1、西北工业大学硕士学位论文基于LabVIEW的旋转机械故障诊断可视化系统的设计姓名：冯今朝申请学位级别：硕士专业：载运工具运用工程指导教师：王仲生20070301西北工业大学硕士毕业论文摘要旋转机械在机械装备中占有举足轻重的地位，它们大多为生产企业中的关键设备，因此，保证旋转机械的安全可靠运行对企业和国民经济有重要的意义。论文针对以往旋转机械故障诊断的复杂过程，设计了一套基于LabVIEW 71可视化编程软件的旋转机械故障诊断可视化系统，对旋转机械的故障诊断过程进行可视化图形显示，不仅提高了用户操作的直观性和友好性，而且提高了的工作效率。论文在对旋转机械典型故障特征、传统特征分析方法和非平稳信号
2、的时频分析技术进行了详细介绍的基础上，采用当今计算机测试领域比较流行的虚拟仪器，通过虚拟式监测，对旋转机械的不同振动故障，进行了时域波形分析、频谱分析，利用小波包分析进行故障信号的特征频率提取，最后，比较目前故障诊断领域常用的几种先进诊断方法，选择具有高度的非线性、高度容错和联想记忆的功能的神经网络(LM优化算法)进行故障的分类识别，得出诊断结果。实验结果表明，所研究和设计的系统的有效性和实用性。关键词：旋转机械故障诊断虚拟仪器可视化LM优化西北工业大学硕士毕业论文 AbstractAbstractRotating machinery takes叩the major part in all m
3、achinery equipments andplays an important role in industry entcq叶isesIt is very important to ensure thefunning safety of rotating machinery for both enterprises and our societyIn order tosalve the problem that process of fault diagnosis is too complex，this dissertationdesign a fault diagnosis visual
4、ization system of rotating machineryIt is basedLabVIEW 71 and fault diagnosis process ofrotating machinery is displayed byvisualfiguresNot only visualization and friendly wel“e improved in usel“operation,but alsoefficiencyThis dissertation introduces particularly representative fault characters，trad
5、itional characters analysis memo& and the timefrequency analysis fornon-stationary signals，Moreover；it introduces the virtual instrument technology,which is popular in the field of Computer Aided TechnologyThrough virtualmonitoring mean,both time domain and flrequency domain methods tail be used toa
6、nalyze several sorts of fault vibration signal of rotating machineryWavelet packetwas used to extract fault characteristic valueFinally,ANN(LM optimizationalgorithm)was chose from several advanced diagnosis methods to identify fault typebecause ofits good performance oil non-linear,faulttolerant and
7、 associative memoryThen the result of fault diagnosis can be gainedThe experiment testifies theeffectiveness and practicability ofthis designed s”tcmKeyword：Rotating machinery,fault diagnosis，virtual instrument visualization,LM optimization Algorithm西北工业大学业学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期
