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　　摘　要　旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機械，為了對其進行安全生產(chǎn)和實行科學(xué)維護，需要研究旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)。采用了綜述該技術(shù)發(fā)展趨勢與介紹該技術(shù)研究工作相結(jié)合的方法。在大型機組上施行的實踐驗證結(jié)果表明：所研究的技術(shù)是有效的，分析手段是適用的，以風(fēng)電行業(yè)的主機振動系統(tǒng)為例子，推薦使用 振動傳感器、潤滑油檢測傳感器檢測相關(guān)設(shè)備狀態(tài)。
　　關(guān)鍵詞　旋轉(zhuǎn)機械；工作狀態(tài)；監(jiān)測及預(yù)測；潤滑油檢測傳感器；振動監(jiān)測傳感器
    一、引言
　　旋轉(zhuǎn)機械狀態(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，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，是實現(xiàn)以先進的預(yù)知維護取代以時間為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護的關(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。
    二、旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展
    1.旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程
　　旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機械。許多大型旋轉(zhuǎn)機械，如：離心泵、電動機、發(fā)動機、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(shè)備。本世紀(jì)以來，隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機械工程中的機械設(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)外大型汽輪機嚴(yán)重事故是其典型實例。
　　大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究是國家重點的攻關(guān)項目，目的是提高大型旋轉(zhuǎn)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)研究和工程實際。六七十年代，數(shù)字電路、電子計算機 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)在機械設(shè)備上的應(yīng)用。70年代至80年代，機械設(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。隨著電子計算機技術(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，機械設(shè)備的監(jiān)測研究跨入系統(tǒng)化的階段，并 把實驗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械設(shè)備中去， 進入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本三菱公司的“旋轉(zhuǎn)機械健康管理系統(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，都具備了機組 信號數(shù)據(jù)的采集、分析、計算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項診斷軟件。先進的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把體現(xiàn)機械動態(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、噪聲是快速的隨機性信號, 不僅對測試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進行大量的數(shù) 據(jù)處理， 國內(nèi)外在80年代用小型計算機或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理機做為主機完成機械動態(tài)特性 的數(shù)據(jù)處理(如:HP5451C), 該類主機不僅價格昂貴(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，高檔微機不斷更新且價格迅速下降，適合數(shù)字信號處理的計算方法不斷優(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)機械工作狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行了深入研究，研制出不同系統(tǒng)。該類系統(tǒng)以 美國MEAS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B&K公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)(vibrati on monitortype 2520)，主要功能有：自動譜比較并進行故障預(yù)警報警；對6％和23％恒百 分比帶寬譜進行速度補償；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的大型機組，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3MDⅠ、3MDⅡ、3MDⅢ系統(tǒng) ；b.