基于hht的汽轮机碰摩振动故障诊断技术研究毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于hht的汽轮机碰摩振动故障诊断技术研究毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

业安全可靠的生产，有着巨大的经济效益和深远的社会意义 [2]： 及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，采取相应的措施，将故障消灭在萌芽状态，避免或减少重大事故的发生。 一旦发生故障，能自动记录下故障的完整 信息和 数据， 有利于 事后进行故障原因分析，缩短维修时间 ，减少维修 费用，提高设备利用率，避免 同类事故 再次发生。 通过对设备状态异常的原因和性质进行分析，采取适当措施，对设备状态 进行 在线调整，延长运行周期，为生产和维修提供科学依据。 通过监测得到大量 的设备 状态数据，可以更充分地了解 设备 的性能，为改进设备设计、制造水平及产品质量提供有力的 保障。 随时掌握设备运行状态的变化情况、各部分性能的劣化程度和机械性能发展趋势，提高设备管理 的 现代化水平。 由于汽轮机组工作环境的特殊性 (高温、高压、高转速、高应力 )，所以在汽轮机故障诊断系统中，对传感器的要求很高。 目前，对传感技术的研究，主要是提高传感器性能的可靠性、开发新型传感器，以及研究如何诊断传感器故障以减少误诊率和漏诊率等方面的问题，提高对故障的分辨率。 在信号分析与处理研究领域中 ，最具有吸引力 的是振动信号的分析与处理。 汽轮机组故障诊断系统中的振动信号处理 多采用快速傅里叶变换 (FFT)。 FFT 的 思想在于将一般时域信号表示为具有不同频域的谐波函数的线性叠加，由于该变换 认为信号是平稳的， 因此 分析出 来 的频率具有统计不变性。 FFT 对很多平稳信号的情况具有适用性， 然而 ，很多信号 实际上 都是非线性 、 非平稳的，所以为了提高分辨精度，新的信号分析与处理方法成为该领域的重要研究课题。 目前，正在研究的信号分析与处理方法有变时基 FFT、短时基 FFT、 小波分析 、 Winger 变换、 时 频分析、全息谱分析、延时嵌 陷分析、信号的分维数计算等。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 故障机理研究是故障诊断领域中的一个非常基础 却 又 不可或缺 的工作。 目前，主要是从 故障征兆、 故障规律和故障模型等方面 研究 汽轮机组故障机理。 汽轮机组的振动信号是其主要 同时 也是非常重要的特征信号， 故而 汽轮机故障诊断的研究 总 是从振动信号入手，并从振动信号中提取故障征兆，从而建立 故障征兆集合和故障集合之间的映射关系。 汽轮机故障诊断机理的研究方法主要有现场试验法、实验室模拟研究法和计算机仿真法。 但 汽轮机组是一个 相当 复杂的系统，其故障 征兆 集合与故障集合之间的映射关系非常复杂，而 且，机组在运行过程中可能 同时 出现多个故障，所以如何根据检测到的故障特征来诊断 机组的故障是研究人员非常关心的问题， 这就是 诊断策略。 常用的诊断策略有对比诊断、 统计诊断、 逻辑诊断、 模糊诊断、模式识别、 专家系统、 基于灰色理论的诊断和基于人工神经网络的诊断。 目前，人工神经网络和专家系统的 诊断 研究是这一领域的热点。 故障诊断领域的重点一直 都 是 诊断方法的研究。 目前，汽轮机组主要的故障 诊断方法有振动诊断法、 热力学诊断法、无损检测诊断法 、 红外诊断法、声发诊断法和 噪声诊断法 等。 而在线 诊断系统的研制与开发，实际上是对上 述各研究领域的成果进行集成， 包括硬件方面 和 软件方面的集成。 在线诊断系统在现场投入使用后，可 在线诊断与分析 汽轮机组的状态和故障。 大型汽轮机组的结构特点和运行条件特点，决定了汽轮机组的故障诊断要快速、 实时 、 准确和 高效。 因此 ，汽轮机组诊断技术的研究 需 在以下几个方面取得突破： 1. 分布式故障诊断系统的研究与开发； 2. 集成式故障诊断系统的研究与开发； 3. 构成大型监测诊断中心； 4. 自主闭环诊断系统的研究与开发； 5. 故障诊断 相关技术 的 研究。 HilbertHuang 变换的的发展 HilbertHuang 变换的提出 傅里叶变换在传统信号分析与处理 上发挥了重要作用，但由于它是全局变换， 不具备时间和频率的 “定位 ”功能，因此只适合分析和处理平稳信号。 