大型齒輪減速機監測、故障智能(néng)診斷系統設計
為(wèi)了(le)實現(xiàn)對大型軋鋼廠齒輪減速機等關(guān)鍵設備的在線監測和故障診斷，防止突發性事(shì)故的發生(shēng)，需對這(zhè)些(xiē)關(guān)鍵設備進行振動、位移、轉速、溫度和電流等參數信号的在線監測，完成信号的拾取、放(fàng)大、濾波、數據采集、數據處理(lǐ)與數據傳輸，在發生(shēng)運行異常及故障時(shí)及時(shí)報(bào)警，并診斷出故障的類别及部位。本章從設備特點、設備監測和故障診斷原理(lǐ)及監測系統硬件和軟件實施三方面介紹了(le)對該在線監測和故障診斷系統的設計和研究。
5.1設備特點、設備故障分(fēn)析
某大型鋼廠的齒輪減速機的齒輪為(wèi)圓柱斜齒輪，每個(gè)齒輪箱中均裝有兩個(gè)單級齒輪傳動，兩根輸出軸分(fēn)别帶動軋機生(shēng)産線上(shàng)的上(shàng)、下(xià)軋輥。齒輪傳動比在0.8～1.2之間(jiān)。該齒輪減速機在軋闆生(shēng)産線中起着增速、減速和動力傳輸作(zuò)用。由于軋機不斷地處于咬鋼、軋鋼、抛鋼、空轉等狀态，故齒輪箱的工作(zuò)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）在很高的動載荷作(zuò)用下(xià)産生(shēng)的輪齒變形。齒輪箱滾動軸承的主要故障是：(1）内圈、外圈和滾動體(tǐ)的疲勞點蝕剝落；(2）滾動軸承各元件的膠着。
5.2設備監測和故障診斷原理(lǐ)
機械設備在運行中總是會産生(shēng)振動和噪聲，當運行部件中存在故障隐患時(shí)，往往會使振動、噪聲、溫度等物理(lǐ)參數發生(shēng)某種變化(huà)，這(zhè)種變化(huà)僅僅靠人(rén)的感官（即使在有自覺性的情況下(xià)）是很難發現(xiàn)的，一(yī)旦發現(xiàn)，往往是在比較嚴重和危險的階段。本系統通過長期安裝在關(guān)鍵設備上(shàng)的測點測量運行中的振動、溫度和電流等信号，經必要的放(fàng)大和A/D轉換後進行數字量采集，然後借助于計算(suàn)機和診斷技術進行分(fēn)析處理(lǐ)，從而提取振動等各種信号中的有用信息，達到狀态監測、趨勢分(fēn)析、故障診斷和輔助維修決策的目的。
本系統利用計算(suàn)機進行信号采集和故障特征提取，利用知識庫中不斷增多的專家知識，采用模糊識别和神經網絡等模型對設備的狀态進行自動識别，根據識别結果提出相應的維修方案或調整運行參數。
5.3監測、診斷系統硬件設計
為(wèi)完成對關(guān)鍵設備進行監測和診斷，監測系統硬件的配置應包括以下(xià)六部分(fēn)：(l）傳感器(qì)、放(fàng)大器(qì)；(2）信号處理(lǐ)儀；(3)A/D數據采集卡；(4）工業PC計算(suàn)機；(5）報(bào)警電路(lù)；(6）電纜、電源。
在設計以上(shàng)硬件系統時(shí)充分(fēn)考慮到工廠設備結構複雜、現(xiàn)場(chǎng)幹擾因素多、運轉條件惡劣、工藝狀況頻繁變動，如(rú)軋機不斷地處于咬鋼、軋鋼、抛鋼、空轉等狀态。為(wèi)了(le)保證硬件系統能(néng)長期可靠地在工廠工作(zuò)，傳感器(qì)、信号處理(lǐ)儀、數據采集卡、計算(suàn)機等重要關(guān)鍵硬件産品應盡量選購(gòu)國際上(shàng)一(yī)流水平産品或國内廠家生(shēng)産經受使用考驗的性能(néng)優良的産品，參考國内外在線監測和故障診斷系統的硬件配置，并自行設計配制相應附件，實施各項功能(néng)，并達到各項技術指标。根據現(xiàn)場(chǎng)調查和專家論證，齒輪減速機的監測和故障診斷為(wèi)某整個(gè)區域的核心和重點。圖5-1是硬件系統構成原理(lǐ)圖。
