旋轉機械狀態(tài)監測及預測技術(shù)的發(fā)展與研究
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旋轉機械狀態(tài)監測技術(shù)，是近年來(lái)研究的熱門(mén)課題，這里著(zhù)重考慮的是避免設備的隨機性故 障。自動(dòng)在線(xiàn)監測方式與定期監測方式、在線(xiàn)檢測離線(xiàn)分析監測方式相比技術(shù)水平先進(jìn)，既 避免設備突發(fā)性故障又無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員現場(chǎng)操作。旋轉機械狀態(tài)在線(xiàn)預測技術(shù)，是研究的新 興課題之一，這里著(zhù)重考慮的是預測設備的時(shí)間依存性故障和改變設備的維護方式。該技術(shù) 是在狀態(tài)監測及故障分析基礎上發(fā)展起來(lái)的，是實(shí)現以先進(jìn)的預知維護取代以時(shí)間為基礎的 預防性維護的關(guān)鍵技術(shù)。本課題著(zhù)重研究的是設備狀態(tài)在線(xiàn)監測及趨勢預測的方法。
1 旋轉機械狀態(tài)監測技術(shù)的發(fā)展
1.1 旋轉機械狀態(tài)監測技術(shù)的發(fā)展歷程
旋轉機械是工業(yè)上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動(dòng)機、發(fā)動(dòng)機、 發(fā)電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關(guān)鍵設備。 本世紀以來(lái)，隨著(zhù)機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現代機械工程中的機械設備朝著(zhù)輕型化、大型化、 重載化和高度自動(dòng)化等方向發(fā)展。出現了大量的強度、結構、振動(dòng)、噪聲、可靠性，以及材 料與工藝等問(wèn)題，設備損壞事件時(shí)有發(fā)生，國內外大型汽輪機嚴重事故是其典型實(shí)例。
大型旋轉機械狀態(tài)監測技術(shù)研究是國家重點(diǎn)的攻關(guān)項目，目的是提高大型旋轉機械的 產(chǎn)品質(zhì)量，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟損失。50年代，各種類(lèi)型和性能的傳感器和測振 儀相繼研制成功，并開(kāi)始應用于科學(xué)研究和工程實(shí)際。六七十年代，數字電路、電子計算機 技術(shù)的發(fā)展、“信號數字分析處理技術(shù)”的形成，推動(dòng) 了振動(dòng)檢測技術(shù)在機械設備上的應用。70年代至80年代，機械設備的狀態(tài)監測與故障診斷 技術(shù)在許多發(fā)達國家開(kāi)始研究。隨著(zhù)電子計算機技術(shù)、現代測試技術(shù)、信號處理技術(shù)、信號 識別技術(shù)與故障診斷技術(shù)等現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機械設備的監測研究跨入系統化的階段，并 把實(shí)驗室的研究成果逐步推廣到核能設備、動(dòng)力設備以及其它各種大型的成套機械設備中去， 進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本三菱公司的“旋轉機械健康管理系統”（machinery health monitoring，簡(jiǎn)稱(chēng)MHM），美國西屋公司的“可移動(dòng)診斷中心”（mobile diagnosi s center，簡(jiǎn)稱(chēng)MDC），丹麥B＆K公司的2500型振動(dòng)監測系統等，都具備了機組 信號數據的采集、分析、計算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專(zhuān)項診斷軟件。先進(jìn)的狀 態(tài)監測系統把體現機械動(dòng)態(tài)特性的振動(dòng)、噪聲作為主要監測和分析的內容。由 于振動(dòng)、噪聲是快速的隨機性信號, 不僅對測試系統要求高，而且在分析中要進(jìn)行大量的數 據處理， 國內外在80年代用小型計算機或專(zhuān)用數字信號處理機做為主機完成機械動(dòng)態(tài)特性 的數據處理（如:HP5451C）, 該類(lèi)主機不僅價(jià)格昂貴（一般價(jià)格為數十萬(wàn)元）而且對工作環(huán) 境要求苛刻（需要專(zhuān)用機房），因而通常采用離線(xiàn)監測與分析的方式。
90年代以來(lái)，高檔微機不斷更新且價(jià)格迅速下降，適合數字信號處理的計算方法不斷優(yōu)化， 使數據處理速度大為提高，為在工業(yè)現場(chǎng)直接應用狀態(tài)監測技術(shù)創(chuàng )造了條件。丹麥、美國、 德國、日本等發(fā)達國家的專(zhuān)家學(xué)者對旋轉機械工作狀態(tài)監測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研制出不 同系統。該類(lèi)系統以丹麥 BK公司的2520型振動(dòng)監測系統、美國B(niǎo)ENTLY 公司的3300 系列振動(dòng)監測系統、美國亞特蘭大公司的M6000系統為代表已經(jīng)達到較高的水平 。在功能上比較典型的系統之一是丹麥BK公司的2520型振動(dòng)監測系統(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自動(dòng)譜比較并進(jìn)行故障預警報警；對6％和23％恒百 分比帶寬譜進(jìn)行速度補償；幅值增長(cháng)趨勢圖顯示； 三維譜圖顯示；振動(dòng)總均方根值（振動(dòng) 烈度）計算；支持局域網(wǎng)。美國IRD公司的IQ2000系統可認為是至今為止有報道的功能最齊 全的監測與診斷系統。
