CN107036832B - 往复式设备的状态监测及故障诊断系统及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统及其应用方法，其中，系统包括：测控子系统、底座，以及设置在所述底座上的驱动子系统、传动子系统、被驱动部件子系统、载荷激励子系统、故障实现子系统和变工况实现子系统。其中，驱动子系统、被驱动部件子系统和载荷激励子系统通过传动子系统依次同轴机械连接；故障实现子系统与被驱动部件子系统机械连接；变工况实现子系统与故障实现子系统机械连接；测控子系统分别与驱动子系统、被驱动部件子系统、载荷激励子系统和变工况实现子系统电连接。本发明可以再现与大中型往复式设备极高近似度的运行状态；在状态监测和故障诊断过程中能产生较小的监测误差以及较高的诊断精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统及其应用方法，属于设备故障诊断技术领域。
背景技术
现有的中型(驱动功率介于150～500kW)和大型(驱动功率大于500kW)的往复设备是石化企业的关键动力设备，其运动部件的主体结构特征为“曲轴——中间部件——活塞——必备配套部件”的形式。与驱动功率小于等于5kW的微型往复设备相比，大中型往复设备的造价、所处环节的关键性、运行健康的重要程度和故障代价都大幅度提高，非计划停机将造成巨大经济损失。
大中型往复设备与现有的石油石化中大型旋转设备相比，在结构和运动形式上又有不同的特点，其振动既有旋转部分引起的振动、又有往复运动产生的振动，同时发生的还有活塞撞击气缸引起的振动，激振源多且不同振动相互干扰、耦合，使得对大中型往复设备的状态监测和故障诊断面临较大困难。
目前针对大中型往复设备的状态监测和诊断主要采用通过以下三类实验台的方式实现：
第一类实验台是对往复部件进行一定程度上的等效、简化成旋转部件，并对现有诊断实验台占大部分的旋转设备实验台进行改造。该类实验台的主要问题是：在简化等效过程中，丢失了可能会对状态监测和故障诊断产生影响的主体运动部件特征，导致对大中型往复式设备的状态监测和故障诊断均存在较大误差。
第二类实验台是具有“微型往复设备主体结构形式”特征的实验台，多采用现有的微型往复式设备。该类实验台的主要问题是与石油石化现场往复设备中起关键作用的大多数机组的主体结构、工况、润滑冷却条件都较大不同，并且振动传递路径缺少关键的中间部件环节。所以，在第二类实验台上进行验证诊断技术和方法难以进行往复设备更多、更典型故障的诊断检测实验。
第三类实验台直接采用了与现场应用配套的往复设备，并配备详细的工艺流程。该类实验台需要研究机构首先提供石油石化现场类似的公用设施和接口设施，导致设计、搭建、运行维护成本较高，且多被用于研究在被驱动往复设备的辅助系统(如基础特性参数)相关振动特性参数和相关设计分析仿真计算模型的验证(如管汇的脉动、振动分析、计算、较少措施研究等)。所以该类实验台未从根本解决在被驱设备主体具有“大中型往复设备主体结构形式”的实验载体上实现多种测试信号、测试方法、再现非辅助系统。
发明内容
本发明为解决现有的大中型往复式设备的状态监测和故障诊断存在的监测误差较大、诊断精度较低、无法应用在较复杂工况的大中型往复设备的问题，进而提出了一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统及其应用方法。
为了解决上述技术问题，本发明的一个具体实施方式提供一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统，包括：测控子系统、底座，以及设置在所述底座上的驱动子系统、传动子系统、被驱动部件子系统、载荷激励子系统、故障实现子系统和变工况实现子系统。其中，所述驱动子系统、所述被驱动部件子系统和所述载荷激励子系统通过所述传动子系统依次同轴机械连接；所述故障实现子系统与所述被驱动部件子系统机械连接；所述变工况实现子系统与所述故障实现子系统机械连接；所述测控子系统分别与所述驱动子系统、所述被驱动部件子系统、所述载荷激励子系统和变工况实现子系统电连接。所述驱动子系统，包含驱动电机和电缆，用于向所述被驱动部件子系统提供动力；被驱动部件子系统用于模拟往复式设备的往复式运动；所述载荷激励子系统用于调节施加在所述被驱动部件子系统的扭矩载荷；所述故障实现子系统用于在所述被驱动部件子系统上实现故障；所述变工况实现子系统用于调节所述被驱动部件子系统的工况参数，从而实现状态监测及故障诊断系统的变工况运行。
本发明的另一个具体实施方式提供一种适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法，包括：根据工况参数和载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷；根据扭矩极限值向状态监测及故障诊断系统施加故障诊断载荷；采集状态监测及故障诊断系统施的故障诊断数据。
本发明的有益效果是：由驱动子系统通过传动子系统驱动被驱动部件子系统和载荷激励子系统同轴连接，并通过测控子系统对所述驱动子系统、被驱动部件子系统、载荷激励子系统和变工况实现子系统进行控制和检测，从而可以再现与大中型往复式设备极高近似度的运行状态；同时可按操作指令，自动实现在现实大中型往复设备上无法实现的宽范围工况运行条件高精度调节；并可设置典型故障；在所设置的工况条件下(健康状态和典型故障状态)提供较高精度的扭振信号产生、拾取，并提供包括电机电流和电压等故障诊断所用信号的接口；在状态监测和故障诊断过程中能产生较小的监测误差以及较高的诊断精度。