5.3.1傳感器(qì)配置的設計說(shuō)明
傳感器(qì)的配置應重點放(fàng)在齒輪減速機上(shàng)。由于齒輪箱的故障振動頻率範圍較寬，且風(fēng)機的故障振動頻率也(yě)要超過1kHz，故選用加速度計測量設備振動量。加速度計有電荷式和ICP式兩種。如(rú)要節省成本可選用後者。在既要節省成本又要保證監測和診斷出齒輪減速機的故障，每台減速機布置三個(gè)振動加速度計及一(yī)個(gè)渦流位移測速計。電機和風(fēng)機的轉速可用渦流位移傳感器(qì)測量。
5.3.2數據采集卡配置的設計說(shuō)明
由于本硬件系統監測的振動、電流（屬于快(kuài)變信号）和溫度（屬于慢(màn)變信号）是兩類不同性質的信号，故數據采集卡區别采用三種類型的A/D卡，這(zhè)樣既可以是高工作(zuò)效率，且更為(wèi)經濟合理(lǐ)。PCI總線采集卡，總的采樣頻率為(wèi)1.25MHz/s，這(zhè)種采集卡在本硬件系統中主要用來(lái)采集數台齒輪箱上(shàng)的振動加速度和轉速信号；ISA總線采集卡，總的采樣頻率為(wèi)5OOkHzs，這(zhè)種采集卡在本硬件系統中主要用于采集齒輪箱的配套設備的振動加速度、電流和轉速信号：XT總線采集卡，總的采樣頻率為(wèi)100kHz/s，這(zhè)種采集卡在本硬件系統主要用于采集齒輪箱的配套設備的溫度慢(màn)變信号。
5.4監測、診斷系統軟件設計
軟件系統主要完成關(guān)鍵設備振動、位移、轉速、溫度、電流信号的數據采集、數據預處理(lǐ)、異常狀态報(bào)警及信号分(fēn)析和故障診斷等工作(zuò)。
5.4.1軟件系統功能(néng)模塊構成
軟件系統功能(néng)模塊構成如(rú)下(xià)：參數設置、采樣、監測、查詢、信号分(fēn)析、故障趨勢分(fēn)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(néng)要求
參數設置用來(lái)設置采樣數據存放(fàng)路(lù)徑、分(fēn)析結果存放(fàng)路(lù)徑、采樣頻率、采樣類型和各個(gè)采樣通道的傳感器(qì)的類型、靈敏度、标定值及單位等。濾波功能(néng)可對記錄數據進行低(dī)通、高通、帶通濾波，相當于濾波器(qì)。監測功能(néng)可實現(xiàn)對機組的實時(shí)監測、報(bào)警，并給出各種統計分(fēn)析數據。分(fēn)析功能(néng)相當于信号分(fēn)析儀，可進行報(bào)表、時(shí)域波形、概率密度、幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、包絡等快(kuài)速分(fēn)析。診斷功能(néng)采用先進的故障診斷技術，可對機組在複雜工況下(xià)出現(xiàn)的各種故障給出及時(shí)、準确的判斷，并對故障給出詳細的解釋，可靠性高。
2.簡便的操作(zuò)程序
軟件在WINDOWS操作(zuò)系統下(xià)運行，界面友好(hǎo)(hǎo)。所有操作(zuò)及提示全部漢字化(huà)，操作(zuò)簡單明了(le)。軟件一(yī)經啓動後，要想實現(xiàn)某一(yī)功能(néng)，隻要通過賞心悅目的菜單用鼠标單擊即可實現(xiàn)，圖形窗口可随意切換。這(zhè)樣，軟件既适合于熟練者的快(kuài)速操作(zuò)，也(yě)适合于初學者的分(fēn)步查詢操作(zuò)和學習。
3.快(kuài)速的采樣分(fēn)析技術
