《故障診斷》第一章-

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

與

故障診斷冶金設(shè)備研究所李友榮辦公地點：教一樓五樓510室：68862292原國務(wù)委員陳至立、原教育部長周濟視察實驗室

教材1、《機械故障診斷基礎(chǔ)》廖伯瑜主編，冶金工業(yè)出版社，20052、《機械設(shè)備故障診斷技術(shù)及方法》張來斌王朝暉等石油工業(yè)出版社20003、《機械故障診斷學(xué)》鐘秉林黃仁主編機械工業(yè)出版社20075、《隨機振動》李友榮編著冶金工業(yè)出版社1994

4、《設(shè)備故障診斷手冊》徐敏主編西安交通大學(xué)出版社19986、《機械故障診斷學(xué)》屈梁生主編上海科學(xué)出版社1987

教材以課堂筆記〔要與作業(yè)一起交老師批閱，作為平常成績考核仍據(jù)〕為主線以廖伯瑜主編的《機械故障診斷基礎(chǔ)》為主要參照教材概論、設(shè)備劣化進程和設(shè)備修理制度1.1.1設(shè)備劣化進程中的一般規(guī)律(浴盆曲線和劣化曲線)設(shè)備劣化進程可分為三個部分(圖1-1)Ⅰ——磨合期，新設(shè)備的跑合階段，故障率高。Ⅱ——正常使用期，設(shè)備經(jīng)跑合后處于穩(wěn)定的階段，這個階段故障率最低。Ⅲ——耗損期，設(shè)備由于磨損、疲憊、腐蝕等已處于老年階段，故障率又逐步升高。概論、設(shè)備劣化進程和設(shè)備修理制度設(shè)備劣化曲線(圖1-2)一般重要設(shè)備的跑合在制造廠進行，現(xiàn)場運行的設(shè)備一般都處于Ⅱ、Ⅲ階段，取設(shè)備劣化進程〔浴盆曲線〕的Ⅱ、Ⅲ部分〔即劣化曲線〕。劣化曲線分為三個階段：綠區(qū)〔G〕——故障率最低的階段，設(shè)備處于合格狀態(tài)。黃區(qū)〔Y〕——浴盆曲線Ⅲ區(qū)的初始階段，故障率已有抬高的趨勢，設(shè)備處于應(yīng)注意的狀態(tài)。紅區(qū)〔R〕——浴盆曲線Ⅲ區(qū)故障率已大幅度上升的階段，設(shè)備已處于危險狀態(tài)，要準(zhǔn)備隨時停機檢修。概論、設(shè)備修理制度、傳統(tǒng)修理制度:第一章概論、設(shè)備修理制度、傳統(tǒng)修理制度:隨著設(shè)備向大型化、高速化、連續(xù)化和自動化方向發(fā)展，設(shè)備的修理費用在急劇增加，如美、日兩國企業(yè)的年平均修理費分別占企業(yè)固定資產(chǎn)的4～8.5%和～12%；在我國，這個比例則為12～25%。面對當(dāng)今世界激烈競爭的市場環(huán)境，如何有效地管理和使用先進的生產(chǎn)設(shè)備，減少設(shè)備非計劃事故的修理費用，提升設(shè)備的可靠性與有效性，從而降低企業(yè)的產(chǎn)品成本，一直是國內(nèi)外企業(yè)所面臨的一個重大課題。、現(xiàn)代修理制度——視情修理〔預(yù)知修理〕

前提條件：以對設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，以對故障診斷和猜測結(jié)果而采用維護決策依據(jù)設(shè)備運行故障狀態(tài)來確定設(shè)備修理時間、內(nèi)容和方法。

必需對重要設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷設(shè)備故障診斷——借鑒醫(yī)學(xué)、特別是中醫(yī)診病的基本思想中醫(yī)的“望、聞、問、切，辨癥施治〞精辟地總結(jié)了醫(yī)學(xué)診斷的基本過程和原理?！霸\〞就是提取設(shè)備的信號特征進行狀態(tài)分析〔望聞問切〕“斷〞就是進行狀態(tài)識別和決策〔辨癥施治〕設(shè)備故障診斷基本原理“診〞——采納各種傳感器提取設(shè)備的信號并進行分析“斷〞——采納各種數(shù)學(xué)方法對信號進行模式識別和趨勢猜測運用現(xiàn)代信息技術(shù)來提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)〔機械〕的技術(shù)水平綜合運用計算機術(shù)、通訊、網(wǎng)絡(luò)、信號分析、模式識別等技術(shù)設(shè)備故障診斷的手段設(shè)備故障診斷技術(shù)〔FaultDiagnosis)〕