我國在工業(yè)部門(mén)中開(kāi)展狀態(tài)監測技術(shù)研究的工作起步于1986年，在此之前從國外引進(jìn)的大型 機組，一般都購置了監測系統。而在自行研制的國產(chǎn)設備上，若選用國外的監測系統，由于 價(jià)格異常昂貴而難以接受。80年代中后期以來(lái)，我國有關(guān)研究院所、高等院校和企業(yè)開(kāi)始自 行或合作研究旋轉機械狀態(tài)監測技術(shù)，無(wú)論在理論研究、測試技術(shù)和儀器研制方面，都取得 了成果，并開(kāi)發(fā)出相應的旋轉機械狀態(tài)監測系統。如：西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工 大學(xué)、北京機械工業(yè)學(xué)院等。
國內主要有幾種類(lèi)型：a.哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ、3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ系統 ；b.西安交通大學(xué)機械監測與診斷研究室的RMMDS系統；c.西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研 究室的RB20-1系統；d.鄭州工學(xué)院的RMMDS系統；e.重慶太笛公司的CDMS系統；f.浙江大學(xué) 的CMD-I型及II型系統；g.西北工業(yè)大學(xué)的MD3905系統；h.北京機械工業(yè)學(xué)院的BJD-ZⅠ、BJ D-ZⅡ、BJD-ZⅢ系統。其中比較典型的系統有：1985年10月通過(guò)鑒定的由哈爾濱工業(yè)大學(xué)等 單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ微機化“汽輪發(fā)電機組振動(dòng)監測與故障診斷系統”，以及后來(lái)進(jìn)一 步開(kāi)發(fā)的汽輪機故障診斷專(zhuān)家系統3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ；1987年通過(guò)鑒定的由西安交通大學(xué)機械 故障診斷研究室研制的RMMD-S化肥五大機組“微機狀態(tài)監測與故障診斷系統”等。這些系統 的主要功能有：軸振動(dòng)監測，包括軸心軌跡分析、軸向串動(dòng)、軸振動(dòng)位移峰-峰值計算；殼 體振動(dòng)監測；頻譜分析，包括頻率細化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動(dòng)預 、報警；故障特征提取及診斷。
以上系統的軟件功能比較豐富，硬件性能也不斷改進(jìn)，但基本上仍處于研究發(fā)展階段，且價(jià) 格依然昂貴，這些系統主要應用于國家重點(diǎn)企業(yè)中關(guān)鍵設備的監測或特定設備的監測，如大 型汽輪機組、大型水輪機組等。
從技術(shù)發(fā)展過(guò)程看，現代監測技術(shù)大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段。
第一階段是以傳感器技術(shù)和動(dòng)態(tài)測試技術(shù)為基礎，以信號處理技術(shù)為手段的常規技術(shù)發(fā) 展階段，這一階段的技術(shù)已在工程中得到了應用，它吸收了大量的現代科技成果，傳感器技 術(shù)的飛躍發(fā)展，使之可以利用振動(dòng)、噪聲、力、溫度、電、磁、光、射線(xiàn)等多種信息。由此 產(chǎn)生了設備的振動(dòng)、噪聲、光譜、鐵譜、無(wú)損檢測、熱成像等監測和故障分析技術(shù)。信號分 析與數值處理技術(shù)的發(fā)展，結合微計算機技術(shù)的發(fā)展，使各種方法應運而生，如：狀態(tài)空間 分析、對比分析、函數分析、邏輯分析、統計和模糊分析方法。近年來(lái)，各種數據處理軟、 硬件的出現使實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測及故障分析技術(shù)成為可能。
人工智能技術(shù)為設備監測和故障分析的智能化發(fā)展提供了可能，使得現代監測技術(shù)發(fā)展 步入第二階段。這一階段的研究?jì)热菖c實(shí)現方法已開(kāi)始并正在繼續發(fā)生著(zhù)重大變化，以 數據處理為核心的過(guò)程將被以知識處理為核心的過(guò)程所替代，開(kāi)展了專(zhuān)家系統、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和 模糊分析等理論、方法和應用技術(shù)的研究。這階段起主導作用的將是人類(lèi) 專(zhuān)家的知識，包括人類(lèi)專(zhuān)家所擁有的領(lǐng)域知識、求解問(wèn)題的方法等。由于實(shí)現信號檢測、數 據處理與知識處理的統一，使得先進(jìn)技術(shù)不再是少數專(zhuān)業(yè)人員才能掌握的技術(shù)，而是一般操 作人員所能使用的工具。
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