西安交通大學(xué)機械監(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RB201系統(tǒng)；d.鄭州工學(xué)院的RMMDS系統(tǒng)；1f62e.重慶太笛公司的CDMS系統(tǒng)；f.浙江大學(xué) 的CMDI型及II型系統(tǒng)；g.西北工業(yè)大學(xué)的MD3905系統(tǒng)；h.北京機械工業(yè)學(xué)院的BJDZⅠ、BJ DZⅡ、BJDZⅢ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3MDⅠ微機化“汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來進一 步開發(fā)的汽輪機故障診斷專家系統(tǒng)3MDⅡ、3MDⅢ；1987年通過鑒定的由西安交通大學(xué)機械 故障診斷研究室研制的RMMDS化肥五大機組“微機狀態(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，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，如大型汽輪機組、大型水輪機組等。
　　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)合微計算機技術(shù)的發(fā)展，使各種方法應(yīng)運而生，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。
    2.旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢
　　機械設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代測量技術(shù)、計算機技術(shù)和信號分析技術(shù)的先進的監(jiān)測技術(shù)，諸如超聲、聲發(fā)射、紅外測溫等 ，層出不窮。人工智能、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)等新興學(xué)科在機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中也找到用武之地。
　　在機械動態(tài)信號分析方法和應(yīng)用技術(shù)上，新近的發(fā)展有：采用空間域濾波的預(yù)處理、采用Vo ld－Kalman濾波的多軸階比信號分析技術(shù)、適于非平穩(wěn)信號的基于Wigner－Ville分布分析、小波(wavelet)變換方法、混沌分析方法、智能傳感與檢測技術(shù)、以及與VXI總線儀器平臺相關(guān)的技術(shù)等。
　　現(xiàn)今，國內(nèi)外較典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有3種。
    (1)離線定期監(jiān)測方式。測試人員定期到現(xiàn)場用一個傳感器依次對各測點進行測試，并用磁帶機記錄信號，數(shù)據(jù)處理在專用計算機上完成，或是直接在便攜式內(nèi)置微機的儀器上完成；這是當(dāng)前利用進口監(jiān)測儀器普遍采用的方式。采用該方式，測試系統(tǒng)較簡單，但是測試工作較煩鎖，需要專門的測試人員；由于是離線定期監(jiān)測，不能及時避免突發(fā)性故障。
    (2)在線檢測離線分析的監(jiān)測方式。亦稱主從機監(jiān)測方式，在設(shè)備上的多個測點均安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器從機系統(tǒng)進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，在主機系統(tǒng)上由專業(yè)人員進行分析和判斷。這種方式是近年在大型旋轉(zhuǎn)機械上采用的方式。相對第一種方式，該方式免去了更換測點的麻煩，并能在線進行檢測和報警；但是該方式需要離線進行數(shù)據(jù)分析和判斷 ，而且分析和判斷需要專業(yè)技術(shù)人員參與。
    (3)自動在線監(jiān)測方式。該方式不僅能實現(xiàn)自動在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，及時進行故障預(yù)報，而且能實現(xiàn)在線地進行數(shù)據(jù)處理和分析判斷；由于能根據(jù)專家經(jīng)驗和有關(guān)準(zhǔn)則進行智能化的比較和判斷，中等文化水平的值班工作人員經(jīng)過短期培訓(xùn)后就能使用。該方式技術(shù)最先進，不需要人為更換測點，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)人員參與分析和判斷；但是軟硬件的研制工作量很大。本課題研究的是這種方式。
　　今后，旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)趨向由離線定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析監(jiān)測方式，發(fā)展為自動在線監(jiān)測方式。隨著人工智能理論的發(fā)展及其在實際中的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理軟件的大量開發(fā)，今后旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)正向多目標(biāo)、多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 。
