直線上平行不對(duì)中：軸線平行位移角度不對(duì)中：軸線交叉成一角度綜合不對(duì)中：軸線位移且交叉e(a) 平行不對(duì)中(b) 角度不對(duì)中(c) 綜合不對(duì)中造成不對(duì)中的原因（1）軸承系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)中因素

8、考慮不夠周全以及計(jì)算偏差。（2）機(jī)器設(shè)備在操作上的超負(fù)荷運(yùn)行以及機(jī)器設(shè)備保溫效果不好，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中各單個(gè)轉(zhuǎn)子受熱變形不一樣；（3）由于支撐機(jī)器的基礎(chǔ)變形或是機(jī)器底座由于各種各樣的原因下沉使機(jī)器處于不對(duì)屮工作狀態(tài)；（4）各種毛坯件在鍛，鑄過程中由于各種原因，會(huì)形成一定偏心、歪斜等不均勻缺陷，在安裝過程中經(jīng)常通過找正的方法進(jìn)行補(bǔ)救，補(bǔ)救過程中存在找正誤差；（5）機(jī)器外部工作環(huán)境溫度變化比較大，所以機(jī)器各零部件受熱變形不一。不對(duì)中故障機(jī)理與診斷危害危害： （1）增加機(jī)器的振動(dòng)；（2）過度的聯(lián)軸器損壞；（3）增加密封件的磨損；（4）增加軸承的磨損；（5）過高的能源消耗。不對(duì)中的危害-熱像圖62 F105

9、 F不同的聯(lián)軸器具有不同的故障機(jī)理大型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，常用齒式聯(lián)軸器平行不對(duì)中平行不對(duì)中角不對(duì)中角不對(duì)中綜合不對(duì)中綜合不對(duì)中中、小設(shè)備多采用固定式剛性聯(lián)軸器平行不對(duì)中平行不對(duì)中角不對(duì)中角不對(duì)中綜合不對(duì)中綜合不對(duì)中不對(duì)中故障機(jī)理齒式聯(lián)軸器平行不對(duì)中2cos2121coscos2sin21cossinDDDyDDxdDdydDdx2sin2cosdtDddtdydtdxVK/)/()/(22KV在K點(diǎn)的線速度KV在K點(diǎn)的角速度Kw2/22dtdDVwKK2DrVKKKABww不對(duì)中故障機(jī)理齒式聯(lián)軸器平行不對(duì)中wtwmDwtDmxmmaFx2sin)2(212sin22 wtwmDwtDmymmaFy

10、2cos)2(212cos22 激振力與不對(duì)中量激振力與不對(duì)中量 D 和質(zhì)量和質(zhì)量 m 成正比成正比 激振力隨轉(zhuǎn)速變化的因子為激振力隨轉(zhuǎn)速變化的因子為 4w2，這說明不對(duì)中對(duì)轉(zhuǎn)速的，這說明不對(duì)中對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感程度比不平衡對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感程度要大敏感程度比不平衡對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感程度要大4倍。倍。 222221nnnH不平衡時(shí)的幅不平衡時(shí)的幅頻響應(yīng)函數(shù)頻響應(yīng)函數(shù)角度不對(duì) 當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線之間存在偏角位移時(shí)，如圖2-1所示，從動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)轉(zhuǎn)子的角速度是不同的。從動(dòng)轉(zhuǎn)子的角速度為: 式中，1，2分別為主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子的角速度；為從動(dòng)轉(zhuǎn)子的偏斜角；1為主動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。從動(dòng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周其轉(zhuǎn)速變化兩次，如圖2-2所示，