采樣過程可随時(shí)停止，可連續大容量數據采集，然後轉存入硬盤永久保存。直接存入硬盤時(shí)，采樣容量隻受硬盤容量大小的限制。采樣通道可任意設置。實現(xiàn)了(le)快(kuài)速的時(shí)、頻域信号處理(lǐ)，分(fēn)析功能(néng)完備，完全能(néng)滿足大型軋鋼機組的在線監測與故障診斷的要求。
4.高度的自動化(huà)監測
THMDS-SP軟件包與相應的硬件系統結合，可對機組進行多通道實時(shí)監測，可一(yī)次快(kuài)速計算(suàn)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标。當監測參數超過警戒線時(shí)，可自動報(bào)警、自動分(fēn)析并準确診斷出機組可能(néng)出現(xiàn)的故障。
5.智能(néng)化(huà)故障診斷技術
系統對實時(shí)采集的數據流進行分(fēn)析，在正常工作(zuò)情況下(xià)，以綠(lǜ)色顯示安全運行。當某一(yī)通道超過門檻值時(shí)，給出黃(huáng)色警告直至紅(hóng)色報(bào)警的訊号，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.科學的文件管理(lǐ)
THMDS-SP軟件包設計了(le)一(yī)套比較完善和科學的文件管理(lǐ)系統。系統一(yī)經運行，即可自動進行文件管理(lǐ)，無需人(rén)為(wèi)幹預。軟件對所有的文件誤操作(zuò)進行保護處理(lǐ)，在找不到所需文件時(shí)，程序會自動啓動錯誤處理(lǐ)功能(néng)，而不會中斷系統。
5.4.3軟件的工作(zuò)流程
為(wèi)了(le)适應日益更新(xīn)的生(shēng)産實際多種類型參數監測和故障診斷的要求，建立由多台微機并行運行構成的在線連續實時(shí)監測與快(kuài)速診斷系統。圖5-2為(wèi)多微機在線監測與診斷系統結構示意圖。這(zhè)樣做的優點是：
1.信息采集全息化(huà)。為(wèi)全面準确地了(le)解機組運行狀态提供了(le)條件，所采集信息的種類比較全面。根據信号變化(huà)的特點，采用不同的采樣頻率，對振動量等快(kuài)變信号和溫度等慢(màn)變信号分(fēn)别采集，提高了(le)效率。同時(shí)對任一(yī)參量的信息都采集足夠的通道數，保證了(le)全面了(le)解該參量所反映的機組運行狀态。
2.伏态監測連續化(huà)。多微機在線監測與診斷系統不間(jiān)斷地對每一(yī)信息通道進行監則，改變了(le)傳統以機組為(wèi)單位進行循環監測的工作(zuò)方式，這(zhè)對于準确預報(bào)機組突發事(shì)故有着重要的意義。
3.數據處理(lǐ)實時(shí)化(huà)。采用這(zhè)種新(xīn)的數據處理(lǐ)技術，一(yī)大大加快(kuài)了(le)數據處理(lǐ)的速度，提高了(le)狀态監測與診斷的實時(shí)性水平。
4.故障診斷專門化(huà)。上(shàng)位機用于完成系統管理(lǐ)、故障詳細分(fēn)析、操作(zuò)信息輸入及監測與診斷結果輸出等工作(zuò)。進行機組故障的診斷，大多需要占用計算(suàn)機較長的時(shí)間(jiān)。在傳統系統中，計算(suàn)機既要進行狀态監測，又要進行故障分(fēn)析，往往效率不高。采用本系統，上(shàng)位機可以集中主要“精力”專門進行故障診斷方面的工作(zuò)，這(zhè)樣才能(néng)達到較高的診斷水平。
軟件的各個(gè)模塊通過動态數據和運行狀态數據庫聯系在一(yī)起，在下(xià)位機中，監測系統控制着動态數據的采集、存儲、顯示和預處理(lǐ)，同時(shí)把監測結果存入各機組運行狀态特征數據庫。在上(shàng)位機中，詳細分(fēn)析診斷程序塊調用運行狀态數據庫，得出診斷結果并調用打印程序塊輸出。圖5-3為(wèi)數據流程示意圖，圖5-4為(wèi)監測系統流程示意圖。