而对南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 于非平稳信号 却不适用。 为了能 够 反映出频 率 随时间变化的规律，人们提出了时频联合分析法，即将一维时间信号以二维时频密度函数表示出来，旨在揭示信号中包含多少频率分量，以及每一分量是如何随时间变化的。 时频分析的方法有很多，如短时傅里叶变换 (STFT)、 WignerVille 分布 (WVD)、 小波分析 (WT)等， 虽然上述 方法对非平稳信号的分析都做出 了 巨大 贡献，在工程实际中也获得 广泛的应用，但他们大都是以傅里叶变换为理论依据的，并没有从根本上摆脱傅 里 叶变换 的 局限。 HilbertHuang变换 (HHT)是 1998年由 NASA 的 Norden E Huang 等人提出，作为一个崭新的时频分析方法，它完全独立于傅 里 叶变换，能够进行非线性、非平稳信号的线性化 、 平稳化处理，被认为是近年来对以傅 里 叶变换为基础的线性和稳态谱分析的一个重大突破。 与频谱分析 法 (FFT)相比， HHT 得到的每个 IMF 的振幅和频率是随时间变化的，消除了为反映非线性、非平稳过程而引 入 的多余 的 无 物理意义的简谐波；与 小波分析 相比， HHT 具有 小波分析 的全部优点，在分辨率上消除了 小波分析 的模糊和不清晰，具有更准确的谱结构，由此 得到的分析结果能 更 准确地反映出系统原有的物理特性。 HilbertHuang 变换的研究现状 HilbertHuang 变换 (HHT)由于具有自适应性 且 有效地分析 非线性 、 非平稳信号 ，从其公开发表到现在短短几年 ，一直受到国内外学者的关注并 广泛 应 用于 科学研究和工程应用领域： 在设备诊断领域，如潜艇叶片的故障诊断、旋转机械故障诊断；在结构分析领域，如桥梁的监测、结构的辨识和模态 响应分析、结构破坏检测等。 在生物医学领域，如心跳信号分析、心电图信号分析、血压信号分析等。 在地球物理学领域，如 海洋环流分析、地震波分析、 非线性水波分析、潮汐和海啸分析等；在天文学领域，太阳中微子数据的分析等。 HHT由经验模 式 态分解 (Empirical mode deposition， EMD)和 Hilbert变换两部分组成。 其 本质 是，将原始信号经 EMD分解成一系列称为 固有模态 函数（ Intrinsic mode function， IMF）的组合，然后对每个 IMF利用解析信号相位求导定义计算出有意义的瞬 时频率及瞬时幅值， 从而 获得信号的时频谱。 EMD将信号分解为一系列固有 模态 函数 (IMF)的和的形式 ， 本质上 ， 分解的目的是把一个多分量信号分解成多个单分量信号， 以 达到求瞬时频率的目的。 EMD分解后对每一个 IMF进行 Hilbert变换，得到其瞬时频率 ， 并将其 用 以南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 时间 频率为坐标的平面表示出来，称为 Hilbert谱。 区别于 以往的分析方法 ，不再认为组成信号的基本信号是正弦信号，而是 固有 模态函数。 EMD分解能够 自适应的 把 信号分解成多个 固有 模态函数。 固有 模态函数 可以是 线性、 平稳信号，也可以是非线性、非平稳信号，因此 HHT适用于非线性、非平稳的数据分析 ， 打破了傅立叶变换的局限性。 EMD为信号处理研究开辟了一个新的途径，在机械设备的状态监测与诊断方面， EMD应用于转子 碰摩、 裂纹、扭转振动分析、齿轮、轴剥、机床设备监测与诊断。 同时也出现了 EMD方法与其它信号处理方法相结合的发展趋势，如 EMD与 小波分析 、 EMD与 ICA/PCA、EMD与 SVM及 EMD与神经网络等方法的综合特征提取与诊断方法。 Flandrin和 Wu Zhao hua分别利用高斯噪声、白噪声验证了 EMD本质上是类似小波分解的、恒品质因数的带通滤波器。 Wu Zhao hua提出了加入噪声的 EMD分解方法，称为集成 EMD（ EnsembleEMD， EEMD），使 EMD成为真正的二进带通滤波器。 Peng提出了 小波分析 与 EMD相结合的改进算法，并应用于振动信号处理。 重庆大学秦树人、 大连理工大学马孝江、湖南大学于德介等带领的学术团队及众多科研人员都开展了关于 HHT理论 算法及应用的研究，并取得了一定成果。 余泊 [19]提出了自适应时变滤波分解 (ATVFD)经验筛法，通过时变滤波直接拟合均值曲线，提高了分解速度和精度。 盖强 [20]给出了希尔伯特谱的最高频率分辨率，提出了自适应频率多分辨 分析原理和方法。 