机械设备状态监测与故障诊断技术

机械设备状态监测与故障诊断技术第一章概述机械设备状态监测与故障诊断技术是在现代检测技术、识别理论、计算机科学等多学科成就基础上发展起来的一门崭新的综合性横断科学，是医学诊断思想在机械工程中的应用。设备状态监测的基本任务是运用现代检测技术获取某些最能反映设备运行状态的特征参数并据以判定设备正常或故障。故障诊断则不仅对状态是否正常作出判断，还需要进一步分析、确定故障的性质、类别、部位、程度、原因以及发展趋势等等。由此可见，设备的状态监测技术与设备的故障诊断技术之间既有区别又有密切的联系，二者不可分割。状态监测是故障诊断的基础或简易的故障诊断，有时亦将二者统称为设备的故障诊断。第一章概述近些年来，设备状态监测与故障诊断逐渐进入工程应用阶段，技术日趋成熟，应用范围日趋广泛，成为现代设备维护技术的一个重要组成部分。一、实施设备状态监测与故障诊断的意义1.机械设备维护的基本任务：对设备进行合理的技术维护、及时发现异常和故障、适时采取检修措施以最大限度保证其正常运行。2.传统的机械设备维护方法——一定意义上的经验维护法特点：具有相当的局限性，往往依靠人的眼看、耳听、手摸等感观手段获取某种信息继而凭借过去的经验来加以判断。2.1传统维修体制中的设备维护方式：事后维修——不足维修——导致严重事故定期维修——过剩维修——停机停产、增加检修费用（大、中、小修）不足维修——新故障和潜在的故障因素第一章概述2.2重要缺陷—传统的检修方式对于故障的寻找往往需要对设备的大拆大卸才能实现，检修周期长，且检修后，设备其他一些并无故障的零部件间的正常配合或装配关系常遭到破坏，又往往引起新的故障或潜在的故障因素。3.视情维修———理想的机械设备维修方式视情维修是根据设备运行故障状态来确定维修时间、内容和方法。亦属预防性维修，不同的是，它以设备的运行状态监测为基础、以对故障诊断和预测结果而采取维护决策的，因而更具有客观性、科学性。正是由于设备状态监测和故障诊断技术的成熟和应用，视情维修才成为可能并进入实际应用阶段，这是设备状态监测与故障诊断技术对机械设备维护体制产生的最具有深刻意义的影响，并成为设备维护管理工作现代化的一个重要标志。二.设备故障诊断技术的分类1.按诊断对象的类别分类㈠.旋转机械诊断技术㈡.往复机械诊断技术㈢.工程结构诊断技术㈣.机械零件诊断技术㈤.液压设备诊断技术㈥.电气设备诊断技术㈦.生产过程综合诊断技术2.按诊断的目的、要求和条件㈠性能诊断和运行诊断㈡定期诊断和连续诊断㈢直接诊断和间接诊断㈣常规诊断和特殊诊断㈤在线诊断和离线诊断㈥简易诊断和精密诊断3.从所利用的设备状态信号来分㈠振动诊断：以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检测目标,进行特征分析、谱分析和时域分析，也包括含有相位信息的全息谱诊断法和其他方法。故障诊断技术分类强度诊断：以力、应力、应变、扭矩等机械参数为检测目标。进行冷热强度变形、结构损伤容限与寿命分析。温度诊断：以温度、温差、温度场、热相等为检测目标。进行温度场、温变量、红外热相识别与分析。声学诊断：以噪声、声阻、超声、声发射等为检测目标。电参数诊断：以电信号、功率及磁特性等为检测目标。光学诊断：设备在线监测及故障诊断系统振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监测（数据采集，运算、存储、显示、报警及故障诊断）模块化组态图形化的编程语言虚拟仪表显示故障诊断专家系统具有中试基地机械振动及设备故障诊断方向机械振动及设备故障诊断方向•信号分析与处理软件包•设备在线监测及故障诊断系统•FFT—FS频谱细化技术•轧机主传动系统故障诊断•小波分析在故障诊断中的应用•应用光谱、铁谱结合电谱能谱对润滑油样进行分析•设备状态趋势分析信号分析与处理软件包在windows或DOS环境下运行信号采集及分析功能时域、频域、倒频域、幅值域及其它域分析处理功能时移和频移功能加窗功能（矩形窗、汉宁窗等8种窗）信号合成与分解低通、高通、带通、带阻四种滤波机械振动及设备故障诊断方向设备在线监测及故障诊断系统振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监测（数据采集，运算、存储、显示、报警及故障诊断）模块化组态图形化的编程语言虚拟仪表显示故障诊断专家系统具有中试基地机械振动及设备故障诊断方向机械振动及设备故障诊断方向设备在线监测及故障诊断中试基地机械振动及设备故障诊断方向李友荣教授给学生讲解设备在线监测及故障诊断系统虚拟仪表机械振动及设备故障诊断方向设备在线监测及故障诊断系统故障诊断专家系统故障诊断系统故障特征参数标准图谱小波分析打印输出概率密度分析相关分析功率谱包络谱倒频谱小波-AR谱分析趋势分析FFT—FS频谱细化技术FFT:频率分辨率△f为采样频率fs与采样点数N的比值。