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机械设备故障诊断基础主讲人：李爱华授课计划2012年至2013年度装备学院机制10级各班第二学期机械故障诊断基础课程授课计划1、本课程的教学目的要求：掌握机械设备故障诊断的原理、内容和方法；掌握熟悉信号分析与处理的基础；了解机械设备运行的监测和诊断系统；了解测振传感器原理及应用，重点掌握旋转机械振动监测与诊断技术，滚动轴承故障及齿轮、齿轮箱故障的监测与诊断技术；掌握故障树的定性分析方法，了解油样分析方法、红外监测方法及超声诊断方法。特别要掌握在生产实际中怎样进行应用解决实际问题。2、学时数分配情况：教学计划规定的总学时上学期已进行的学时数本学期的学时分配下学期尚余的学时数课内外比例总计理论教学实验习题课测验设计380383260周别课堂教学课外作业完成情况星期学时数教学内容教学方式布置作业题数复习及作业所需时间241.1机械故障诊断概述1.2机械故障诊断技术和方法1.3机械故障诊断的内容及发展情况2.1信号的概念及分类2.2信号的时域分析(重点)讲授342.3信号的频域分析2.4模拟信号分析2.5数字信号分析2.6频率细化分析技术讲授443.1监测与诊断系统的作用与工作步骤；3.2简易监测与诊断系统的组成；3.3精密监测与诊断系统的组成（重点讲授）；3.4多微机在线监测与诊断系统简介；3.5设备监测与诊断系统举例讲授544.2旋转机械的振动及故障概论4.2旋转机械故障的诊断信息的表达和分析讲授644.4旋转机械故障简易诊断法4.5旋转机械故障精密诊断法（重点讲授）讲授745.1滚动轴承失效的基本形式；5.2滚动轴承故障振动诊断；5.3滚动轴承的其他监测诊断方法。6.1齿轮副运动的特点；6.2齿轮的失效形式及原因；846.3齿轮的振动诊断原理；6.4齿轮与齿轮箱的监测与诊断方法；6.5齿轮箱故障的振动诊断实例。实验1、传动轴不对中故障分析；讲授94实验2、动不平衡故障分析;实验3、齿轮故障诊断分析。实验1047.1油样分析方法的分类及其应用范围；7.2油样光谱分析方法;7.3油样铁谱分析方法。8.红外监测方法。10.机械故障诊断的新发展（10.1模糊诊断方法；10.2灰色诊断方法；8.3、4专家系统、人工神经网络以及小波分析的简介实验112考试讲授系主任：教研室主任：任课教师：李爱华3.主要参考书及资料：（1）.虞和济等编著.设备故障诊断工程.冶金工业出版社，2001.6（2）.陈进主编.机械设备振动监测与故障诊断.上海交通大学出版社，1999.4（3）.李国华等编著机械故障诊断化学出版社，1998.84.成绩考核方式和考查及格标准：考核方式：（1）.以笔试为主，并参考实验、作业、出勤等；（2）.要求学生课堂出勤率和完成作业率达到80%以上才允许参加期末考试；若实验未完成或不合格不允许参加期末考试。5、对学生学习本门课程的要求：（1）.在学习本课程过程中，要认真做好笔记，课后及时复习，认真独立完成作业；（2）.要抓住重点，阶段性进行总结，对老师提出的问题积极思考，讨论；（3）.要认真做好实验，掌握基本实验技能，帮助消化和理解所学的理论；（4）.遵守课堂纪律。6.提高教学质量的措施：（1）.根据本课程的特点，因材施教，多采用启发式，讨论式，注意突出重点，精讲多练，理论与实际结合，多举一些例子，使同学易于消化和理解。（2）.按时辅导答疑，鼓励同学多提问题，多看参考书，培养自学能力和良好的学风。（3）.做好内容的修剪和补充，使主、次分明，系统连贯，思路清晰，方法简捷，培养创新意识，不断提高同学的分析问题的和解决问题的能力。第一章绪论•1.1机械故障诊断的基本原理、基本内容、基本方法•1.2设备故障诊断的意义•1.3机械设备故障诊断技术发展§1.1机械设备故障诊断的基本原理、基本内容、和基本方法一、基本原理1.设备劣化进程中的一般规律（重点）•机械设备工作的三个期：Ⅰ.磨合期Ⅱ.正常使用期—故障率最低Ⅲ.