附图说明
图1以示例的方式示出了往复式设备的状态监测及故障诊断系统的整体结构图。
图2以示例的方式示出了底座的结构图。
图3以示例的方式示出了往复式设备的状态监测及故障诊断系统的详细结构图。
图4以示例的方式示出了多信号编码及接口组件的结构图。
图5以示例的方式示出了载荷激励子系统的结构图。
图6以示例的方式示出了故障实现子系统的结构图。
图7为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例一的流程图。
图8为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例二的流程图。
图9为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例三的流程图。
图10为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例四的流程图。
具体实施方式
本具体实施方式提出了一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统，结合图1所示，包括：驱动子系统1、传动子系统2、被驱动部件子系统3、载荷激励子系统4、测控子系统5、故障实现子系统6、变工况实现子系统7和底座8。其中，驱动子系统1、传动子系统2、被驱动部件子系统3、载荷激励子系统4、故障实现子系统6和变工况实现子系统7均设置在底座8上。驱动子系统1、被驱动部件子系统3和载荷激励子系统4通过传动子系统2依次同轴机械连接；故障实现子系统6与被驱动部件子系统3机械连接；变工况实现子系统7与故障实现子系统6机械连接；测控子系统5分别与驱动子系统1、所述被驱动部件子系统3、所述载荷激励子系统4和变工况实现子系统7电连接。驱动子系统1包含驱动电机11和电缆L2，驱动子系统1用于向被驱动部件子系统3提供动力；被驱动部件子系统3用于模拟往复式设备的往复式运动；载荷激励子系统4用于调节施加在所述被驱动部件子系统3的扭矩载荷；故障实现子系统6用于在所述被驱动部件子系统3上实现典型故障；变工况实现子系统7用于调节所述被驱动部件子系统3的典型工况参数，从而实现状态监测及故障诊断系统的变工况运行。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，所述系统还包括底座8，该底座8包括底板81、安装基座82和预定数量的安装螺柱83；驱动子系统1和被驱动子系统3分别通过预定数量的安装螺柱83、螺母84和调整垫片704设置在安装基座82上。
在驱动子系统1和被驱动部件子系统3的一个平面上加工有与预定数量的安装螺柱83相配的安装孔，驱动子系统1和被驱动部件子系统3分别通过对应的安装螺柱83、螺母84和调整垫片704固定安装到安装基座82上。另外，在底座8上还可以设置有调整螺杆固定件812，调整螺杆固定件812可通过焊接的方式与安装基座82连接，并且在调整螺杆固定件812上加工有螺孔，调整螺杆813与锁紧螺母85通过螺纹连接后，装入调整螺杆固定件812的螺孔中。其中的调整螺杆815和调整垫片704用于调整螺杆固定件812与安装基座82的相对位置，使该调整螺杆固定件812与安装基座82达到实验台的正常运行或故障运行下的相对位置。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，驱动子系统1的轴输出端通过第一联轴器211与测控子系统5中的多信号编码及接口组件51连接，多信号编码及接口组件51通过第二联轴器212与被驱动部件子系统3连接，被驱动部件子系统3通过第三联轴器221与载荷激励子系统4连接。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，传动子系统2进一步包括：用于连接所述驱动子系统1和所述被驱动部件子系统3的第一传动子单元21、用于连接所述被驱动部件子系统3和所述载荷激励子系统4的第二传动子单元22。其中，所述第一传动子单元进一步包括：第一联轴器211，与所述驱动子系统1机械连接；第二联轴器212，与所述被驱动部件子系统3机械连接；中间连接部件213，设置于所述第一联轴器211和所述第二联轴器212之间。所述第二传动子单元22进一步包括：第三联轴器221，与所述被驱动部件子系统3机械连接。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，测控子系统5进一步包括：多信号编码及接口组件51、可编程控制单元52和电控单元53。其中，所述多信号编码及接口组件51进一步包括：编码器511、第一光电传感器512、第二光电传感器513、安装架514、扭角测试探头515、测试齿盘516、扭角测量误差补偿探头517、电机电流接口518和电机电压接口519；所述编码器511安装在所述中间连接部件213上；所述第一光电传感器512和所述第二光电传感器513设置在所述安装架514上；所述第一光电传感器512的感应端与所述编码器511的一信号发出端对应设置；所述第二光电传感器513的感应端与所述编码器511的另一信号发出端对应设置；所述编码器511通过紧固件与所述中间连接部件213连接；所述扭角测试探头515、测试齿盘516及扭角测量误差补偿探头517设置在所述安装架514上；所述安装架514固定在所述底座8上；所述电机电流接口518及所述电机电压接口519均与所述驱动子系统1连接。
