1、大型旋转机械振动监测和故障诊断系统的研制应用浙江大学硕士学位论文大型旋转机械振动监测和故障诊断系统的研制应用姓名：隋明霖申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：缪思恩;史挺进2001.2.1浙江大学颐学垃论之摘要本文根据我国发电厂的实际需要，对计算机监测系统在电厂中的应用进行了深入、系统的研究。首先，在介绍国内外旋转机械振动监测技术概况和发展趋势的基一一础卜阐述了振动数据分析的基本方法，介绍了故障诊断的相关理论，并对几种常用的动平衡方法作了概括说明。其；：在详细介缁一系统总体方案设计的基础上，刈振动监测搜故障诊断系统从传感器的选型、当前流行的技术，：振动监测系统巾的庸用剑利用大特网技术进行卜
2、侮帆的数据通汛等多方面都做了简要的介绍；对振动监测分析及故障诊断软件设计特点及实现的方法作了较为详细的说明。最后本文对实时监测分析及故障诊断系统的发展做了展望。浙江大学硬学位论文，：，一，一一浙江大学硕士学位论文第一章绪言课题的目的意义随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免因素的影响，设备有时会出现各种故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的、灾难性的事故，国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄漏等恶性事故，造成了人员伤亡，产生了严重的社会影响；即使是正常生产中的事故，也会导致生产过程不能
3、正常进行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。旋转讥械（如汽轮发电机组、透平压缩机、泵与风机等）在电力、石化、冶金、机械等部门中处于举足轻重的关键地位，此类机械一旦发生故障将会造成巨大的经济损失和严重的社会影响。近年来，我国钢铁、石化企业的大型压缩机曾先后发生过振动破坏，电力系统中的汽轮发电机组也相继出现过由轴系扭振、油膜振荡、螺栓断裂、甚至断轴、调速系统失灵等引发的恶性事故，给使用部门及社会造成了巨大的损失。因此利用计算机对这些旋转机械实施在线监测与故障诊断已经十分必要。目前，国内大中型企业已越来越认识到对设备进行状态监测的重要性及其所带来的经济效益许多电力部门、石化企业都已开始在其重要设备上
4、配置或准备配置状态监测和故障诊断系统。测量技术、传感器技术和计算机技术的发展为保证这些旋转机械的安全运行提供了丁能。采用计算机对这些设备实施在线状态监测与故障诊断技术，不仅能及时了解设备当前的工作状况，进行报警监测，还可将设备各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理和分析，实现故障预报和早期诊断，并视情指导和安排维修计划，变定期预防维修为预测维修，提高设备利用率，增加产值，减少人力物力的浪费，在故障时还能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行事故追忆与分析。所有这些对保证设备安全、可靠地运行，避免重大事故的发生，提高设备的运行效率，降低设备的维护费用，具有十分重大而深远的意义！因此，设备的工作状态
5、监测与故障诊断技术已得到国内外学术界和工程界的广泛关注。国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，国营工厂勺调查表明，采用诊断技术后每年节省维修费亿英镑。英国中央发采用诊断技术后，事故率减少，维修费降低至，英国对个衙江大学髓学使沦文电局的在年所撰的“大型汽轮发电机组的振动监测策略”一文中指出若对大型汽轮发电机组进行振动监测诊断，其获利与投资之比可高达。也曾在第三届状态监测与诊断工程管理的国际会议（）上强调人们应该在设计阶段就考虑设备的状态监测，并将设备的过程控制和状态监视有机地结合起来。另据年英国工程部管理委员会报告，对重要设备采用状态监测在头一年就可得到的投入与产出的收
