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

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)介紹主要內(nèi)容1、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的概念2、大致分類(lèi)3、發(fā)展歷史回顧4、分析過(guò)程簡(jiǎn)介5、不對(duì)中故障機(jī)理與診斷第2頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的概念第3頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分類(lèi)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)屬于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)同步振動(dòng)：振動(dòng)頻率=工作頻率強(qiáng)迫振動(dòng)：對(duì)線性系統(tǒng)，在周期激振下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上判別依據(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)：振動(dòng)頻率<工作頻率自激振動(dòng)：振動(dòng)過(guò)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)象第4頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障分類(lèi)第5頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷發(fā)展歷程20世紀(jì)60年代NASA成立美國(guó)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(kāi)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(zhuān)家系統(tǒng)；基于規(guī)劃的汽輪機(jī)專(zhuān)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(zhuān)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。第6頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)狀態(tài)信號(hào)采集。根據(jù)檢測(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(guò)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)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。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(lèi)法、支持向量機(jī)等方法。分析過(guò)程簡(jiǎn)介第7頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天故障識(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(lèi)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(guò)模擬生物神經(jīng)元系統(tǒng)特性而建立起來(lái)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(wèn)題只能依靠經(jīng)驗(yàn)和技巧解決，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(lái)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(lái)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(lèi)面，通過(guò)定義適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)來(lái)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(wèn)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(kāi)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)構(gòu)和可靠的計(jì)算性能，適用于動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間序列的建模并具有強(qiáng)大的時(shí)序模式分類(lèi)能力。它能通過(guò)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。）第8頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天檢測(cè)裝置：流程圖：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)檢測(cè)裝置第9頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)故障診斷軟件平臺(tái)開(kāi)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(kāi)發(fā)，這兩個(gè)獨(dú)立軟件之間由LabVIEW軟件中的MATLABScript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)。第10頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障機(jī)理與診斷據(jù)美國(guó)MONSANTO石化公司統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的50~60%是由轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的。轉(zhuǎn)子不對(duì)中的類(lèi)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)中第11頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天造成不對(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(guò)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(guò)程中經(jīng)常通過(guò)找正的方法進(jìn)行補(bǔ)救，補(bǔ)救過(guò)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。第12頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障機(jī)理與診斷危害：

（1）增加機(jī)器的振動(dòng)；（2）過(guò)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(guò)高的能源消耗。不對(duì)中的危害-熱像圖62°F105°F第13頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同的聯(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)中角不對(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)中角不對(duì)中綜合不對(duì)中第14頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障機(jī)理齒式聯(lián)軸器平行不對(duì)中在K點(diǎn)的線速度在K點(diǎn)的角速度ABww第15頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障機(jī)理齒式聯(lián)軸器平行不對(duì)中激振力與不對(duì)中量D和質(zhì)量m成正比激振力隨轉(zhuǎn)速變化的因子為4w2，這說(shuō)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4倍。不平衡時(shí)的幅頻響應(yīng)函數(shù)第16頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天角度不對(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，ω1，ω2分別為主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子的角速度；α為從動(dòng)轉(zhuǎn)子的偏斜角；φ1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，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)。第17頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天綜合不對(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、△α、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0°～180°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)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。第18頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天剛性聯(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)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的兩倍。第19頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(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)速的升高而加大激勵(lì)力與不對(duì)中量成正比軸系具有過(guò)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)角度不對(duì)中主要引起軸向振動(dòng)振動(dòng)頻率徑向振動(dòng)以工頻的2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，也有2x，3x。第20頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障特征振動(dòng)幅值平行不對(duì)中：振動(dòng)頻譜中2x幅值超過(guò)1x幅值的50％角不不對(duì)中：軸向2x或3x幅值約是1x轉(zhuǎn)頻幅值的30％~50％2x值相對(duì)于1x幅值的高度常取決于聯(lián)軸器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸承振動(dòng)的相位差平行不對(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：香蕉形、8字形、外圈中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)圈第21頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天不對(duì)中故障平行不對(duì)中的故障特征角度不對(duì)中的故障特征第22頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天基于復(fù)值過(guò)程高階累積量譜的軸心軌跡分析的研究用復(fù)值過(guò)程表示軸心軌跡，將復(fù)值過(guò)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(shuō)明了該理論可以有效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。第23頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障原因與治理措施序號(hào)故障原因分類(lèi)故障原因處理措施1設(shè)計(jì)原因1）對(duì)工作狀態(tài)下熱膨脹量計(jì)算不準(zhǔn)2）對(duì)介質(zhì)壓力、真空度變化對(duì)機(jī)殼的影響計(jì)算不準(zhǔn)3）給出的冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)不準(zhǔn)1）核對(duì)設(shè)計(jì)給出的冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)2）按技術(shù)要求檢查調(diào)整軸承對(duì)中3）檢查熱態(tài)膨脹是否受限4）檢查保溫是否完好5）檢查調(diào)整基礎(chǔ)沉降2制造原因1）材質(zhì)不均，造成熱膨脹3安裝維修1）冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)不符合要求2）檢