旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)的發(fā)展與研究
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旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，是近年來研究的熱門課題，這里著重考慮的是避免設(shè)備的隨機(jī)性故 障。自動在線監(jiān)測方式與定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析監(jiān)測方式相比技術(shù)水平先進(jìn)，既 避免設(shè)備突發(fā)性故障又無需專業(yè)人員現(xiàn)場操作。旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)在線預(yù)測技術(shù)，是研究的新 興課題之一，這里著重考慮的是預(yù)測設(shè)備的時間依存性故障和改變設(shè)備的維護(hù)方式。該技術(shù) 是在狀態(tài)監(jiān)測及故障分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是實(shí)現(xiàn)以先進(jìn)的預(yù)知維護(hù)取代以時間為基礎(chǔ)的 預(yù)防性維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。本課題著重研究的是設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測及趨勢預(yù)測的方法。
1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展
1.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程
旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械。許多大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如：離心泵、電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、 發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、軋鋼機(jī)等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。 本世紀(jì)以來，隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械工程中的機(jī)械設(shè)備朝著輕型化、大型化、 重載化和高度自動化等方向發(fā)展。出現(xiàn)了大量的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、振動、噪聲、可靠性，以及材 料與工藝等問題，設(shè)備損壞事件時有發(fā)生，國內(nèi)外大型汽輪機(jī)嚴(yán)重事故是其典型實(shí)例。
大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究是國家重點(diǎn)的攻關(guān)項(xiàng)目，目的是提高大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的 產(chǎn)品質(zhì)量，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。50年代，各種類型和性能的傳感器和測振 儀相繼研制成功，并開始應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)際。六七十年代，數(shù)字電路、電子計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展、“信號數(shù)字分析處理技術(shù)”的形成，推動 了振動檢測技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。70年代至80年代，機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國家開始研究。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測研究跨入系統(tǒng)化的階段，并 把實(shí)驗(yàn)室的研究成果逐步推廣到核能設(shè)備、動力設(shè)備以及其它各種大型的成套機(jī)械設(shè)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(zhuǎn)機(jī)械健康管理系統(tǒng)”（machinery health monitoring，簡稱MHM），美國西屋公司的“可移動診斷中心”（mobile diagnosi s center，簡稱MDC），丹麥B＆K公司的2500型振動監(jiān)測系統(tǒng)等，都具備了機(jī)組 信號數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項(xiàng)診斷軟件。先進(jìn)的狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把體現(xiàn)機(jī)械動態(tài)特性的振動、噪聲作為主要監(jiān)測和分析的內(nèi)容。由 于振動、噪聲是快速的隨機(jī)性信號, 不僅對測試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進(jìn)行大量的數(shù) 據(jù)處理， 國內(nèi)外在80年代用小型計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理機(jī)做為主機(jī)完成機(jī)械動態(tài)特性 的數(shù)據(jù)處理（如:HP5451C）, 該類主機(jī)不僅價格昂貴（一般價格為數(shù)十萬元）而且對工作環(huán) 境要求苛刻（需要專用機(jī)房），因而通常采用離線監(jiān)測與分析的方式。