11、變化范圍為 圖2-1 聯(lián)軸器偏角不對(duì)中 圖2-2 轉(zhuǎn)速比的變化曲線 偏角不對(duì)中使聯(lián)軸器附加一個(gè)彎矩，彎矩的作用是力圖減小兩軸中心線的偏角。轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向交變一次，因此，偏角不對(duì)中增加了轉(zhuǎn)子的軸向力，使轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生工頻振動(dòng)。綜合不對(duì)中在實(shí)際生產(chǎn)中，往往是兩者的綜合結(jié)果。激振頻率為角頻率的2倍；激振力的大小隨速度而變化，其大小和綜合不對(duì)中量y、安裝距離L以及中間齒套質(zhì)量m等有關(guān)。聯(lián)軸器兩側(cè)同一方向的激振力之間的相位差在0180之間。其他故障物理特性也介于軸線平行不對(duì)中和角度不對(duì)中之間。同時(shí)，齒式聯(lián)軸器由于所產(chǎn)生的附加軸向力以及轉(zhuǎn)子偏角的作用，從動(dòng)轉(zhuǎn)子以每回轉(zhuǎn)一周為周期，在軸向往復(fù)運(yùn)

12、動(dòng)一次，因而轉(zhuǎn)子軸向振動(dòng)的頻率與角頻率相同，如下圖所示。剛性聯(lián)軸器連接轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障機(jī)理剛性聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子對(duì)中不良時(shí)，由于強(qiáng)制連接所產(chǎn)生的力矩，不僅使轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形，而且隨轉(zhuǎn)子軸線平行位移或軸線角度位移的狀態(tài)不同，其變形和受力情況也不一樣，如下圖所示。 用剛性聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)，轉(zhuǎn)子往往是既有軸線平行位移，又有軸角度位移的綜合狀態(tài)，轉(zhuǎn)子所受的力既有徑向交變力，又有軸向交變力。彎曲變形的轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)軸表面與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)表面之間的摩擦而產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，而且當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生周期性變動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周變動(dòng)兩次，因而其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)

13、子轉(zhuǎn)動(dòng)頻每轉(zhuǎn)動(dòng)一周變動(dòng)兩次，因而其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的兩倍。率的兩倍。不對(duì)中故障 轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障特征 振動(dòng)的振幅與轉(zhuǎn)子的負(fù)荷負(fù)荷有關(guān) 負(fù)荷越大、振幅越大 不對(duì)中故障對(duì)轉(zhuǎn)子的激振力隨轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的升高而加大 激勵(lì)力與不對(duì)中量不對(duì)中量成正比 軸系具有過大的不對(duì)中量時(shí)，轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生附加徑向力和附加軸向力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異常振動(dòng) 平行不對(duì)中主要引起徑向振動(dòng)徑向振動(dòng) 角度不對(duì)中主要引起軸向振動(dòng)軸向振動(dòng) 振動(dòng)頻率 徑向振動(dòng)以工頻的2倍頻為主倍頻為主，也有1倍頻的成分 軸向振動(dòng)以工頻的1倍頻為主倍頻為主，也有2x，3x。不對(duì)中故障 轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障特征 振動(dòng)幅值幅值 平行不對(duì)中：平行不對(duì)中：振動(dòng)頻譜中2x

14、幅值超過1x幅值的50 角不不對(duì)中：角不不對(duì)中：軸向2x或3x幅值約是1x轉(zhuǎn)頻幅值的3050 2x值相對(duì)于1x幅值的高度常取決于聯(lián)軸器的類型和結(jié)構(gòu) 聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸承振動(dòng)的相位差相位差 平行不對(duì)中，徑向振動(dòng)差180 角度不對(duì)中，軸向振動(dòng)差180 軸心軌跡軸心軌跡：香蕉形、8字形、外圈中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)圈不對(duì)中故障平行不對(duì)中的故障特征角度不對(duì)中的故障特征 基于復(fù)值過程高階累積量譜的軸心軌跡分析的研究基于復(fù)值過程高階累積量譜的軸心軌跡分析的研究 用復(fù)值過程表示軸心軌跡，將復(fù)值過程高階累積量理論引入軸心軌跡研究，證明了混雜在軸心軌跡中的高斯復(fù)噪聲和實(shí)虛部非相關(guān)隨機(jī)噪聲的高階累積量為零，定性說明了該理論可以有效