8、间论文工作的知识产权单位属于西北T业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结台学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北T业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名2m7年弓月，妇指导教师签名：!盟2“年)月f，日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重卢明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导F进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容
9、和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：2lI：乞塑12。)年j H如日西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论第一章绪论11故障诊断的意义、目的和任务在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果某一零部件或设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅可能导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在流程生产系统中，如果某一关键设备因故障而不能继续运行，
10、往往会涉及整个流程生产系统的运行，造成巨大的经济损失。因此，对于流程生产系统故障诊断具有极为重要的意义，例如电力工业的汽轮发电机组，冶金、化工工业的压缩机组等。在机械制造领域中，如柔性制造系统、计算机集成制造系统等，因故障存在而可能导致加工质量降低，使整个机器产品质量不能保证。从系统分析观点出发，工况监视与故障诊断可以理解为识别机械设备运行状态的科学，也就是说利用上述检测方法和监视诊断手段，从所检测的信息特征判别系统的工况伏态，它的最终目的是提高设备效率、运行可靠性、分析故障形成原因，以防思于未然，它是大型机械设备安全可靠运行的关键技术之一，也是各种自动化系统及一般机械系统效率和可靠性进行预知
11、维修及预知管理的基础。工况监视与故障诊断不是等同的概念，而又统一动态系统之中，工况监视的任务是判别动态系统是否偏离正常功能，监视其发展趋势，预防突发性故障产生。一旦偏离正常功能，应迅速做出调正，使工况恢复到正常。如果系统某个环节存在故障，就要进一步查明故障原因及其部位，这就是诊断。因此，工况监视是故障诊断的基础。综上所述，工况监视与故障诊断是一门综合性很强的技术领域，它涉及计算机软硬件、传感器与检测技术、信号分析与数据处理、预测预报、自动控制、系统辩识、人工智能、力学、数学及振动工程以及机械工程等诸多领域”1。12故障诊断的国内外发展状况121故障诊断国外的发展状况早在二战期间，由于大量军事装
12、备缺乏诊断技术和维修手段，造成了大量的西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论非战斗性的损坏，人们开始意识到故障诊断和检测技术的重要性。自六十年代以来，由于半导体的发展，集成电路的出现，电子技术、计算机技术的更新换代，特别是1965年FFT方法获得了突破性的进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支，为机械设备诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础。美国最早开展机械故障诊断技术的研究。英国、瑞典、挪威、丹麦、日本等国家紧随其后。早在1967年4月，在美国宇航局倡导下，由美国海军研究室主持召开了美国机械故障诊断预防小组(MPEG)，开始有组织有计划的对机械诊断技术进行专题研究，并成功的运用于航天、