钟佑明 [21]提出并论证了Hilbert变换的局部乘积定理，给出了 HHT的统一理论依据轮廓，并提出了边际谱与傅里叶频谱之间本质区别的新观点 [22]。 Liu[23]提出了用于汉字处理的方向 EMD方法 (DirectionalEMD， DEMD)。 沈国际 [24]给出了 EMD分解中多频信号分离的一个必要条件，并用于齿轮箱故障振动信号的分离。 张健 [25]分析了EMD中信号的位置敏感性问题。 胡劲松 [26]把经验模态分解方法引入了旋转机械振动信号滤波，并提出了自相关预处理的 EMD方法。 邓拥军 [27]、柳亦兵[28] 、 黄大吉 [29]、 赵进平 [30]、 程军圣 [31]、钟佑明 [32]等针对 HHT中存在的端点处理、包络插值方法、模态混叠等问题，各自提出了相应的改进算法 [33]。 HilbertHuang 变换存在的困难 HHT是一种很直观 、很 合理的信号分析方法，从提出至今，产生了许多可喜成果，展示了其无比魅力，但作为一种 “经验 ”的算法，在许多方面仍存在许多困难。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 首先， HHT基础理论的建立。 目前对 HHT多偏于实验以及应用的研究，这些实验和应用有助于对 HHT性质的理解，但 仍 没有找到一个明确的解析定义来解 释这些现象。 虽然产生了一些初步的理论研究成果，但其数学基础理论方面的工作 有待进一步 完善。 现在的 HHT就 如 同 80年代早期的小波分析，产生了众多有用的结果却在等待 建立 数学 理论 来证明我们的例子，其理论框架的建立 将是一个漫长的艰苦过程。 其次， HHT算法的改进。 Huang在 HHT提出的同时，也指出了其算法中仍存在许多需要改进的地方， 边界处理、包络线或均值曲线的拟合、筛分停止准则及 EMD终止条件、模态混叠等方面的问题影响了 HHT的分析效果。 以上所述对 HHT的改进性研究或多或少地改善了其存在弊端，但仍然没有彻底 的 解决方 法。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 第二章 汽轮机动静碰摩故障机理及信号特征分析 随着机组参数的不断提高，动静间隙不断减小，机组在运行过程中，由于装配不良、 轴弯曲、机械松动、 转子不平衡量过大或零部件缺陷等原因，可 能导致动静部件之间发生碰摩。 碰摩是汽轮发电机组的常见故障之一， 也 是其他故障的诱因。 碰摩的种类 图 1 动静碰摩的种类 如图 1 所示 ， 按摩擦的部位可分为径向碰摩、轴向碰摩和组合碰摩。 径向碰摩 是 转子外缘与静止部件接触而引起的摩擦； 而 轴向碰摩 是 转子在轴向与静止部件接触而引起的摩擦；既有径向摩擦又有轴向摩 擦的碰摩 则是 混合碰摩。 按转子在旋转一周内与静止部件的接触情况分为整周碰摩和部分碰摩。 转子在旋转的一周始终与静止的碰摩点保持接触，称为整周碰摩；转子在旋转的一周中只有部分弧段发生接触，称为部分碰摩。 另外，按照摩擦严重的程度 可 分为早期碰摩、中期碰摩和晚期碰摩。 汽轮机组动静碰摩产生的原因 随着汽轮发电机组向高参数、大容量方向发展，汽轮机动静间隙 愈来愈小 ，轴封、 轴瓦、隔板汽封、 油挡、密封瓦发生动静碰摩的机会越来越多。 径向碰摩主要发生在汽轮机前后汽封， 动叶围带汽封 及 隔板汽封 等部位；轴向碰摩常发生于汽轮机隔 板与 叶轮 、 转子 之间。 影响转轴发生径向碰摩的原因 引起汽轮机径向通流间隙碰摩的因素主要有以下几种： （ 1）因汽缸变形使径向通流间隙减小而发生的动静碰摩，该情况下汽轮机转子发生弯曲， 并 产生较大振动。 引起汽缸变形的 主要 原因是上下缸温差大，南京工程学院毕业设计说明书（论文） 14 使汽缸发生弓背变形。 另外有的汽缸几何 形状 设计太复杂，启动运行中汽缸各部分温差太大而引起汽缸变形。 大型汽轮机低压缸的刚度小，抽真空后易变形。 （ 2）汽缸在机组运行中发生跑偏 使径向通流间隙减小而产生碰摩，造成汽缸跑偏的 主要 原因有汽轮机各抽气管道推力过大 以 及汽轮机滑销系统严 重卡涩等，使汽轮机膨胀不畅。 （ 3）由于汽轮机转子与轴承的差别振动过大而引起动静部件的碰摩。 （ 4）动静间隙不足。 有时是设计上的缺陷造成的，设计人员将间隙定为过小的量值，向安装部门提供的间隙要求值太小。 它也经常是安装、检修的原因，动静间隙调整不符合规定所致。 实际上，通流部分的动静间隙是受多种因素影响的。 如真空、凝汽器灌水、缸温等，如同找中心一样，即。