多支承转子轴承系统故障诊断的信息融合技术.doc

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1、多支承转子轴承系统故障诊断的信息融合技术引言多支承转子轴承系统是在旋转机械中最常用的一种支承系统，它被广泛应用于发电、煤炭、化工及机械行业。随着国民经济的高速发展，对这种系统的故障诊断技术的要求也越来越高。但是，多支承转子轴承系统是一个极其复杂的非线性系统，对它运行状态和影响因素非常多国，人们难以寻找它的故障原因与某一个因素之间的耦合关系。不过，随着计算机技术的发展，传感技术也取得了长足的进步。于是，国内外都在探寻利用多种传感器获取的多路信息，借助新型的故障诊断技术理论，对诸如振动信号、位移信号、速度及加速度信号进行融合，以此来寻找系统故障产生的原因，并最终取得解决故障使设备正常运行。我在这次

2、的工程实践中跟随太原理工大学的梁义维老师进行了这方面的相关研究，并对信息融合技术在该研究课题中的实际应用有了深刻的认识。一 大型回转机械故障诊断的现状和发展趋势随着现代化大工业的迅猛发展，石化、电力、航空、冶金、能源和工程机械等行业中广泛应用的各类大型回转机械如离心压缩机、汽轮发电机、风机、水轮机和燃气轮机,日益向大型化、高速化、自动化、长周期连续运行方向发展。上述各类回转机械的正常运行，不仅能为国家创造巨大的物质财富，而且还产生了巨大的社会效益。由于设备质量缺陷、维护不当以及运行操作失误引起的各类故障都会影响到回转机械的稳定运行，威胁到生产的安全，甚至会造成设备停机、流程中断，造成严重的经济

3、损失。据统计，1992-1993年，国内17套尿素装置故障停车共计549次，停车957天，相当于3套尿素装置的生产能力放空一年，最多的一套装置共停车67次，共计110天，直接经济损失数亿元。1995年酒泉钢铁公司的发电机组由于多次强行启动，造成转子弯曲过大而报废，给酒缸和嘉峪关市造成了近亿元的经济损失。因此研制和开发先进的大型回转机械状态监测和故障诊断系统，对于确保这些关键设备的安全、高效、长周期运行，避免巨大的经济损失和灾难性事故的发生，具有重大的经济价值。20世纪70年代以来，电子技术和信号处理技术的迅猛发展，转子-轴承系统动力特性研究的不断深入，有力地促进了大型回转机械状态监测和故障诊断

4、技术的发展，使大型回转机械状态监测和故障诊断技术水平不断提高。大型回转机械状态振动监测和故障诊断技术主要包括转子振动监测系统开发、振动信号处理和分析技术、转子故障诊断技术等。回转机械状态监测分为离线定期监测和在线监测两种方式。离线定期监测首先用磁带记录仪或数据采集器对转子振动信号进行收集，然后送入频谱分析仪进行分析。在线监测是不断地对机组各测点的振动信号进行记录、监测，一旦机组发生故障，可以得到机组当时的振动信号。国外非常注重大型回转机械状态监测和故障诊断设备的开发，无论是用于离线监测和在线监测都有比较成熟的产品供选用，如日本和丹麦生产的磁带记录仪，美国亚特兰大公司的M777便携式数据采集器，

5、信号处理仪常见的是HP、B&K、小野公司的产品。在线监测系统主要由工业用微机系统和基于微机处理器的专用仪器组成，可同时对转子几十或几百通道的振动信号进行实时监测，如美国本特利公司生产的TDM和DDM系列产品和亚特兰大公司生产的M6000系列产品等。国内一些大型企业引进了一些大型回转机械状态监测仪器，开阔了大家的眼界，促进了国内大型回转机械状态监测和故障诊断技术的开展。进口监测仪器的突出缺点是价格昂贵，维护和改进更新都很困难，针对上述缺陷，国内一些科研机构和高等学校利用价格低而又灵活的个人计算机开发了一些转子监测和诊断系统。哈尔滨工业大学开发的“微机对机组振动监测和故障诊断系统”，西安交通大学与