    三、旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)預(yù)測技術(shù)的發(fā)展
    1.旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)預(yù)測技術(shù)的發(fā)展歷程
　　當(dāng)機械設(shè)備發(fā)生故障時,不僅物質(zhì)財富遭到破壞，服務(wù)逼迫中斷，甚至連人員的生存也會受到威脅。在工業(yè)史上，由于機械設(shè)備故障造成的災(zāi)難和環(huán)境事故頻頻發(fā)生。例如，美國阿莫科.卡迪斯號油輪原油泄漏事故，前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故等等，了解這些事故發(fā)生 的過程以及如何加以防范，成為要考慮的重要問題。尤其這些故障大都是由于人為干預(yù)和不 當(dāng)措施所造成的，因而減少維護次數(shù)和提高維護的科學(xué)性是預(yù)防惡性事故發(fā)生的重要方面 。
　　傳統(tǒng)的機械設(shè)備維護方式概括為：運轉(zhuǎn)至損壞再維護和以時間為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護；前者一般用于廉價的小型機器，采用后備設(shè)備來保證生產(chǎn)；后者也稱定期維護，一般用于大中型設(shè) 備，不論設(shè)備是否有故障都按人為計劃的時間定期檢修80年代以來，以建立新 的維修體制為目標(biāo)形成了綜合工程學(xué)科，這一工程學(xué)科在歐美、日本以不同的形式獲得了推 廣。近年來丹麥、美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的專家學(xué)者進一步提出了預(yù)知維護的基本概 念。90年代以來，開始研究新型旋轉(zhuǎn)機械工作狀態(tài)分析和狀態(tài)預(yù)測技術(shù)，研究采用專家系統(tǒng) 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的應(yīng)用技術(shù)。但是，人工智能狀態(tài)在線預(yù)測和預(yù)知維護的研究尚處于研究發(fā)展的起步階段。
　　設(shè)備預(yù)知維護是通過對機械設(shè)備運行狀態(tài)做監(jiān)測及預(yù)測來取代定期檢修方式，其原則是：只有當(dāng)監(jiān)測、分析和預(yù)測結(jié)果表明有必要維修時才進行維修。這種現(xiàn)代化維護方式能監(jiān)測和預(yù)報設(shè)備的故障，在發(fā)現(xiàn)故障前兆時能及時停機，甚至能按判別出的故障的性質(zhì)和部位，有目的地進行檢修。其檢測方式通常是定期檢測，但理想的方式是在線實時檢測；其分析預(yù)測方式通常是在計算機上由專業(yè)人員評定完成，但理想的方式是由人工智能系統(tǒng)實時在線判斷完成。
　　因此，若能在線實時檢測和以人工智能分析機械設(shè)備經(jīng)歷的和當(dāng)前的狀態(tài)，并預(yù)測隨后的發(fā)展，則可以隨時、科學(xué)、有效地揭示機械設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)，并預(yù)測今后多長時間設(shè)備狀態(tài)將達(dá)到不可接受的程度而應(yīng)當(dāng)停機維修，從傳統(tǒng)的預(yù)防維護上升到預(yù)知維護。若對旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備實行預(yù)知維護，需要在旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和故障分析的基礎(chǔ)上，進一步通過對設(shè)備狀 態(tài)進行頻域、時域的綜合分析判斷以及狀態(tài)的趨勢預(yù)測來實現(xiàn)。
　　國際上有代表性的預(yù)測系統(tǒng)是美國Entek Scientific Corporation的預(yù)測維修系統(tǒng)(pre ventive maintenance system)，其主要功能有：幅值趨勢圖顯示；時域波形顯示，頻譜顯示；六段頻率頻譜自動報警，窄帶頻譜自動報警；兩頻譜幅值比顯示，兩頻譜幅值差顯示；三維譜圖顯示；用旋轉(zhuǎn)機械故障診斷專家系統(tǒng)進行離線故障診斷；支持鐵譜分析；支持局域網(wǎng)。該預(yù)測系統(tǒng)，能對頻譜進行自動比較，能識別由于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速變化所引起的頻率漂移 ，并提供報警信號。
　　隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些大型企業(yè)正在從單純的振動測量或巡回檢測、定期檢測和檢修，逐漸向長期連續(xù)監(jiān)測和預(yù)測性維修過渡。有的高等院校和科研院所的研究方向也開始相應(yīng)變化，有代表性的是天津大學(xué)的基于Windows的IDPM智能診斷與預(yù)測維修軟件系統(tǒng)的研究。但是國內(nèi)當(dāng)前研究的重點仍集中在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障分析方面，而對大型旋轉(zhuǎn)機組的以預(yù)知維護為目標(biāo)的智能狀態(tài)在線預(yù)測技術(shù)尚待系統(tǒng)地研究。國內(nèi)許多廠家和研究單位研制的監(jiān)測系統(tǒng)，大多數(shù)測量項目單一，甚至還往往限于對溫度、壓力、液位、電量等常規(guī)參數(shù)的檢測，不具備對振動量為主的機械動態(tài)特性進行檢測和分析的功能，因而無從反映旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備重要的工作狀態(tài)；即便具有檢測振動量的功能，尚限于狀態(tài)的監(jiān)測和故障分析，不能對旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)展趨勢進行預(yù)測。
