設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術第3章設備故障診斷的技術

第三章設備缺點診斷的技術根底學習目的：熟習設備缺點診斷技術的內容；掌握設備缺點信息獲取和檢測方法的框架知識；了解設備缺點常用的3種評定規(guī)范及相對判別規(guī)范的制定方法；熟習缺點診斷中的信號處置，傅里葉變換在缺點診斷的信號處置中占有中心的位置，須了解這一重要實際根底。2024/2/21機械振動形狀監(jiān)測與缺點診斷技術在實際上和方法上都很成熟，它涉及很多學科知識。本章引見設備缺點診斷特別是振動診斷的技術根底，第一節(jié)設備缺點診斷技術的內容設備缺點診斷的內容包括形狀監(jiān)測、分析診斷和缺點預測三個方面。設備缺點診斷的詳細實施過程可以歸納為如下4個方面:(1)信息采集：設備在運轉過程中必然會有力、熱、振動及能量等各種量的變化，由此會產生各種不同信息。根據不同的診斷需求，選擇能表征設備任務形狀的不同信號，如振動、壓力、溫度等，這些信號普通是用不同的傳感器來獲取的，我們簡稱為數(shù)采。(2)信號處置：這是將采集到的信號進展分類處置、加工，獲得能表征機器特征的過程，也稱特征提取過程，如對振動信號從時域變換到頻域進展頻譜分析即是這個過程。2024/2/22第一節(jié)設備缺點診斷技術的內容(3)形狀識別：將經過信號處置后獲得的設備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進展比較、對此以確定設備所處的形狀，即能否存在缺點、缺點的類型和性質等。為此應正確制定相應的判別準那么和診斷戰(zhàn)略。(4)診斷決策：根據對設備形狀的判別，決議應采取的對策和措施，同時應根據當前信號預測設備形狀能夠開展的趨勢，進展趨勢分析。圖3-1設備診斷過程框圖被測設備獲取檢測信號設備特征信息診斷決策設備允許參數(shù)缺點確定趨勢分析對比信號采集信號處置形狀識別2024/2/23第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法一、設備缺點信息的獲取方法：直接察看法、量化管理1．直接觀測法〔感性認知〕判別主要靠人的閱歷和感官來感受、獲取設備的形狀信息，且限于能觀測到的或接觸到的機器零部件。被更多地用在靜止的設備中。在觀測中有時運用一些輔助的工具和儀器，如傾聽機器內部聲音的聽棒，檢查零件內孔有無外表缺陷的光學窺鏡，檢查零件外表有無裂紋的磁性涂料及著色浸透劑等，來擴展和延伸人的觀測才干。主要包括以下工具和儀器：★用耳朵聽〔聽覺〕→采取聽棒、螺絲刀等工具；★用眼睛看〔視覺〕→有無缺件、變形、磨損、走漏等情況；★用手摸〔觸覺〕→振動、溫度、走漏點等情況；★用鼻子聞〔嗅覺〕→有無膠糊味，如電機過熱的絕緣漆味；★當然，還有向操作者問→缺點情況；★這與中醫(yī)的“望、聞、問、切〞有異曲同工之妙。2024/2/24第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法2．量化管理★用儀器測〔將人的五官延伸到儀器上〕⑴參數(shù)測定法根據設備運轉的各種參數(shù)的變化來獲取缺點信息是廣泛運用的一種方法。由于機器運轉時由于各部件的運動必然會有各種信息，這些信息參數(shù)可以是溫度、壓力、振動、噪聲等，它們都能反映機器的任務形狀。脹差、阻值等參數(shù)也是缺點信息的重要來源。P23⑵磨損殘渣測定法測定機器零部件如軸承、齒輪、活塞環(huán)等的磨損殘渣在光滑油中的含量，即光滑油液分析，也是一種有效的獲取缺點信息的方法。⑶設備性能目的的測定經過丈量機器性能及輸入、輸出量的變化信息來判別機器的任務形狀。設備性能包括整機及零部件性能。P232024/2/25第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法二、設備缺點的檢測方法：1．振動和噪聲的缺點檢測大部分機器共有的表現(xiàn)方式，約占60%，可有如下診斷方法：★振動法：對機器主要部位的振動值如位移、速度、加速度、轉速及相位值等進展測定，并與規(guī)范值進展比較，據此可以宏觀地對機器的運轉情況進展評定，最常用的方法之一?！锾卣鞣治龇ǎ簩y得的上述振動量在時域、頻域、時頻域進展特征分析，確定機器各種缺點的內容和性質。2024/2/26第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法★模態(tài)分析與參數(shù)識別法：利用測得的振動參數(shù)對機器零部件的模態(tài)參數(shù)進展識別，以確定缺點的緣由和部位?！餂_擊能量與沖擊脈沖測定法：利用共振解調技術(IFD)測定滾動軸承的缺點。

