大型齒輪減速機(jī)監(jiān)測(cè)、故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型軋鋼廠齒輪減速機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷，防止突發(fā)性事故的發(fā)生，需對(duì)這些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度和電流等參數(shù)信號(hào)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，完成信號(hào)的拾取、放大、濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸，在發(fā)生運(yùn)行異常及故障時(shí)及時(shí)報(bào)警，并診斷出故障的類(lèi)別及部位。本章從設(shè)備特點(diǎn)、設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件實(shí)施三方面介紹了對(duì)該在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。
5.1設(shè)備特點(diǎn)、設(shè)備故障分析
某大型鋼廠的齒輪減速機(jī)的齒輪為圓柱斜齒輪，每個(gè)齒輪箱中均裝有兩個(gè)單級(jí)齒輪傳動(dòng)，兩根輸出軸分別帶動(dòng)軋機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)上的上、下軋輥。齒輪傳動(dòng)比在0.8～1.2之間。該齒輪減速機(jī)在軋板生產(chǎn)線(xiàn)中起著增速、減速和動(dòng)力傳輸作用。由于軋機(jī)不斷地處于咬鋼、軋鋼、拋鋼、空轉(zhuǎn)等狀態(tài)，故齒輪箱的工作載荷是交變載荷。齒輪箱齒輪的主要故障是：(1）齒輪輪齒表面的疲勞點(diǎn)蝕、剝落及鑿面磨損；(2）齒輪局部輪齒的斷齒、齒面崩落和齒根裂紋；(3）在很高的動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的輪齒變形。齒輪箱滾動(dòng)軸承的主要故障是：(1）內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體的疲勞點(diǎn)蝕剝落；(2）滾動(dòng)軸承各元件的膠著。
5.2設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷原理
機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中總是會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，當(dāng)運(yùn)行部件中存在故障隱患時(shí)，往往會(huì)使振動(dòng)、噪聲、溫度等物理參數(shù)發(fā)生某種變化，這種變化僅僅靠人的感官（即使在有自覺(jué)性的情況下）是很難發(fā)現(xiàn)的，一旦發(fā)現(xiàn)，往往是在比較嚴(yán)重和危險(xiǎn)的階段。本系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)期安裝在關(guān)鍵設(shè)備上的測(cè)點(diǎn)測(cè)量運(yùn)行中的振動(dòng)、溫度和電流等信號(hào)，經(jīng)必要的放大和A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字量采集，然后借助于計(jì)算機(jī)和診斷技術(shù)進(jìn)行分析處理，從而提取振動(dòng)等各種信號(hào)中的有用信息，達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)分析、故障診斷和輔助維修決策的目的。
本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集和故障特征提取，利用知識(shí)庫(kù)中不斷增多的專(zhuān)家知識(shí)，采用模糊識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果提出相應(yīng)的維修方案或調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。
5.3監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為完成對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的配置應(yīng)包括以下六部分：(l）傳感器、放大器；(2）信號(hào)處理儀；(3)A/D數(shù)據(jù)采集卡；(4）工業(yè)PC計(jì)算機(jī)；(5）報(bào)警電路；(6）電纜、電源。
在設(shè)計(jì)以上硬件系統(tǒng)時(shí)充分考慮到工廠設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)干擾因素多、運(yùn)轉(zhuǎn)條件惡劣、工藝狀況頻繁變動(dòng)，如軋機(jī)不斷地處于咬鋼、軋鋼、拋鋼、空轉(zhuǎn)等狀態(tài)。為了保證硬件系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠地在工廠工作，傳感器、信號(hào)處理儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等重要關(guān)鍵硬件產(chǎn)品應(yīng)盡量選購(gòu)國(guó)際上一流水平產(chǎn)品或國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)經(jīng)受使用考驗(yàn)的性能優(yōu)良的產(chǎn)品，參考國(guó)內(nèi)外在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的硬件配置，并自行設(shè)計(jì)配制相應(yīng)附件，實(shí)施各項(xiàng)功能，并達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和專(zhuān)家論證，齒輪減速機(jī)的監(jiān)測(cè)和故障診斷為某整個(gè)區(qū)域的核心和重點(diǎn)。圖5-1是硬件系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。