6、益，一般地，设备的监测投资费用在个月内即可从获益中收回。设备的状态监测和故障诊断技术还使预测维修成为了可能，从而节省大量的检修费用。例：根据美国国家统计局资料，年美国用于设备检修的费用高达亿美元，据专家分析其中有近即亿美元是不合理检修所造成的浪费。国内外技术概况和发展趋势我们通常把连续测量运行设备状况的仪器，及记录这些设备过去的状况和这些年来，固、内外都有了实用化的旋转机械状态监测系统如：荷兰菲利浦据日本资料介绍，日本年由于采用设备诊断技术，使其检修费用减少了现在状态的技术称为状态监测，而把分折判断没备是否运行正常，若异常，故障是什么可能原因是什么，以及估计设备的运行趋势和提出治理建议等称为故
7、障诊断。五十年代以前，人们通常采用原始的检测手段，凭藉经验处理设备的振动问题，例如用小槌敲击或用细乏导体抵在机器某部位，以耳朵听到的声音来判断机器工作是否正常。五十年代后期，由于非接触传感器及其它传感技术的发展，人们开始了各种机器枪测方法及仪器的研究，并着手研究故障机理、诊断理论和方法。到了七十年代，己开始采用各种固定安装的监视仪和便携式仪器对设备运行状况进行监测和分析，并开始实现了对设备零部件的诊断。七十年代后期，多参量综合监测与故障诊断系统的研制己达到工程应用阶段，计算机技术也开始直接应用在离线分析和长期连续监视及故障诊断中。目前，在西方先进工业国家，几乎所有重要的大中型汽轮发电机组都配备
8、了振动监测分析与诊断装置，而且产品正在不断地更新发展；另一方面，故障机理、识别方法、防治技术的研究也正在日益深入。目前的状态监测与故障诊断技术，已经形成一门既有诊断理论，又有分析方法；既有故障机理研究，又有现代监测仪器与诊断系统，工程应用性强，技术背景牢固，且与高技术发展密切相关的一门现代新兴的学科。虽然目前汽轮发电机组的状态监测与故障诊断技术已经发展到可用计算机对机组进行连续监视，但它仍处于继续开发、研究的阶段，还需要不断的研究、总结和发展。浙江丈学硕士学位论文公司的系列，美国西屋公司的“移动诊断中心（，）”，日本三菱公司的“旋转机械健康监视系统（）”，英国中心发电部的“透乎监测设备（）”和
9、“试验设备监测（）”。诊断系统有：美国、公司推出的故障诊断专家系统，公司研制了故障诊断工程师帮助系统等等【】“。国内这些年也进口了相当数量的监测设备，同时，国内许多高等院校、科研机构及工矿企业也都正致力于研制中国自己的状态监测和诊断系统，并已取得了一些成果，特别是在理论、方法上的研究和探索有了较大的进展。但是对于真正实用产品化的系统还发展不够，尤其是离多参量的综合监测、数据分析、信息管理、故障诊断集一体的高性能完善系统尚有较大差距。目前在国内已形成了十多个水平较高，有运规模的诊断技术研究中心，如西安交大，哈工大，清华，浙大，上海交大，华中理工，东南大学等单位的诊断技术研究机构。研制成功的工程应
10、用系统有哈尔滨工业大学研制的微计算机化旋转机械状态监测与故障诊断装置，即系列：华中理大学开发的故障诊断专家系统：南京汽轮高新技术开发公司的随机信号与振动分析系统：东南大学的一系统：重庆大学的信号处理故障诊断及振动分析系统：浙江大学光科系、机掀系、能源系分；开发的、系统：西安交通大学的旋牟机械敞障诊断系统；辽化高金吉等研制的机械故障诊断专家系统等口；。除了学校外，还。自西安热一研究所、上海成套发备研究所以及英华达公司等进行了旋转机掀振动监测与故障诊断系统的研究与开发。然丽无论是国内的还是国外的系统，其进行故障诊断的主要方法不外乎以下几种：（）谱分析法：（二）时间序列分析法：（三）参数分析法：（四
11、）系统。其实已经开发的基于振动监测与分析的故障诊断系统都不具备真正的自中力量，着重致力于研究人工智能的故障诊断技术，即故障诊断专家系统。吸“人工智能集中诊断电站设备”的在线专家系统的研制成功极大地推动了随着科技的发展和工程实际的要求，至今已陆续产生了四代振动监测分析模糊数学方法；（五）机械故障的计算机辅助诊断；（六）机械故障诊断的专家动诊断功能。即使有，如日本的系统，其诊断的能力也十分有限，而且其诊断功能的扩展十分困难。从实质上讲这些系统只能算是故障诊断的辅助工具真正进行故障诊断的还是诊断工程师，因此目前西方工业国家的各大公司都集收模糊识别理论中的某些概念，以常规谱分析为主，时序分析方法为辅，