耗损期•图1-1浴盆曲线•图1-2劣化曲线•机械设备工作的三个阶段：G--正常使用阶段,机器处于良好状态;Y--有故障趋势阶段，机器处于注意状态;R--故障严重阶段2.状态监测和故障诊断的过程二、基本内容•机械设备故障诊断的基本内容包括以下三个方面1）设备运行状态的监测——判断运行是否正常，早期发现故障苗头；2）设备运行状态的趋势预报——在监测的基础上，对设备运行状态发展趋势预测，目的预知劣化速度，为生产和维修计划做好准备；3）故障确定——故障类型、程度、部位、原因的确定，为最后故障决策提供依据。什么是状态监测和故障诊断？在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。是设备维修的发展方向。是防止事故和计划外停机的有效手段。三、诊断的基本方法1.简易诊断和2.精密诊断状态监测（简易诊断）便携式仪器巡检点检识别有无故障判断故障严重程度作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行故障诊断（精密诊断）精密仪器采集信号分析确定故障部位确定故障原因提出维修建议由诊断人员在现场或中心进行3.直接观测法；4.振动噪声测定法；5.无损检验；6.磨损残余物测定；7.机器性能参数测定等方法§1.2状态监测和故障诊断的作用监测与保护监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。处理与预防给出消除故障的措施。防止发生同类故障1.2.2设备维修制度的发展•事后维修，故障维修(Breakdown)设备坏了后才去修理。•定期维修，预防维修(Preventive)定期地检查和大修。•预测维修，视情维修(Predictive)周期的监测，必要时才去维修。•定义优点缺点事后维修体制设备运行到坏了再进行修理。不需要安排计划。对一些设备，更换比修理更便宜。意外停机引起生产损失。可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。库存备件投资多。定义优点缺点定期维修体制按预订的时间间隔或检修周期，对设备作维修、调整和更换备件。•机器寿命较长。•减少意外停机。•备件库存较少。•意外停机引起生产损失。•过剩维修导致维修费用增加。•过剩维修引起人为维修故障。预测维修体制定义优点缺点有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态，必要时才进行维修。•减少非计划停机损失。•维修时间间隔可以延长。•维修费用大为减少。•备件库存最小。•需要初始投资。•需学习和培训。不同制度的维修成本的比较0102030405060708090100事后维修定期维修预测维修大型钢铁企业维修费用为多少？•美国1980年税收总额$7500亿，维修费为$2460亿,估计其中过剩维修费为$750亿。•我国1987年国营公交企业40万个，固定资产￥7000亿,维修费约为固定资产的3～5％（210-350亿）。•我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，维修费有多少？能节省多少？停产一天的损失有多大？300MW发电机组损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW停机4小时损失￥400万元先进维修制度的作用保证机器精度，提高产品质量减少意外停车引起的生产损失防止事故，杜绝灾难性故障减少维修时间和维修费用（人力和财力）改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报国家有关的条例摘录逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预知维修体制。1983年国家经委《国营公交设备管理试行条例》企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术的现代化水平。