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立式辊磨机是水泥建材行业一种应用于水泥生料、熟料、矿渣、煤渣等粉磨加工的特大型机械设备，是保证整条水泥生产线持续稳定生产的关键设备。该设备通常运行在重载、高温、高压状态和腐蚀性、电磁热辐射干扰等恶劣工况中，长时间的运行易发生材料老化和部件劣化，对设备性能产生累积损伤，引发故障。如果不及时发现事故征兆并进行处理，将导致停机甚至灾难性后果。因此，针对立式辊磨机的运行状态深度感知、智能监测与故障预测技术一直是水泥建材行业极为关注的热点和迫切需求。
本文综述了光纤光栅传感与解调、立式辊磨机运行状态监测与故障预测等相关领域的国内外研究现状，在比较分析各种技术方案的基础上，提出了立式辊磨机运行状态智能感知与监测、信号采集与数据分析的技术方案；设计了一种适用于立式辊磨机测量大范围液压压力变化的光纤光栅压力传感器；给出了一种应用于立式辊磨机振动测量的长距离光栅校准方法。最后基于立式辊磨机状态监测数据分析和设备性能状态劣化建模，设计并实现了立式辊磨机的运行状态监测和故障预测系统。主要研究内容如下：
（1）采用有限元建模与数值仿真的方法，对立式辊磨机进行了结构建模和模态分析，进而确立了立式辊磨机壳体的固有频率和振型。并通过模态仿真，分析其壳体的随机振动特性，给出立式辊磨机的运行状态监测策略，为立式辊磨机状态监测的关键点，即螺栓松动检测和壳体振动监测的传感器安装位置选取，提供理论依据。
（2）立式辊磨机的大部分故障与加载系统液压和机械振动相关，在仿真分析与实验验证的基础上，设计了一种具有温补作用的大量程厚膜式光纤光栅液压传感器，以满足立式辊磨机液压加载系统液压变化范围大的测量需求，并通过压力和温度影响实验，说明了该传感器的性能可靠性。同时基于理论分析和工程数据验证，给出在壳体上应力、位移、加速度等运行状态物理量信号较为明显的关键位置，部署对应种类的光纤光栅传感器进行振动监测。
（3）针对基于光纤传感的立式辊磨机状态信息采集与解调，提出一种采用基于傅里叶域锁模（Fourier Domain Mode Locking，FDML）的扫频激光器作为扫频光源来提高光纤光栅解调速度的方法，搭建了基于FDML扫频激光器的解调系统和信息采集系统，极大地提高波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方式下光纤光栅的解调速度。同时为了解决解调的误差问题，提出了一种新颖的光栅校准方法。
（4）基于立式辊磨机各项运行状态物理量的实时监测数据，采用最小二乘支持向量回归（Least Square Support Vector Regression，LSSVR）模型构建了立式辊磨机性能参数预测模型，同时引入改进的多观测序列下基于隐马尔科夫链分析其可靠性。通过对采集到的光纤传感器数据分析，提取性能特征参数，并通过复杂网络手段进行特征数据解耦处理，得到输出性能参数随时间的变化规律，进而建立设备性能劣化和故障发生趋势模型，同时利用隐马尔科夫的双重随机特性，对立式辊磨机在运行期间的可靠性和故障进行预测分析。
（5）设计并实现了立式辊磨机的硬软件监测平台，包括基于光纤光栅传感的立式辊磨机运行状态信息在线采集与波长解调，以及故障预测与告警软硬系统。以可视界面的形式展示系统实时获取的光纤传感器数据和经过光纤传感器波长转化后对应的立式辊磨机各个部件的性能参数。系统可实时监测到设备的运行状况，并设计了报警功能，对设备可能发生的故障进行预测。相关系统已在贵州某水泥厂的立式辊磨机上部署，通过试运行检测与分析，验证了该系统的有效性。
本文综述了光纤光栅传感与解调、立式辊磨机运行状态监测与故障预测等相关领域的国内外研究现状，在比较分析各种技术方案的基础上，提出了立式辊磨机运行状态智能感知与监测、信号采集与数据分析的技术方案；设计了一种适用于立式辊磨机测量大范围液压压力变化的光纤光栅压力传感器；给出了一种应用于立式辊磨机振动测量的长距离光栅校准方法。最后基于立式辊磨机状态监测数据分析和设备性能状态劣化建模，设计并实现了立式辊磨机的运行状态监测和故障预测系统。主要研究内容如下：
（1）采用有限元建模与数值仿真的方法，对立式辊磨机进行了结构建模和模态分析，进而确立了立式辊磨机壳体的固有频率和振型。并通过模态仿真，分析其壳体的随机振动特性，给出立式辊磨机的运行状态监测策略，为立式辊磨机状态监测的关键点，即螺栓松动检测和壳体振动监测的传感器安装位置选取，提供理论依据。
（2）立式辊磨机的大部分故障与加载系统液压和机械振动相关，在仿真分析与实验验证的基础上，设计了一种具有温补作用的大量程厚膜式光纤光栅液压传感器，以满足立式辊磨机液压加载系统液压变化范围大的测量需求，并通过压力和温度影响实验，说明了该传感器的性能可靠性。同时基于理论分析和工程数据验证，给出在壳体上应力、位移、加速度等运行状态物理量信号较为明显的关键位置，部署对应种类的光纤光栅传感器进行振动监测。
（3）针对基于光纤传感的立式辊磨机状态信息采集与解调，提出一种采用基于傅里叶域锁模（Fourier Domain Mode Locking，FDML）的扫频激光器作为扫频光源来提高光纤光栅解调速度的方法，搭建了基于FDML扫频激光器的解调系统和信息采集系统，极大地提高波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方式下光纤光栅的解调速度。同时为了解决解调的误差问题，提出了一种新颖的光栅校准方法。
（4）基于立式辊磨机各项运行状态物理量的实时监测数据，采用最小二乘支持向量回归（Least Square Support Vector Regression，LSSVR）模型构建了立式辊磨机性能参数预测模型，同时引入改进的多观测序列下基于隐马尔科夫链分析其可靠性。通过对采集到的光纤传感器数据分析，提取性能特征参数，并通过复杂网络手段进行特征数据解耦处理，得到输出性能参数随时间的变化规律，进而建立设备性能劣化和故障发生趋势模型，同时利用隐马尔科夫的双重随机特性，对立式辊磨机在运行期间的可靠性和故障进行预测分析。
（5）设计并实现了立式辊磨机的硬软件监测平台，包括基于光纤光栅传感的立式辊磨机运行状态信息在线采集与波长解调，以及故障预测与告警软硬系统。以可视界面的形式展示系统实时获取的光纤传感器数据和经过光纤传感器波长转化后对应的立式辊磨机各个部件的性能参数。系统可实时监测到设备的运行状况，并设计了报警功能，对设备可能发生的故障进行预测。相关系统已在贵州某水泥厂的立式辊磨机上部署，通过试运行检测与分析，验证了该系统的有效性。