90年代以來，高檔微機(jī)不斷更新且價格迅速下降，適合數(shù)字信號處理的計(jì)算方法不斷優(yōu)化， 使數(shù)據(jù)處理速度大為提高，為在工業(yè)現(xiàn)場直接應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)造了條件。丹麥、美國、 德國、日本等發(fā)達(dá)國家的專家學(xué)者對旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研制出不 同系統(tǒng)。該類系統(tǒng)以丹麥 BK公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國BENTLY 公司的3300 系列振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國亞特蘭大公司的M6000系統(tǒng)為代表已經(jīng)達(dá)到較高的水平 。在功能上比較典型的系統(tǒng)之一是丹麥BK公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自動譜比較并進(jìn)行故障預(yù)警報(bào)警；對6％和23％恒百 分比帶寬譜進(jìn)行速度補(bǔ)償；幅值增長趨勢圖顯示； 三維譜圖顯示；振動總均方根值（振動 烈度）計(jì)算；支持局域網(wǎng)。美國IRD公司的IQ2000系統(tǒng)可認(rèn)為是至今為止有報(bào)道的功能最齊 全的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。
我國在工業(yè)部門中開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)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(jī)組，一般都購置了監(jiān)測系統(tǒng)。而在自行研制的國產(chǎn)設(shè)備上，若選用國外的監(jiān)測系統(tǒng)，由于 價格異常昂貴而難以接受。80年代中后期以來，我國有關(guān)研究院所、高等院校和企業(yè)開始自 行或合作研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，無論在理論研究、測試技術(shù)和儀器研制方面，都取得 了成果，并開發(fā)出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。如：西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工 大學(xué)、北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院等。
國內(nèi)主要有幾種類型：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(tǒng) ；b.西安交通大學(xué)機(jī)械監(jiān)測與診斷研究室的RMMDS系統(tǒng)；c.西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研 究室的RB20-1系統(tǒng)；d.鄭州工學(xué)院的RMMDS系統(tǒng)；e.重慶太笛公司的CDMS系統(tǒng)；f.浙江大學(xué) 的CMD-I型及II型系統(tǒng)；g.西北工業(yè)大學(xué)的MD3905系統(tǒng)；h.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院的BJD-ZⅠ、BJ D-ZⅡ、BJD-ZⅢ系統(tǒng)。其中比較典型的系統(tǒng)有：1985年10月通過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(jī)化“汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來進(jìn)一 步開發(fā)的汽輪機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ；1987年通過鑒定的由西安交通大學(xué)機(jī)械 故障診斷研究室研制的RMMD-S化肥五大機(jī)組“微機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”等。這些系統(tǒng) 的主要功能有：軸振動監(jiān)測，包括軸心軌跡分析、軸向串動、軸振動位移峰-峰值計(jì)算；殼 體振動監(jiān)測；頻譜分析，包括頻率細(xì)化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動預(yù) 、報(bào)警；故障特征提取及診斷。
以上系統(tǒng)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 格依然昂貴，這些系統(tǒng)主要應(yīng)用于國家重點(diǎn)企業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測或特定設(shè)備的監(jiān)測，如大 型汽輪機(jī)組、大型水輪機(jī)組等。
從技術(shù)發(fā)展過程看，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)大致經(jīng)歷了兩個階段。
第一階段是以傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)為基礎(chǔ)，以信號處理技術(shù)為手段的常規(guī)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(yīng)用，它吸收了大量的現(xiàn)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、噪聲、力、溫度、電、磁、光、射線等多種信息。由此 產(chǎn)生了設(shè)備的振動、噪聲、光譜、鐵譜、無損檢測、熱成像等監(jiān)測和故障分析技術(shù)。信號分 析與數(shù)值處理技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使各種方法應(yīng)運(yùn)而生，如：狀態(tài)空間 分析、對比分析、函數(shù)分析、邏輯分析、統(tǒng)計(jì)和模糊分析方法。近年來，各種數(shù)據(jù)處理軟、 硬件的出現(xiàn)使實(shí)時在線監(jiān)測及故障分析技術(shù)成為可能。
人工智能技術(shù)為設(shè)備監(jiān)測和故障分析的智能化發(fā)展提供了可能，使得現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)發(fā)展 步入第二階段。這一階段的研究內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法已開始并正在繼續(xù)發(fā)生著重大變化，以 數(shù)據(jù)處理為核心的過程將被以知識處理為核心的過程所替代，開展了專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 模糊分析等理論、方法和應(yīng)用技術(shù)的研究。這階段起主導(dǎo)作用的將是人類 專家的知識，包括人類專家所擁有的領(lǐng)域知識、求解問題的方法等。由于實(shí)現(xiàn)信號檢測、數(shù) 據(jù)處理與知識處理的統(tǒng)一，使得先進(jìn)技術(shù)不再是少數(shù)專業(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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