12、并结合旋转机械的振动特点，有规则地组织故障诊断研究，为在将来形成专家系统创造条件，这是今后几年故障诊断技术的发展趋势。例如美国西屋电气公司的专家系统在故障诊断中的应用。与渗断系绒，在各种场合，以不同的程度，不同的方式得到了日渐广泛的应用。濠江大学硬上学泣沦文（）简便式测振仪这类仪器外接惯性式速度或加速度传感器，主要用于机壳的振动幅值测量，精度较低。根据检波电路不同读数可分为峰峰值、峰值和有效值。它己从传统的模拟式发展到数字式，有些还配有选频网络，可作手动频率分析，测定振动中主要频率成份的幅值。它可用于一般设备振动状态的手工监测，根据振动幅值大小对故障作出初步的分沂。产品育英华达公司的一便携式旋
13、转机械振动监测故障诊断仪；美国公司的、公司的、德国公司的年等。（）内含微处理器的移动式数据采集器它是一种具有计算机接口的智能仪器，它和传感器、计算机三者组成一新型的监测系统。在现场使用时，可选定测点、设置组态，逐点巡回测量，记录异常信息，在面板上显示振动信号的幅值和相位，并可作简便的信号分忻；内置所存贮的现场原始数据，可经接口电路输入计算机，由计算机对其进行深入的计算和分析，并可由外设输出振动值报表、测点轴心轨迹图、振动时域图、频潜图和趋势分析图等等。根据这些图表可以掌握机组运行的工作状态，及早对故障生质、程度、发生部泣和原因作；诊断。这类产品育公的、公百的、公司的等。（，基本智能化在线监测系
14、统这类监测系统能够对机组的运行状态进行连续在线监测，实时地进行故障诊断，充分体现了微机系统的自动数据采集、分析、计算等功能。当被监测的信号越限或有异常情况出现时，系统能作声光报警。它不仅可监测机组振动，还可监测其它信号，并可根据监测参数的种类和多少，配上相应功能的插件和软件，以扩展系统的功能。其监测参数的信号也可接入计算机系统，进行数据分析、管理、各种图表绘制和诊断等功能。已有的产品有公司的、；公司的、系列；公司的及系列：荷兰公司的系列等。（）计算机化的在线监测与诊断系统这类系统集数据采集、信号分析、数据管理为体，是一个多信息处理系统。它能够实时在线对机组状态进行监测、分析和诊断。系统可由多台
15、计算机组成网络，每台计算机负责不同的监测处理工作，各台计算机之间可互相通信。由于计算机、各种智能装置及外设技术的迅猛发展，这种系统越来越得到重视和欢迎，就其结构上看，大体可分为以下两类：以软件为主体来实现主要的数据采集和分析功能。因而，除了计算机和必要的外围设备外：仅需少量的硬件，这类系统结构简单，价格比较便宜，浙江大学硕士学位论文软件丰富而且根据所需功能易作更改，但分析速度慢，实时性差。！公司的。：以硬件为骨架来实现主要的数据采集和分析功能。主机主要作用是协调各仪器的工作，进行数据和文件的管理。数据采集和分析功能由专门硬件来实现。该类系统采集和分析速度快，但价格昂贵，且不宣改动，灵活性差。如
16、的。课题的提出与目标尽管我国科技工作者在振动诊断工程应用领域的研究已取得不少成果，但从总体技术水平上看，国内研制的系统在可靠性、实时性、诊断准确性、专家系统等方面耍比国外低一个层次：在通用洼、扩展性等方面也存在较大的不足。为保证机组的安全运行，从国外引进设备的配套监测系统或国产机组选用进口的监视系统，每年都要耗费国家大量外汇，并且国外的系统价格昂贵，维修时配件供给困难，软件扩充性差。少量引进国外先进技术作为参考并加以消化吸收是可以的若大量购置则为嘲漪所不允许。自二振虫信包含仃嚣夺舒健嚷状况的人嗣分特征，奉漾题拭妒、监测分析汽轮发电机组的振动信号入手，实现饥组的状态监测与故障诊断。相应开发的汽轮
