第5章 大型齒輪減速機監(jiān)測、故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計
為了實現(xiàn)對大型軋鋼廠齒輪減速機等關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷，防止突發(fā)性事故的發(fā)生，需對這些關(guān)鍵設(shè)備進行振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度和電流等參數(shù)信號的在線監(jiān)測，完成信號的拾取、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)生運行異常及故障時及時報警，并診斷出故障的類別及部位。本章從設(shè)備特點、設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理及監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件實施三方面介紹了對該在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計和研究。
5.1 設(shè)備特點、設(shè)備故障分析
某大型鋼廠的齒輪減速機的齒輪為圓柱斜齒輪，每個齒輪箱中均裝有兩個單級齒輪傳動，兩根輸出軸分別帶動軋機生產(chǎn)線上的上、下軋輥。齒輪傳動比在0.8～1.2之間。該齒輪減速機在軋板生產(chǎn)線中起著增速、減速和動力傳輸作用。由于軋機不斷地處于咬鋼、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蝕、剝落及齒面磨損；(2）齒輪局部輪齒的斷齒、齒面崩落和齒根裂紋；(3）在很高的動載荷作用下產(chǎn)生的輪齒變形。齒輪箱滾動軸承的主要故障是：(1）內(nèi)圈、外圈和滾動體的疲勞點蝕剝落；(2）滾動軸承各元件的膠著。
5.2 設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理
機械設(shè)備在運行中總是會產(chǎn)生振動和噪聲，當(dāng)運行部件中存在故障隱患時，往往會使振動、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)，往往是在比較嚴重和危險的階段。本系統(tǒng)通過長期安裝在關(guān)鍵設(shè)備上的測點測量運行中的振動、溫度和電流等信號，經(jīng)必要的放大和A/D轉(zhuǎn)換后進行數(shù)字量采集，然后借助于計算機和診斷技術(shù)進行分析處理，從而提取振動等各種信號中的有用信息，達到狀態(tài)監(jiān)測、趨勢分析、故障診斷和輔助維修決策的目的。
本系統(tǒng)利用計算機進行信號采集和故障特征提取，利用知識庫中不斷增多的專家知識，采用模糊識別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型對設(shè)備的狀態(tài)進行自動識別，根據(jù)識別結(jié)果提出相應(yīng)的維修方案或調(diào)整運行參數(shù)。
5.3 監(jiān)測、診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計
為完成對關(guān)鍵設(shè)備進行監(jiān)測和診斷，監(jiān)測系統(tǒng)硬件的配置應(yīng)包括以下六部分：(l）傳感器、放大器；(2）信號處理儀；(3)A/D數(shù)據(jù)采集卡；(4）工業(yè)PC計算機；(5）報警電路；(6）電纜、電源。
在設(shè)計以上硬件系統(tǒng)時充分考慮到工廠設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場干擾因素多、運轉(zhuǎn)條件惡劣、工藝狀況頻繁變動，如軋機不斷地處于咬鋼、軋鋼、拋鋼、空轉(zhuǎn)等狀態(tài)。為了保證硬件系統(tǒng)能長期可靠地在工廠工作，傳感器、信號處理儀、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等重要關(guān)鍵硬件產(chǎn)品應(yīng)盡量選購國際上一流水平產(chǎn)品或國內(nèi)廠家生產(chǎn)經(jīng)受使用考驗的性能優(yōu)良的產(chǎn)品，參考國內(nèi)外在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的硬件配置，并自行設(shè)計配制相應(yīng)附件，實施各項功能，并達到各項技術(shù)指標。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和專家論證，齒輪減速機的監(jiān)測和故障診斷為某整個區(qū)域的核心和重點。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)計說明
傳感器的配置應(yīng)重點放在齒輪減速機上。由于齒輪箱的故障振動頻率范圍較寬，且風(fēng)機的故障振動頻率也要超過1kHz，故選用加速度計測量設(shè)備振動量。加速度計有電荷式和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)測和診斷出齒輪減速機的故障，每臺減速機布置三個振動加速度計及一個渦流位移測速計。電機和風(fēng)機的轉(zhuǎn)速可用渦流位移傳感器測量。
5.3.2 數(shù)據(jù)采集卡配置的設(shè)計說明
