机械故障诊断技术

主讲人：于晓光（多媒体教学课件）机械设备故障诊断技术基础机械设备故障诊断技术应用最新故障诊断方法☻第一章绪论☻第二章监测与诊断系统☻第三章旋转机械的振动监测与诊断☻第四章滚动轴承故障机理与诊断☻第五章齿轮常见故障与诊断☻第六章模糊诊断方法☻第八章故障树分析方法☻第九章油样、温度等监测方法☻第十章机械故障诊断的最新进展☻第七章模糊诊断方法机械故障诊断是二十世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科。机械故障诊断是识别机器或机组运行状态的科学,它研究的内容简单说三个方面:1、对机器运行现状的识别，2、对机器运行过程的监测，3、对机器运行发展趋势的预测。是机械工程师必须掌握的重要基础技术。机械故障诊断的主要技术手段：现已形成振动诊断技术、油液分析技术、温度监测技术、无损探伤技术等。故障诊断实例132KW造气鼓风机，转速为2950r/min，强烈振动而不能正常运行。机械故障诊断技术一、机械故障诊断研究的重大意义二、机械故障诊断的基本原理、内容、方法三、机械故障诊断技术发展概况第一章绪论一、机械故障诊断研究的重大意义（一）、预防事故、保证人身和设备的安全这是机械设备故障诊断工作的直接目的和基本任务之一。设备故障造成的重大伤害和重大损失：20世纪80年代最惨的血的教训，1986年1月28日美国“挑战者”航天飞机爆炸，七名宇航员丧生；1986年4月27日前苏联切尔诺贝利核电站四号机组由于严重振动造成核泄漏，死亡2000多人，经济损失30多亿美元。（二）、推动设备维修制度的改革设备维修制度的改革经历了三种形式：1、事后维修制度是一种早期的维修制度，其特点不坏不修、坏了再修；2、预防维修制度（计划维修制度）引进前苏联的，其特点静态维修制度，强制维修（以时间为基础）；3、预知维修制度其特点在设备状态监测的基础上，根据设备运行状态实际劣化程度决定维修时间和维修规模（以状态为基础）。主要技术依赖设备故障诊断技术。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（三）、提高经济效益通过采用故障诊断技术，可查出设备隐患，减少故障发生，延长检修周期，最大发挥设备潜能。举例：采用故障诊断技术产生的经济效益(初期)英国一年维修费用由3亿英镑降为0.5亿英镑;美国一年投入故障诊断费用20万美元,获利126万美元;日本新日铁热轧厂事故率由29次降为8次。二、机械故障诊断的基本原理、内容、方法“故障诊断”这个术语源于“医学诊断”(但不等同)“诊”是关于机械设备系统状态的识别(辨识),包括信号的选择和工况状态的分析;“断”是对机械设备系统功能正常和不正常进行判别,包括确定不正常功能(故障)的性质、程度、部位及原因，并作出控制决策或在故障出现之前作出预测预报。机械设备发展的一个明显趋势是向大型化、高速化、连续化、自动化方向发展。形成特点：机械设备功能越来越多性能指标越来越高组成结构越来越复杂维修人员素质越来越高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。是防止事故和计划外停机的有效手段。是设备维修的发展方向。(一)、机械故障诊断的基本原理1、设备劣化进程中的一般性规律(浴盆曲线和劣化曲线)浴盆曲线沿时间轴分为三部分:Ⅰ磨合期,表示新机器的跑合阶段,故障率较高;Ⅱ正常使用期,表示机器经跑合后处于稳定阶段,故障率最低;Ⅲ耗损期,表示机器由于磨损、疲劳、腐蚀等已处于老年阶段，故障率逐步上升。一般现场设备都处于Ⅱ、Ⅲ阶段，可取浴盆曲线的一半，称为劣化曲线。劣化曲线沿纵轴可分为三个阶段：绿区（G）包括浴盆曲线的正常使用阶段，故障率最低，它表示机器处于良好状态；黄区（Y）包括浴盆曲线Ⅲ区的初始阶段，故障率已有升高的趋势，表示机器处于注意状态；红区（R）包括浴盆曲线Ⅲ区故障率已大幅上升的阶段，表示机器已处于严重或危险状态，要随时准备停机检修。