機(jī)械故障診斷—第一章緒論

1、第一章 緒論(xln)1設(shè)備故障診斷的意義 隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動(dòng)化程度越來越高。由于許多無法避免的因素的影響，有時(shí)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，以致降低或失去其預(yù)定的功能，甚至造成嚴(yán)重(ynzhng)的以致災(zāi)難性的事故。例如，1986年，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核反應(yīng)堆泄漏，死亡32人，13.5萬人被疏散；1986年，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)失事，死亡7人，航天飛機(jī)爆炸，損失12億美元。在我國(guó)，1985年大同電廠和1988年秦嶺電廠的200MW汽輪發(fā)電機(jī)組的嚴(yán)重(ynzhng)斷軸毀機(jī)事件，都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 因此，保證設(shè)備的安全運(yùn)行

2、，消除事故，是十分迫切的問題。因設(shè)備故障而造成的嚴(yán)重事故，不但會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還可能會(huì)造成很大的人員傷亡和環(huán)境污染。共四十一頁(yè) 隨著現(xiàn)代設(shè)備的日趨大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和連續(xù)化，設(shè)備一旦發(fā)生故障，給生產(chǎn)和質(zhì)量以至(yzh)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成的影響往往大得難以估算。采煤機(jī)運(yùn)輸設(shè)備提升系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的重要(zhngyo)意義共四十一頁(yè) 現(xiàn)代設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性取決于兩個(gè)方面： 一、設(shè)備設(shè)計(jì)與制造的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)； 二、設(shè)備安裝、運(yùn)行、管理維修和診斷措施的實(shí)施。【避免(bmin)故障、失效及損壞】共四十一頁(yè)失效與損壞是嚴(yán)重(ynzhng)的故障。災(zāi)難(zinn)機(jī)械故

3、障： 指機(jī)械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺(tái)設(shè)備乃至一系列的設(shè)備組合）因偏離其設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。共四十一頁(yè)機(jī)械故障的分類(fn li)（1） 按發(fā)生的原因(yunyn)分：磨損性故障：機(jī)械系統(tǒng)因使用過程中的正 常磨損而引發(fā)的一類故障。 錯(cuò)用性故障：因使用不當(dāng)而引發(fā)的故障。 先天性故障：由于設(shè)計(jì)或制造不當(dāng)而造成機(jī)械系統(tǒng)中存在某些薄弱環(huán)節(jié)而引發(fā)的故障。 共四十一頁(yè) 危害性故障：故障發(fā)生(fshng)后會(huì)對(duì)人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危險(xiǎn)或危害的一類故障。 安全性故障：故障的發(fā)生不會(huì)對(duì)人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危害的一類故障。 （2）按造成(zo chn)的后果分： 共四十一頁(yè)突發(fā)性故障：故障發(fā)生前

4、無明顯征兆，難以通過早期試驗(yàn)或測(cè)試來預(yù)測(cè)。 漸發(fā)性故障：設(shè)備在使用過程(guchng)中零部件因疲勞、腐蝕、磨損等而導(dǎo)致設(shè)備性能逐漸下降，最終超出允許值而發(fā)生的故障。 （3）按發(fā)生(fshng)的快慢分： 共四十一頁(yè)部分性故障：設(shè)計(jì)(shj)功能部分喪失的一類 故障。 完全性故障：設(shè)計(jì)功能完全喪失的一類 故障。 （4）按發(fā)生(fshng)的范圍分 ： 共四十一頁(yè)偶發(fā)性故障：發(fā)生頻率很低的一類故障，即 “意外現(xiàn)象(xinxing)”。多發(fā)性故障：經(jīng)常發(fā)生的一類故障。（5）按發(fā)生(fshng)的頻次分：共四十一頁(yè)永久性故障：必須(bx)更換某些零件后，機(jī)器才能恢復(fù)其功能。非永久性故障：或稱間斷性故

5、障，故障使部件喪失某些功能，但不需更換零件就可以排除故障使機(jī)器恢復(fù)其全部功能。（6） 按系統(tǒng)功能(gngnng)喪失的程度分：共四十一頁(yè)相關(guān)故障：也稱為間接故障，這種故障是 由于設(shè)備的其他部件(bjin)所引起的。非相關(guān)故障：也稱直接故障，這是因?yàn)榱?部件本身直接因素引起的。（7）按故障(gzhng)相關(guān)性劃分：共四十一頁(yè)早期(zoq)故障使用期故障后期故障 使用后期早期使用期早期(zoq)使用后期使用期故障率（8）按故障發(fā)生的時(shí)期劃分：磨合期共四十一頁(yè) 空難 2009年6月1日14時(shí)，法航空客A330起飛不久后與地面(dmin)失去聯(lián)系。機(jī)上228人全部遇難。 飛機(jī)(fij)殘骸共四十一頁(yè)

