大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系的研究与实现

重庆大学硕士学位论文大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系的研究与实现姓名：孙楠楠申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：谢志江20060501中文摘要I摘要针对大型旋转机械结构复杂、精度高等特点，设备振动监测与故障诊断技术已被广泛应用于现代企业的设备维修和管理工作，创造了巨大的经济效益和社会效益。为保证对设备振动监测与故障诊断的正确性，非常有必要对现场操作人员进行有效培训。本文在比较系统地总结了设备振动监测与故障诊断知识体系的基础上，以Auhtorware软件为平台，针对大型旋转机械开发了一套培训系统，比较直观全面地实现了振动监测与故障诊断的知识体系。本文主要论述了如下几个方面。①参考ISO18436标准，比较系统地总结了振动监测与故障诊断知识体系，针对钢铁企业大型旋转机组的实际情况，提出采用网络化设备振动监测与故障诊断的方案设计。②采用快速傅立叶变换和加窗处理对信号进行预处理，运用时域分析、频谱分析、解调分析、细化分析、轴心轨迹分析和相位分析方法对振动信号进行综合分析，从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等。③对旋转机械的不平衡、不对中、松动、转子碰摩、共振等几种常见故障的发生机理及故障特征进行系统分析，对旋转机械的典型部件轴承和齿轮的常见故障特征进行重点研究。重点分析了故障的频谱特征，结合时域分析和相位分析，找出故障确切原因，采取必要措施。④介绍了一个现场诊断实例，将诊断理论和方法应用到生产实践，验证了理论和方法的正确性。⑤在上述理论研究的基础上，结合ISO18436标准和多年从事设备故障现场诊断的专家经验，运用计算机多媒体软件Authorware和Flash，开发了一套具有较高效率和实用性的培训系统，对现场操作人员进行有效培训。本文开发的培训系统充分应用现代计算机多媒体技术、动态仿真技术等，将状态监测、振动分析、故障诊断技术的学习、实践和应用有机结合，把复杂的技术变成简单实用的工程实践必备工具；把深奥的理论传授变成妙趣横生、浅显易懂的人机交互工程。关键词：ISO18436，知识体系，振动分析，故障特征，诊断实例，培训系统英文摘要IIIABSTRACTThevibrationmonitoranddiagnosistechnologyhasbeenwidelyappliedinmodernequipmentmaintenanceandmanagement,respondingtothemuchmorecomplexityandprecisionoflargescaleequipments,sofar,ithascreatedhugeeconomicandsocialbenefits.Inordertoguaranteethevalidityofmonitoranddiagnosis,itisverynecessarytodevelopamultimediatrainingsystemwithhighefficiencyandpractice,soastotraintheoperatorswell.Thispapermainlyresearchesintothedevelopmentandinvestigationofmonitoranddiagnosistechnology,basedonthesetheories,developsamultimediatrainingsystemaboutfaultdiagnosisoflargemachines.Itmainlyresolvesseveralimportantquestionsasfollows.①ItsummarizestheknowledgesystemaboutthevibrationmonitoranddiagnosistechnologybasedonISO18436criterion,andbringsforwardamonitoranddiagnosissystembasedonnetworkaccordingtothesteelenterprisecharacter.②Itintroducesthebasicmonitoringparameters,dealswithsignalswithFFTandwindowfunctions,discusseshowtoanalyzesignalswidelywithtimeanalysis,frequencyanalysis,demodulationanalysis,exiguousanalysis,axestrackinganalysisandazimuthanalysis.Thenwecanpick-upthefaultsymptomsandsensitiveparametersandsoon.③Itresearchesintomechanismandcharactersofseveralfamiliarfaultssuchasimbalancefault,inclinationfault,slackfault,rotorfrictionfault,syntonyfaultandsoon.Anditalsostudiesthemechanismandcharactersaboutrollingbearingandgear,whicharethetwotypicalpartsofrollingmachine.Besides,thefrequencyspectrumcharactershavebeenchieflyusedintothediagnosis.④Thispaperintroducesaspotdiagnosisexample,ithasprovedthevalidityofthetheoriesandmethodsabove.