趋势分析法的理论根据监视机器的劣化过程预测机器的失效时间正常使用期耗损期磨合期故障率时间“浴盆曲线”停机日期报警日期故障征兆时间劣化曲线报警值危险值通频值趋势分析报警值危险值停机日期报警日期（二）、机械故障诊断的基本内容机械故障诊断的基本内容包括三个方面：1、设备运行状态监测根据设备运行时产生的信息判断设备是否运行正常；2、设备运行状态的趋势预报在状态监测基础上进一步对设备运行状态的发展趋势进行预测，目的是为预知设备劣化速度，以便为安排维修计划做好准备；3、故障类型、程度、部位、原因等的确定目的是为最后的诊断决策提供依据。（三）、机械故障诊断的基本方法机械故障诊断的基本方法可按不同的观点来分类，目前流行的分类方法有两种：1、按机械故障诊断方法难易程度可分简易诊断方法为精密诊断方法2、按机械故障诊断的测试手段可分为直接观察方法振动噪声测试法主要有无损检测方法磨损物测定法机器性能参数测定发简易诊断方法主要解决设备状态监测和一般的趋势预报问题。如测振仪、声级计、红外线温仪等。精密诊断方法主要解决分析故障原因和较准确地确定发展趋势。三、机械故障诊断技术发展概况随着计算机技术、测试技术等的不断发展，机械故障诊断技术也日趋完善，已形成了比较完整的科学体系。国外美国、英国、日本、瑞典、挪威等国内1979年起步，现发展也比较快。频域分析确定性信号频谱分析非确定性信号功率谱分析所采用的数学手段：对周期信号展开为付里叶级数对非周期信号进行付里叶变换各态历经随机信号模拟信号分析一、基本电路电路有：模拟电路和数字电路只研究电路的动态特性及输出1、放大电路2、加法电路3、微积分电路4、对数电路5、乘法电路二、调制电路调制电路可分为：调幅、调频、调相电路及相应的解调电路滤波器模拟滤波器按频率特性可分为四类：1、低通滤波2、高通滤波3、带通滤波4、带阻滤波理想滤波器实际滤波器恒（等）带宽滤波器组应用恒（等）带宽比滤波器组数字信号分析1、将模拟信号转变为数字信号需经过：时域采样量化截断频域采样2、如何实现快速付里叶变换？1965年美国库利—图基提出FFT,所需运算次数为N.L0g2.N如N=1024若直接计算离散付里叶变换需要N=1048576次，而使用FFT算法只需要N.L0g2.N=1024.Log2.210=10240利用变换中因子的对称性质和周期性质数字信号处理系统预处理A/D转换数字信号处理器或计算机预处理A/D转换结果显示X(t)y(t)数字滤波器数字滤波器（简写DF）的定义：是对一个数字信号（数字序列）按一定要求进行运算，然后以数字形式输出的系统。（DF有时可理解为一个计算程序或算法）对于连续系统和连续信号拉氏变换对于离散系统和离散信号Z变换数字滤波器分为：无限冲激响应滤波器和有限无限冲激响应滤波器。数字滤波实现的途径：1、软件实现编制计算机程序，对采样后的信号进行卷积计算，然后输出结果；2、硬件实现采用数字电路制成加法器、乘法器、延时器等，按Z变换表示的传函加以联接，运算速度比软件方法快。频率细化分析技术频率细化分析称为局部频谱放大，会使某些感兴趣的重点频谱区域得到较高的分辨率，提高分析的准确性。是20世纪70年代发展起来的一种新技术。频率细化分析的基本思想是利用频移定理，对被分析信号进行复调制，再重新采样作付氏变换，即可得到更高的频率分辨率。复调制细化包括幅值细化和频率细化。机械故障诊断技术第一节、监测与诊断系统的作用和工作步骤第二节、监测与诊断系统的组成（简易法）第四节、设备监测与诊断系统应用举例第三节、监测与诊断系统的组成（精密法）第二章监测与诊断系统第一节、监测与诊断系统的作用和工作步骤机械设备故障诊断从技术上讲一般分两大部分：1、是获取信号（有目的采集相关信息）；2、对采集的信号进行分析和数据处理，初步诊断设备状态和故障，进而确定故障类型、位置及原因，并加以定量描述，最后做出诊断决策和预测。