测控子系统5还包括：速度检测组件520和速度调节组件521。其中，所述速度检测组件520进一步包括：速度传感器5201和齿盘5202；所述速度调节组件521进一步包括：调节旋钮5211、变频器5212、显示屏5213和速度表5214；所述速度传感器5201通过控制电缆L与所述速度表5214连接，所述调节旋钮5211、变频器5212、显示屏5213和速度表5214设置在柜体C中，所述齿盘5202的一端与所述第一联轴器211，所述齿盘5202的另一端与所述第二联轴器212连接。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，被驱动部件子系统3进一步包括：往复设备本体31和设置在所述底座8上的运行支持组件32，所述运行支持组件32支持所述往复设备本体310的运行。其中，所述运行支持组件32进一步包括：润滑组件321；结构支撑组件322，用于支撑所述往复设备本体31；冷却组件323，用于冷却所述往复设备本体31和所述润滑组件321。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，变工况实现子系统7进一步包括：均与所述往复设备本体31机械连接的第一进气单元71、第二进气单元72、第一排气单元73、第二排气单元74、第三排气单元75和第四排气单元76。
进一步地，第一进气单元71进一步包括：进气过滤组件711、进气缓冲器712、设置于所述进气过滤组件711和所述进气缓冲器712之间的进气管路组件713、安装所述进气过滤组件711的安装支架714和承载所述安装支架714的支架底座715；
所述第一排气单元73进一步包括：连接法兰731、排气管路732、止回阀733、气动球阀734、气动三通球阀735、调节管线736、安全阀737和排气缓冲器738、压力表739和针形阀740；
其中，所述排气管路732进一步包括：第一管段7321、三通7322、第二管段7323、弯头7324、第三管段7325、第四管段7326。位于所述排气管路732中的连接法兰731与第一管段7321的左端连接，第一管段7321的右端与三通7322的B端连接，三通7322的A端与止回阀733连接，止回阀733与第二管段7323连接，第二管段7323与所述弯头7324连接，所述弯头7324与所述气动球阀734连接，所述气动球阀734与第三管段7325连接，第三管段7325与所述气动三通球阀735的B端连接，所述气动三通球阀735的A端与所述第四管段7326的B端连接，所述第四管段7326与所述往复设备本体31上的排气缓冲器738连接；所述第四管段7326与所述安全阀737连接；所述第四管段7326均与所述针形阀740和所述压力表739连接。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，载荷激励子系统4进一步包括：载荷激励组件41、载荷检测组件42，以及与所述载荷激励组件41机械连接的过载保护组件43。其中，所述载荷激励组件41进一步包括：冷却单元411、磁粉制动器412、放大器413、控制器414、控制单元415，以及与所述磁粉制动器412机械连接的支撑架416。所述载荷检测组件42进一步包括：与所述磁粉制动器412同轴机械连接的扭矩测试器421和与之机械连接的电流测试器422；所述过载保护组件43进一步包括：与所述磁粉制动器412机械连接的过载保护器431。
在一可选实施例中，结合图2～图6所示，故障实现子系统6进一步包括：调节组件61和故障实现组件62。其中，所述故障实现组件62进一步包括：划伤十字头瓦621、损坏活塞环622和失效气阀623。
图7为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例一的流程图，如图7所示，该载荷逐步施加方法包括：
步骤101：根据工况参数和载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷。
查看润滑油温度传感器测量的润滑油温度。当润滑油温度达到被驱动部件子系统中的往复设备本体可加载的温度时，输入目标载荷大小(相应的压力、流量、温度值、转速、电机负荷等)，以压力载荷为例，测控子系统随后发送读指令从当前状态下的压力、流量、温度、转速等的测量值对应的电流信号，经过运算，转化为对应的压力、流量、温度、转速值，与对应的设置值比较。如果第一排气单元的排气压力实测值小于指令设置值，则由测控子系统向第一排气单元中的气动三通球阀的开闭变小指令，第一排气单元的压力随之升高，直至升值指令值的压力范围内。
用如下程序以增加流量工况载荷：
驱动子系统中的速度检测组件中的速度传感器在齿盘的协助下，对当前速度进行检测，通过控制电缆传输至测控子系统，并显示在显示屏的界面中，操作者通过调节测控子系统中的速度调节组件中的调节旋钮，使系统达到一定的转速。测控子系统根据当前进气压力、温度、转速传感器所得的压力、温度、转速值，计算出当前排量，测控子系统将当前排量与指令值比较，根据比较的结果，向驱动子系统中的变频器发送频率改变指令，使转速提高，或者操作者手动使转速提高，提高转速后对应的流量实时得到计算并在显示屏中的得以显示，从而使系统流量增加至需要负荷。
