旋转机械状态监测及预测技术的发展与研究
旋转机械状态监测技术，是近年来研究的热门课题，这里着重考虑的是避免设备的随机性故 障。自动在线监测方式与定期监测方式、在线检测离线分析监测方式相比技术水平先进，既 避免设备突发性故障又无需专业人员现场操作。旋转机械状态在线预测技术，是研究的新 兴课题之一，这里着重考虑的是预测设备的时间依存性故障和改变设备的维护方式。该技术 是在状态监测及故障分析基础上发展起来的，是实现以先进的预知维护取代以时间为基础的 预防性维护的关键技术。本课题着重研究的是设备状态在线监测及趋势预测的方法。
1 旋转机械状态监测技术的发展
1.1 旋转机械状态监测技术的发展历程
旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，如：离心泵、电动机、发动机、 发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，还是石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备。 本世纪以来，随着机械工业的迅速发展，现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、 重载化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材 料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生，国内外大型汽轮机严重事故是其典型实例。
大型旋转机械状态监测技术研究是国家重点的攻关项目，目的是提高大型旋转机械的 产品质量，减少突发性事故，避免重大经济损失。50年代，各种类型和性能的传感器和测振 仪相继研制成功，并开始应用于科学研究和工程实际。六七十年代，数字电路、电子计算机 技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动 了振动检测技术在机械设备上的应用。70年代至80年代，机械设备的状态监测与故障诊断 技术在许多发达国家开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号 识别技术与故障诊断技术等现代科学技术发展，机械设备的监测研究跨入系统化的阶段，并 把实验室的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型的成套机械设备中去， 进入了蓬勃发展的阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”（machinery health monitoring，简称MHM），美国西屋公司的“可移动诊断中心”（mobile diagnosi s center，简称MDC），丹麦B＆K公司的2500型振动监测系统等，都具备了机组 信号数据的采集、分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专项诊断软件。先进的状 态监测系统把体现机械动态特性的振动、噪声作为主要监测和分析的内容。由 于振动、噪声是快速的随机性信号, 不仅对测试系统要求高，而且在分析中要进行大量的数 据处理， 国内外在80年代用小型计算机或专用数字信号处理机做为主机完成机械动态特性 的数据处理（如:HP5451C）, 该类主机不仅价格昂贵（一般价格为数十万元）而且对工作环 境要求苛刻（需要专用机房），因而通常采用离线监测与分析的方式。
90年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算方法不断优化， 使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、 德国、日本等发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研究，研制出不 同系统。该类系统以丹麦 BK公司的2520型振动监测系统、美国BENTLY 公司的3300 系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的M6000系统为代表已经达到较高的水平 。在功能上比较典型的系统之一是丹麦BK公司的2520型振动监测系统(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自动谱比较并进行故障预警报警；对6％和23％恒百 分比带宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示； 三维谱图显示；振动总均方根值（振动 烈度）计算；支持局域网。美国IRD公司的IQ2000系统可认为是至今为止有报道的功能最齐 全的监测与诊断系统。
我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作起步于1986年，在此之前从国外引进的大型 机组，一般都购置了监测系统。而在自行研制的国产设备上，若选用国外的监测系统，由于 价格异常昂贵而难以接受。80年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校和企业开始自 行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得 了成果，并开发出相应的旋转机械状态监测系统。如：西安交通大学、浙江大学、北京理工 大学、北京机械工业学院等。
国内主要有几种类型：a.哈尔滨工业大学等单位联合研制的3MD-Ⅰ、3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ系统 ；b.西安交通大学机械监测与诊断研究室的RMMDS系统；c.西安交通大学润滑理论及轴承研 究室的RB20-1系统；d.郑州工学院的RMMDS系统；e.重庆太笛公司的CDMS系统；f.浙江大学 的CMD-I型及II型系统；g.西北工业大学的MD3905系统；h.北京机械工业学院的BJD-ZⅠ、BJ D-ZⅡ、BJD-ZⅢ系统。其中比较典型的系统有：1985年10月通过鉴定的由哈尔滨工业大学等 单位联合研制的3MD-Ⅰ微机化“汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统”，以及后来进一 步开发的汽轮机故障诊断专家系统3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ；1987年通过鉴定的由西安交通大学机械 故障诊断研究室研制的RMMD-S化肥五大机组“微机状态监测与故障诊断系统”等。这些系统 的主要功能有：轴振动监测，包括轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰-峰值计算；壳 体振动监测；频谱分析，包括频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预 、报警；故障特征提取及诊断。
以上系统的软件功能比较丰富，硬件性能也不断改进，但基本上仍处于研究发展阶段，且价 格依然昂贵，这些系统主要应用于国家重点企业中关键设备的监测或特定设备的监测，如大 型汽轮机组、大型水轮机组等。
从技术发展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段。
第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规技术发 展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到了应用，它吸收了大量的现代科技成果，传感器技 术的飞跃发展，使之可以利用振动、噪声、力、温度、电、磁、光、射线等多种信息。由此 产生了设备的振动、噪声、光谱、铁谱、无损检测、热成像等监测和故障分析技术。信号分 析与数值处理技术的发展，结合微计算机技术的发展，使各种方法应运而生，如：状态空间 分析、对比分析、函数分析、逻辑分析、统计和模糊分析方法。近年来，各种数据处理软、 硬件的出现使实时在线监测及故障分析技术成为可能。
人工智能技术为设备监测和故障分析的智能化发展提供了可能，使得现代监测技术发展 步入第二阶段。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着重大变化，以 数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代，开展了专家系统、神经网络和 模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。这阶段起主导作用的将是人类 专家的知识，包括人类专家所拥有的领域知识、求解问题的方法等。由于实现信号检测、数 据处理与知识处理的统一，使得先进技术不再是少数专业人员才能掌握的技术，而是一般操 作人员所能使用的工具。
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