6、镇海石化总厂联合开发的“大型旋转机械计算状态监测及故障诊断系统”，北京东方振动与噪声研究所研制的“DASP智能信号处理与分析系统”等，这些系统具有很高的性能价格比，与我国企业的实际情况紧密结合，有利于在我国推广，并已取得了良好的效果。以个人计算机为基础开发大型回转机械监测系统，这几年在国际上也受到了重视。转子运行状态监测和振动信息提取是为转子故障诊断作准备，转子振动信息是转子故障诊断的依据。然而，仅仅靠转子振动信息是不可能完成转子故障诊断的，必须将实测振动信息与转子典型故障在振动信息中的反映相联系。也就是说，首先必须通过理论分析和实验研究掌握转子典型故障的振动特征。在这方面，国内外学者己经进行

7、了大量的研究，这些研究成果也已成功地应用于实际转子故障诊断中。但主要是利用FFT谱分析和轴心软迹来反映这些典型故障的振动特征，振动特征以谱峰的变化和存在来表示，与前述用FFT谱分析提取转子实际振动信息有同样的不足之处，因此，不可能全面地反映出转子典型故障的振动特征。许多转子故障在频谱图上具有相同的特征，不对中与转子表面横向裂纹都引起二倍频振动分量的出现，矢量不平衡与质量不平衡都通过一倍频反映出来;油膜涡动、喘振、旋转脱离都引起转子亚同步振动等等。因此，要有效地区别转子故障必须研究新的转子振动特征提取方法和表示方式，按照新的特征提取方法从理论上和应用上进一步深入研究转子典型故障的振动特征。大型回

8、转机械状态监测与故障诊断技术是一门应用技术，提高大型回转机械故障诊断的准确性，不仅仅是要提高监测诊断的方法、速度、范围，还要充分借鉴已出现的故障的识别、判断和解决问题的经验，也就是说一个很重要的工作是对现场大型回转机械故障实例的收集和分析。大型回转机械振动产生原因非常复杂，并不是所有故障都可以像不平衡或裂纹等建立力学模型进行分析研究，就是不对中这一转子振动的主要影响因素和典型故障也难建立起一个令人满意的力学模型，有些转子振动现象机理也不很清楚，更不要说建立力学模型进行分析研究，要诊断这一类转子故障只有靠对现场实例的收集、归纳、整理，得到有益的结论，作为以后发生类似故障和同类回转机械类似故障的借

9、鉴，从而提高故障诊断的效率和准确率。在大型回转机械故障实例收集、整理方面人们已经进行了不少的努力，但仍然需要进一步深入和积累。要很好地完成大型回转机械的故障诊断，就必须对转子系统本身的固有振动特性有充分的研究，将实测振动信息与转子的固有振动特性相结合。目前，就如何利用和表达转子系统本身的固有特性来为转子故障诊断服务还待于进一步探索。机械状态监测和故障诊断技术是一门涉及到机械学、摩擦学、热工学、计算机科学、信息科学、测试技术、信号处理和模式识别技术的跨学科的综合性技术。作为一门应用科学，有许多前沿技术渗透进来:尤其是专家系统近几年来在这一领域发展迅速。已经有一些大型回转机械诊断专家系统建立和应用

10、是机械状态监测和诊断技术一个新的值得重视的研究领域。回转机械无论是机组本身还是运行环境都非常复杂，同样的振动对有些机组是故障而对另一些机组则运行正常，某化肥厂合成气压缩机主轴承处转子振动的幅值谱和二氧化碳压缩机高压缸转子主轴承处转子振动的幅值谱都具有半频振动分量，但对于二氧化碳压缩机是故障并导致了机组停车，而对于合成气压缩机则运行正常，如前所述，转子许多典型故降表现为同样的振动特征，很难区别故障的性质。这就使不少单位在研制大型回转机械故障诊断专家系统时，苦于经验、知识和数据的不足。因此，建立大型回转机械监测和诊断专家系统必须首先对所监测的大型回转机械振动信息全面而透彻了解，对典型故障特征深入研