6、切爾諾貝利核電站事故 烏克蘭北部，1986年4月26日核電站的第4號(hào)核反應(yīng)堆在進(jìn)行半烘烤實(shí)驗(yàn)中突然發(fā)生火災(zāi)，引起爆炸，其輻射(fsh)量相當(dāng)于500顆美國(guó)投在日本的原子彈。爆炸使機(jī)組被完全損壞，8噸多強(qiáng)輻射(fsh)物質(zhì)泄露。共四十一頁(yè) 2005年一份國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的報(bào)告認(rèn)為直到當(dāng)時(shí)(dngsh)有300人喪生，并估計(jì)大約4000人最終將會(huì)因這次意外所帶來的疾病而死亡。 共四十一頁(yè)1986年1月28日“挑戰(zhàn)者”航天飛機(jī)(hngtinfij)失事價(jià)值(jizh)12億美元的航天飛機(jī)頃刻化為烏有，七名宇航員全部遇難事故原因發(fā)射時(shí)氣溫過低，發(fā)射臺(tái)上已經(jīng)結(jié)冰，造成固定右副燃料艙的O形環(huán)硬化，失效。發(fā)射

7、過程共四十一頁(yè)2003年2月13日“哥倫比亞”航天飛機(jī)(hngtinfij)失事 外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷，一塊泡沫材料脫落擊中航天飛機(jī)左翼前緣。當(dāng)航天飛機(jī)返回經(jīng)過大氣層時(shí)，劇烈摩擦(mc)使溫度高達(dá)1400的空氣沖入左翼并融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)返航過程共四十一頁(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)(jin c)與故障診斷是識(shí)別機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)。它研究的是機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映。其研究?jī)?nèi)容包括：對(duì)機(jī)器運(yùn)行現(xiàn)狀的識(shí)別診斷對(duì)其運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè)對(duì)其運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)共四十一頁(yè)設(shè)備診斷技術(shù)的目的是“保證可靠地、高效地發(fā)揮設(shè)備應(yīng)有的功能”。這包含了三點(diǎn)：一、保證設(shè)備無故障，工作可靠；二、保證物盡

8、其用，設(shè)備要發(fā)揮其最大的效益；三、保證設(shè)備在將有故障或已有故障時(shí)，能及時(shí)診斷出來，正確地加以維修，以減少維修時(shí)間(shjin)、提高維修質(zhì)量，節(jié)約維修費(fèi)用，應(yīng)使重要的設(shè)備能按其狀態(tài)進(jìn)行維修（即視情維修或預(yù)知維修)，改革目前按時(shí)維修的體制。共四十一頁(yè)設(shè)備診斷技術(shù)的最根本(gnbn)的任務(wù)：通過測(cè)取設(shè)備的信息來識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)正如對(duì)人體診斷一樣，一是預(yù)防與保健，二是看病與處置。對(duì)于設(shè)備的診斷，一是防患于末然，早期診斷【狀態(tài)監(jiān)測(cè)】；二是診斷故障，采取措施。共四十一頁(yè)1按目的分：(1)功能診斷 即對(duì)新安裝或剛維修過的機(jī)械系統(tǒng)診斷其功能是否正常(zhngchng)，也就是投入運(yùn)行前的診斷。(2)運(yùn)行診斷

9、即對(duì)服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行的診斷。機(jī)械故障診斷可以分類(fn li)如下：(1)巡回檢測(cè) 就是每隔一定的時(shí)間對(duì)服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行檢查和診斷。(2)在線監(jiān)測(cè) 就是連續(xù)地對(duì)服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 2按方式分：共四十一頁(yè) (1)直接診斷 診斷對(duì)象與診斷信息(xnx)來源直接對(duì)應(yīng)的一種診斷方法，即一次信息診斷。 (2)間接診斷 診斷對(duì)象與診斷信息來源不直接對(duì)應(yīng)的一種診斷方法。 3按提取(tq)信息的方式分：(1)常規(guī)工況診斷 在機(jī)械的正常運(yùn)行條件下進(jìn)行的一種故障診斷方式。(2)特殊工況診斷 對(duì)某些機(jī)械，需為其創(chuàng)造特殊的工作條件才能對(duì)其進(jìn)行診斷， 4按診斷時(shí)所要求的機(jī)械運(yùn)行工況條件分：共四十一頁(yè)(1