17、发电机组振动监测与故障诊断系统（），应具有良好的可靠性、灵活的扩展性、较高的实时性和友好的用户界面，能实现多参量同时监测，通过连入网络。考虑到参数监测的实时性，该系统决定采用上、下位机二级结构，下位机主要根据上位机的指令进行等时间间隔或等转速间隔同步整周期采样（当信号越限报警时则连续采样并将其保存在黑匣子中以便事故追忆分折），并负责数据的预处理与传输等事务：上位机主要负责数据的实时分析、标准图谱显示、故障诊断及动平衡计算等功能，给出机组实际运行状态的有关信息和诊断意见等，口界面，用下拉式菜单和对话框实现人机交互，便于工业现场操作，并且系统（）与故障诊断技术的分析处理软件，整套系统既实用又具有较
18、高的水准，从而实现机组状态的在线监测与故障诊断。从目前的趋势来看，上位机的软件应采用开放式设计，以便于移植和功能扩展并且允许用户根据实际情况对系统迸行组态；整套软件应运行在中文环境中，采用全汉化的图形窗中还应配备详尽的在线帮助帮助用户尽快熟悉本系统。它将综合监测仪表、巡回检测仪、计算机数据处理的三大功能，髯加上基于先进的数字信号处理器将为汽轮发电机组运行状态的自动化监测与故障诊断提供一种切实有效的方法。浙江大学硕士学持论童第二章实时监测和数据分析的相关理论状态监测的基本参数设备的运行状态必须通过可靠、精确的检测和监测仪器所提供的信息来判（）振幅振幅是表示机组振动严重程度或烈度的个重要指标，它可
19、以用位移、速（）频率由于不同的振动“源”，其振动频率一般是不同的，因此频率常作为分辛斤振对频率分析重要性的认识主要来自于机壳测量。进行机壳测量时，振幅和根据振动频率可以把振动分为同步振动和非同步振动。同步振动的频率是第一类是属于强迫振动问题。这是由外来确定的扰动力引起的振动，振动断。这些信息即为监测设备所必须检测或监视的基本参数，它包括描写设备振动状态的动态参数，描写位置的静态参数和其它参数。本节将简要介绍这些参数的基本概念及其在状态监测中的物理意义、表示方法和检测方法。、动态参数度或加速度求表示。根据对振幅的监测，可以判断吼组是否在平稳地运转。通常对于频率比较低的振动取位移或速度，中等频率的
20、振动取速受，高频则以砌逛度为测定的参数，振幅一般用微米峰峰表示，由于传感器技术的发疑，人们巴经开始采用非接触式的电涡流传感器直镁测量转轴的振动状态，以得到有关转轴振动幅度的更精确数据从而得到机组运行状态的确切信息。通常一台正常运行的机组有一个稳定的、可接受的低振幅笸，任何振幅读数的变比都将反映机组状态的改变。动原因的重要依据。旋转机械的振动频率，通常用机械运行转速的倍数或分数来表示，这主要是因为机器的振动频率多以转运的整倍数或分数形式出现。频率是仅肓的可以用来测量和分析的主要参量。有些机器故障通常在某些特定的频率发生，这有助于我们区别这些故障的类型。但是我们必须认识到，频率和故障的关系并不是相
21、互对应的，这就是说，某一特定频率的振动通常与多种机器故障相联系，在振动频率和机器故障之间并不存在一对应的关系。机器运行转速的整倍数或分数，非同步振动的频率与转速不成完全的整倍数或分数关系。下面再简单介绍几种振动的性质及其有关的频率问题：转子的振动问题按机械振动的性质大体上可分为三类：浙江大学顽士学泣论文本身并不反过去影响扰动力，它的特点在于频率总是等于扰动力频率。比如由丁质量不；衡，发电机转子不均匀磁拉力而引起的强迫振动等。第二类是属于自激振动问题。自激振动的引起归之于转子一支撑系统中存在某一机械能量的反馈环节。这一反馈环节使转子从转动中获取能量，并转变为某一特定频率下的横向振动能量（一般不等
22、于转速），而这一横向振动又通过反馈环节进一步从转动中取得能量，从而加剧了横向振动，直至获取的能量等于消耗于阻尼的能量，则振动稳定在某一极限环上。比如由油膜半速涡动引起的油膜振荡，蒸汽的不均匀泄漏引起的间隙振荡等。第三类是属于非定常强迫振动问题。这一问题在性质上是属于强迫振动，因为振动乃然是由外来扰动力所引起的，而且与扰动力具有相同的频率。但不同的是振动本身又反过去影响扰动力的大小与相匣。这类强迫振动表现出来的现象是振动的幅值和相位都在连续不断地变化。比如转子轴上局部的不均匀热变形。（）相角我们：兰义相角值是转子某瞬间的振动基频信号与轴：蘖一吲定标志的相逝麓。柏角测量可用来描述某一特定州亥！器转