11、究和实际故障振动实例的充分积累基础之上。否则，所建立的专家系统很难在实际中应用，产生许多疑义和争论。先进的状态监测和故障诊断技术可以实现故障的早期识别，避免恶性事故的发生，实现设备的预制维修，为企业创造可观的经济效益。近二十年来，国内外学者对大型回转机械振动诊断技术进行了大量的研究，许多研究成果已经应用于生产实际，取得了可喜的效果。但当前大型回转机械监测与故障诊断技术的核心问题仍然是如何全面地掌握机组运行信息，寻找更加有效和直观的转子振动信息提取方法和表达方式。通过理论分析和不断积累实际运行状态监测和故障诊断经验相结合，全面而透彻地了解大型回转机械的振动，达到区别各种转子典型故障以及确定故障发

12、生的位置、程度等,进一步提高大型回转机械故障诊断的准确性。二 多支承转子轴承系统故障诊断的信息融合技术利用单一信息对多支承转子轴承系统进行故障检测和诊断时,可靠性和准确性低。多传感器融合技术能够有效地提高精度和容错能力，所以它广泛应用于目标识别领域中。多传感器数据融合技术是一门新兴前沿技术.近年来,多传感器数据融合技术已受到广泛关注,它的理论和方法已被应用到许多研究领域。多传感器数据融合的典型应用实例就是过程监测和故障诊断,它是智能故障诊断系统中的最基本、最有效的信息处理工具;而智能故障诊断系统通常都是在多传感器数据融合的基础上进行综合诊断。图1 大型多支承转子轴承系统试验台多支承转子轴承试验

13、系统（以下简称试验系统）主要由拖动机构、支承部件(试验台、轴承部件)、转子部件、润滑系统、加载机构、控制系统(电机调速与加载控制)、测试系统(传感器、数据采集仪)、故障诊断系统等部分组成（1）拖动机构：包括变频调速电机、联轴器、增速器等。（2）支承部件：包括试验工作台、轴承部件等。本系统采用圆形的动压滑动轴承，因三油楔动压轴承的设计与计算非常复杂，制造与加工成本也较高，经过多方咨询与相关计算，最决定选用制造成本相对较低同时又能满足使用要求的这种轴承。除了上述的两大部分外，还有一些零部件，比如电涡流传感器支座、力传感器过渡底座、扭矩传感器底座和磁粉制动器底座等也属于支承部件。（3）转子部件：经过

14、对临界转速的计算和转子受力情况分析，本系统采用32的转子，分成四段，通过联轴器连接，八个轴承座支承，这样便于加工与安装，一方面可以模拟转子不对中的工况，另一方面可以模拟挠性转子的工况。另外，转子部件还包括转子上面进行定位和固定的元件，比如圆螺母等。（4）润滑系统：用来给整个试验系统的运动部分供给润滑油，其中主要是给八个动压滑动轴承，以保证系统正常运转。（5）加载机构：为了模拟转子的不平衡故障，每跨转子上准备上两个重量约50千克的质量圆盘，总共8个。其中，每跨中的两个质量盘的间距在一定的范围内可以调整。一方面可以通过质量盘模拟发电机受载的工况，另一方面我们还可以观察到转子的临界转速与质量分布之间

15、的耦合关系。还有就是在最后一根转子上联接有CZ-10的磁粉制动器，施加扭转载荷。（6）控制系统：这部分主要有转子的转速控制、磁粉制动器的加载力矩控制。其中，转子的转速控制主要是通过变频器对电机进行调速，进而通过增速箱实现转子的转速控制；磁粉制动器的加载力矩是通过改变激磁电流来控制。（7）信号测试与分析系统：它是对所采集到的信号进行分析评价的重要手段。它可以实时地显示各个通道信号变化情况，并且可以进行数字滤波，使我们对系统的运行状态有更加直观而且科学的评价。本系统选用的是北京东方振动与噪声研究所的DASP信号分析软件工程版标准型。它的功能非常强大，主要有信号示波和采样、时域波形分析（多踪）、自谱