步骤102：根据扭矩极限值向状态监测及故障诊断系统施加故障诊断载荷。
实现扭振研究所需的可控激励扭矩载荷，产生并拾取载荷激励信号。在被驱动部件子系统往复设备本体中往复应用载荷激励子系统。通过设定或调节载荷激励组件中向控制单元激励载荷目标值，控制单元将指令信号传至控制器，控制器输出相应电流，通过放大器转化为磁粉制动器输入电流范围大小，磁粉制动器在与其机械连接的支撑架的反作用下，给第三联轴器输入相应扭矩载荷，同时控制单元根据扫描频率读取扭矩测试器瞬时扭矩值经过程序算法运算，转化为同一量，在控制单元内部进行比较，按照比较结果自动向控制器发送相应调整指令，进而第三联轴器接受到不同能量级的扭矩载荷，这个扭矩载荷连续产生，并可根据所需扭振值大小进行所需扭矩载荷的大小，达到不同能量级的扭振信号的激励。同时控制单元还根据整个轴系薄弱处所能承受的扭矩极限，设置安全载荷报警和去除载荷值，当扭矩测试器瞬时扭矩值达到安全载荷报警和去除载荷值产生报警和向控制器发送变零载荷指令，进而保护轴系不因为特殊情况超载而计划外损坏。电流测试器测试磁粉制动器的实际励磁电流，并将电流值传给控制单元，控制单元根据设定好的保护电流值与其进行比较，当电流测试器瞬时电流超出保护电流值时，控制单元发出指令，使得控制器输出电流为零，从而磁粉制动器输出扭矩载荷为零，进而实现轴系在扭矩载荷下过载的第二重保护。过载保护器可以在电流大于设定值时切断电路，该电流值设置为大于等于上述电流测试器的保护电流值，实现当磁粉制动器励磁电流值达到过载保护器设定值时，使该电流瞬间降为零，从而使得扭矩载荷瞬间降为零，进而实现轴系在扭矩载荷下过载的第三重保护。进而在往复设备本体上，实现扭振研究所需的可控激励扭矩载荷。
步骤103：采集状态监测及故障诊断系统施的故障诊断数据。本发明的具体实施例中，故障诊断数据具体为施加所述预定工况载荷和所述故障诊断载荷后，状态监测及故障诊断系统的运行参数。
首先通过测控子系统使状态监测及故障诊断系统停机。之后断开驱动子系统中的柜体中的上电开关，使状态监测及故障诊断系统断电。再松开故障实现子系统中的安装螺柱，松开驱动子系统和被驱动子系统通过对应的安装螺柱、螺母，某处或某几处调整调节组件中的锁紧螺母，如需实现水平不对中，通过控制某处或某几处的调整螺杆旋进或旋出长度，按照要求扭矩紧安装螺柱，根据盘车轴向和径向对中数据判断该竖直不对中数据偏离值是否在需要范围内，如否，重复上述工作，直至处于需要范围内，达到第一联轴器的轴向和径向水平对中故障的设置；如需实现竖直方向的不对中松开调整螺杆松开驱动子系统的安装螺柱上的螺母，松开被驱动部件子系统中的锁紧螺母，调节调节组件的调整螺杆或增减调整垫片的数量，根据盘车轴向和径向对中数据判断该竖直不对中数据偏离值是否在需要范围内，如否，重复上述工作，直至处于需要范围内，达到第一联轴器的竖直方向不对中故障的设置。
对于其他类故障工作过程，将上述工作过程中故障实现子系统中对应的实施部件进行对应替换，其余工作过程基本相同，不再赘述，但类似的工作过程均在保护之内。
最后完成故障诊断所需信号的产生、存取。以过程较多的、故障态下的扭振信号的产生和存取方法为例进行叙述：
多信号编码及接口组件中扭角测试探头、扭角测量误差补偿探头分别读取测试齿盘脉冲，传至测控子系统，测控子系统根据设定算法进行误差补偿后再经过设定的扭振模块，计算为扭振值；光电传感器读取固定在安装架上的编码器信号，通过设置的算法计算为另一种信号的扭振值。该值存储与测控系统的数据库中，显示于触摸屏对应界面上。
按照第三步方法所施加故障诊断用扭矩载荷。结合设备当前载荷、设备状态数据与诊断需要，确定数据存储时机并发送数据存储指令，或者设置数据自动存取时间间隔。多信号的接口单元及相应传感器在测控子系统控制下，实现系统的多种信号、重要信号多方法测量和比较。完成水平或竖直方向不对中的故障诊断信号录取，存于数据库中。可与对比态的数据进行比较或专门进行数据处理和分析等工作。
测控子系统中多信号编码及接口组件中电机电流接口和电机电压接口以及各传感器等检测其余信号，供计算电机功率，与设置的电机功率负荷值比较，或供操作者针对显示于显示屏的电机功率值判断是否达到实验要求。
对于故障诊断所需信号的产生、存取的工作过程，在扭振载荷产生和运行过程中，多信号编码及接口组件中的扭角测试探头、扭角测量误差补偿探头分别读取测试齿盘脉冲，传至测控子系统，测控子系统根据设定算法进行误差补偿后再经过设定的扭振模块，计算为扭振值；光电传感器读取固定在安装架上的编码器信号，通过设置的算法计算为另一种信号的扭振值。该值存储于测控子系统的数据库中，显示于触摸屏对应界面上。结合设备当前载荷、设备状态数据与诊断目的，确定数据存储时机并发送数据存储指令，或者设置数据自动存取时间间隔，以完成水平不对中对比态的故障诊断的工作过程下的各信号值得录取，并可存于数据库中。进而逐步实现整个系统的故障诊断功能。
图8为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例二的流程图，如图8所示，步骤101之前，该载荷逐步施加方法还包括：
步骤100：根据工况参数判定状态监测及故障诊断系统空载运行是否正常。