★聲學法：對機器噪聲的丈量，了解機器運轉情況并尋覓振動源。2024/2/272．資料裂紋及缺陷損傷的缺點檢測資料裂紋包括應力腐蝕裂紋及疲勞裂紋，普通可采用下述方法進展檢測：★超聲波探傷法★射線探傷法★浸透探傷法★磁粉探傷法★渦流探傷法★激光全息檢測法★微波檢測技術★聲發(fā)射技術第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法2024/2/283．設備零部件資料的磨損及腐蝕缺點檢測這類缺點除采用上述無損檢測中的超聲探傷法外尚可運用以下方法：★光纖內窺技術★油液分析技術4．工藝參數(shù)〔溫度、壓力、流量等〕變化引起的缺點檢測機器設備系統(tǒng)的有些缺點往往反映在一些工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量等的變化中。如在溫度丈量中，常規(guī)的接觸式測溫儀：裝在機器上的熱電阻、熱電偶等；特殊場所中的非接觸式測溫儀：紅外測溫儀、紅外熱像儀等。它們依托物體的熱輻射進展丈量。第二節(jié)設備缺點的信息獲取和檢測方法2024/2/29一、判別規(guī)范(絕對、相對、類比)為了對設備的形狀作出判別，判別能否存在缺點及缺點的程度如何，必需對表征機器形狀的丈量值與規(guī)定的規(guī)范值進展比較。常用的有三種判別規(guī)范，即絕對判別規(guī)范、相對判別規(guī)范以及類比判別規(guī)范。1．絕對判別規(guī)范它要求在設備的同一部位或按一定的要求測得的表征機器設備形狀的值與某種相應的判別規(guī)范相比較，以評定設備的形狀。第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范2024/2/2102024/2/211設備形狀的另一種振動評價規(guī)范 2024/2/2122024/2/2132．相對判別規(guī)范

它要求對設備的同一部位〔同一工況〕同一種量值進展測定，將設備正常任務情況的值定為初始值，按時間先后將實測值與初始值進展比較來判別設備形狀。第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范相對判別規(guī)范的制定方法：在設備運轉形狀比較良好的時候〔新安裝好或大修后可以確認任務形狀良好時〕，用數(shù)據采集器〔測振儀〕延續(xù)對確定的測點進展多次丈量〔最好能測20次以上，每次丈量最好能間隔一段時間，傳感器也應取下后再放上〕。然后計算其平均值。2024/2/214常用的平均方法首先，求出N次丈量的算術平均值Vm=(V1+V2+…+VN)／N然后，報警限VT為算術平均值Vm的3～10倍，即Vt=K·Vm,K=3～10其中，V1，V2，…，VN表示第1,2,…,N次丈量的丈量值；K表示報警因子，普通去3~10 第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范2024/2/215首先，計算N次丈量的算術平均值Vm和均方根值Vs:Vm=(V1+V2+…+VN)／N