13、航空、军事行业的机械设备中；日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展较快，并具有较高的水平。设备诊断技术在欧洲一些国家也有很大的发展，它们在广度上虽然不大，但都在某一方面具有特色或占领先地位。如瑞典的SPM轴承诊断技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦则在机械振动监测诊断和声发射监测仪器方面具有较高的水平。国外状态监测、故障诊断近20年发展迅速。根据最新资料报导：西方国家正投入大量人力物力进行这项技术的工业化研究以及相关基础性应用技术研究。如欧洲共同体的英、法、芬兰、希腊从1996年5月起，开始了一项利用人工智能和仿真技术提高状态监测和诊断系统的功能与精度的“VISlO”大型联合项目的研
14、究。法国从70年代末开始实施一项名为“利用永久性状态监测实现状态检修(PSAD)”的研究计划，现已成功地用在了法国4个核电厂的汽轮机组、反应堆循环泵、压力容器上，计划配备法国全部核电厂。PSAD系统是由主工作站、分析工作站和远程站组成，可以实现主要部件的在线故障检测、利用专家系统对故障的评估、向全国性分析中心发送监测数据等功能。美国国防部自90年代开始进行以可靠性为中心的状态检修技术的研究，并应用在军用飞机、船舶和车辆上。在90年代，民用工业开始采用，在能源、电力、机器制造和电子工业等行业取得了举世瞩目的成绩，如NASA，3M公司、德克萨斯仪器仪表公司、KRCCSyeamore电力公司、田纳西
15、电站、勘萨斯市政动力和照明公司等等。在电力工业中，整个有关状态监测和故障诊断的研究实施计划正在进行，其中EPRI和STI正在进行一个关于用“净现值”评估概率和风险进行汽轮发电机组状态检修的优化计算方法的研究。这种方法从效益和技术角度分3层对故障与检修进行分析和决策。在状态监测的具体应用技术方面，美国有数个单位从油液分析、过程参数趋势分析、红外热成像技术、声发射技术、摩擦磨损微粒分析、振动分析、电气冲击波分析等多个领域进行，其中振动分析是最主要的研究内容。对振动分析，他2西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论们正在进行相关的信息处理技术研究，如恒百分比带宽分析(CPB)、最小误差分解谱(MVDS)
16、、小波分析等。在残余寿命预测方面，利用概率诊断和系统危险评估方法进行最优化计算。对大型汽轮发电机组的状态监测、故障诊断不仅仅限于轴系部件，还扩展到通流部分、调速系统、主变等电气一次主设备。利用网络系统进行远程监测和诊断已是容易做到的。西方国家正在研究开发新型的、开放性更高的平台，研究并力图推行状态监测数据通讯标准(M订OSA)，以提高监测系统的兼容性和便利性，提高信息资源的网络利用率美国西屋公司开发的汽轮机人工智能诊断系统(Turbine AID)，发电机人工智能诊断系统(GeuAID)，中心设在奥兰多，连接了lO个电厂，运行己10多年，据介绍这套系统使德克萨斯7台机组的非计划停机率从14下降
17、到02，平均可用率由952上升961西方国家机组状态监测和故障诊断的商品化应用系统有BENTLY公司的数据管理系统DM2000，趋势分析系统2000：Philips的PR3000状态监测系统：Sehenek的VROCOM4000，VmROCOM5000计算机化的状态监测系统，CSI的3130 IRD公司的6600机器保护和诊断系统，B&K的COMPASS系统等等。这些硬件和软件产品己经有效地应用于生产。他们利用高速信息传输，建立了州级和地区性的振动监测分析大型网络，实现远距离对机组的集中实时监测、分析、诊断；用建立的机组运行状态数据库，北美能源可靠性咨询数据系统数据库，准确预测设备性能或潜在故
18、障的趋势，为电厂的运行监测和状态检修提供可靠的技术依据。122故障诊断国内的发展状况我国在机械故障诊断技术方面的研究和应用相对说来开展的比较晚。在1979年以前，一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课题，逐步开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究工作和小范围工程实际应用研究。特别是某些工厂某些机组的事故频繁发生，促进了对本技术发展的重视。从1979年开始，有不少工厂企业在熟悉苏联维修体制的基础上，开始研究美、日、德、瑞典等国的维修体制。二十世纪八十年代国内开始着手组建故障诊断的研究机构。其发展经历了从简单诊断到精密诊断、从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度愈来愈快。
19、但与国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，总体而言，在机械设备诊断的可靠性等方面仍有一定的差距。当前，我国的一些民用工业，特别是流程工业、冶金和电力等部门，在开发和应用设备诊断技术等方面十分活跃，走在了其它行业的前面。目前国内大多数企业在生产中对大型设备的管理维修一般采用定期维修和事后维修方法，即按预定的检修周期3西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论对设备进行维修或设备发生故障后才进行维修。定期维修有明显的缺点，主要表现在过剩维修和不足维修。过剩维修就是设备尚未出现故障，还可运行一段时间，但规定的检修时间己到，也要按制度停机检修。这不但浪费人力、物力和时间，还会因检修不当而引起人为故障，