状态监测及故障诊断系统空载运行3分钟。3分钟后停机，检测润滑油各注油点注油情况，进行润滑情况的复查。检查被驱动部件子系统中的十字头是否有过热变色现象，复查十字头温度信号。
图9为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例三的流程图，如图9所示，步骤100具体包括：
步骤1001：使状态监测及故障诊断系统空载运行预定时间段。
步骤1002：采集被驱动子系统中的十字头的第一温度值。
步骤1003：根据所述第一温度值和工况参数判定状态监测及故障诊断系统空载运行是否正常。
图10为适用于往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法的实施例四的流程图，如图10所示，步骤101具体包括：
步骤1011：测量润滑油的第二温度值。
步骤1012：根据所述第二温度值和工况参数判定状态监测及故障诊断系统是否达到工况载荷施加区间。
步骤1013：如果达到，根据载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷。
下面通过具体的实施例对本发明所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统进行详细说明：
实施例一
为便于叙述，以水平不对中故障下的诊断的实施为例，进行详细说明，其余故障诊断的实施与此类似。
首先根据研究故障及故障程度，调整故障实现子系统6中与故障对应的部件，完成本诊断系统的对比态设置。本实施例以完好状态作为对比态，具体过程如下：
测量第一联轴器211轴向和径向对中数据，对比被驱动部件子系统3中的往复设备本体31正常的数据范围值，检查并确认该数据处于正常范围内。
然后，通过调节或检查驱动子系统1、传动子系统2、被驱动部件子系统3、载荷激励子系统4、测控子系统5和变工况实现子系统7的系统及部件状态，完成往复式设备的状态监测及故障诊断系统的运行准备。其中，检查的具体过程可以包括：
首先，核查驱动子系统1、传动子系统2、被驱动部件子系统3、载荷激励子系统4、测控子系统5和变工况实现子系统7中的部件间连接是否可靠，包括变工况实现子系统7中的管线、多信号编码及接口组件51中各个接口到外围数据保存计算机间的电缆连接。检查第一进气单元71、第二进气单元72、第一排气单元73、第二排气单元74、第三排气单元75和第四排气单元76中阀门启闭是否灵活，并通过测控子系统5中可编程控制单元52给第一进气单元71、第二进气单元72、第一排气单元73、第二排气单元74、第三排气单元75和第四排气单元76中的进、排气阀门输送开启信号，使得进排气阀门处于开启状态。检查被驱动部件子系统3中的运行组件中的润滑系统，手动盘车(“手动盘车”是指在启动机组前，通过人力利用工具将转动轴系转动几圈，用以判断由驱动电机11带动的负荷(即机械或传动部分)是否有卡死而阻力增大的情况，从而不会使驱动电机11的启动负荷变大而损坏驱动电机11(即烧坏))5周以上，确定无卡滞、无异响；手动泵油并检查各注油点到油情况。
然后，闭合柜体C中的上电开关，进入测控子系统5中的可编程控制单元52的显示屏5213看电机转向是否与被驱动部件子系统3中的往复设备本体31机身上标识的转动方向一致。如否，需更换驱动子系统1中驱动电机11上的接线盒中的电缆相序。
使状态监测及故障诊断系统空载运行3分钟以确认润滑油油压、被驱动部件子系统3中的十字头无过热、各注油点润滑正常。3分钟后停机，再次检查确认润滑油各注油点注油情况和被驱动部件子系统3中的十字头是否有过热变色现象。均正常后，重新使状态监测及故障诊断系统空载运行，查看润滑油温度传感器测量的润滑油温度。当该值达到被驱动部件子系统3中的往复设备本体31可加载的温度时，输入目标载荷大小(相应的压力、流量、温度值、转速、电机负荷等)，以压力载荷为例，测控子系统5随后发送读指令从当前状态下的压力、流量、温度、转速等的测量值对应的电流信号，经过运算，转化为对应的压力、流量、温度、转速值，与对应的设置值比较。如果第一排气单元73的排气压力实测值小于指令设置值，则由测控子系统5向第一排气单元73中的气动三通球阀735的开闭变小指令，第一排气单元73的压力随之升高，直至升值指令值的压力范围内；再以增加流量载荷为例，驱动子系统1中的速度检测组件520中的速度传感器5201在齿盘5202的协助下，对当前速度进行检测，通过控制电缆传输至测控子系统5，并显示在显示屏5213的界面中，操作者通过调节测控子系统5中的速度调节组件521中的调节旋钮5211，使系统达到一定的转速。测控子系统5根据当前进气压力、温度、转速传感器所得的压力、温度、转速值，计算出当前排量，测控子系统5将当前排量与指令值比较，根据比较的结果，向驱动子系统1中的变频器5212发送频率改变指令，使转速提高，或者操作者手动使转速提高，提高转速后对应的流量实时得到计算并在显示屏5213中的得以显示，从而使系统流量增加至需要负荷。
以调节电机负荷为例，在系统工作过程中，测控子系统5中多信号编码及接口组件51中电机电流接口和电机电压接口以及各传感器等检测其余信号，以供计算电机功率，与设置的电机功率负荷值比较，或供操作者针对显示于显示屏5213的电机功率值判断是否达到实验要求。