1987年国务院《全民所用制公交设备管理条例》第二章信号分析及处理基础•2.1信号的概念及分类•2.2信号的时域分析（重点讲授）•2.3信号的频域分析•2.4模拟信号和数字信号分析§2.1信号概念及分类在生产实践和科学实验中,经常需要进行测试。而测试工作的第一项任务就是将所需要的信息转变为易于传输、记录和分析的信号，被转换的信息具有状态、运动、特征等信息，而这里所说的易于传输、分析、记录的信号就是我们常见的电信号。为了进一步对所测的信号进行分析研究，方法之一是把时域信号转化成频域信号进行结构分析。在信号中找出有用的信息。通过对信号的分析研究来得到我们所需的信息。信息与信号的关系测试工作的首要任务是将信息（状态、运动、特征等）转变成易于传输、记录和分析的信号。信息是被研究对象的状态、运动和特征的表征或反映，如受力构件的应力状态，减振器的阻尼特征等，它是抽象看不见的，是物理量。信号是信息的载体，是传载信息的工具，信息是信号的内容，并依靠信号实现传输电、光、声、力、振动、温度、压力、流量等。其中电信号易于变换、处理和传输，在测试中往往将非电量信号转换为电信号进行测量。最常用的电信号，如I、U。2.1.1信号转换与传感器传感器的功用——把不易于传输、记录、处理的物理量（如力、位移、转角、噪声等）转换成电流、电压等可测电信号。传感器的重要指标：1.动态范围：传感器输出量与被测物理信号输入量之间维持线性比例关系的测量范围。一般动态范围越大越好。2.灵敏度：传感器输出量与被测物理信号输入量之比值。3.动态特性：传感器的响应时延（越小越好）、幅频特性（要求工作范围内是平直的）、相频特性（是线性的）等。4.稳定性：是指传感器长时间使用，其灵敏度、动态范围、动态特性的变化小，重复精度高。•在实际工作中，按被测对象选择适当的传感器2.1.2信号传输及干扰噪声当传感器灵敏度较低时或传感器距离分析处理设备较远时，要使用放大器和长距离电缆，它们和传感器同样存在灵敏度、动态特性及稳定性等问题。影响上述问题的信号称之为噪声。如：空间电磁波、雷电、温度、光等。这些信号与我们要测量的信号同时存在于测量系统中。除了我们要测量的信号以外的所有的信号都称之为干扰噪声。是有害的。2.1.3信号的分类.变化t动态信号：随;缓慢变化tt:信号可分为时间做变化或随时间不随时间静态信号动态信号可分为：非平稳随机信号非各态历经信号各态历经信号平稳随机信号非确定性信号一般非周期信号准周期信号非周期信号一般周期信号谐波信号周期信号确定性信号非确定性信号：每次实验观测结果都不相同，无法用数学关系式或图表描述其关系。正如其名字“非确定”，具有随机性，是没有规律可以遵循的，具有不重复性、不确定性、不可预估性。它的另外一个名字叫做“随机信号”。随机信号：是无法用数学关系式来描述，只能用概率统计的方法进行分析。例①汽车奔驰所产生的振动；②飞机在大气中的浮动；③树叶随风飘动；④环境噪声；……2.1.4随机信号的集合定义非确定性信号（随机信号）又可分为)()(过程非平稳随机信号过程平稳随机信号在平稳随机过程中有一个重要的概念——各态历经随机过程。(ErgodicProcess)随机信号：白噪声随机信号：叠加白噪声的正弦信号)(txt00t)(tx图2-1随机信号的集合平均表示法x5(t)x4(t)x3(t)x2(t)x1(t)§2.2信号的时域分析时域：时间函数和参数的集合叫时域。对这些函数进行计算、分析叫时域分析。时域进一步细分为：幅值域、时差域、倒频域、复时域等。确定性信号和随机信号在定义和分析处理上是不同的，随机信号的分析处理比较复杂。2.2.1幅值域（以随机信号为主要研究对象）幅值域中的几个重要的基本概念①.随机信号的概率表示研究随机信号，需要在相同的条件下取得多个记录并分析其统计规律性。如图2-1所示的N个随机信号样本，确定时刻tj,随机变量Xj(tj)的大小是不相同的，若能统计出其值在x与x+∆x之间的样本为n个，可定义概率为NnxxtXxPNroblim})({②.概率密度函数信号幅值落在指定区间内的概率。可定义为：00()lim()/lim/()ixxTpxxxtxxxtTx④.联合