过程装备工况监测及故障诊断

过程装备工况监测及故障诊断段权西安交通大学能源与动力工程学院过程装备与控制系•工况监测和故障诊断•固体的振动•振动信号处理系统•故障诊断的其他方法•典型设备和零部件的故障诊断•故障诊断的新进展•叶轮机械强度和振动西安交通大学故障•设备基本状态：正常、异常、故障•故障：功能指标低于正常的最低极限值–破坏性故障–降低性能的故障–操作者行为导致的故障：事故/破坏西安交通大学概论•故障诊断的定义西安交通大学概论医学诊断：望闻切问故障诊断•故障诊断的内容西安交通大学概论状态监测故障分析运行预测故障类型•按可靠性：–早期致命性–偶发性–随时性•按形式–结构–参数西安交通大学概论故障原因•维护•变形•腐蚀•疲劳•磨损•堵塞•制造西安交通大学概论故障诊断的知识结构西安交通大学概论数学：傅立叶变换力学：振动知识信息：信号处理故障诊断的基本过程西安交通大学概论信号检测信号处理状态识别诊断决策故障诊断的参数：信号类型西安交通大学概论振动信号：位移、速度、加速度噪声：声强、声压、倍频程温度：点/场压力：化学成分：其他：表面分析，性能分析等故障诊断的参数：信号性质西安交通大学概论幅值：SI，dB=20log(a/a0)频率相位其他状态参数:轴心轨迹等西安交通大学固体的振动系统激励响应单自由度：M-C-K多自由度连续西安交通大学固体的振动按振动产生的原因分类：自由振动：无阻尼的自由振动有阻尼的自由振动，衰减振动强迫振动：无阻尼的强迫振动有阻尼的强迫振动自激振动西安交通大学固体的振动西安交通大学固体的振动西安交通大学固体的振动运动过程中，总指向物体平衡位置的力称为恢复力。物体受到初干扰后，仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近的振动称为无阻尼自由振动。)/(0,)/(0,)/(0,2222222ImgamgaIlgmglmlmkxxkxxmnnnnnn质量—弹簧系统：单摆：复摆：西安交通大学固体的振动无阻尼自由振动的特点是：(2)振幅A和初相位取决于运动的初始条件(初位移和初速度)；(1)振动规律为简谐振动；(3)周期T和固有频率仅决定于系统本身的固有参数(m,k,I)。n并联串联西安交通大学固体的振动阻尼的概念：阻尼：振动过程中，系统所受的阻力。粘性阻尼：在很多情况下，振体速度不大时，由于介质粘性引起的阻尼认为阻力与速度的一次方成正比，这种阻尼称为粘性阻尼。单自由度系统的有阻尼自由振动西安交通大学固体的振动衰减振动的特点：(1)振动周期变大，频率减小。(2)振幅按几何级数衰减西安交通大学固体的振动强迫振动的概念强迫振动：在外加激振力作用下的振动。简谐激振力：H—力幅；—激振力的圆频率；—激振力的初相位。)sin(tHS西安交通大学固体的振动3、强迫振动的振幅大小与运动初始条件无关，而与振动系统的固有频率、激振力的频率及激振力的力幅有关。稳态强迫振动的主要特性：1、在简谐激振力下，单自由度系统强迫振动亦为简谐振动。2、强迫振动的频率等于简谐激振力的频率，与振动系统的质量及刚度系数无关。西安交通大学固体的振动,时nb，这种现象称为共振。西安交通大学固体的振动(1)总在0至区间内变化。(2)相频曲线（-曲线）是一条单调上升的曲线。随增大而增大。(3)共振时=1，，曲线上升最快，阻尼值不同的曲线，均交于这一点。(4)1时，随增大而增大。当》1时，反相。2西安交通大学固体的振动当λ1时≈0，就是说，当基础振动频率ω远比系统固有频率为低时，系统的相对振动幅，这表明，系统几乎完全随着基础一起振动。（λ＝0即刚性连接，）DT0B0DT基础振动工程中，经常遇到另一种情况，激振力不直接作用在质量上，而是由于基础本身振动使与基础相联的弹簧—阻尼—质量系统发生振动西安交通大学固体的振动作幅——频特性曲线（TD～λ），可见：1、当λ时，TD≈1，即当基础振动频率ω远比系统固有频率ωn为低时，质量m的振幅接近基础振幅，这就是说，两者同时运动，相对振幅接近于零。2、当λ接近于1时，TD达最大值，系统产生共振。3、当时，TD1，即系统的振幅小于基础振动的振幅。而λ越大，TD（系统振幅）越接近于零。人们利用这一点来隔振。20123βv21λ0.7070.40.30.21.001西安交通大学固体的振动拾振器的壳体带有磁钢，它与振动物体刚性连接着，线圈由弹性与壳体连接。这样，当物体振动时，壳体随振动物体一起振动，而线圈发生第二类振动，使线圈弹簧系统的固有频率ωn远低于物体在频率ω.也就是说，线圈实际停留在空中不动。于是，不动的线圈与运动着的带磁钢壳体间有相对运动，其相对运动速度等于振动速度v，线圈切割磁力线产生电动势，由电磁感应定律：E=BLV×10-43n1DT惯性式拾振器式中：E——线圈感应电动势（伏）B——空气中的磁感应强度（高斯）L——线圈的绕线长度（米）V——相对运动速度（米/秒）西安交通大学固体的振动减振与隔振的概念剧烈的振动不但影响机器本身的正常工作，还会影响周围的仪器设备的正常工作。减小振动的危害的根本措施是合理设计，尽量减小振动，避免在共振区内工作。许多引发振动的因素防不胜防，或难以避免，这时，可以采用减振或隔振的措施。减振：在振体上安装各种减振器，使振体的振动减弱。例如，利用各种阻尼减振器消耗能量达到减振目的。西安交通大学固体的振动隔振主动隔振：将振源与基础隔离开。被动隔振：将需防振动的仪器、设备单独与振源隔离开。西安交通大学振动传感器振动速度传感器振动加速度传感器西安交通大学振动传感器压电晶体传感器压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变化很快的动态压力、加速度、振动等。西安交通大学振动传感器压电效应某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。FFFF西安交通大学振动传感器xyF++++++++--------xy++++++++--------Fxy--------++++++++Fxy++++++++--------F沿X轴方向受压力沿X轴方向受拉力沿Y轴方向受压力沿Y轴方向受拉力晶片上电荷的极性与受力方向的关系西安交通大学振动传感器压电材料1．