再以调节激励载荷为例，说明本系统激励载荷调节的工作过程：操作者通过显示屏5213中加载界面中输入预期值的载荷值大小，并发送读指令至载荷激励子系统4中的载荷检测组件中的扭矩测试器421，扭矩测试器421将当前测得值传给测控子系统5，测控子系统5根据返回值和要求的载荷值的比较结果，判断是否需要增大或减小当前激励载荷值。如需增大或减小，就发送相应指令至载荷激励组件41，载荷激励组件41中的磁粉制动器根据所得信号在支撑架416和承载盘的共同作用下，产生相应大小的反力矩。系统内部在过载保护组件43中所设定的保护值范围内，快速反复进行该过程，直至当前载荷在系统的精度范围内。
对于故障诊断所需信号的产生、存取的工作过程，在扭振载荷产生和运行过程中，多信号编码及接口组件51中的扭角测试探头515、扭角测量误差补偿探头分别读取测试齿盘脉冲，传至测控子系统5，测控子系统5根据设定算法进行误差补偿后再经过设定的扭振模块，计算为扭振值；光电传感器读取固定在安装架514上的编码器信号，通过设置的算法计算为另一种信号的扭振值。该值存储于测控子系统5的数据库中，显示于显示屏5213对应界面上。通过调节载荷激励组件41，载荷激励组件41中的磁粉制动器412根据所得信号在支撑架416和承载盘的激励载荷的大小，实现不同能量级的扭振载荷信号的产生。
之后，操作者结合设备当前载荷、设备状态数据与诊断目的，确定数据存储时机并发送数据存储指令，或者设置数据自动存取时间间隔，以完成水平不对中对比态的故障诊断的工作过程下的各信号值得录取，并可存于数据库中。
再通过如下过程，进行故障态下的故障诊断数据的测取。首先，调整系统，使系统在设定故障、设定载荷下运行、测取信号，为诊断提供数据。调整的工作过程可以包括：
首先通过测控子系统5中使系统停机。之后断开驱动子系统1中的柜体C中的上电开关，使系统断电。再松开故障实现子系统6中的安装螺柱83，松开驱动子系统1和被驱动子系统3通过对应的安装螺柱83、螺母84，某处或某几处调整调节组件61中的锁紧螺母85，如需实现水平不对中，通过控制某处或某几处的调整螺杆813旋进或旋出长度，按照要求扭矩紧安装螺柱83，根据盘车轴向和径向对中数据判断该竖直不对中数据偏离值是否在需要范围内，如否，重复上述工作，直至处于需要范围内，达到第一联轴器211的轴向和径向水平对中故障的设置；如需实现竖直方向的不对中松开调整螺杆813松开驱动子系统1的安装螺柱83上的螺母84，松开被驱动部件子系统3中的锁紧螺母85，调节调节组件61的调整螺杆813或增减调整垫片704的数量，根据盘车轴向和径向对中数据判断该竖直不对中数据偏离值是否在需要范围内，如否，重复上述工作，直至处于需要范围内，达到第一联轴器211的竖直方向不对中故障的设置。
对于其他类故障工作过程，将上述工作过程中故障实现子系统6中对应的实施部件进行对应替换，其余工作过程基本相同，不再赘述，但类似的工作过程均在保护之内。
最后进行故障诊断所需信号的产生、存取的工作过程。以过程较多的、故障态下的扭振信号的产生和存取为例，多信号编码及接口组件51中扭角测试探头515、扭角测量误差补偿探头分别读取测试齿盘脉冲，传至测控子系统5，测控子系统5根据设定算法进行误差补偿后再经过设定的扭振模块，计算为扭振值；光电传感器读取固定在安装架514上的编码器信号，通过设置的算法计算为另一种信号的扭振值。该值存储与测控系统的数据库中，显示于显示屏5213对应界面上。通过设定或调节载荷激励组件41中向控制单元415激励载荷目标值，控制单元415将指令信号传至控制器414，控制器414输出相应电流，通过放大器413转化为磁粉制动器412输入电流范围大小，磁粉制动器412在与其机械连接的支撑架416的反作用下，给第三联轴器221输入相应扭矩载荷，同时控制单元415根据扫描频率读取扭矩测试器421瞬时扭矩值经过程序算法运算，转化为同一量，在控制单元内部进行比较，按照比较结果自动向控制器414发送相应调整指令，进而第三联轴器221接受到不同能量级的扭矩载荷，这个扭矩载荷连续产生，并可根据所需扭振值大小进行所需扭矩载荷的大小，达到不同能量级的扭振信号的激励。同时控制单元415还根据整个轴系薄弱处所能承受的扭矩极限，设置安全载荷报警和去除载荷值，当扭矩测试器421瞬时扭矩值达到安全载荷报警和去除载荷值产生报警和向控制器414发送变零载荷指令，进而保护轴系不因为特殊情况超载而计划外损坏。电流测试器422测试磁粉制动器412的实际励磁电流，并将电流值传给控制单元415，控制单元415根据设定好的保护电流值与其进行比较，当电流测试器422瞬时电流超出保护电流值时，控制单元415发出指令，使得控制器414输出电流为零，从而磁粉制动器412输出扭矩载荷为零，进而实现轴系在扭矩载荷下过载的第二重保护。过载保护器431可以在电流大于设定值时切断电路，该电流值设置为大于等于上述电流测试器422的保护电流值，实现当磁粉制动器412励磁电流值达到过载保护器431设定值时，使该电流瞬间降为零，从而使得扭矩载荷瞬间降为零，进而实现轴系在扭矩载荷下过载的第三重保护。其他信号由测控子系统5中相应传感器拾取。操作者结合设备当前载荷、设备状态数据与诊断需要，确定数据存储时机并发送数据存储指令，或者设置数据自动存取时间间隔。多信号的接口单元及相应传感器在测控子系统5控制下，实现系统的多种信号、重要信号多方法测量和比较。完成水平或竖直方向不对中的故障诊断信号录取，存于数据库中。可与对比态的数据进行比较或专门进行数据处理和分析等工作。