10、)簡(jiǎn)易診斷 對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)作出相對(duì)粗略的判斷。一般利用簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x器對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分析設(shè)備的工作狀態(tài)。 (2)精密診斷 是在簡(jiǎn)易診斷基礎(chǔ)(jch)上更為細(xì)致的一種診斷過程。利用較完善的分析儀器或診斷裝置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷，這種裝置配有較完善的分析、診斷軟件。 5按功能(gngnng)分：共四十一頁(yè)機(jī)械故障診斷還可根據(jù)所采用的技術(shù)手段不同(b tn)而分為：振動(dòng)診斷油樣分析溫度監(jiān)測(cè)無損檢測(cè) 等。 共四十一頁(yè) 1. 正確選擇與測(cè)取設(shè)備有關(guān)狀態(tài)的特征信號(hào) 所測(cè)取的信號(hào)應(yīng)該包含設(shè)備有關(guān)狀態(tài)的信息。 例如，診斷起重機(jī)桁架有無裂紋決不能靠測(cè)取桁架各點(diǎn)溫度來判定，因溫度信號(hào)中不包含裂紋有無(

11、yu w)的信息，而測(cè)取桁架的振動(dòng)信號(hào)則可達(dá)到目的，因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)中包含了結(jié)構(gòu)有無(yu w)裂紋的信息。這種信號(hào)可稱為特征信號(hào)。設(shè)備診斷技術(shù)應(yīng)包括(boku)五方面內(nèi)容。共四十一頁(yè) 2. 正確地從特征信號(hào)中提取設(shè)備有關(guān)狀態(tài)的有用信息 一般來講，從特征信號(hào)來直接判明設(shè)備狀態(tài)的有關(guān)情況，查明(ch mn)故障的有無，是比較難的。例如，一般難于從結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)直接判明結(jié)構(gòu)有無裂紋，還需要根據(jù)振動(dòng)理論、信號(hào)分析理論、控制理論等提供的理論與方法，加上試驗(yàn)研究，對(duì)特征信號(hào)加以處理，提取有用的信息(稱為征兆)，才有可能判明設(shè)備的有關(guān)狀態(tài)。共四十一頁(yè) 例如，理論分析與試驗(yàn)研究(ynji)表明，從振動(dòng)信號(hào)中計(jì)算

12、出的固有頻率這一征兆固然可用，但對(duì)結(jié)構(gòu)有無裂紋產(chǎn)生并不敏感。 而計(jì)算出的頻率特性(或稱頻響函數(shù))卻存在著十分敏感的頻帶，因此，以頻率特性作為征兆則更為合適。 所謂敏感的強(qiáng)弱，是指征兆的相對(duì)變化與有關(guān)狀態(tài)相對(duì)變化之比的大小。共四十一頁(yè) 征兆，可以是結(jié)構(gòu)的物理(wl)參數(shù)(如質(zhì)量、剛度等)、結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(如固有頻率、模態(tài)阻尼、模型等)，可以是設(shè)備的工作特征(如耗油率、工作轉(zhuǎn)速、功率等)，可以是信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性(如均值、方差、自功率譜等)，也可以是由信號(hào)中得出的其他特征量(如自回歸模型參數(shù)等)。共四十一頁(yè) 由此應(yīng)指出，征兆既用于由外表現(xiàn)象(xinxing)推斷內(nèi)部狀態(tài)，此時(shí)可稱為癥侯；又用于由現(xiàn)在現(xiàn)

13、象推斷未來狀態(tài)，此時(shí)可稱為預(yù)兆。狀態(tài)診斷既包括診斷設(shè)備是否將發(fā)生什么故障，此即早期診斷，也包括診斷設(shè)備已發(fā)生什么故障，此即故障診斷。共四十一頁(yè) 3. 根據(jù)征兆正確地進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)診斷 不能直接采用征兆來進(jìn)行設(shè)備的故降診斷、識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)。這時(shí)，可以采用多種的模式識(shí)別理論與方法，對(duì)征兆加以處理，構(gòu)成判別(pnbi)準(zhǔn)則，進(jìn)行狀態(tài)的識(shí)別與分類。 狀態(tài)診斷是設(shè)備診斷重點(diǎn)之所在。共四十一頁(yè) 4. 根據(jù)征兆與狀態(tài)正確地進(jìn)行(jnxng)設(shè)備狀態(tài)分析 當(dāng)狀態(tài)為有故障時(shí)，則應(yīng)采用有關(guān)方法進(jìn)一步分析故障位置、類型、性質(zhì)、原因與趨勢(shì)等。例如，故障樹分析是分析故障原因的一種有效方法。 當(dāng)狀態(tài)為無故障時(shí)，則可用Ka