压电晶体石英晶体（SiO2），铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，锗酸锂(LiGeO3)2．压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3），锆钛酸钡（PZT）等聚二氟乙烯（PVF2）高分子压电材料西安交通大学振动传感器应用举例1．压电加速度传感器2．压电式压力传感器3．基于压电效应的超声波传感器(1)探伤(2)测厚(3)检测材料西安交通大学振动传感器比较几种安装方式特点西安交通大学固体的振动西安交通大学固体的振动西安交通大学信号处理测试系统传感器放大器分析仪示波器/测量读数装置记录仪（模拟/数字）A/D计算机虚拟仪器西安交通大学信号处理信号分析方法时间域：时间序列分析时差域：自/互相关分析频率域：自/互功率谱密度函数分析，倒谱分析幅值域：统计分析，载荷谱各种方法的内容、任务和应用是什么？西安交通大学信号处理时间域：时间序列分析AR（N）模型MA（M）模型ARMA（N，M）模型西安交通大学信号处理时差域：相关分析mixxNRNiiix,.....,1,0,1)(10miyxNRNiiixy,.....,1,0,1)(10西安交通大学信号处理频率域：频谱分析（Spectrum）-6.00E-02-4.00E-02-2.00E-020.00E+002.00E-024.00E-026.00E-020.00E+005.00E-011.00E+001.50E+002.00E+002.50E+000.00E+002.00E-034.00E-036.00E-038.00E-031.00E-021.20E-021.40E-021.60E-021.80E-022.00E-020.00E+005.00E+011.00E+021.50E+022.00E+022.50E+02FastFourierTransformation西安交通大学信号处理频率域：倒频谱分析（Cepstrum)0100200300400500600-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.201002003004005006000246810121401002003004005006000100200300400500600西安交通大学信号处理频率域：瀑布图/阶次分析ft或者RPMdB目的：分析开/关机过程的信号规律揭示故障西安交通大学信号处理幅值域：信号统计分布载荷谱制订可靠性干涉模型西安交通大学信号处理信号分析的过程滤波：高通、低通、带通、带阻采样：满足采样定理（fFmax),防止频率混淆消除趋势项：减少系统误差消除趋势项：减少系统误差平均：消除偶然误差加窗：减少频谱泄漏西安交通大学信号处理频谱泄漏：信号截断引起减少方法：增加时间信号加权：窗函数哈宁窗函数22)2cos1(21TtTtTu*余弦坡度窗指数窗函数TteuDt0西安交通大学临界转速回转体的临界转速是指某些特定的转速，当回转体在这些转速或其附件运转时，本身将出现很大变形并作弓形回旋，引起支承及整个机械的剧烈振动，甚至造成轴承和回转体的破坏，而当转速在这些特定转速的一定范围之外时，运转即趋于平稳，这些引起剧烈振动的特定转速称为回转体的临界转速。西安交通大学临界转速回转体的平衡原理任何一个回转体旋转时，其体内无数个微小质点都将产生离心惯性力，这些无数的离心惯性力，组成了一个惯性力系，作用在回转体上，使其产生弯曲变。弯曲变形改变了质点至旋转轴线的距离，使离心惯性力大小产生变化，又使回转体产生新的变形，如此反复，直至抵抗变形的弹性恢复力与离心惯性力平衡为止。工程中，若回转体在离心惯性力系的作用下，只产生微小变形，则称其为刚性回转体，并忽略其变形。这样做，能简化惯性力系的分析与处理。反之，则作为柔性回转体处理。一般来说，工作转速低于其一阶临界转速0.5倍的回转体，可视为刚性回转体；工作转速超过其一阶临界转速0.7倍的回转体，则应按柔性回转体处理。西安交通大学临界转速单圆盘转子：圆盘：质量m,质心C点；转轴过盘的几何中心A点，AC=e，盘和轴共同以匀角速度转动。当n（n为圆盘转轴所组成的系统横向振动的固有频率）时，OC=x+e(x为轴中点A的弯曲变形）。西安交通大学临界转速当转速非常高时，圆盘质心C与两支点的连线相接近，圆盘接近于绕质心C旋转，于是转动平稳。为确保安全，轴的工作转速一定要避开它的临界转速。,运转时当n质心C位于O、A之间OC=x-e22)(11nemkexexxnn,;,,时当时当西安交通大学转动机械常见故障的频率特征故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1×R同步正进动油膜涡动(0.4~0.49)×R正进动热弯曲1×R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2×R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2N×RN为磁极对数正进动内腔积液失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动松动1×R,2×R等也有1.5×R,2.5×R等转子内阻失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数×R，边带频率…径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障…内环故障…滚珠故障…轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率西安交通大学频率分析振动信号分析的3个方面1,振动频率分析2,分析振幅的方向特性3,分析振幅随转速变化的关系不平衡的典型特征诊断不平衡类型特征消除措施质量