利用測取設(shè)備在運行中或相對靜態(tài)條件下的狀態(tài)信息，通過對所測信號的處理和分析，并結(jié)合診斷對象的歷史狀況，來定量識別設(shè)備及其零件、部件的實時技術(shù)狀態(tài)，并預(yù)知有關(guān)異常、故障和猜測其將來技術(shù)狀態(tài)，從而確定必要對策的技術(shù)。、故障診斷技術(shù)分類、按診斷對象的類別分類〔1〕旋轉(zhuǎn)機械診斷技術(shù)：轉(zhuǎn)子、風(fēng)機、泵、透平機、汽輪發(fā)電機組……〔2〕往復(fù)機械診斷技術(shù)：活塞曲柄連桿機構(gòu)〔3〕工程結(jié)構(gòu)診斷技術(shù)：金屬結(jié)構(gòu)、框架、橋梁、容器、建筑物、地樁等、故障診斷技術(shù)分類、按診斷對象的類別分類〔4〕機械零件診斷技術(shù)：轉(zhuǎn)軸、軸承、齒輪、連接件等〔5〕液壓設(shè)備診斷〔6〕電氣設(shè)備診斷技術(shù)〔7〕生產(chǎn)過程綜合診斷技術(shù)：機械加工過程、軋鋼生產(chǎn)過程、發(fā)電廠生產(chǎn)過程……、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔1〕振動診斷法：以平穩(wěn)振動、瞬態(tài)振動、機械導(dǎo)納及模態(tài)參數(shù)為檢測目標(biāo)，進行特征分析、譜分析和時頻域分析，也包括含有相位信息的全息譜診斷法和其它方法?！?〕強度診斷法：以力、扭矩、應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)闄z測目標(biāo)，進行冷熱強度變形、結(jié)構(gòu)損傷容限分析與壽命估計。主小車滿載位于跨中時各測點的應(yīng)力值起重機結(jié)構(gòu)、測點分布、貼片方案現(xiàn)場測試〔mean=-20.434,max=-1.113,min=-46.833〕〔mean=-15.51,max=-5.268,min=-24.454〕4#測點應(yīng)力記錄曲線5#測點應(yīng)力記錄曲線東梁動態(tài)應(yīng)力記錄曲線的比較寶鋼橋式起重機主梁壽命研究金屬結(jié)構(gòu)疲憊分析方向起重機橋架三維有限元分析

----最小主應(yīng)力圖金屬結(jié)構(gòu)疲憊分析方向?qū)氫摌蚴狡鹬貦C主梁壽命研究起重機橋架三維有限元分析

----最大主應(yīng)力圖東主梁主腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖西主梁主腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖東主梁下蓋板焊縫應(yīng)力譜圖西主梁下蓋板焊縫應(yīng)力譜圖

主腹板及下蓋板焊縫應(yīng)力譜東主梁副腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖(不開坡口〕西主梁副腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖東主梁副腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖(開坡口〕西主梁副腹板焊縫剪應(yīng)力譜圖副腹板焊縫應(yīng)力譜p=50%MPa;p=95%MPa，剪應(yīng)力疲憊極限＝0.707×MPa焊縫的p—S—N曲線疲憊壽命計算公式

主梁的疲勞壽命（工作壽命）為：（按年產(chǎn)鋼788萬噸計）每年循環(huán)次數(shù)為：26×3×365＝28470次疲憊壽命計算結(jié)果〔按年產(chǎn)鋼788萬噸計〕橋式起重機主梁最危險的部位是主、副腹板扒渣機端直角焊縫處，依據(jù)焊縫形式的不同，疲憊壽命為:17年。、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔3〕溫度診斷法：以溫度、溫差、溫度場、熱象為檢測目標(biāo)，進行溫變量、溫度場、紅外熱象識別與分析。實測結(jié)果未涂保溫材料紅外溫度成像LI03處溫度分布曲線熱送初始溫度為1080℃90秒后中間坯尾部溫度比不使用保溫罩提升41℃空冷90秒后中間坯溫度為956℃實測結(jié)果1000800600400200150涂保溫材料紅外溫度成像LI03處溫度分布曲線熱送初始溫度為1080℃90秒后中間坯尾部溫度比不使用保溫罩提升65℃空冷90秒后中間坯溫度為956℃