    2.旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)預(yù)測技術(shù)的發(fā)展趨勢
　　從機械設(shè)備的檢修歷史和現(xiàn)狀來看，設(shè)備檢修方式大致有：發(fā)生事故停機檢修，定期停機檢修亦稱預(yù)防性維修(preventive maintenance)，預(yù)知維修(predictive maintenance)亦稱狀態(tài)維修或視情維修(condition maintenance or conditionbased maintenance)。
　　預(yù)知維修方式可以從根本上改變原有的設(shè)備維修制度。在保證設(shè)備安全運行、避免人員傷亡、減少環(huán)境污染和避免巨大的經(jīng)濟損失方面將產(chǎn)生巨大的作用。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，在設(shè)備上應(yīng)用預(yù)測技術(shù)，獲利與投資比可達(dá)17:1。因而，以預(yù)知維護取代以時間為基礎(chǔ)的預(yù)防性 維修，成為關(guān)鍵設(shè)備和大中型設(shè)備維護方式的發(fā)展趨勢。國外有代表性的采用旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)預(yù)測先進技術(shù)的系統(tǒng)是美國Entek 公司的IRD－890 PM預(yù)測維修系統(tǒng)、丹麥B&K公司的COMPAS S TYPE 3540系統(tǒng)、TYPE3560系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般用于設(shè)備的離線預(yù)測。
　　在線的預(yù)測技術(shù)越來越受到人們的重視，并成為目前技術(shù)攻關(guān)的課題。在現(xiàn)有的設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)上附加狀態(tài)預(yù)測功能，由于具有較高的性能價格比，而成為實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測的優(yōu)選方案，本課題研究的是這種采用在線方式的同時進行監(jiān)測及預(yù)測的方案。具有人工智能的狀態(tài)在線監(jiān)測和預(yù)測技術(shù)是國內(nèi)外研究的新課題，也是本課題研究的內(nèi)容。
　　由于機組狀態(tài)在線智能化趨勢預(yù)測技術(shù)是國際上90年代以來發(fā)展的一項先進技術(shù)，國家 自然科學(xué)基金工程與材料科學(xué)部確定，國內(nèi)大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)報研究課題主要針對大中型旋轉(zhuǎn)機械，研究智能化在線的狀態(tài)分析和狀態(tài)預(yù)測的有關(guān)理論、方法，研究在線檢測、人工智能分析設(shè)備經(jīng)歷的和當(dāng)前的狀態(tài)并預(yù)測發(fā)展趨勢。國家機械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金委員會提出的“九五”期間研究工作目標(biāo)也確定在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和故障分析的基礎(chǔ)上，研究大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，研究大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)趨勢預(yù)示的技術(shù)，開發(fā)大型旋轉(zhuǎn)機 械狀態(tài)趨勢預(yù)測的系統(tǒng)。
     四、旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)的研究
     1.問題的提出
　　以往在工業(yè)現(xiàn)場通常通過值班人員對大型機械設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)測，監(jiān)測項目除溫度、壓力、電機功率、電流等常規(guī)項目外，按規(guī)定振動、噪聲通常也是需監(jiān)測的項目，但往往沒有檢測手段，只能靠值班人員手摸或耳聽；由于缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)，對其狀態(tài)評價也往往是不準(zhǔn)確的，因而設(shè)備損壞等惡性事故時有發(fā)生。因停機維修而造成的經(jīng)濟損失往往是很驚人的。同時，當(dāng)前大型機械設(shè)備的維護方式通常采用的是周期性強制維護，該維護方式到時即更換零部件，維護費用巨大，停機時影響正常生產(chǎn)，并且仍避免不了惡性事故的發(fā)生。此外，工業(yè)現(xiàn)場往往裝有若干臺大型機械設(shè)備，現(xiàn)場噪聲很高，通常大大超過國家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。