23、：何管，一个好的幅角测量系钪能够确定每传感器占号上对应的嚣转子的”高点”佰转：上泉固定点的位置。机器转子的平衡状态改变将引起高点的变化，这种变化能通过方法是利用非接触式或光电式传感器（键相器），感受固定在轴上的键或槽产生的每转一次的脉冲信号，作为相位测量的基准信号，此时相角的定义可修正为（）振动形式振动形式也许是分析振动数据的最重要的方法。通过对振动形式的观测，（）扼，！相角变化显示出来。精确的相角测量对于转子平衡、分析某些机器故障及确定转子固有的平衡响应即临界转速是非常重要的。目前测量相角的最准确可靠的键相器脉冲和振动的第一正峰（相应于机器转子的高点位置）之间的角度差。不论在机器平衡过程中，
24、还是在旋转机械的分析诊断过程中，相角作为一个重要白，参量正在被人们迅速接受。能直观地了解某机器的运行状态。上面讨论的振幅、频率、相角等三种参数都是可测量的参数并能在仪表上指示或显示出来，而振动形式是显示在示波器上的原始振动波形。振动形式可以分为两种：时基形式和轴心轨迹，前者是转轴位置与时间轴的关系曲线，可用来确定基本的振幅、频率和相角。后者则是对应两个互成度的非接触式传感器的轴截面的中心线的运动曲线，可以了解轴的实际运动情况。振动形式无论对预防性维修和预测性维修都是最基本的参数。浙江大学硕士学位文所淄振型是转轴在一定转速下，沿轴向的一种变形。测量振型的方法是沿转轴的轴向每隔一定间距放置一组互成
25、度的传感器，分别测得相应转轴截面的中心线振动情况综合所测量的这些数据便能得到转轴的振型。振型有助估算转子与固定部件之间的内部间隙，并能佶算出转轴上“节点”（转轴上振幅为零的点）的位置。、静态参数（）偏心位置偏心泣置又称径向位置，是指转轴轴颈中心在轴承中的平均位置。在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况下大多数转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动。然而，旦机器承受一定的内部或外部的预加负荷（稳态力），轴承内的轴颈就会出现偏心。这种偏心是测量轴承磨损，预加负荷状态（例如不对中）的一种指示。定期测量编心位置是绝对必要的，另外在机器的启动期间，也应该密切注意偏心位置。偏心位置的测量是通过安装在
26、轴承处的监测径向振动的同一传感器进，亍的，其输出信号的直流成分即表偏心泣置（侄向问隙（）轴向位置轴向臣置测量可用柬描述止推盘和丘推轴承之问的桶刈晓置。对于蒸汽透平或离一心压缩机来说，轴向位置可能是最重要的测量参量。轴向位置监测的主要目的是为了保证消除机器转子和定子之间的轴向窜擦，以避免灾难性事故的发生，因为轴向止推轴承的故障可能是最严重的故障。监视轴向位置至少要安装个电涡流传感器，最好是两个，以便提供可靠的信息。测量轴向位置的电涡流传感器还能同时测量轴向振动，在分析某些机械故障状态时，轴向振动是一个很有意义的参数。（）偏心度峰一峰值偏心度峰一峰值是指对转轴在静态时弯曲的测量值。当转轴在启动时，
27、弯曲量可以用电涡流传感器测量的直流峰一峰值信号来表示。当峰一峰值处于允（）差胀所谓差胀是指机壳与转子之间的相对膨胀。对大型蒸汽透平等机组，要求。（）机壳膨胀许的低水平时，机器可以启动，而无须顾虑因残余弯曲及相应的不平衡引起的密封件与转轴之间的摩擦影响。慢转速偏心度最好由安装在远离轴承处的传感器来测量，以测得最大的弯曲偏差。启动时机壳与转子必须以同样的比率受热膨胀。如果机壳与转子受热膨胀的比率不同，就可能发生轴向摩擦而使机器受到损害。为了测量差胀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。浙江大学硕士学位论文对某些大型机组，除了监况差胀外，还要监视机壳膨胀。这种监测通常由安装在机壳外部，以地基为参考基准的线性可变差动变压器（）来完成的。知道了机壳膨胀和差胀，就可以确定转子和机壳的膨胀率。如果机壳膨胀不正常，机壳的“滑脚”就会被卡住。（）对中对一些机组来说，各机壳之间的对中性是有一定要求的。在压缩机组和燃气轮机驱动泵机组的安装过程中常会出现这种故障。通常利用机组中各种不同机器的膨胀资料，并经过计算