5.3.1傳感器配置的設(shè)計(jì)說(shuō)明
傳感器的配置應(yīng)重點(diǎn)放在齒輪減速機(jī)上。由于齒輪箱的故障振動(dòng)頻率范圍較寬，且風(fēng)機(jī)的故障振動(dòng)頻率也要超過(guò)1kHz，故選用加速度計(jì)測(cè)量設(shè)備振動(dòng)量。加速度計(jì)有電荷式和ICP式兩種。如要節(jié)省成本可選用后者。在既要節(jié)省成本又要保證監(jiān)測(cè)和診斷出齒輪減速機(jī)的故障，每臺(tái)減速機(jī)布置三個(gè)振動(dòng)加速度計(jì)及一個(gè)渦流位移測(cè)速計(jì)。電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可用渦流位移傳感器測(cè)量。
5.3.2數(shù)據(jù)采集卡配置的設(shè)計(jì)說(shuō)明
由于本硬件系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)、電流（屬于快變信號(hào)）和溫度（屬于慢變信號(hào)）是兩類(lèi)不同性質(zhì)的信號(hào)，故數(shù)據(jù)采集卡區(qū)別采用三種類(lèi)型的A/D卡，這樣既可以是高工作效率，且更為經(jīng)濟(jì)合理。PCI總線(xiàn)采集卡，總的采樣頻率為1.25MHz/s，這種采集卡在本硬件系統(tǒng)中主要用來(lái)采集數(shù)臺(tái)齒輪箱上的振動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)速信號(hào)；ISA總線(xiàn)采集卡，總的采樣頻率為5OOkHzs，這種采集卡在本硬件系統(tǒng)中主要用于采集齒輪箱的配套設(shè)備的振動(dòng)加速度、電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)：XT總線(xiàn)采集卡，總的采樣頻率為100kHz/s，這種采集卡在本硬件系統(tǒng)主要用于采集齒輪箱的配套設(shè)備的溫度慢變信號(hào)。
5.4監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)主要完成關(guān)鍵設(shè)備振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常狀態(tài)報(bào)警及信號(hào)分析和故障診斷等工作。
5.4.1軟件系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成
軟件系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成如下：參數(shù)設(shè)置、采樣、監(jiān)測(cè)、查詢(xún)、信號(hào)分析、故障趨勢(shì)分析、故障診斷、打印和在線(xiàn)幫助。
5.4.2該軟件包具有的特點(diǎn)
1.全面的功能要求
參數(shù)設(shè)置用來(lái)設(shè)置采樣數(shù)據(jù)存放路徑、分析結(jié)果存放路徑、采樣頻率、采樣類(lèi)型和各個(gè)采樣通道的傳感器的類(lèi)型、靈敏度、標(biāo)定值及單位等。濾波功能可對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行低通、高通、帶通濾波，相當(dāng)于濾波器。監(jiān)測(cè)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警，并給出各種統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。分析功能相當(dāng)于信號(hào)分析儀，可進(jìn)行報(bào)表、時(shí)域波形、概率密度、幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、包絡(luò)等快速分析。診斷功能采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，可對(duì)機(jī)組在復(fù)雜工況下出現(xiàn)的各種故障給出及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷，并對(duì)故障給出詳細(xì)的解釋?zhuān)煽啃愿摺?/DIV>
2.簡(jiǎn)便的操作程序
軟件在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行，界面友好。所有操作及提示全部漢字化，操作簡(jiǎn)單明了。軟件一經(jīng)啟動(dòng)后，要想實(shí)現(xiàn)某一功能，只要通過(guò)賞心悅目的菜單用鼠標(biāo)單擊即可實(shí)現(xiàn)，圖形窗口可隨意切換。這樣，軟件既適合于熟練者的快速操作，也適合于初學(xué)者的分步查詢(xún)操作和學(xué)習(xí)。
3.快速的采樣分析技術(shù)
采樣過(guò)程可隨時(shí)停止，可連續(xù)大容量數(shù)據(jù)采集，然后轉(zhuǎn)存入硬盤(pán)永久保存。直接存入硬盤(pán)時(shí)，采樣容量只受硬盤(pán)容量大小的限制。采樣通道可任意設(shè)置。實(shí)現(xiàn)了快速的時(shí)、頻域信號(hào)處理，分析功能完備，完全能滿(mǎn)足大型軋鋼機(jī)組的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷的要求。