Vs=(V1-Vm)2+(V2-Vm)2+...+(Vn-Vm)2／N

另一種平均方法然后，設定丈量報警限Vt=Vm+kVs,k=2～5k根據設備的運用環(huán)境、工況變化范圍、對設備振動的要求嚴厲程度、設備的價錢等來確定。每次丈量的工況〔如負載、轉速等〕應盡能夠一致，并在以后的檢測中也盡能夠在該工況下丈量。第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范2024/2/2163．類比判別規(guī)范定義：假設有數(shù)臺機型、規(guī)格均一樣的設備，在一樣工況和運用環(huán)境下對它們進展測定，經過相互比較作出判別，用這種方法對機器設備的形狀進展評定而制定的規(guī)范稱作類比判別規(guī)范。需求指出的是，在實際中，常將相對判別規(guī)范與類比判別規(guī)范兩者結合制定一致的規(guī)范，而上述相對判別規(guī)范的制定方法也僅供參考，在實際中亦可以詳細情況詳細分析，后續(xù)會引見。第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范2024/2/217二、旋轉機械的絕對判別規(guī)范振動量是衡量旋轉機械設備形狀的重要參數(shù)。評定機器振動形狀的物理量可以是：★振動加速度——在航空工業(yè)上習慣用振動加速度來評定，因航空構造振動頻率較高，且經過加速度丈量可以了解構件所受力的情況?！镎駝铀俣取獙τ谳S承座，國際上規(guī)定用振動烈度〔振動速度的有效值〕作為評定的物理量，由于振動烈度反映了振動能量的大小，用振動烈度表示可以從能量觀念直接反映振動物體的動強度。★振動位移——對于地面的旋轉機械如汽輪發(fā)電機組、緊縮機組等那么以振動位移作為評定的物理量，因用位移量可以更直觀、更直接地了解轉子的運動情況。第三節(jié)設備缺點的評定規(guī)范2024/2/218一、丈量信號第四節(jié)缺點診斷中的信號處置信號或動態(tài)數(shù)據的處置與分析，是設備缺點診斷的前提和根底。這里所說的信號是指丈量信號，它是對系統(tǒng)的某物理量，如位移、速度、加速度、應力、應變等進展觀測獲得的數(shù)據。這些物理量的共同特點是隨時間、空間而變化，它們代表了系統(tǒng)的形狀和特征。2024/2/2191．丈量信號分類根據丈量信號在時間歷程內的變化特征分類如下，這里“時間〞是泛指概念，可以表示空間坐標或時、空坐標。第四節(jié)缺點診斷中的信號處置動態(tài)信號確定性信號隨機信號周期信號非周期信號平穩(wěn)信號非平穩(wěn)信號簡諧復雜周準周期瞬態(tài)各態(tài)歷非各態(tài)歷調制型非普通非平穩(wěn)信號期信號信號信號經信號經信號平穩(wěn)信號隨機信號2024/2/220周期信號：包括簡諧信號和復雜周期信號。表述簡諧信號的根本物理量是頻率、振幅和初相位；復雜周期信號可借助傅里葉級數(shù)展成一系列離散的簡諧分量之和，其中任兩個分量的頻率比都是有理數(shù)。非周期信號：包括準周期信號和瞬態(tài)信號。準周期信號也是由一些不同離散頻率的簡諧信號合成的信號，但它不具有周期性，組成它的簡諧分量中總有一個分量與另一個分量的頻率比為無理數(shù)；瞬態(tài)信號的時間函數(shù)為各種脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)，如有阻尼自在振動的時間歷程就是瞬態(tài)信號。瞬態(tài)信號可借助傅里葉變換而得到確定的延續(xù)頻譜函數(shù)。假設隨機信號的概率密度不隨時間原點的選取而變化，那么稱其為平穩(wěn)隨機信號；反之，稱為非平穩(wěn)隨機信號。第四節(jié)缺點診斷中的信號處置2024/2/221大多數(shù)機械設備的振動信號類型是周期信號、準周期信號和平穩(wěn)隨機信號以及幾種不同類型信號的組合。普通在啟動或停機過程中的振動信號是平穩(wěn)的。設備在正常運轉中，其表現(xiàn)的周期信號往往淹沒在隨機信號之中。假設設備缺點程度加劇，那么振動信號中的周期成分加強，從而整臺設備振動增大。因此，從某種意義上講，設備振動診斷的過程，就是從信號中提取周期成分的過程。第四節(jié)缺點診斷中的信號處置2024/2/2222．簡諧信號振動加速度尖峰振動速度尖峰上限平衡位置時間下限物體周期振動位移峰—峰值圖3-3彈簧振動[例]機械振動是物體〔或其一部分〕沿直線或曲線并經過其平衡位置所作的往復運動。圖3-3所示的彈簧振動是簡單機械振動的例子。第四節(jié)缺點診斷中的信號處置2024/2/223振幅A〔Amplitude〕偏離平衡位置的最大間隔，有時也稱峰值或單峰值，2A那么稱為峰—峰值、雙峰值或簡稱雙幅?！参灰?、速度和加速度三者都可以這樣表達?！愁l率f〔frequency〕為每秒鐘的振動次數(shù)，描畫振動的快慢，單位為次/秒，即赫茲〔Hz〕。f=1/T