未蓋罩時輸送輥的溫度仿真溫度8150C實測溫度7920C蓋罩時輸送輥的溫度仿真溫度8520C實測溫度8430C、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔4〕聲學(xué)診斷法：以噪聲、聲阻、超聲、聲發(fā)射為檢測目標(biāo)，進行聲級、聲強、聲源、聲場、聲譜分析。超聲波診斷法，聲發(fā)射診斷法。噪聲診斷的優(yōu)點：非接觸缺點：環(huán)境噪聲干擾大

對策：研究降噪新方法、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類超聲波診斷法聲波：能引起人的聽覺的機械波，20～20000Hz超聲波：頻率高于20000Hz的機械波次聲波：頻率低于20Hz的機械波超聲波的特點：方向性好——可定向發(fā)射能量高——能量〔聲強〕與頻率平方成正比穿透力強——在一些金屬材料中可達數(shù)米、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類超聲波的類型：縱波L、橫波S〔T〕、表面波R縱波L：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波。固體、液體和氣體介質(zhì)都可傳播縱波，常用于鋼板、鍛件探傷。(圖9-1)

、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類超聲波的類型：縱波L、橫波S〔T〕、表面波R橫波S〔T〕：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波。只能在固體中傳播。(圖9-2)、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類超聲波的類型：縱波L、橫波S〔T〕、表面波R表面波Ｒ：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。只能在固體中傳播。表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工作表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。(圖9-3)、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類超聲波的探傷方法：脈沖反射法、穿透法、共振法脈沖反射法：超聲波以繼續(xù)極短的時間發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，依據(jù)反射波來檢測試件缺陷的方法。含缺陷回波法、底面回波高度法、底面多次回波法。

、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類

當(dāng)試件完好時，探傷圖形中只有表示發(fā)射脈沖Ｔ及底面回波Ｂ兩個信號。

假設(shè)試件中存在缺陷，在探傷圖形中有表示缺陷的回波Ｆ，且底面回波Ｂ減弱。缺陷回波法：〔圖9-9〕、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類底面回波高度法:〔圖9-10〕依據(jù)底面回波的高度變化推斷試件缺陷狀況

當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時，底面回波高度應(yīng)是基本不變的。

如果試件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會下降甚至消失。、故障診斷技術(shù)分類底面多次回波法:〔圖9-11〕依據(jù)底面回波次數(shù)，推斷試件有無缺陷

當(dāng)試件完好無缺陷時，超聲波可在探測面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波B1、B2、B3……。

如果試件存在缺陷，底面回波次數(shù)減少，并顯示出缺陷回波。、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類穿透法:〔圖9-12〕依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件后的能量變化來推斷缺陷狀況、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類共振法：〔常用于測厚〕當(dāng)試件厚度為超聲波的半波長或半波長的整數(shù)倍時，由于入射波和反射波的相位相同，引起共振。

δ——試件厚度；c——被測試件的聲速fn——第n階共振頻率、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于對運行狀態(tài)下構(gòu)件缺陷的發(fā)生和發(fā)展進行在線監(jiān)測

聲發(fā)射：材料在外載荷或內(nèi)力作用下以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。檢測頻率大都在100～300kHz。、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類

聲發(fā)射技術(shù)的特點：〔a〕聲發(fā)射是動態(tài)檢查，只有被檢零件受到一定載荷，有開放性裂痕發(fā)生和發(fā)展的前提下才會有聲發(fā)射可以接收；〔b〕聲發(fā)射是試件本身發(fā)射的彈性波，由傳感器加以接收，接收信號的幅值、相位、頻率不能直接表征聲發(fā)射源發(fā)出的信號。、故障診斷技術(shù)分類

聲發(fā)射技術(shù)測量的參數(shù)描述：〔a〕事件計數(shù)法(圖9-15)累計脈沖計數(shù)——聲發(fā)射次數(shù)的總和；聲發(fā)射計數(shù)率——單位時間內(nèi)的聲發(fā)射次數(shù)。材料應(yīng)力達到屈服極限時，計數(shù)率有一峰值，而累積脈沖數(shù)則直線增加。、故障診斷技術(shù)分類