14、lman濾波、時(shí)序模型等方法進(jìn)一步分析狀態(tài)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)未來情況。 共四十一頁(yè) 5. 根據(jù)狀態(tài)分析正確地作出決策 干預(yù)設(shè)備及其工作進(jìn)程，以保證設(shè)備可靠、高效地發(fā)揮其應(yīng)有功能，達(dá)到設(shè)備診斷的目的。所謂干預(yù)包括人為干預(yù)和自動(dòng)干預(yù)，即包括調(diào)整、修理、控制、自診斷等等。 實(shí)際上往往不能直接識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，因此(ync)事先要建立同狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)模式，由征兆作出的判別準(zhǔn)則。 狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)。設(shè)備診斷過程可以說是設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析與干預(yù)過程。共四十一頁(yè)現(xiàn)代(xindi)工業(yè)對(duì)技術(shù)診斷的要求B 機(jī)械設(shè)備事故(shg)的危害性C 對(duì)機(jī)械設(shè)備不解體監(jiān)測(cè)和診斷的強(qiáng)烈要求 A 機(jī)械設(shè)備維修的重要性1、現(xiàn)

15、代工業(yè)的特點(diǎn)2、技術(shù)診斷與維修制度改革的關(guān)系 （1）事后維修(Breakdown maintenance) （2）定期預(yù)防維修(Preventive maintenance) （3）狀態(tài)維修或預(yù)知維修(Condition maintenance or Preditive Maintenance) 共四十一頁(yè)2設(shè)備故障診斷的目的（1）能及時(shí)地、正確地對(duì)各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷，預(yù)防或消除故障，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行必要的指導(dǎo)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障損失降低到最低水平。（2）保證設(shè)備發(fā)揮最大的設(shè)計(jì)能力，制定合理的檢測(cè)維修制度，以便在允許的條件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長(zhǎng)服役期

16、限和使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用。（3）通過檢測(cè)監(jiān)視、故障分析、性能評(píng)估等，為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改(xigi)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息?？偲饋碚f，設(shè)備故障診斷既要保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，又要獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 共四十一頁(yè)3故障增加的原因，以及設(shè)備故障診斷所要解決的問題（1）現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備向大型化、連續(xù)化、快速化和自動(dòng)化方向發(fā)展，一方面提高了生產(chǎn)率，降低了成本，節(jié)約了能源和人力；但另一方面，由于設(shè)備故障率的增加和因設(shè)備故障停工而造成的損失卻成十倍，甚至成百倍地增大。維修費(fèi)用也大幅度增加。（2）高技術(shù)的采用對(duì)現(xiàn)代化設(shè)備，特別是航空、航海、核工業(yè)等部門對(duì)安全性、可靠性提出了

17、越來越高的要求。（3）現(xiàn)有大量生產(chǎn)設(shè)備的老化(lohu)要求加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和故障診斷，許多老設(shè)備，老機(jī)組，服役已接近其壽命期，進(jìn)入“損耗故障期”，故障率增多，有的甚至超期服役，全部更新經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)很重，此時(shí)如有完善的故障診斷系統(tǒng)，將能延長(zhǎng)設(shè)備的使用期。 共四十一頁(yè)4故障診斷帶來的經(jīng)濟(jì)效益 （1）能減少事故停機(jī)率，具有很高的收益/投資比 （2）能延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期，縮短維修時(shí)間，為制定(zhdng)合理的檢測(cè)維修制度提供基礎(chǔ)，極大地提高經(jīng)濟(jì)效益。 （3）宏觀上，從全社會(huì)生產(chǎn)的角度看，花費(fèi)的設(shè)備維修費(fèi)用是一筆巨大的數(shù)目，而實(shí)施故障診斷帶來的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。共四十一頁(yè)5設(shè)備(shbi)故障診斷的任務(wù) 設(shè)備

18、故障診斷的任務(wù)是監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)，判斷其是否正常；預(yù)測(cè)和診斷設(shè)備的故障并消除故障；指導(dǎo)設(shè)備的管理和維修。 （1）狀態(tài)監(jiān)測(cè) （2）故障診斷 （3）指導(dǎo)設(shè)備的維修管理 共四十一頁(yè) 6 技術(shù)診斷的發(fā)展概況 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的歷史悠久，從人類學(xué)會(huì)利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候起，就有了眼看、手摸、耳聽、鼻嗅等簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)手段和憑靠(pn ko)經(jīng)驗(yàn)的判別準(zhǔn)則。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，診斷技術(shù)也在不斷進(jìn)步。到20世紀(jì)60年代，一方面，生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性、可靠性提出了更高的要求，極大地促進(jìn)了診斷技術(shù)的發(fā)展；另一方面，電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，為診斷技術(shù)的發(fā)展提供了極大的技術(shù)支持，因而出現(xiàn)了各種精密的電子監(jiān)測(cè)和故障診斷儀器，使故障診斷技術(shù)在20世紀(jì)70年代就發(fā)展成為一門新的綜合性學(xué)科，出現(xiàn)了劃時(shí)代的變化。共四十一頁(yè) 故障診斷發(fā)展最早的國(guó)家(guji)是美國(guó)，在20世紀(jì)60年代對(duì)診斷技術(shù)就開始了有組織的研