圓頻率〔Angularfrequency〕亦可用于描畫振動的快慢，也稱角頻率，單位為弧度/秒〔rad/s〕。=2f=2/T

周期T為每振動一次所需的時間，單位為秒〔s〕或毫秒〔ms〕。初相角〔Initialphase〕描畫振動在起始瞬間的形狀，單位為弧度〔rad〕。

相位φ〔phase〕表示振動質點的相對位置，是時間的函數(shù)，單位為弧度(rad〕。φ=t+式中：t——時間，s或ms。簡諧振動的三要素2024/2/224振動位移、速度、加速度之間的關系位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。三者的幅值依次為A、A、A2。相位關系：加速度領先速度90o;速度領先位移90o。xvaxva

2024/2/225振動位移(Displacement):速度(Velocity):加速度(Acceleration):常用的振動時域參數(shù)位移信號峰峰值。單位為微米〔m〕速度信號有效值。單位為毫米/秒〔mm/s〕加速度信號峰值。單位為米/秒平方〔m/s2〕2024/2/226第四節(jié)缺點診斷中的信號處置二、實驗數(shù)據處置方法去偽存真、去粗取精、由表及里、由此及彼1．按義務可分為：★預處置★二次處置★最終處置2．按方式可分為：★在線處置〔On-LineProcessing〕★離線處置〔Off-LineProcessing〕3．按手段可分為：★模擬式分析★數(shù)字式分析——在現(xiàn)代缺點診斷系統(tǒng)中廣泛采用2024/2/227第四節(jié)缺點診斷中的信號處置三、振動信號在頻率域中的描畫1．傅里葉變換〔FT〕數(shù)學算法把一個復雜的函數(shù)分解成一系列〔有限或無限個〕簡單的正弦和余弦波，時域變換成頻域，也就是將一個組合振動分解為它的各個頻率分量，把各次諧波按其頻率大小從低到高陳列起來就成了頻譜，這就是傅里葉變換。這一實際根底早在19世紀早期/18世紀晚期由法國著名數(shù)學家傅里葉研討出來。2024/2/228第四節(jié)缺點診斷中的信號處置按照傅里葉變換的原理，任何一個平穩(wěn)信號〔不論如何復雜〕，都可以分解成假設干個諧波分量之和，即式中：A0——直流分量，mm；Akcos(2kf0t+k)——諧波分量，mm；k=1、2…，每個諧波稱為k次諧波；Ak——諧波分量振幅，mm；f0——基波頻率，即一次諧波頻率，Hz；t——時間，s；k——諧波分量初相角，rad。2024/2/229第四節(jié)缺點診斷中的信號處置如圖3-7所示，假設測得的振動信號x(t)由4個諧波分量組成，那么，經過信號分析可將其分解成1、2、3、4這4個簡諧信號，并把時域信號變換至頻域信號。ax(t)a1a21′Ota312′f1ta423′f2t34′f3t4f4tf圖3-7傅里葉變換原理圖示x(t)——綜合信號；1~4——諧波分量；1’~4’——頻率分量；f1~f4——諧波分量的頻率；a——綜合信號幅值；a1~a4——諧波分量幅值2024/2/2302．有限傅里葉變換在工程上只能研討某一有限時間間隔〔-T，T〕上的平均能量〔功率〕，也就是僅在〔-T，T〕上進展傅里葉變換，稱為有限傅里葉變換。3．離散傅里葉變換〔DFT〕設有一單位脈沖采樣函數(shù)Δ0(t)，采樣間隔為Δt，那么對x(t)的離散采樣就意味著拿x(t)乘Δ0(t)，然后再對兩者的積函數(shù)x(nΔt)進展傅里葉變換，即稱為離散傅里葉變換。2024/2/231第四節(jié)缺點診斷中的信號處置4．快速傅里葉變換〔FFT〕在進展離散傅里葉變換計算時，常省略Δt和Δf，進而得到快速傅里葉變換的計算公式。這里需求指出的是，在工程實際中，正是運用它把信號中所包含的各種頻率成分分別分解出來，結果得到各種頻譜圖，這是缺點診斷的有力工具。如今FFT算法的各種典型程序和集成芯片已很成熟，頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成，用時只需選用就可以了。2024/2/232第四節(jié)缺點診斷中的信號處置各種振動波形的頻譜稱號波形頻譜稱號波形頻譜2024/2/233第四節(jié)缺點診斷中的信號處置小結〔一〕設備缺點診斷的內容包括形狀監(jiān)測、分析診斷和缺點預測三個方面。其詳細實施過程為信息采集、信號處置、形狀識別、診斷決策。設備缺點信息的獲取方法包括直接觀測法、參數(shù)測定法、磨損殘渣測定法及設備性能目的的測定。設備缺點的檢測方法包括振動和噪聲的缺點檢測、資料裂紋及缺陷損傷的缺點檢測、設備零部件資料的磨損及腐蝕缺點檢測及工藝參數(shù)變化引起的缺點檢測。設備缺點的評定規(guī)范常用的有三種判別規(guī)范，即絕對判別規(guī)范、相對判別規(guī)范以及類比判別規(guī)范?？捎闷骄ㄖ贫ㄏ鄬ε袆e規(guī)范。2024/2/234小結〔二〕從某種意義上講，設備振動診斷的過程，就是從信號中提取周期成分的過程。組成周期成分的簡諧振動可用位移、速度和加速度三個參量來表征，每個參量有三個根本要素：即頻率、振幅和初相位。實驗數(shù)據處置的目的就是去偽存真、去粗取精、由表及里、由此及彼的加工過程，提高信噪比，找出客觀事物本身的內在規(guī)律和客觀事物之間的相互關系。振動信號頻率分析的數(shù)學根底是傅里葉變換；在工程實際中，運用快速傅里葉變換的原理制成頻譜儀，這是缺點診斷的有力工具。2024/2/235問題與回答互動時間2024/2/236一、單項選擇題〔在備選答案中選出一個正確答案，并將其號碼填在題干中的橫線上〕