由于本硬件系統(tǒng)監(jiān)測的振動、電流（屬于快變信號）和溫度（屬于慢變信號）是兩類不同性質(zhì)的信號，故數(shù)據(jù)采集卡區(qū)別采用三種類型的A/D卡，這樣既可以是高工作效率，且更為經(jīng)濟合理。PCI總線采集卡，總的采樣頻率為1.25MHz/s，這種采集卡在本硬件系統(tǒng)中主要用來采集數(shù)臺齒輪箱上的振動加速度和轉(zhuǎn)速信號；ISA總線采集卡，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)備的振動加速度、電流和轉(zhuǎn)速信號：XT總線采集卡，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。
5.4 監(jiān)測、診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)主要完成關(guān)鍵設(shè)備振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常狀態(tài)報警及信號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、查詢、信號分析、故障趨勢分析、故障診斷、打印和在線幫助。
5.4.2 該軟件包具有的特點
1.全面的功能要求
參數(shù)設(shè)置用來設(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、采樣類型和各個采樣通道的傳感器的類型、靈敏度、標定值及單位等。濾波功能可對記錄數(shù)據(jù)進行低通、高通、帶通濾波，相當(dāng)于濾波器。監(jiān)測功能可實現(xiàn)對機組的實時監(jiān)測、報警，并給出各種統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。分析功能相當(dāng)于信號分析儀，可進行報表、時域波形、概率密度、幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、包絡(luò)等快速分析。診斷功能采用先進的故障診斷技術(shù)，可對機組在復(fù)雜工況下出現(xiàn)的各種故障給出及時、準確的判斷，并對故障給出詳細的解釋，可靠性高。
2.簡便的操作程序
軟件在WINDOWS操作系統(tǒng)下運行，界面友好。所有操作及提示全部漢字化，操作簡單明了。軟件一經(jīng)啟動后，要想實現(xiàn)某一功能，只要通過賞心悅目的菜單用鼠標單擊即可實現(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)者的分步查詢操作和學(xué)習(xí)。
3.快速的采樣分析技術(shù)
采樣過程可隨時停止，可連續(xù)大容量數(shù)據(jù)采集，然后轉(zhuǎn)存入硬盤永久保存。直接存入硬盤時，采樣容量只受硬盤容量大小的限制。采樣通道可任意設(shè)置。實現(xiàn)了快速的時、頻域信號處理，分析功能完備，完全能滿足大型軋鋼機組的在線監(jiān)測與故障診斷的要求。
4.高度的自動化監(jiān)測
THMDS-SP軟件包與相應(yīng)的硬件系統(tǒng)結(jié)合，可對機組進行多通道實時監(jiān)測，可一次快速計算出多通道時域波形的最大值、平均值、有效值及其他各種指標。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)超過警戒線時，可自動報警、自動分析并準確診斷出機組可能出現(xiàn)的故障。
5.智能化故障診斷技術(shù)
系統(tǒng)對實時采集的數(shù)據(jù)流進行分析，在正常工作情況下，以綠色顯示安全運行。當(dāng)某一通道超過門檻值時，給出黃色警告直至紅色報警的訊號，顯示故障的部位、類型等，并對故障給出詳細的解釋，可靠性高。
6.科學(xué)的文件管理
THMDS-SP軟件包設(shè)計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)運行，即可自動進行文件管理，無需人為干預(yù)。軟件對所有的文件誤操作進行保護處理，在找不到所需文件時，程序會自動啟動錯誤處理功能，而不會中斷系統(tǒng)。
5.4.3 軟件的工作流程
為了適應(yīng)日益更新的生產(chǎn)實際多種類型參數(shù)監(jiān)測和故障診斷的要求，建立由多臺微機并行運行構(gòu)成的在線連續(xù)實時監(jiān)測與快速診斷系統(tǒng)。圖5-2為多微機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。這樣做的優(yōu)點是：
1.信息采集全息化。為全面準確地了解機組運行狀態(tài)提供了條件，所采集信息的種類比較全面。根據(jù)信號變化的特點，采用不同的采樣頻率，對振動量等快變信號和溫度等慢變信號分別采集，提高了效率。同時對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組運行狀態(tài)。
2.狀態(tài)監(jiān)測連續(xù)化。多微機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)不間斷地對每一信息通道進行監(jiān)測，改變了傳統(tǒng)以機組為單位進行循環(huán)監(jiān)測的工作方式，這對于準確預(yù)報機組突發(fā)事故有著重要的意義。