20、从而人为增加维修费用。而维修不足则是规定的检修期未到，但设备己出现故障，其结果将导致生产系统的非正常停机。近十年来，国内也在扭振理论分析、建模与计算、实机测试、扭振测量仪器与监控等方面进行了卓有成效的工作。结合我国实际，近年来研究的重点是大型汽轮发电机组在电气冲击下轴系扭振响应特性的研究；轴系扭振在线监测装置的研制等。国内外实践表明，以计算机技术与故障诊断技术为基础的在线监测能节省大量的维修费用，取得显著的经济效益，而且还能保证设备的安全运行，预防和减少恶性事故的发生，消除故障隐患，保障人身和设备安全，提高劳动生产率。13故障诊断技术的发展故障诊断技术是现代化生产发展的产物，这一领域监视诊断技
21、术的发展情况可从两方面来说明：131监视诊断技术的发展目前所采用的监视诊断技术可以概括为三类：(1)以检测仪表为主体的监视装置我国目前许多引进的大型设备都配备了这种装置，如本特利公司7200，9000，3300系列等。它的主要构成部件是传感器和指示仪表箱，有用于测温度的，但大多数是用于测振动和位移，只能显示振动峰峰值。其主要缺点在于：a)检测信号是随机的，幅值并不能全面地表达动态过程的特性；b)往往只能显示振动通频幅值，而有时分频或倍频幅值更重要；c)没有记录振动信号趋势功能，这在判别故障原因时是十分重要的；d)读数式检测仪表本身并无分析功能，需依赖于人的经验判断。(2)检测仪表配备软硬件分析
22、装置这种系统是第一种装置的改进与补充，所用的装置主要是频谱分析仪，也有的分析功能是用计算机软件去实现，但也仍存在以下缺点：a)分析装置只是一种工具，不能自动判断，诊断决策仍需依赖于领域专家；b)不能连续地自动分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障；4西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论c)大型机械设备的结构复杂，故障与症兆之间并无简单的一一对应的因果关系，难免有误诊。(3)计算机辅助监视与诊断系统这种系统主要结构是由传感器，接口装置及计算机组成。其中接口装置具有电平转换，采样，存贮等功能。它可以实时监视和自动诊断，对防止突发性故障有利，是工况监视与故障诊断技术的主要发展领域。但目前的水平主
23、要是计算机辅助监视与诊断系统，还不能真正达到自动诊断的水平。国内外都有这种系统的开发与应用，但仍无成熟商品，除了技术成熟性不足之外，主要原因还是由于大型机械设备故障诊断的针对性很强。因此，计算机辅助监视与诊断系统今后发展方向主要是减少人工干预、提高自动化及自适应能力的多层次的人工智能诊断系统发展。132人工智能在故障诊断应用中的发展人工智能的研究起源于50年代，开始是以游戏、博弈为对象。60代前后应用了启发式技术和一般问题求解方法，1964年Lederberg等开发了解决分子结构解释问题的。DENDRAL系统、1972年Minsky和McCarthy解决医生对感染性疾病诊断的IYCIN系统、1
24、976年Duda和Hart研制了地质探矿PROSPECTOR系统等。这些系统在知识表达、逻辑推理等基本问题做出了贡献，为专家诊断系统的发展奠定了基础。70年代末起，专家系统开始用于工程领域。推理技术，知识获取，自然语言理解和机器视觉都成为研究的主流，并开始了不确定性推理，非单调推理，定性推理的研究，知识获取及自学习问题，特别引人注目。这时的研究思路是以基于知识为核心，从总体出发，自上而下。反映在诊断策略上，是建立某种故障模型进行求解，其缺点是知识对环境的适应能力差，知识空间庞大，对问题求解带来了困难。85年之后，出现了一种基于行为的研究思路，即自下而上以对象的实际行为为基础的人工智能法。14计
25、算机辅助监视诊断系统的主要环节计算机辅助监视诊断系统的主要环节如图所示。西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论图I-I 工况监视与故障诊断系统组要环节141信号的在线检测它必须满足两方面的要求。一是在线(Online)，它是针对系统而言，对于连续运行的机械设备是指机器运行过程中的检测，是在生产线上的进行，故属于在线检测。有些机械设备的运动，既有连续，又有中断，例如机床加工一个零件可看成是一个系统，则切削、换刀、上下料和测量都是系统的组成环节，但除了切削之外，在进行其它环节时，机床并不运动，刀具也不加工，但都属于系统的组成部分，故仍属在线；二是动态过程具有多方面的信息，没有必要都检测，所选择的信号