　　在機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用方面：如我國大型油田以前建的大型采油注水站沒有裝備狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)。有的新建注水站雖裝備了微機巡檢系統(tǒng)，但該系統(tǒng)通常僅對壓力、溫度等常規(guī)項目進行監(jiān)測，沒有包括機械振動特性的檢測，不能進行機組重要狀態(tài)的監(jiān)測和分析。近年來，有的油田輸油站等大型設(shè)備上，采用了新研制的包括對振動特性進行檢測的系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線監(jiān)測和分析，但尚沒有建立機組機械動特性檔案，因而難以進行自動在線的狀態(tài)判斷，而需要專業(yè)人員離線進行分析。
　　在機械設(shè)備狀態(tài)預(yù)測技術(shù)應(yīng)用方面：如在我國大型油田廣泛使用的大型注水機組的維護方式仍采用上述的傳統(tǒng)的預(yù)防性維修。近年來有的維修部門進口了美國Entek 公司預(yù)測維修系統(tǒng)，可對機組進行定期檢測和離線分析。但是該儀器內(nèi)置的預(yù)測對象是通用電機，對注水機組故障率較高的離心泵的預(yù)測針對性不強，同時又是定期離線預(yù)測方式，不便于進行短期預(yù)測，不能防止機組突發(fā)性事故，并且得由專業(yè)人員進行檢測和分析；因而應(yīng)用受到限制，也不能從根本上改變注水機組的維護方式。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)越來越注重降低成本，特別是要求在能避免機械設(shè)備突發(fā)事故的同時盡量延長設(shè)備運行周期。為此，迫切需要研究大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)自動在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)。
    2.研究的意義
　　對旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)進行在線監(jiān)測及預(yù)測可以有效地避免意外事故，消除續(xù)發(fā)損壞，節(jié)約大量維護費用；由于減少維修次數(shù)，從而增加設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時間，提高設(shè)備利用率，縮減維修備件的庫存及庫存時間。
　　對機械設(shè)備狀態(tài)進行機械動態(tài)特性以及壓力、溫度、流量、液位、電量、潤滑油含水等常規(guī)項目的綜合自動監(jiān)測; 同時可進一步研究增加控制功能，調(diào)整設(shè)備輸出使 設(shè)備在效率較佳、能耗較低的狀態(tài)下運行。利用主機系統(tǒng)進行統(tǒng)計和打印日常 報表以及故障報表, 能為生產(chǎn)部門提供現(xiàn)代化的科學(xué)管理手段，通過微機聯(lián)網(wǎng)通訊，還可以使設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)成為企業(yè)先進的管理系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。此外，由于大大減少值班人員在強噪聲環(huán)境下工作的時間，即改善了工作條件, 又使企業(yè)達(dá)到國家有關(guān)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
　　隨著人們對設(shè)備保護意識的加強和設(shè)備維護認(rèn)識的深入、監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用成本的降低，對該項技術(shù)的需求也將日益增加。隨著該技術(shù)帶來的經(jīng)濟效益和社會效益日益明顯，旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)會進一步受到青睞。若進口國外通用監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)，不僅價格昂貴，且針對性不強。本課題涉及的研究內(nèi)容是根據(jù)我國工業(yè)生產(chǎn)狀況，針對實際需求而提出來的。
　　旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測研究的技術(shù)原理與技術(shù)方案適用于普通機械設(shè)備，尤其適 于連續(xù)運轉(zhuǎn)的大中型旋轉(zhuǎn)機械，如：機械、車輛、電力、石化、冶金、煤炭、核能等許多行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，從而推廣應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，經(jīng)濟效益潛力巨大。
    3.研究的主要內(nèi)容
　　本課題著重針對大型旋轉(zhuǎn)注水機械，以揭示機械設(shè)備的機械動態(tài)特性為手段，研究了機械設(shè)備狀態(tài)自動在線監(jiān)測及預(yù)測的方法，以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。通過對機械設(shè)備 運行和發(fā)展?fàn)顟B(tài)的在線檢測，實現(xiàn)了對機械設(shè)備狀態(tài)自動分析和判斷，對機械設(shè)備狀態(tài)發(fā)展進行在線趨勢預(yù)測，具體完成的主要內(nèi)容如下：