⑤Ithassuccessfullydevelopedamonitoranddiagnosistrainingsystemaccordingtothesteelenterpriserollingmachines,whichisbasedonISO18436criterionandthepreciousexpertexperienceswithmultimediasoftwareAuthorwareandFlash.Thistrainingsystemhasfullyutilizedcomputermultimediatechnology,virtualtechnology,artificialintelligence,dynamicemulationtechnologytocombinevibrationmonitorwithvibrationanalysisandfaultdiagnosistechnology,withthistrainingsystem,重庆大学硕士学位论文IVwecantransformthecomplicatedtechnologyandtheoriesintosimpleandpracticalengineeringtool.Keywords：ISO18436,KnowledgeSystem,VibrationAnalysis,FaultCharacters,DiagnosisExample,TrainingSystem1绪论11绪论1.1选题背景大型机械设备通常包括各类大型风机、粉磨机械、汽轮发电机组、离心压缩机组等回转机械及一些大型往复机组如大型柴油发电机组等，这些设备往往是冶金、电力、石化、汽车和造船等国民经济重要部门的关键设备，设法保障这些设备安全稳定地运行，对企业经济效益和国民经济发展具有重要意义[1]。从工业化大生产出现至今，设备维修大致经历了三种方式：事后维修、预防维修、状态维修或预知维修。事后维修是最早的维修方式，只在设备坏了之后才进行修理。之后，维修部门便预先制订计划，定期进行检修和更换零部件，形成定期预防维修方式。后来随着计算机和电子技术的发展，发展了将新设备诊断技术应用于设备的管理和维修，根据设备状态监测和故障诊断所预知的设备状态来确定设备维修工作的内容和时间，即状态维护或预知维修。它以设备的运转工况为依据，以工况数据的趋势分析为基础，来决定设备是否需要维修。它的特征是以先进的测试技术进行状态监测和故障诊断，通过检测、比较和分析确定设备的技术状况和确定是否需要维修[9]。一般大型机械成套设备包括众多环节，影响其安全运行的因素很多，其次，现代化的工业生产采用以技术先进、结构复杂、精度高为特点的生产设备，这些设备的维护工作量大，检查项目多，要求严格，许多故障很难依据传统办法凭人的感官和经验检查出来。通过使用各种先进的仪器和检测设备对大型机械的运行状态进行监测与分析是判断设备是否正常运行、是否存在潜在故障及预测故障发展趋势等问题的有力手段[11]。因此，这对运行操作人员的专业知识、操作水平、应变能力和熟练程度等方面提出了更高要求，需要对运行人员进行有效的培训。与传统的培训手段相比，计算机辅助培训优越性体现在以下几个方面:①生动形象。采用计算机辅助培训技术，可以更好地激发学习兴趣，提高培训质量。②易于突破重点和难点。计算机辅助培训技术可将许多抽象难懂的内容变得生动有趣，使使用者在短时间内建立感性认识。③具有交互性。这是计算机辅助培训技术的最突出特性，它能使信息发送和接收两者之间进行实时的交换。④计算机辅助培训系统具有友好的系统界面，提供方便的知识模块，使培训效果快速、准确。重庆大学硕士学位论文2由于多媒体技术具有传统技术手段所无法比拟的优势，因此，将多媒体技术应用于设备故障诊断培训系统中也就成为必然选择，而开发出正确且有效的适用于大型旋转机械的故障诊断技术多媒体培训系统就成为责无旁贷的任务[20][22]。在此背景条件下，为了科学、合理、有效、彻底地解决存在的问题，需开发一套培训系统，比较全面直观地实现大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系。1.2主要研究内容对旋转机械进行故障诊断，首先要在获取机器大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行详细分析，才能进行诊断。因而对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状态等信息后，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施[2][3][4]。本文立足钢铁行业的生产实践，充分参考ISO18436标准，结合多年从事设备故障现场诊断的经验，运用计算机多媒体软件Authorware和Flash，研究开发了大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系培训系统，主要研究内容如下：①比较系统地总结了利用振动信号进行故障诊断的全过程：1）信号的采集：利用各种传感器采集机械振动信号，真实反映其运行状态。2）特征值的提取：通过信号处理将均方根值、峰峰值等特征参数提取出来作为状态识别量。3）状态的识别：根据时域波形、频谱特性等进行特征分析确定故障的类型和故障程度。②重点介绍了振动信号的时域分析、频谱分析、解调分析、轴心轨迹分析、相位分析方法，及其在设备故障诊断中的应用。③详细论述了旋转机械常见故障不平衡、不对中、松动、转子碰摩、油膜涡动、滚动轴承故障、齿轮故障及其它故障的振动特征。④针对钢铁企业设备的具体情况，提出了适合钢铁企业设备特点的网络化状态监测与故障诊断系统，介绍了系统的监测方式、功能特点和模块设计。⑤介绍了一个现场诊断实例，将故障诊断理论和方法应用到生产实践，验证了理论和方法的正确性[7][8][17]。⑥在上述理论研究的基础上，结合ISO18436标准，从软件工程的思想出发，开发了一套培训系统，确定了系统设计标准、知识模块、开发平台，对培训系统界面及各知识模块进行导航交互设计，比较全面、直观地实现了振动监测与故障诊断知识体系，最后对系统进行测试和打包。1绪论3⑦在培训系统素材创作上，除了录入文字、图形等静态媒体外，还包含了大量演示动画、题