4.高度的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)
THMDS-SP軟件包與相應(yīng)的硬件系統(tǒng)結(jié)合，可對(duì)機(jī)組進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可一次快速計(jì)算出多通道時(shí)域波形的最大值、平均值、有效值及其他各種指標(biāo)。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)警戒線(xiàn)時(shí)，可自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)分析并準(zhǔn)確診斷出機(jī)組可能出現(xiàn)的故障。
5.智能化故障診斷技術(shù)
系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，在正常工作情況下，以綠色顯示安全運(yùn)行。當(dāng)某一通道超過(guò)門(mén)檻值時(shí)，給出黃色警告直至紅色報(bào)警的訊號(hào)，顯示故障的部位、類(lèi)型等，并對(duì)故障給出詳細(xì)的解釋?zhuān)煽啃愿摺?BR>6.科學(xué)的文件管理
THMDS-SP軟件包設(shè)計(jì)了一套比較完善和科學(xué)的文件管理系統(tǒng)。系統(tǒng)一經(jīng)運(yùn)行，即可自動(dòng)進(jìn)行文件管理，無(wú)需人為干預(yù)。軟件對(duì)所有的文件誤操作進(jìn)行保護(hù)處理，在找不到所需文件時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)錯(cuò)誤處理功能，而不會(huì)中斷系統(tǒng)。
5.4.3軟件的工作流程
為了適應(yīng)日益更新的生產(chǎn)實(shí)際多種類(lèi)型參數(shù)監(jiān)測(cè)和故障診斷的要求，建立由多臺(tái)微機(jī)并行運(yùn)行構(gòu)成的在線(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與快速診斷系統(tǒng)。圖5-2為多微機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：
1.信息采集全息化。為全面準(zhǔn)確地了解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)提供了條件，所采集信息的種類(lèi)比較全面。根據(jù)信號(hào)變化的特點(diǎn)，采用不同的采樣頻率，對(duì)振動(dòng)量等快變信號(hào)和溫度等慢變信號(hào)分別采集，提高了效率。同時(shí)對(duì)任一參量的信息都采集足夠的通道數(shù)，保證了全面了解該參量所反映的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。
2.伏態(tài)監(jiān)測(cè)連續(xù)化。多微機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)不間斷地對(duì)每一信息通道進(jìn)行監(jiān)則，改變了傳統(tǒng)以機(jī)組為單位進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè)的工作方式，這對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)機(jī)組突發(fā)事故有著重要的意義。
3.數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化。采用這種新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，一大大加快了數(shù)據(jù)處理的速度，提高了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷的實(shí)時(shí)性水平。
4.故障診斷專(zhuān)門(mén)化。上位機(jī)用于完成系統(tǒng)管理、故障詳細(xì)分析、操作信息輸入及監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)果輸出等工作。進(jìn)行機(jī)組故障的診斷，大多需要占用計(jì)算機(jī)較長(zhǎng)的時(shí)間。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)既要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，又要進(jìn)行故障分析，往往效率不高。采用本系統(tǒng)，上位機(jī)可以集中主要“精力”專(zhuān)門(mén)進(jìn)行故障診斷方面的工作，這樣才能達(dá)到較高的診斷水平。
軟件的各個(gè)模塊通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系在一起，在下位機(jī)中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制著動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示和預(yù)處理，同時(shí)把監(jiān)測(cè)結(jié)果存入各機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)庫(kù)。在上位機(jī)中，詳細(xì)分析診斷程序塊調(diào)用運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，得出診斷結(jié)果并調(diào)用打印程序塊輸出。圖5-3為數(shù)據(jù)流程示意圖，圖5-4為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程示意圖。