26、及其在机器上的部位都要能敏感地反映工况特征信息的变化。142信号特征的分析鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的与故障无关的信息，一般不宜于用作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测信号转换为能表达工况状态的特征量。对于某些具有规律的信号，也可从波形结构上提取特征量。特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开来，达到去伪存真的目的。因此，信号处理是特征分析的一种工具，但不是唯一的工具。用作特征分析的方法有频域分析，时域分析，统计分析，小波分析及波形结构分析等等。6西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪
27、论143特征量的选择用上述方法可以得到很多可表达系统动态行为的特征量，但没有必要都用来判别工况状态。因为实际生产中，各个特征量对工况状态变化的敏感程度不同，应当选择敏感性强，规律性好的特征量，达到去粗取精的目的。只有选择对具体机器最敏感的特征量，才能加强监视诊断的针对性，提高诊断的准确性。特征量的选择还要考虑判别的实时性，要求计算简单，如能在一定程度上表达工况状态的物理含义，就更有利于对工况状态变化原因的分析。用模式识别方法进行状态分类时，特征量的数量以23个为宜。特征量太少，误判率大，而特征量太多，又使得判别函数复杂，计算量大，实时性差，因此误判率并不因特征量的数量增多而单调地减少。1。44
28、工况状态识别工况状态识别就是状态分类问题，分类与诊断往往是一个概念，此处从生产过程不同的目的考虑，把分类分成监视与诊断两个问题，工况监视的目的是区分工况状态是正常还是异常，或者那一部分不正常，便于进行运行管理，强调在线和实时性。145故障诊断故障诊断首先需根据监视系统提供的信息，对当前工况状态及其发展趋势做出确切的判断。故障诊断主要任务是针对异常工况，查明故障部位、性质、程度以及发展趋势，这就不仅需要根据当前机组的实际运行工况，而且还需要考虑机组的历史资料及领域专家的知识做出精确诊断。诊断和监视不同之处是诊断精度放在第一位，而实时性是第二位。15本文的主要工作本文提出了一种新的旋转机械故障诊断
29、的方法故障可视化方法：故障可视化方法使得故障识别更加直观，易懂，很容易被现场的工程技术人员掌握，具有极大的应用价值。如果利用各种预测的方法对设备的各项特征参数进行预测，得到设备的未来某个时刻参数，然后对这些参数组成的样本数据进行识别，从样本数据在故障平面的落点轨迹上，我们还可以对故障的发展趋势进行预测。7西北工业大学硕士毕业论文 第一章绪论根据这一指导思想，论文主要完成如下工作：(1)运用计算机图形学方法将多测点采集的信号合成机械图像、多角度、多方位反映机器在运行时的振动状态，为旋转机械的状态监控提供了可靠的保障。(2)将旋转机械故障可视化过程分为故障样本数据的采集，数据的预处理，图形处理，故
30、障诊断，结果的可视化显示几个部分，并借助NI公司的可视化编程语言LabVIEW编程实现。(3)建立了一个PCDAO虚拟仪器系统，用转子振动实验台模拟大型旋转机械故障。信号电经涡流传感器采入计算机后，对其进行傅里叶变换，得到频谱图，并利用小波包分析提取特征向量。最后用BP网络进行故障识别工作。(4)在Windows XP Professional操作系统环境下，采用NI公司的LabVIEW为主要的开发工具对本故障诊断和预测系统进行软件设计。以实验室转予实验数据对本故障诊断和预测系统进行实际考核。3西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法第二章旋转机械的故障特征与诊断方法21概
31、述旋转机械为机械设备的一个主要类型，包括汽轮机、燃气轮机、水轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部件由转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几十到几万、几十万转。现代大型火电厂中设备种类繁多，其中大型旋转机械占有很大比例。这些旋转设备的安全稳定运行对于保证电厂的正常运行至关重要。机器故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息也不一样，根据这些特有的信息，可以对故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，一般都是多种因素共同作用的结果，所以对设备进行故障诊断时，必须进行