    (1)提出了大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測的總體方案和技術(shù)路線，開發(fā)了傳感器、數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)代信號處理、人工智能以及硬件、軟件的有關(guān)技術(shù)。狀態(tài)監(jiān) 測研究主要考慮的是針對隨機性故障，狀態(tài)預(yù)測研究主要考慮的是針對趨勢性故障、可預(yù)知故障。
    (2)在故障分析和預(yù)報方法的研究上，考慮到傳統(tǒng)的布爾邏輯識別、FTA方法(故障樹分析 法)，因為識別能力差、判據(jù)不足，不能滿足要求。采用了灰色系統(tǒng)理論、時間系列、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波分析等新技術(shù)。
    (3)從特征信號中提取有關(guān)機組狀態(tài)的信息；選擇的機械設(shè)備狀態(tài)敏感因子(特征參數(shù))具有較高靈敏度、較高識別能力，采取合適的敏感因子提取裝置、提取方式及提取方法。
    (4)提出了大型機械設(shè)備狀態(tài)正常與否的準(zhǔn)則，選擇了安全評定的標(biāo)準(zhǔn)，確定了對機械設(shè)備整體狀態(tài)及主要零部件狀態(tài)分別評價的判據(jù)；提供能對異常情況做出判斷的方法。
    (5)研究了時域、頻域綜合信號處理方法，使信號處理后的特征突出、明顯，便于自動比較、判別；圍繞信號處理的實時性、實用性、穩(wěn)定性進行了相應(yīng)的設(shè)計和改進，探討了新的譜估計方法以及小波分析方法。
    (6)研究了機械設(shè)備狀態(tài)在線分析及自動判別的技術(shù)，能根據(jù)歷史檔案、專家經(jīng)驗、客觀依據(jù)，實現(xiàn)機械設(shè)備狀態(tài)決策判斷自動化；研究的機械設(shè)備狀態(tài)自動判別智能專家系統(tǒng)，可克服轉(zhuǎn)速波動影響；開發(fā)了振動頻譜在線時域、頻域報警新技術(shù)。
    (7)研究了旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備常見故障特征，建立了機組故障原因集以及故障推理機制。
    (8)為對機械設(shè)備實行現(xiàn)代預(yù)知維護提供科學(xué)依據(jù)和手段，研究了趨勢預(yù)測的方法。除對機械設(shè)備整體進行趨勢預(yù)測外，探討了對機械設(shè)備零部件進行趨勢預(yù)測的方法。
    (9)研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備狀態(tài)預(yù)測上的應(yīng)用技術(shù)，針對現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對新信息強調(diào)不足的問題，研究出適于預(yù)測用途的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。探索了遺傳算法GA在趨勢預(yù)測應(yīng)用的途徑。
    (10)在趨勢預(yù)測模型中考慮時間序列模型預(yù)測、灰色模型預(yù)測、組合模型預(yù)測，圍繞提高預(yù)測精度提出了新型改進模型及有關(guān)方法。
    (11)為進行旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)的實驗研究，研制完成具有典型機械結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代測試分析功能的新型實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)應(yīng)能模擬典型旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)，能再現(xiàn)故障發(fā)展過程和預(yù)測發(fā)展趨勢。
    (12)以大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備為對象進行了工業(yè)現(xiàn)場的實踐驗證，并對驗證結(jié)果進行了分析。
    五、結(jié)束語
　　研究大型旋轉(zhuǎn)機組狀態(tài)在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)，對保證安全生產(chǎn)以及對設(shè)備實行預(yù)知維護都具有十分重要的意義。為此，本項課題采用科學(xué)分析與實驗驗證相結(jié)合的方法，從信息提取和信號處理、故障分析、在線預(yù)測、人工智能預(yù)測方法、實驗研究、實踐驗證以及系統(tǒng)研制幾個方面對智能化自動在線監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究。探索了新的途徑，得出了新的結(jié)論，獲得了有價值的成果，解決了重要生產(chǎn)實際問題，取得了預(yù)期效果。

　　根據(jù)本文的介紹，對 旋轉(zhuǎn)機械 需要各類傳感器檢測 包括：振動傳感器：通過檢測設(shè)備的振動情況判斷設(shè)備的運行健康情況！

　　油液分析傳感器：通過檢測潤滑油的品質(zhì)（包括：粘度、密度、介電常、溫度）來檢測設(shè)備是有良好的潤滑效果！

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