挠性转子失效模式研究及故障诊断知识库设计[毕业论文+VB程序]

机械毕业论文：挠性转子失效模式研究及故障诊断知识库设计含论文，VB程序

挠性转子失效模式研究及故障诊断知识库设计[毕业论文+VB程序]

摘要

本文研究挠性转子的固有不平衡和热弯曲，研究了这类故障产生的原因、起因、机理、特征及其引起的后果，以便能及时有效地处理故障。

为消除故障，本文采用模糊聚类分析法和逆向推理来分析、处理频域信息和其它参数，得出自动诊断结果。

为实现此功能，设计了故障诊断的自动识别系统，该系统使用Visual Basic语言。系统充分模块化，由诊断推理模块、知识库、知识库管理模块、简单推理解释模块以及用户接口模块组成。

此系统的控制策略采用启发式搜索方法，使用了不精确推理，以便有效地模拟专家思考问题的方法。根据知识的特点，系统建立了知识库以及存储诊断知识。此外，系统还建立了人机对话接口，在人机对话接口中使用了窗口和菜单技术。

关键词 固有不平衡 弯曲 旋转机械 故障诊断 机械振动 规则

Abstract

This design studies the inherent imbalance and the thermal bend of flexible rotor. The reason, origin, mechanism, characteristic and the consequence were studied to deal with the fault on time and effectively.

To avoid fault, the method of fuzzy cluster analysis and backward reasoning were adopted in this design to process the signal in frequency-domain and other parameters, and the self-diagnostic consequence was obtained.

To realize the function mentioned above, the automatic fault diagnosis system is designed with Visual Basic language. The system was fully modularized and is consisted of the following modules: diagnosis module, knowledge base, the management module of knowledge base, the brief reasoning module and the user inference module.

The control strategy of this system is heuristic searching and the uncertainty inference is adopted to simulate the reasoning ways of experts. According to the features of the domain knowledge, the knowledge base is established to save the diagnostic knowledge. Also, the man-machine conversation interface of the system was set up, in which the window and menu technologies are employed.

Keywords inherent imbalance bend rotating machine fault diagnosis mechanical vibration rule

目 次

1 引言…………………………………………………………………………………… 1
1.1 研究此课题的意义……………………………………………………………… 1
1.2 国内外的研究趋势……………………………………………………………… 1
2 转子不平衡概述……………………………………………………………… 4
2.1 转子不平衡的概念………………………………………………………………4
2.2 转子不平衡的分类………………………………………………………………4
2.3 转子质量不平衡的特征分析、机理和引起的后果及消除方法…………………5
2.4 转子弯曲的特征分析、机理和引起的后果及其消除方法………………………6
3 固有不平衡的平衡方法 ………………………………………………………8
3.1 N法……………………………………………………………………………… 9
3.2 N+2法…………………………………………………………………………… 10
3.3 振型圆平衡法…………………………………………………………………… 15
3.4 影响系数法…………………………………………………………………… 15
4 不平衡的识别手段和方法……………………………………………………21
4.1 频谱分析法…………………………………………………………………… 21
4.2 波形分析法…………………………………………………………………… 21
4.3 轨迹分析法…………………………………………………………………… 22
4.4 人机交互与自动识别的特征……………………………………………………24
4.5 其它诊断方法…………………………………………………………………24
5 基于知识库支持的故障诊断方法…………………………………………………25
5.1 模式识别诊断方法………………………………………………………………25
5.2 基于概率统计的诊断方法………………………………………………………25
5.3 模糊诊断原理及其应用…………………………………………………………27
5.4 故障树分析与诊断………………………………………………………………29
5.5 故障模式及影响分析……………………………………………………………29
5.6 人工神经网在故障诊断中的应用 ………………………………………………29
6 旋转机械故障自动识别诊断系统中不平衡的知识库设计………………………31
6.1 知识库设计…………………………………………………………………… 31
6.2 系统结构的设计思想……………………………………………………………36
6.3 系统的实现与运行………………………………………………………………38
结论 ……………………………………………………………………………………40
致谢 ……………………………………………………………………………………41
参考文献……………………………………………………………………………… 42

1 引言

1.1 研究此课题的意义

随着现代大生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。一方面在提高生产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品率，保证产品质量等方面有很大的优势。但从另一方面来看，由于机械设备发生故障而停工造成的损失却成反比例的增加，维修费用也大幅度的增加。美国三里岛核电站1979年3月29日由于系统误判断和误操作导致堆芯严重损坏，1984年12月印度博帕尔农药厂的异氰酸甲脂毒气泄露事故，1986年4月苏联乌克兰切尔若贝利核电站事故溢出的放射性物质，1986年1月美国挑战者航天飞机失事是由于火箭系统故障引起的悲剧……不仅造成严重的经济损失而且造成巨大的社会损失。因此，预测或及时的发现并有效的处理故障，对于保障机械设备的可靠性，保障人员生命及设备安全，获取最佳的经济效益具有十分重要的意义[4]。