5.4.4系統監測和故障診斷
監測菜單分(fēn)設備總布置圖、機組配置圖和測點部位三級結構層次以圖形和文字顯示測點情況，監測設備運行。圖5-5是動态顯示所監測的16路(lù)加速度、位移、電流波形。當監測信号達到第二級門限值時(shí)，由功放(fàng)輸出卡驅動報(bào)警電路(lù)，發出聲光報(bào)警。
診斷菜單是整個(gè)軟件包的核心部分(fēn)。它分(fēn)為(wèi)三部分(fēn)：(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
被授權的專業人(rén)員(yuán)可以通過模塊中的知識編輯自由地增添、删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，再加入到神經網絡的訓練樣闆中，通過訓練闆中，通過訓練學習可以得到該減速機機組的故障識别神經網絡，從而在該機組的實際故障診為(wèi)中保證有可靠的高質量的診斷系統。
2.故障診斷
模糊故障診斷數學模型拟采用模糊邏輯診斷方式：
Y=X·R （5-1）
式中：Y——故障向量；X——故障症狀向量；R——模糊關(guān)系矩陣；”·”——模糊數學綜合評判算(suàn)子(zǐ)。
診斷過程分(fēn)為(wèi)兩個(gè)步驟：
1）故障症狀輸入：由計算(suàn)機軟件自動對故障信号進行FFT和倒譜等分(fēn)析，根據幅直譜，計算(suàn)機自動計算(suàn)故障症狀向量。
2）診斷輸出：根據故障診斷知識庫，運用模糊邏輯診斷法，得出診斷結果。由診斷模型推導出若幹個(gè)可能(néng)的故障，并規定：
當可能(néng)性bi>0.85時(shí)，表示确有故障産生(shēng)：當0.5＜可能(néng)性bi<0.85時(shí)，表示可能(néng)有故障發生(shēng)；當0.5＜可能(néng)性bi時(shí)，表示故障不可能(néng)發生(shēng)。
當軋制幾種不同規格的鋼材時(shí)，作(zuò)用在齒輪箱和大電機上(shàng)的載荷譜是不同的，對應的振動信号也(yě)是可能(néng)不同的，此時(shí)故障症狀向量也(yě)就(jiù)不同。反映出的零部件的故障類型及程度也(yě)不同。隻要把故障診斷知識庫做得很周全，且對其進行不折修正，那麽，診斷結果可靠性就(jiù)會逐步提高。
對于剛投入運行的故障診斷知識庫，可能(néng)由于現(xiàn)場(chǎng)數據統計不完善和試驗條件限制等原因，使得一(yī)些(xiē)次要的故障漏診。故要對新(xīn)的故障診斷知識庫通過實際診斷來(lái)進行不斷補充和完善。
神經網絡故障診斷模型可進一(yī)步提高設備在各種工況下(xià)故障診斷的準确性，有關(guān)其模型見下(xià)一(yī)章内容。
5.5小結
對齒輪減速機等關(guān)鍵設備的振動、位移、轉速、溫度、電流等多參數進行長期在線監測，在發生(shēng)運行異常及故障時(shí)及時(shí)報(bào)警和自動診斷，可以防止關(guān)鍵設備和整個(gè)生(shēng)産系統發生(shēng)突發性事(shì)故，并進行有指導性的維護和維修，可為(wèi)企業和國民(mín)經濟節約成本、創造财富。本文從設備特點、設備故障分(fēn)析、設備監測和故漳診斷原理(lǐ)和監測系統硬件及軟件三方面介紹了(le)清華大學設計和研究的TMDS線監測和故障診斷系統，該系統配置簡單、可靠性好(hǎo)(hǎo)、價格合理(lǐ)，現(xiàn)已通過八通道的試驗室和現(xiàn)場(chǎng)系統試驗。