32、全面的综合分析研究。旋转机械的故障诊断技术是借助机械振动、转子动力学等理论深入研究和认识设备的故障机理；运用现代测试技术、测量技术、测量与监视伴随设备运行的振动、噪声、温度、压力、流量等参数；利用信号分析与数据处理技术，对这些参数的模拟或数字信息进行处理；建立动态信息与设备故障之间的联系，运用智能科学技术确定设备的诊断思想；以计算机技术为核心，建立故障监测与诊断的系统。以下简要介绍旋转机械故障特征和诊断技术中用到的一些基本理论和实用方法。22旋转机械故障常见类型及其振动信号特征高速旋转机械构成部件有叶轮、转子轴、轴承、密封、联轴器、定子或机器壳体等。下面列举几种运行过程中常见故障及其主要振动特
33、征：1转子不平衡(1)振动的时域波形为正弦波。(2)频谱图中能量集中于基频。(3)当转子角速度t2时，Q增大时振幅趋于一个较小的稳定值；当Q接近。时发生共振，振9西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法幅具有最大峰值。(4)当工作转速一定时，相位稳定。(5)转子的轴心轨迹为椭圆。(6)转子的进动特征为同步正进动。(7)振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。2转子弯曲(1)特征频率为lj，0，常伴频率为2j，0(2)振动特性稳定，振动方向为径向、轴向。(3)相位特征稳定。(4)轴心轨迹为椭圆。(5)进动方向为同步正进动。(6)振幅随转速变化较为明显，随负荷变化不明显。3转子不
34、对中(1)特征频率2托，常伴频率IX。，3Xo(2)振动特性稳定，振动方向为径向、轴向。(3)相位特征较稳定。(4)轴心轨迹为双环椭圆。(5)进动方向为正进动。(6)振幅随转速、负荷变化都较为明显。4油膜涡动(1)油膜涡动的低频成分较多，主要集中在半频或其以下。(2)工频附近的振幅所占比例最大。(3)振动和相位特征较为稳定。(4)轴心轨迹为双环椭圆。(5)振动主要方向为径向。(6)进动方向为正进动。5油膜振荡(1)油膜振荡是自激产生的，其振动具有非线性振动特征，特征频率有基频和涡动频率的组合。(2)发生油膜振荡之前一般会有油膜涡动现象。(3)振动和相位特征都不稳定。(4)轴心轨迹的扩散不规则。
35、(5)油膜振荡发生后，继续升高转速，振幅不下降。6旋转失速10西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法(1)振动同时有两个次谐波特征频率。(2)振幅和相位特征不稳定。(3)径向和轴向振动同时存在。C4)振动的轴心轨迹较为杂乱。(5)进动方向为正进动。7喘振(1)特征频率很低，一般在一倍频的10以下，常伴频率为一倍频。C2)振动方向主要是径向。(3)轴向轨迹紊乱。(4)进动方向为正进动。(5)振动随转速变化较明显。除此之外，常见故障还有转子与静止件的摩擦、与过盈配合件过盈不足和支承系统松动等，在此不再一一赘述。各种故障发生的概率如图21所示。图21各种故障出现的原因及其比率2
36、3旋转机械故障的来源及主要原因(1)设计、制造不当引起故障：1)设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动；2)结构不合理，有应力集中：3)工作转速接近或落入临界转速区；西北工业大学硕上毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法4)运行点接近或落入运行非稳定区；5)零部件加工制造不良，精度不够；6)零件材质不良，强度不够，有制造缺陷；7)转子动平衡不符合技术要求。(2)安装维修不当引起故障：1)机器安装不当，零部件错位，预负荷大；2)轴承对中不良(对轴系热态对中考虑不够)；3)机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相位位置)调整不当；4)管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装
37、精度；5)转子长期放置不当，破坏了动平衡精度；6)安装或维修过程破坏了机器原有的配合性质和精度。(3)运行操作不当引起故障：1)机器在非设计状态下运行(如超转速、超负荷或低负荷运行)，改变了机器工作特性：2)润滑或冷却不良；3)旋转体局部损坏或结垢；4)工艺参数(如介质的温度、压力、流量、负荷等)不当，机器运行失稳；5)启动、停机或升降速操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀，在临界区停留时间(4)机器劣化引起故障：1)长期运行，转子挠度增大；2)旋转体局部损坏，脱落或产生裂纹；3)零、部件磨损、点蚀或腐蚀等：4)配合受力劣化，产生过盈不足或松动等破坏了配合性质和精度；5)机器基础沉降不均匀，机器壳