采用计算机为中心的设备监测与诊断系统是机械设备现代化管理的必然途径。一、监测与诊断系统的目标1、可以了解被监测系统的运行状态，保证其运行状态在设计约束之内；2、能够提供机器状态的准确描述，为维修、大修的内容和周期提供依据；3、能够预报机器故障，防止大型事故的发生，保证人们生命财产安全。一旦设备发生故障，监测系统可发出报警或直接进行控制，避免或减轻损失。二、监测与诊断系统的工作过程与步骤判别被监测系统运转状态是对一个未知系统的识别过程。一般情况下：已知某些系统特性的参数通过试验方法确定参数值、确定系统模型从而确定系统的状态。步骤：1、选定敏感参数选定对系统影响最大和最敏感的参数作为系统识别的敏感因子，建立系统模型；2、信号采集是对监测系统敏感点上的敏感参数的采集。正常情况下，记录输入和输出，即激励和响应信号，也可只测响应值确定系统状态；3、状态参数识别通过敏感因子的识别或经过必要的推导计算，将待检测模式与样板模式（故障模式）对比，识别待检系统运行状态；4、诊断决策及其输出监测与诊断系统对当前状态根据判别结果，采取相应对策。报警、干预、预报、显示、存储等。设备监测与诊断过程设备监测与诊断过程如框图所示：典型故障故障信号状态信号设备故障特征信息故障档案库故障情况状态及趋势分析输出诊断决策状态趋势状态比较故障模拟信号检测特征提取各种样板模式信号检测待检模式特征提取状态模式干预第二节、监测与诊断系统的组成（简易法）一、便携式振动分析仪振动监测是比较有效的方法。特点：1、使用专门的速度和加速度传感器，方便连接、工作可靠，但频率范围有限。速度传感器频率范围100—1000Hz，加速度传感器频率范围＞1000Hz以上。2、一般仪器都有指针或液晶显示，能读出振动的有效值、均方根值、峰值、振动烈度等。3、有的仪器可分为几个频率档可分别读值，也可同时进行若干个频率档分析。二、声级计机械运转是会产生：振动和噪声。声级计是测量噪声的专用分析仪器。一般使用电容式传声器，经放大及计权后可读出声压级的大小。存在的问题：1、存在背景噪声的干扰；2、虽然能进行倍频程分析，但由于产生噪声的零件多、传输途径复杂，很难确定产生故障的零件部位。三、温度计温度仪、红外线测温仪、温度传感器、温度监测系统第三节、监测与诊断系统的组成（精密法）精密诊断系统是以状态辨识为中心的信号智能处理系统。系统分为三大部分：1、数据采集系统2、状态识别系统3、诊断输出系统精密诊断系统框图如下：机械故障诊断技术第一节、旋转机械的振动及故障概论第二节、旋转机械故障诊断信息的表达和分析第四节、旋转机械故障的精密诊断原理及分析第三节、旋转机械故障的简易诊断法第三章旋转机械的振动监测与诊断第五节、旋转机械转子现场平衡技术第三节、旋转机械故障的简易诊断法简易诊断方法是采用便携式测振仪采集信号，并由信号的某些参数或统计量构成诊断指标，由此来判定设备的运行状态是否正常。简易诊断方法主要用于设备状态监测，作为精密诊断的基础。特点：简单易行、投资少、见效快；但功能受限制，只能解决故障诊断的初步分类（初级阶段）。一、振动信号的测定正确地采集（提取）信号是进行设备诊断的基础或先决条件。需要处理好以下几个问题：1、正确地选择测定方式和测定参数振动信号的测定（采集）方式有两种：A、离线测定即采集信号和分析数据分别进行；B、在线测定即采集、分析处理在现场同步进行。测振仪输出的参数主要有：位移、速度、加速度三种，构成的统计量有：峰值、平均值、均方根值，参数的选定主要与测定信号的频带范围有关。位移：10-100Hz，对低频范围敏感；速度：100-1000Hz，对中频范围敏感；加速度：1000Hz以上，对高频区敏感。2、合理地布置测点A、主要测点的布置转子系统最敏感的部位轴承部位（类似人的脉膊）轴承是反映故障诊断信息最集中和最敏感的部位，列为主要测点。分