要△f小，fs大，则N必更大，使运算速度和分析效率大大降低FFT—FS：先进行FFT，对感兴趣的频带进行FS处理，可得连续的频谱曲线，频率分辨率△f不再受采样点数的限制。机械振动及设备故障诊断方向机械振动及设备故障诊断方向轧机主传动系统故障诊断R1减速机转频7.13HZ，高速级齿轮啮合频率221.13HZ故障：高速级齿轮轴线不平行，齿面严重损伤（99年已更换）a.功率谱图机械振动及设备故障诊断方向轧机主传动系统故障诊断b.功率谱细化图(200～230Hz)c.功率谱细化图(0～30Hz)用FFT—FS频谱细化分析结果机械振动及设备故障诊断方向轧机主传动系统故障诊断R1、R4齿轮座咬入、抛出时振动很大，稳态轧制时振动很小水平方向振动铅垂方向振动上轴水平方向下轴水平方向振动故障：地脚螺栓预紧力不足齿轮座受倾翻力矩作用轧机主传动系统故障诊断机械振动及设备故障诊断方向a.咬入c.抛出齿轮座振动纪录曲线小波分析在故障诊断中的应用小波具有时频“聚焦”特性高斯小波—最大熵谱分析小波分析—AR谱实现微弱故障诊断信号分离和提取，发现早期故障R1减速机高速轴工作侧轴承保持架不平衡产生的故障频率计算值3.19HZ故障：该轴承保持架不平衡机械振动及设备故障诊断方向应用光谱、铁谱结合电镜能谱进行润滑油样分析（冶金部基金课题）铁谱：对非铁磁性磨屑不敏感铁谱与电镜能谱结合：用电镜能谱仪对铁谱片上典型颗粒的材料成分进行分析，对非铁磁性磨屑（有色金属，非金属）也有效，拓宽了润滑油样分析的应用范围，给故障定性、定量、定位机械振动及设备故障诊断方向铁谱片电镜能谱片左图为铁谱谱片上图为该铁谱片的电镜能谱谱片设备状态趋势分析灰色马尔柯夫非等间隔预测模型振动烈度海图分析机械振动及设备故障诊断方向结构计算机仿真方向•轧机机架三维有限元分析•十字轴万向联轴器三维有限元分析•卷取机助卷辊支臂三维有限元分析•钢包温度场及应力场计算机仿真•连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真太钢1000初轧机机架上横梁压下螺母孔承压面小圆角处：按材料力学计算：在中性层附近，应力很小有限元计算：两向受力，一向受压，等效应力最大实际检测：已出现600mm长环形裂纹（1~2mm深)轧机机架三维有限元分析结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用结构计算机仿真方向十字轴万向联轴器三维有限元分析2800轧机主传动十字轴万向联轴器十字轴在轧制30万吨钢板后断裂轧辊端叉头在轧制90万吨钢板后断裂结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用十字轴万向联轴器三维有限元分析轧辊端叉头应力分布结构计算机仿真方向结构计算机仿真方向轧辊端叉头最大应力部位应力分布十字轴万向联轴器三维有限元分析十字轴十字轴万向联轴器三维有限元分析结构计算机仿真方向卷取机助卷辊支臂三维有限元分析支臂最大主应力分布图卷取机助卷辊支臂三维有限元分析支臂油缸耳轴筋板部位最大主应力分布图钢包温度场及应力计算机仿真（与材料学科联合培养博士课题）注入、运输、浇注、冷却过程温度场变化注入、运输、浇注、冷却过程应力场变化耐火材料物性对温度场、应力场的影响耐火材料各种温度下的物性优化耐火砖形状、尺寸优化结构计算机仿真方向温度场分布热机械应力场连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真拉矫辊断面温度场计及辊系材料物性随温度的变化用有限差分法计算温度场结构计算机仿真方向拉矫辊断面等温线连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真表面热应力已超过屈服极限用有限元法进行弹塑性分析残余应力导致辊系表面出现交替的拉、压应力，产生疲劳破坏轴向残余应力过大（表面裂纹多为环状）改进措施：提高冷却水温度加大内孔（冷却水道）直径修复时采用沿轴线方向的条形堆焊（不用环焊）结构计算机仿真方向