15、抑制寬帶和窄帶噪聲。它可以同時(shí)具有提純和特征提取兩個(gè)功能。轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障原因與治理措施診斷實(shí)例 某透平壓縮機(jī)組檢修后啟動(dòng)時(shí)，高壓缸振動(dòng)較大；機(jī)組運(yùn)行一周后壓縮機(jī)高壓缸振動(dòng)突然加劇，測(cè)點(diǎn)4、5的徑向振動(dòng)增大，其中測(cè)點(diǎn)5的振動(dòng)值增加兩倍，測(cè)點(diǎn)6軸向振動(dòng)加大；又運(yùn)行兩周后，測(cè)點(diǎn)5的振動(dòng)值又突然增加一倍，超過設(shè)計(jì)允許值，振動(dòng)劇烈。機(jī)組布置示意圖異常振動(dòng)特征測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)5 5的振動(dòng)波形畸的振動(dòng)波形畸變?yōu)榛l與倍頻的疊變?yōu)榛l與倍頻的疊加波形，頻譜中加波形，頻譜中2 2倍倍頻譜具有較大幅值頻譜具有較大幅值雙橢圓復(fù)合軌跡雙橢圓復(fù)合軌跡軸向振動(dòng)變大軸向振動(dòng)變大診斷實(shí)例診斷意見診斷意見壓縮機(jī)高壓缸和低壓缸之間轉(zhuǎn)子對(duì)

16、中不良轉(zhuǎn)子對(duì)中不良，聯(lián)軸器發(fā)生故障生產(chǎn)驗(yàn)證生產(chǎn)驗(yàn)證高、低壓缸之間的聯(lián)軸器固定法蘭與內(nèi)齒套的連接螺栓已斷掉三只對(duì)中嚴(yán)重超差對(duì)中嚴(yán)重超差，不對(duì)中量大于設(shè)計(jì)要求16倍對(duì)螺栓斷面進(jìn)行電鏡分析，斷面為沿晶斷裂、并有局部韌窩組織。聯(lián)接螺栓的機(jī)械加工和熱處理工藝不符合要求機(jī)械加工和熱處理工藝不符合要求，螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且熱處理后未進(jìn)行正火處理，金相組織為淬火馬氏體，螺栓在拉應(yīng)力作用下脆性斷裂。診斷實(shí)例小節(jié) 本文主要介紹了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的分類,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷的基本環(huán)節(jié)、故障特征提取分析、 故障識(shí)別分析和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究的發(fā)展，并對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的產(chǎn)生原因、機(jī)理和其頻譜特征、軸心軌跡特征

17、進(jìn)行了仔細(xì)的分析描述。轉(zhuǎn)子故障診斷也早已不是停留在人工測(cè)試判斷的水平上，而是通過計(jì)算機(jī)和各種智能算法進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和智能反應(yīng)。但是，我認(rèn)為這一切智能化都是在典型振動(dòng)故障的機(jī)理和特征的基礎(chǔ)之上的，因此準(zhǔn)確理解典型振動(dòng)故障的機(jī)理和特征至關(guān)重要。1 鐘秉林,黃仁.機(jī)械故障診斷學(xué)(第2版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.62 趙榮珍,黃義仿,張力等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械智能故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008.34(5):36-403夏松波, 張禮勇. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與展望J. 振動(dòng)與沖擊, 1997, 16(2): 1-5.4 韓清凱，于濤，王德友，等，故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分

18、析與診斷方法，北京：科學(xué)出版社，20105鄭近德, 程軍圣, 胡思宇. 多尺度熵在轉(zhuǎn)子故障診斷中的應(yīng)用J. 振動(dòng), 測(cè)試與診斷, 2013, 33(2).6 何勇,安源勝,武紅霞.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷J,風(fēng)機(jī)技術(shù),2007,(6):67一8,72.7徐賓剛, 屈梁生, 陶肖明. 轉(zhuǎn)子故障貝葉斯診斷網(wǎng)絡(luò)的研究 JJ. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2004, 40(1): 66-72.8 W.J.Wang,J.Chen,X.K.Wu.The applieation of some non-linear methods in rotating machinery fault diagnosisJ,MeChhacal Systems and Signal Proeessing,2001, 15(4):697-705.9 盛兆順,尹琦蛉.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,20