16、分析（多踪）、.编辑滤波、.波形公式运算、波形全景分析、概率分析、利萨如X-Y图分析、.自相关分析（多踪）、互相关分析、.互谱分析、传递函数分析、三维谱阵分析、长数据LFFT分析、小波和小波包分析、最大熵分析、倒频谱分析和结果输出。测试系统是本试验系统的核心部分，它包括了试验数据的采集、转换和处理。（1）在进行数据采集时，针对各个信号的特点，我们选用了不同的传感器(见表1 )。1）力传感器：本系统选用了八个三维轴承负荷传感器置于液压滑动轴承的底部，用来测量轴承在X、Y和Z三个方向的负荷变化。特别是在转子的临界转速附近的受力变化。最后，对力的信号分析，来研究系统的动力学性，即转子的故障状态与力之

17、间的耦合关系。： 2）加速度传感器：这里一共选用了八只三向加速度传感器，它们通过M5螺钉连接将分别被安装在八个轴承座上，用来测量转子在旋转过程中带给轴承座在X、Y和Z方向的加速度。3）电涡流传感器：它主要是用来测量转子的振动信号。在测量时两个传感器一组，呈90安装在传感器支架上，我们就可以测得转子的轴心的偏移情况。4）扭矩传感器：它安装在增速器的输出端，用来测量转子在旋转过程中的扭矩变化。同时，因为该扭矩传感器还具有测速的功能，因而我们还可以知道转子的转速。5）温度传感器：它用来测量在系统的运行过程中各个部分的温度变化。比如，润滑油油温、滑动轴承的温度、电机的温度以及磁粉制动器在轴加载处的温度

18、变化等等。6）标高测定传感器：用来测量轴承座标高的变化，主在是为以后模拟转子的不对中做准备。因为这不是本系统的主要内容，故这次没有选传感器，但我们仍可以通过静态测量来得到标高的数据，以便在试验过程中分析标高变化与轴承座受力之间的关系。表1系统选用传感器及其所需通道统计表测量用途传感器类型数量每个需要通道总共需要通道加速度加速度传感器8324轴承负载力传感器8324轴心位移电涡流传感器818标高光栅传感器111轴承温度温度传感器111转子转速转速传感器111转子负载扭矩传感器111需要通道数合计60（2）信号采集仪是进行信号测试必需的环节。它要把各个传感器采集的模拟信号（电压或电流）转换成数字信

19、号并传送给计算机，由安装在计算机中的信号分析系统进行分析、显示和打印。由于所采集的信号比较多，故我们选用了北京东方振动与噪声研究所的INV306U-7660型智能信号采集处理分析仪，它可以同时处理64路信号，最高的采样频率为1M，USB接口。三 结论该测试系统在基于多种传感器技术的基础上，将多支承转子轴承系统的速度、加速度、位移、扭矩等信息按一定的规则有机地融合在一起，不仅可以用于测试转子的负荷变化（渐变、突变、暂态等），还可以用于转子的振动信号检测与数据处理、转子运行状态估计以及转子的故障诊断（如弯曲、不对中和碰摩等），同时该系统还可以将实验室的试验数据与现场监测数据进行对比分析。在本测试系统中，通过改变转子轴承的不同支承形式、支承间距、轴承标高、质量盘的重量与间距以及负载等参数，我们还可以研究转子轴承的负荷与转子的振动参数之间的耦合关系、转子轴承负荷分配状况及类型特征，从而为利用小波、神经网络、遗传算法等先进技术分析实验数据、提取信号特征、抑制噪声打下良好的基础。与国内外的转子振动测试系统相比，本系统通过测试研究转子轴承的负荷和转子的振动参数之间的耦合关系来分析机械故障机理，它提出了一种崭新的机械故障诊断理论，其综合性能与可靠性较高，并具有较高的实用价值，可以广泛应用于科学研究领域和生产实际中。 李毅 2007-6-17