传统的机械设备的定期预防维修已不能满足现代工业的飞速发展，这主要表现为：一方面定期预防检修周期根据人的经验或某些统计规律制定，不能预防各种随机因素引发的故障；另一方面，对正常机组的过剩维修不可避免造成浪费，也有可能因维修不当人为造成故障隐患。现代电子技术、测试仪器、计算机技术、信号分析和建模理论的发展，为机械监测、故障分析创造了良好的条件，这促使预防维修方式向预知维修方式过度，即根据在线监测诊断装置所预报的设备的状态来确定设备维修的时间和内容。机械设备诊断技术正在形成一门新兴的学科而被广泛的认识、研究、应用，并已开始产生巨大的经济效益和社会效益。根据日本统计，在采用诊断技术后事故率减少75%，维修费用降低25%∼50%；英国对2000个国营工厂的调查表明，采用诊断技术后每年节省费用4.99亿欧元，用于诊断技术的费用为0.83亿欧元，净获利340.79亿欧元[5]。

1.2 国内外的研究趋势

目前，大型高速转子，特别是大型离心式压缩机，通常是在制造厂家的动平衡机上平衡，与现场工况差异较大，平衡精度往往不易得到保证。现代工业中的大型回转机械整个机组由多个转子组成。对于多个挠性转子组成的轴系，即使各个转子在制造后经过高速动平衡，在装配成轴系或大修后，其平衡状态也会发生变化。而且离线动平衡的周期相当长，为了进行高速动平衡，不得不将转子取出，长途运输到生产厂家。现场的实际工况与动平衡机上存在较大差异，无论是支承状况的变化、外来的激励、机组热变形和内应力的变化都是动平衡机所无法全面考虑到的，而这些因素恰恰影响着转子的不平衡响应。因此，用现场动平衡代替离线平衡已是一个明确的发展方向。近年，国外生产的离心压缩机，在透平与低压缸的半联轴节附近设计有专用的平衡面，在结构上提供了不揭盖，在现场进行单面动平衡的便利。所以，研究可以实现精确平衡的现场动平衡技术，提高现场动平衡效率，具有重大经济效益，是当代工业提出的新要求。

近代机械故障诊断技术的研究始于六十年代。由于航天、军工的需要而发展起来的，目前已在核能设备、动力设备中得到广泛应用。专家系统的出现到现在也已有30多年的历史。这30多年来的发展很迅速，各种各样的专家系统不断涌现，已广泛应用于生物（MYCIN）、遗传（MOLGEN）、地质（PROSPECTOR）、化学（DENDRAL）、医学（INTERNIST.CASNET）、军事（ATRPAN.HASP）、工程（REACTOR、DELTA/CATS，PDS）等诸多领域。进入八十年代，抽掉特定应用内容的建造专家系统的工具（如EMCIN，DPS系列，EXPERT，SI等）出现，为各方面的应用打开了方便之门，当用户要解决的任务适用于用某一建造工具表示时，只要把具体的专业知识输入工具，它就变成该领域的专家系统了[7]。
在旋转机械故障诊断专家系统的研究方面，目前国外已有投入使用的实例：如美国西臣电气公司研制的Gen-aid专家系统用来诊断汽轮发电机的故障。该系统于1984年有得克萨斯电力公司（TUGCO）投入使用。该系统监视7台汽轮发电机组，容量最大的机组为75千瓦。诊断系统能诊断定子绕组、密封油系统、氢辅助系统以及转子和励磁系统中的问题。在水冷发电机中能诊断定子线圈水系统的问题。除了提供汽轮机的连续在线监视和诊断分析处，该系统还每月提供预防性维修汇总表给TVGCO，供下次计划停运作参考。日本三凌公司迄今为止已经开发和正在开发的各种转动机械异常诊断系统包括奈奎斯特绘图仪、便携式转动机械异常诊断系统，简易转动机械异常诊断系统、转动机械异常情况诊断系统、异常情况诊断专家系统。仅以三菱公司迄今正在开发的异常情况诊断专家系统为例，该系统采用的是二次诊断方式，第一次诊断是以振动频率区分法的因果矩阵用IF-THEN规则进行诊断，第二次诊断是利用知识库进行诊断[8]。
诊断水平还未能达到准确实用，诊断结果只能做出可能性估计。作为一种参考而不能作为肯定的答案，如美国南加里福利亚爱迪生公司提供给莫哈夫电厂的一套诊断监视系统，控制室的工作人员常被莫名其妙的报警弄得不知所措，虽然有些警告是正确的，但有许多是不正确的，运行人员一般也不太愿意使用这个系统。另外目前绝大多数可利用的人工智能程序是离线的。美国电力研究协会在1992年研制出能连续或间断监测机器状态，并能告知运行人员下一步应采取的步骤达到在线专家系统。在英国中央发电局所属的Didcot大型燃煤发电厂中安装了转子平衡监测设备，据称该监测系统具有较多的专家型系统特点，能够编制程序进行振动信息统计和时域分析，可对振动信号做频谱、对数测频谱、时域和峰度统计分析，比较其结果[2]。

国内在大型汽轮发电机组故障诊断系统及诊断专家系统方面虽然起步较晚，但进步较快，哈工大、上海成套所、西安热工所等都相继完成大型汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统的研制。清华大学、北京自动化所、天津热电厂研制的BB-1型监测及故障诊断系统也已通过鉴定，清华大学还完成了FS-1型旋转机械故障诊断专家系统初探研究，编制了智能化专家系统软件。目前国内许多高校与科研单位致力于故障诊断研究和自动诊断系统的开发。