38、体变形。对高速旋转机械常见故障及其振动信号特征的研究重要而突出。其意义在于：(1)有助于及时发现设备的异常和故障，对已形成的故障进行判断、分析；(2)有助于准确地确定故障部位、原因，及早采取有效的防治措施，做到防患于未然；(3)为高速旋转机械状态分析及故障诊断系统的建立提供必要的先验知识：(4)为深层次的故障诊断专家知识系统中的模拟故障谱表赋以初值；12西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法(5)为故障的抑制、消除提供理论基础。24旋转设备故障诊断中的基本参数为了准确、有效地掌握设备在运行中所处的状态，必须首先获取表征其状态的相关信息，这些信息也是在诊断过程中需要监测的基
39、本参数，通过以上典型故障的特征识别，将这些识别参数分为三类，即描述设备振动状态的参数、描述设备位置状态的参数和描述工艺状态的参数。241振动状态参数(1)振幅振幅是表示机组振动严重程度或烈度的一个重要指标，根据对振幅的监测，可以很容易地判断机器的振动状态，判断机器是否在平稳地运转，可用位移、速度、加速度来表示。按照简谐振动理论，位移、速度和加速度三者之间的幅值存在如下关系：。=A，=刎， 口一=国2A，其中墨。为位移的幅值，为速度的幅值，口一为加速度的幅值，只需测出其中的一个量和振动频率，其他两个量就可以通过简单计算得到。但实际工程测量中往往差别很大，比如，对同一型号、相同运行工况两台设备，或
40、同一台设备不同时间的测量，都会存在振动速度相同，但振动位移、加速度差别较大的现象。这说明设备的振动能量、动量和冲击力相同会产生不同的振动效果。一般情况下，低频振动用位移来度量：中频振动用速度来度量：高频振动用加速度来度量，但对于重要设备，最好3个参数全选，因为小的振动位移有可能暗藏了较大的振动能量和冲击力，使设备运行存在潜在的危险而没有发现，小的振动速度也可能因为诸多原因造成较大位移幅值。以上观点尤其是在设备运行参数接近允许标准上限时要引起重视。(2)频率频率是分析振动原因的重要依据。通常，不同的振动源所产生振动的频率一般也是不同的。对于旋转机械，其振动频率一般用转速的倍数或分数表示，这被称为
41、阶次，主要原因是机器的振动频率多与转速有关。根据振动频率可以把振动分为同步振动和非同步振动。同步振动频率是机器转速的整数倍或分数。(3)相角西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法相角值是指旋转机械测量中转子某一瞬间的振动基频信号与轴上某一固定标志之间的相位差。精确的相角测量在转子平衡中及分析某些机械故障中是非常重要的，对于确定转子固有的频率响应即I临界转速也非常重要。(4)振动形式振动形式一般是指以时基图或轴心轨迹图的方式给出的原始振动波形，它是分析振动数据最常用、最简便快速的方法。通过对振动形式的观测，能直接地了解机器的运行状态。(5)振型振型是指转轴在一定的转速下沿轴
42、向的一种变形。测量振型的方法是沿转轴的轴向每隔定的间距放置一组互成90。的X-Y传感器，分别测得相位转轴截面的中心线振动情况，综合所测量的数据便可得到转轴的振型。振型有助于估算转子与固定部件之间的间隙，并能估算出转轴上“节点”的位置。242位置状态参数(1)偏心位置偏心位置是对油膜轴承中的转轴振动平衡位置或稳态位置的测量值。这种偏心位置的测量能够知道预加负荷状态以及了解轴承是否出现磨损。(2)轴向位置轴向位置是指止推环对止推轴承的相对位置测量值。轴向位置或称为轴位移是蒸汽和离心压缩机最重要的监测参数之一。(3)差胀差胀是指机壳与转子的相对膨胀，可以用安装在机壳上的电涡流传感器测量得到。(4)机
43、壳膨胀对于某些大型机组，除了监测差胀之外还要监测机壳的膨胀，通常由安装在机壳外部、以地基为基准的线性可变差动变压器(L、rDT)来完成测量。243工艺状态参数(1)转速转速是指每分钟转轴的旋转次数，单位是rpm。大多数机组都要求连续显示机组的转速，以便一目了然地了解机组的运行工况。(2)温度温度是分析机器某些特定部件状态的重要参数，尤其是轴向和径向滑动轴承14西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法中巴氏合金衬套的温度一般都需要长期监测。同时综合分析温度和振动、位置等参数的关系，能够更准确地确定机器故障。此外，对不同的旋转设备，还在电机的工作电流、电压，风机的输出风压、流量