聲發(fā)射技術(shù)測量的參數(shù)描述：〔b〕幅度和幅度分布聲發(fā)射信號的幅度〔一般采納峰值或有效值〕可作為聲發(fā)射源釋放能量的量度事件分級幅度分布〔圖9-16〕累計幅度分布〔圖9-17〕〔c〕頻譜、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔5〕電參數(shù)診斷法：以功率、電信號及磁特性等為檢測目標(biāo)，進行物體運動、系統(tǒng)物理量狀態(tài)、機械設(shè)備性能等分析。(磁粉探傷)〔6〕光學(xué)診斷法：以亮度、光譜、各種射線效應(yīng)為監(jiān)測目標(biāo)，研究物質(zhì)或溶液構(gòu)成，分析構(gòu)成成分量值，進行圖形成象識別分析。(特別是光譜分析)、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔7〕污染物診斷法：以泄漏、殘留物、氣、液、固體的成分為檢測目標(biāo)，進行液氣成分變化、氣蝕油蝕、油質(zhì)磨損分析。特別是采納光譜、鐵譜和電鏡能譜對潤滑油樣中磨屑濃度、成分、粒度等進行檢測分析、故障診斷技術(shù)分類、按所利用的狀態(tài)信號的物理特征分類〔8〕性能趨勢診斷法：以設(shè)備各種主要性能指標(biāo)為檢測目標(biāo)，研究和分析設(shè)備的運行狀態(tài)、識別故障的發(fā)生與發(fā)展，提出早期預(yù)報與修理計劃，估計設(shè)備的剩余壽命。、故障診斷技術(shù)分類、按診斷的目的、要求和條件的不同分類〔1〕

性能診斷和運行診斷性能診斷：對新安裝和剛修理后設(shè)備，診斷其性能是否正常，并按診斷結(jié)果進行調(diào)整。運行診斷：對工作中的設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷?！?〕定期診斷和連續(xù)診斷、故障診斷技術(shù)分類、按診斷的目的、要求和條件的不同分類〔3〕直接診斷：如軸承間隙、齒面磨損、葉片的裂痕、管道的壁厚等。

間接診斷：通過二次效應(yīng)〔溫度、振動、噪聲……等〕來間接推斷設(shè)備中關(guān)鍵部位的狀態(tài)變化。

、故障診斷技術(shù)分類、按診斷的目的、要求和條件的不同分類〔4〕常規(guī)診斷：在正常工作狀態(tài)下。特別診斷：在特別工作狀態(tài)下，包括失事診斷，例如利用“黑匣子〞提供的信息判定飛機失事的原因?！?〕在線診斷〔對重要關(guān)鍵設(shè)備〕和離線診斷、故障診斷技術(shù)分類、按診斷的目的、要求和條件的不同分類〔6〕簡易診斷：利用便攜式監(jiān)測與診斷儀表，對設(shè)備有無故障及故障嚴(yán)重程度作出推斷，一般由現(xiàn)場作業(yè)人員實施。

〔7〕精密診斷：由專業(yè)人員依據(jù)監(jiān)測的各種信息進行綜合分析，確定故障的類型、部位、產(chǎn)生的原因、故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢，確定清除故障、改善設(shè)備狀態(tài)的方法。、故障診斷的基本內(nèi)容與結(jié)構(gòu)體系、診斷過程的三階段狀態(tài)監(jiān)測分析診斷治理預(yù)防

、故障診斷的基本內(nèi)容與結(jié)構(gòu)體系、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)第一部分

狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷的基本內(nèi)容與結(jié)構(gòu)體系、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)第二部分

故障診斷

分析研究各種癥狀與故障之間存在的客觀關(guān)系，識別和診斷出設(shè)備故障，說明其性質(zhì)和程度等。、故障診斷的基本內(nèi)容與結(jié)構(gòu)體系、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、故障診斷的基本內(nèi)容與結(jié)構(gòu)體系、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)癥狀〔S〕：振動、噪聲、變形、裂痕、溫度、壓變、殘留物泄轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等故障〔F〕：磨損、腐蝕、變形、裂痕、不對中、不平衡、松動、堵、漏、性能失常……邏輯關(guān)系〔R〕〔診斷方法與診斷理論〕：簡單映射、

加權(quán)相關(guān)、規(guī)則相關(guān)、置信因子、

統(tǒng)計識