1．光滑油液分析是一種。A、直接觀測法B、參數(shù)測定法C、磨損殘渣測定法D、設備性能目的測定2．以下情況中能產生振動的是。A、光滑B、轉子與靜止部分碰撞C、冷卻D、密封3．ISO7919是一種。A、絕對判別規(guī)范B、相對判別規(guī)范C、類比判別規(guī)范4．在ISO7919規(guī)范中，振動在內的機器通常以為是可以接受的，可以無限制地長期運轉。A、區(qū)域AB、區(qū)域BC、區(qū)域CD、區(qū)域D2024/2/2375．振動烈度能反映出振動。A、能量B、質量C、變量D、速度6．根據ISO7919和ISO10816規(guī)范的準那么二，假設軸承座振動或軸振動的幅值合格，但變化量超越報警限值的，不論是振動變大或者變小都要報警。A、10％B、15％C、25％D、30％7．以下參數(shù)中，不屬于簡諧振動三要素的是。A、頻率B、振幅C、初相位D、時間8．假設有一簡諧振動，其位移x=Asin〔t+〕，那么其速度的幅值為。A、AB、AC、A2D、9．振動信號頻率分析的數(shù)學根底是，頻譜儀是運用的原理制成的。A、傅里葉變換B、有限傅里葉變換C、離散傅里葉變換D、快速傅里葉變換2024/2/238二、判別題〔在括號內選擇打“√〞或“×〞〕1．設備缺點診斷的內容包括形狀監(jiān)測、分析診斷和缺點預測三個方面?！病?．對振動信號從時域變換到頻域進展頻譜分析屬于形狀識別階段?！病?．用聽棒傾聽機器內部的聲音屬于直接觀測法?！病?．對機器零部件性能的測定，主要反映在強度方面，這對預測機器設備的可靠性，預告設備破壞性缺點具有重要意義?！病?．光纖內窺技術可用于檢測設備零部件資料的磨損及腐蝕缺點?！病?．ISO10816是一種相對判別規(guī)范?！病?．相對判別規(guī)范是在不同工況下對設備同一部