44、等工艺状态参数中各有取舍，这些参数对综合、全面的监测和分析机器的运行状态都是必不可少的。25故障诊断的基本方法(1)基于信号处理的故障诊断方法该方法是诊断领域应用较早的方法之一，主要采用阈值模型。信号分析采用较多的有时域、频域、幅值、时频域特性分析等。信号处理的方法主要有相关分析法、包络分析法、倒频谱法、小波分析法、分形分析等。该方法适用于信号特征丰富的对象，如在转子系统中常用到了信号处理的方法。(2)基于规则的专家系统诊断基于规则的方法又称为产生式方法。早期的故障诊断专家系统都是基于规则的。这些规则有的是从专家经验中总结出来的，有的是从实际应用中得出的结果，是用于描述故障和征兆关系的。该方法
45、的优点是知识表示直接、简单，推理速度快；缺点是故障模式有限，对于未出现过的故障或经验不足的情况就显得无能为力了。(3)基于故障树的诊断方法故障树是一种体现故障传播关系的有向图。它的优点是能够实现故障的快速诊断，知识库容易动态地修改：缺点是由于故障树是建立在元件联系和故障模式分析基础之上的，因此不能诊断不可预知的故障，诊断结果严重依赖故障树信息的完全程度，因此较适合于那些故障信息非常充分的领域。用故障树进行故障诊断的例子有用于飞机电源系统的故障诊断。(4)基于神经网络的方法神经网络的实质是建立从征兆到故障源的映射过程。神经网络的优点是具有高度的非线性、高度容错和具有联想记忆的功能；缺点是训练时间
46、较长，需要大量的训练样本。但神经网络的方法仍然是现在故障诊断领域用得最多、也是最具有前景的发展方向之一。(5)基于模型的故障诊断方法基于模型的故障诊断方法又称为基于深知识的诊断。该方法的优点是可以诊断未预知的故障，不需要历史的经验知识；缺点是由于使用系统仿真模型，当模型较为复杂庞大时，诊断速度慢，而且对模型的精度依赖性较强，如果实际系统西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法和建立的数学模型稍有不同，则可能引起诊断的不精确。(6)基于信息融合的方法故障诊断的实质就是利用诊断对象的各种运行状态的信息和已有的知识进行信息的综合处理，在这点上和信息融合具有相同的目的和要求。因此现
47、在越来越多的故障诊断系统中引入和信息融合的方法，有利于充分利用传感器信息，提高置信度。(7)分布式理论的应用将分布式理论引入到故障诊断领域中是近几年才兴起的-rl技术，分布式的诊断的优点是降低任务的求解难度，提高问题求解速度并具有容错的能力。(8)Agent和多Agent技术的应用具有分布式功能的智能Agent系统进行复杂系统的监测与诊断的有效性正得到广泛认可。NASA的Barney Pell等人构造出用于深空1号航天器中的远程Agent。26基于信号处理的旋转设备故障诊断方法利用振动信号对旋转机械进行诊断，是对设备进行故障诊断的常用方法之一。旋转机械设备系统在运行过程中的振动特征信息常常反映
48、系统的运行状态和变化规律。旋转机械的故障，绝大多数的故障现象都能在振动信号上反映出来，所以振动诊断方法成为其故障识别的最有效、最常用的方法，本节主要介绍振动诊断的基本方法。表21是高速旋转机械振动信号模拟故障谱。从中我们可以看出旋转机械的各种故障以及它们所对应的振动信号频谱图。16西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法表21高速旋转机械模拟故障谱故障名称 模拟故障谱转子不平衡 案f I 一0 fr 2fr 3fr Hz频率转子不对中 罴f I I 。 0 fr 2fr 3fr 1-Iz频率摩擦故障 霉t1一厂，J 一0 fr 2fr 3fr Hz频率轴裂纹 引 l I I
49、 一O 矗 2fr 3fr 4fr频率匝261时域分析方法直接对振动时域信号的时间历程进行分析和评估是状态监测和故障诊断最简单、最直接的方法。在时域分析时，除直接观察时域波形来识别周期、谐波、脉冲外，多数是通过计算时域信号的特征值，并根据这些特征值的变化趋势分析确定信号中故障成分的发生与发展，然后利用其他的方法对故障做出准确的分析诊断。(1)振动信号时域特征值指标在振动监测中，振动测量参数的大小常用以下指标：1)峰值xP和峰峰值x，一P峰值是指振动波形上与零线的最大偏离值。峰峰值是指振动波形相邻的最大值与最小值之差，称为振动的“同频振幅”。峰值的检测往往用于设备或部件的强度考核，峰峰值检测则多用于设备或零件的动态范围考核和疲劳考核。其离散公式为：Xp=maxlX,l o1,2打) (2-1)X，一，=XPmin(x,，X2，j)(2-2)17西北工业大学硕士毕业论文 第二章旋转机械的故障特征与诊断方法2)平均幅值X，、均方根幅值x。和方根幅值x，平均幅值即平均绝对值，工程上也称为平均值。均方根幅值x。也称作有效值，是时域诊断中最简单、最常用的一