3.數(shù)據(jù)處理實時化。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)測與診斷的實時性水平。
4.故障診斷專門化。上位機用于完成系統(tǒng)管理、故障詳細分析、操作信息輸入及監(jiān)測與診斷結(jié)果輸出等工作。進行機組故障的診斷，大多需要占用計算機較長的時間。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，計算機既要進行狀態(tài)監(jiān)測，又要進行故障分析，往往效率不高。采用本系統(tǒng)，上位機可以集中主要“精力”專門進行故障診斷方面的工作，這樣才能達到較高的診斷水平。
軟件的各個模塊通過動態(tài)數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起，在下位機中，監(jiān)測系統(tǒng)控制著動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和預(yù)處理，同時把監(jiān)測結(jié)果存入各機組運行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)庫。在上位機中，詳細分析診斷程序塊調(diào)用運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，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)測系統(tǒng)流程示意圖。
5.4.4 系統(tǒng)監(jiān)測和故障診斷
監(jiān)測菜單分設(shè)備總布置圖、機組配置圖和測點部位三級結(jié)構(gòu)層次以圖形和文字顯示測點情況，監(jiān)測設(shè)備運行。圖5-5是動態(tài)顯示所監(jiān)測的16路加速度、位移、電流波形。當(dāng)監(jiān)測信號達到第二級門限值時，由功放輸出卡驅(qū)動報警電路，發(fā)出聲光報警。
診斷菜單是整個軟件包的核心部分。它分為三部分：(l）典型故障譜圖；(2)知識庫建立及維護；(3）故障診斷。
1.診斷知識庫建立及維護
被授權(quán)的專業(yè)人員可以通過模塊中的知識編輯自由地增添、刪減或修改診斷知識和模糊關(guān)系矩陣，或不斷地積累減速機機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，通過訓(xùn)練板中，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)可以得到該減速機機組的故障識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而在該機組的實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)綜合評判算子。
診斷過程分為兩個步驟：
1）故障癥狀輸入：由計算機軟件自動對故障信號進行FFT和倒譜等分析，根據(jù)幅直譜，計算機自動計算故障癥狀向量。
2）診斷輸出：根據(jù)故障診斷知識庫，運用模糊邏輯診斷法，得出診斷結(jié)果。由診斷模型推導(dǎo)出若干個可能的故障，并規(guī)定：
當(dāng)可能性bi>0.85時，表示確有故障產(chǎn)生：當(dāng)0.5＜可能性bi<0.85時，表示可能有故障發(fā)生；當(dāng)0.5＜可能性bi時，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，作用在齒輪箱和大電機上的載荷譜是不同的，對應(yīng)的振動信號也是可能不同的，此時故障癥狀向量也就不同。反映出的零部件的故障類型及程度也不同。只要把故障診斷知識庫做得很周全，且對其進行不斷修正，那么，診斷結(jié)果可靠性就會逐步提高。
對于剛投入運行的故障診斷知識庫，可能由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完善和試驗條件限制等原因，使得一些次要的故障漏診。故要對新的故障診斷知識庫通過實際診斷來進行不斷補充和完善。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型可進一步提高設(shè)備在各種工況下故障診斷的準確性，有關(guān)其模型見下一章內(nèi)容。
5.5 小結(jié)
對齒輪減速機等關(guān)鍵設(shè)備的振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流等多參數(shù)進行長期在線監(jiān)測，在發(fā)生運行異常及故障時及時報警和自動診斷，可以防止關(guān)鍵設(shè)備和整個生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性事故，并進行有指導(dǎo)性的維護和維修，可為企業(yè)和國民經(jīng)濟節(jié)約成本、創(chuàng)造財富。本文從設(shè)備特點、設(shè)備故障分析、設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理和監(jiān)測系統(tǒng)硬件及軟件三方面介紹了清華大學(xué)設(shè)計和研究的TMDS線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置簡單、可靠性好、價格合理，現(xiàn)已通過八通道的試驗室和現(xiàn)場系統(tǒng)試驗。
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