其他类故障工作过程，将上述工作过程中故障实现子系统6中对应的实施部件进行对应替换，其余工作过程基本相同，不再赘述，但类似的工作过程均在本发明的保护范围之内。
采用本具体实施方式提供的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，由驱动子系统通过传动子系统驱动被驱动部件子系统和载荷激励子系统同轴连接，并通过测控子系统对所述驱动子系统、被驱动部件子系统、载荷激励子系统和变工况实现子系统进行控制和检测，从而实现在大中型往复式设备的状态监测和故障诊断过程中具有较小的监测误差以及较高的诊断精度，并且能够实现在具有与典型大中型往复机械主体结构特征的设备上。
本具体实施方式是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，其中的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有经过创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，包括：测控子系统(5)、底座(8)，以及设置在所述底座(8)上的驱动子系统(1)、传动子系统(2)、被驱动部件子系统(3)、载荷激励子系统(4)、故障实现子系统(6)和变工况实现子系统(7)；
其中，所述驱动子系统(1)、所述被驱动部件子系统(3)和所述载荷激励子系统(4)通过所述传动子系统(2)依次同轴机械连接；所述故障实现子系统(6)与所述被驱动部件子系统(3)机械连接；所述变工况实现子系统(7)与所述故障实现子系统(6)机械连接；所述测控子系统(5)分别与所述驱动子系统(1)、所述被驱动部件子系统(3)、所述载荷激励子系统(4)和变工况实现子系统(7)电连接，
所述驱动子系统(1)包含驱动电机(11)和电缆(L2)，用于向所述被驱动部件子系统(3)提供动力；
被驱动部件子系统(3)用于模拟往复式设备的往复式运动；所述被驱动部件子系统(3)进一步包括：往复设备本体(31)和设置在所述底座(8)上的运行支持组件(32)，所述载荷激励子系统(4)用于调节施加在所述被驱动部件子系统(3)的扭矩载荷，所述载荷激励子系统(4)进一步包括：载荷激励组件(41)、载荷检测组件(42)，以及与所述载荷激励组件(41)机械连接的过载保护组件(43)；所述载荷激励组件(41)进一步包括：冷却单元(411)、磁粉制动器(412)、放大器(413)、控制器(414)、控制单元(415)，以及与所述磁粉制动器(412)机械连接的支撑架(416)；
所述变工况实现子系统(7)用于调节所述被驱动部件子系统(3)的工况参数，从而实现状态监测及故障诊断系统的变工况运行，所述变工况实现子系统(7)进一步包括：均与所述往复设备本体(31)机械连接的第一进气单元(71)、第二进气单元(72)、第一排气单元(73)、第二排气单元(74)、第三排气单元(75)和第四排气单元(76)。
2.如权利要求1所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述传动子系统(2)进一步包括：用于连接所述驱动子系统(1)和所述被驱动部件子系统(3)的第一传动子单元(21)、用于连接所述被驱动部件子系统(3)和所述载荷激励子系统(4)的第二传动子单元(22)，
其中，所述第一传动子单元(21)进一步包括：
第一联轴器(211)，与所述驱动子系统(1)机械连接；
第二联轴器(212)，与所述被驱动部件子系统(3)机械连接；以及
中间连接部件(213)，设置于所述第一联轴器(211)和所述第二联轴器(212)之间，
所述第二传动子单元(22)进一步包括：
第三联轴器(221)，与所述被驱动部件子系统(3)机械连接。
3.如权利要求2所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述测控子系统(5)进一步包括：多信号编码及接口组件(51)、可编程控制单元(52)和电控单元(53)；
其中，所述多信号编码及接口组件(51)进一步包括：编码器(511)、第一光电传感器(512)、第二光电传感器(513)、安装架(514)、扭角测试探头(515)、测试齿盘(516)、扭角测量误差补偿探头(517)、电机电流接口(518)和电机电压接口(519)；
所述编码器(511)安装在所述中间连接部件(213)上；所述第一光电传感器(512)和所述第二光电传感器(513)设置在所述安装架(514)上；所述第一光电传感器(512)的感应端与所述编码器(511)的一信号发出端对应设置；所述第二光电传感器(513)的感应端与所述编码器(511)的另一信号发出端对应设置；所述编码器(511)通过紧固件与所述中间连接部件(213)连接；所述扭角测试探头(515)、测试齿盘(516)及扭角测量误差补偿探头(517)设置在所述安装架(514)上；所述安装架(514)固定在所述底座(8)上；所述电机电流接口(518)及所述电机电压接口(519)均与所述驱动子系统(1)连接。
4.如权利要求3所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述测控子系统(5)还包括：速度检测组件(520)和速度调节组件(521)；
其中，所述速度检测组件(520)进一步包括：速度传感器(5201)和齿盘(5202)；