5.4.4系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和故障診斷
監(jiān)測(cè)菜單分設(shè)備總布置圖、機(jī)組配置圖和測(cè)點(diǎn)部位三級(jí)結(jié)構(gòu)層次以圖形和文字顯示測(cè)點(diǎn)情況，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行。圖5-5是動(dòng)態(tài)顯示所監(jiān)測(cè)的16路加速度、位移、電流波形。當(dāng)監(jiān)測(cè)信號(hào)達(dá)到第二級(jí)門(mén)限值時(shí)，由功放輸出卡驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，發(fā)出聲光報(bào)警。
診斷菜單是整個(gè)軟件包的核心部分。它分為三部分：(l）典型故障譜圖；(2)知識(shí)庫(kù)建立及維護(hù)；(3）故障診斷。
1.診斷知識(shí)庫(kù)建立及維護(hù)
被授權(quán)的專(zhuān)業(yè)人員可以通過(guò)模塊中的知識(shí)編輯自由地增添、刪減或修改診斷知識(shí)和模糊關(guān)系矩陣，或不斷地積累減速機(jī)機(jī)組的各故障模式樣本中，再加入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣板中，通過(guò)訓(xùn)練板中，通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)可以得到該減速機(jī)機(jī)組的故障識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而在該機(jī)組的實(shí)際故障診為中保證有可靠的高質(zhì)量的診斷系統(tǒng)。
2.故障診斷
模糊故障診斷數(shù)學(xué)模型擬采用模糊邏輯診斷方式：
Y=X·R （5-1）
式中：Y——故障向量；X——故障癥狀向量；R——模糊關(guān)系矩陣；”·”——模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判算子。
診斷過(guò)程分為兩個(gè)步驟：
1）故障癥狀輸入：由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行FFT和倒譜等分析，根據(jù)幅直譜，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算故障癥狀向量。
2）診斷輸出：根據(jù)故障診斷知識(shí)庫(kù)，運(yùn)用模糊邏輯診斷法，得出診斷結(jié)果。由診斷模型推導(dǎo)出若干個(gè)可能的故障，并規(guī)定：
當(dāng)可能性bi>0.85時(shí)，表示確有故障產(chǎn)生：當(dāng)0.5＜可能性bi<0.85時(shí)，表示可能有故障發(fā)生；當(dāng)0.5＜可能性bi時(shí)，表示故障不可能發(fā)生。
當(dāng)軋制幾種不同規(guī)格的鋼材時(shí)，作用在齒輪箱和大電機(jī)上的載荷譜是不同的，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)也是可能不同的，此時(shí)故障癥狀向量也就不同。反映出的零部件的故障類(lèi)型及程度也不同。只要把故障診斷知識(shí)庫(kù)做得很周全，且對(duì)其進(jìn)行不折修正，那么，診斷結(jié)果可靠性就會(huì)逐步提高。
對(duì)于剛投入運(yùn)行的故障診斷知識(shí)庫(kù)，可能由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不完善和試驗(yàn)條件限制等原因，使得一些次要的故障漏診。故要對(duì)新的故障診斷知識(shí)庫(kù)通過(guò)實(shí)際診斷來(lái)進(jìn)行不斷補(bǔ)充和完善。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型可進(jìn)一步提高設(shè)備在各種工況下故障診斷的準(zhǔn)確性，有關(guān)其模型見(jiàn)下一章內(nèi)容。
5.5小結(jié)
對(duì)齒輪減速機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流等多參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在發(fā)生運(yùn)行異常及故障時(shí)及時(shí)報(bào)警和自動(dòng)診斷，可以防止關(guān)鍵設(shè)備和整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性事故，并進(jìn)行有指導(dǎo)性的維護(hù)和維修，可為企業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)節(jié)約成本、創(chuàng)造財(cái)富。本文從設(shè)備特點(diǎn)、設(shè)備故障分析、設(shè)備監(jiān)測(cè)和故漳診斷原理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件及軟件三方面介紹了清華大學(xué)設(shè)計(jì)和研究的TMDS線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、可靠性好、價(jià)格合理，現(xiàn)已通過(guò)八通道的試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)。