所述速度调节组件(521)进一步包括：调节旋钮(5211)、变频器(5212)、显示屏(5213)和速度表(5214)；
所述速度传感器(5201)通过控制电缆(L)与所述速度表(5214)连接，所述调节旋钮(5211)、变频器(5212)、显示屏(5213)和速度表(5214)设置在柜体(C)中，所述齿盘(5202)的一端与所述第一联轴器(211)连接，所述齿盘(5202)的另一端与所述第二联轴器(212)连接。
5.如权利要求1所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述运行支持组件(32)支持所述往复设备本体(31)的运行，
其中，所述运行支持组件(32)进一步包括：
润滑组件(321)；
结构支撑组件(322)，用于支撑所述往复设备本体(31)；以及
冷却组件(323)，用于冷却所述往复设备本体(31)和所述润滑组件(321)。
6.如权利要求5所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述第一进气单元(71)进一步包括：进气过滤组件(711)、进气缓冲器(712)、设置于所述进气过滤组件(711)和所述进气缓冲器(712)之间的进气管路组件(713)、安装所述进气过滤组件(711)的安装支架(714)和承载所述安装支架(714)的支架底座(715)；
所述第一排气单元(73)进一步包括：连接法兰(731)、排气管路(732)、止回阀(733)、气动球阀(734)、气动三通球阀(735)、调节管线(736)、安全阀(737)和排气缓冲器(738)、压力表(739)和针形阀(740)；
其中，所述排气管路(732)进一步包括：第一管段(7321)、三通(7322)、第二管段(7323)、弯头(7324)、第三管段(7325)、第四管段(7326)；
位于所述排气管路(732)中的连接法兰(731)与第一管段(7321)的左端连接，第一管段(7321)的右端与三通(7322)的一端连接，三通(7322)的另一端与止回阀(733)连接，止回阀(733)与第二管段(7323)连接，第二管段(7323)与所述弯头(7324)连接，所述弯头(7324)与所述气动球阀(734)连接，所述气动球阀(734)与第三管段(7325)连接，第三管段(7325)与所述气动三通球阀(735)的一端连接，所述气动三通球阀(735)的另一端与所述第四管段(7326)的一端连接，所述第四管段(7326)另一端与所述往复设备本体(31)上的排气缓冲器(738)连接；所述第四管段(7326)与所述安全阀(737)连接；所述第四管段(7326)与所述针形阀(740)和所述压力表(739)连接。
7.如权利要求1所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，
所述载荷检测组件(42)进一步包括：与所述磁粉制动器(412)同轴机械连接的扭矩测试器(421)和与之机械连接的电流测试器(422)；
所述过载保护组件(43)进一步包括：与所述磁粉制动器(412)机械连接的过载保护器(431)。
8.如权利要求1所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统，其特征在于，所述故障实现子系统(6)进一步包括：调节组件(61)和故障实现组件(62)；
其中，所述故障实现组件(62)进一步包括：划伤十字头瓦(621)、损坏活塞环(622)和失效气阀(623)。
9.一种适用于权利要求1-8任一项所述的往复式设备的状态监测及故障诊断系统的工况参数和故障诊断参数综合参照下的载荷逐步施加方法，其特征在于，该载荷逐步施加方法包括：
根据工况参数和载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷；
根据扭矩极限值向状态监测及故障诊断系统施加故障诊断载荷；以及
采集状态监测及故障诊断系统的故障诊断数据。
10.如权利要求9所述的载荷逐步施加方法，其特征在于，根据工况参数和载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷的步骤之前，该载荷逐步施加方法还包括：
根据工况参数判定状态监测及故障诊断系统空载运行是否正常。
11.如权利要求10所述的载荷逐步施加方法，其特征在于，根据工况参数判定状态监测及故障诊断系统空载运行是否正常的步骤，具体包括：
使状态监测及故障诊断系统空载运行预定时间段；
采集被驱动部件子系统中的十字头的第一温度值；以及
根据所述第一温度值和工况参数判定状态监测及故障诊断系统空载运行是否正常。
12.如权利要求9所述的载荷逐步施加方法，其特征在于，根据工况参数和载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷的步骤，具体包括：
测量润滑油的第二温度值；
根据所述第二温度值和工况参数判定状态监测及故障诊断系统是否达到工况载荷施加区间；以及
如果达到，根据载荷参数向状态监测及故障诊断系统施加预定工况载荷。
13.如权利要求9所述的载荷逐步施加方法，其特征在于，所述故障诊断数据具体为施加所述预定工况载荷和所述故障诊断载荷后，状态监测及故障诊断系统的运行参数。
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