《机械类毕业论文-旋转机械故障诊断及探究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械类毕业论文-旋转机械故障诊断及探究（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、南京工业大学本科生毕业设计（论文）1第一章 绪 论机械故障诊断, 就是通过机械运行中的相关信息来识别其技术状态是否正常, 确定故障的性质和部位,寻找故障起因, 预报故障趋势, 并提出相应的对策的一门技术。现代的机械设备正在迅速地向着精密化、高速化、自动化、系统化的方向发展, 设备更加复杂, 各个部件的联系也越来越紧密, 设备某部件的故障有可能会引起整个设备的损坏。机械设备发生故障不仅会造成巨大的经济损失, 而且会危及人身安全带来严重的后果。因此, 机械故障诊断工作得到了广大科研人员的关注和重视, 随着各个领域技术的不断发展, 各种新的技术和理论被不断地应用于机械故障诊断中, 并提出了新的诊断方
2、法与理论1。1.11.1 旋转机械故障诊断的意义，目的和过程旋转机械故障诊断的意义，目的和过程旋转机械的故障问题有很多，在这里我们选取滚动轴承的故障问题来介绍一下。1.1.1 旋转机械故障诊断的意义3滚动轴承是机械设备中最常见的部件之一，它的运行状态直接影响整台机器的功能据钢铁工业统计，在旋转机械中，由于滚动轴承损坏而引起的故障约占30因此，对滚动轴承工作状态的监视及其故障诊断技术的研究工作越来越受到人们的重视，成为保障旋转机械良好工作性能的重要保障。最初的轴承故障诊断是利用听棒，靠听觉来判断。这种方法至今仍在沿用，其中的一部分已改进为电子听诊器，例如用电子听诊器来检查、判断轴承的疲劳损伤。训
3、练有素的人员凭经验能诊断出刚刚发生的疲劳剥落，有时甚至能辨别出损伤的位置，但毕竟影响因素较多，可靠性较差。继听棒、电子听诊器之后，在滚动轴承的状态监测与故障诊断工作中又引入了各种测振仪，用振动位移、速度和加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这样减少了监测人员对经验的依赖性，提高了监测诊断的准确性，但仍很难在故障初期及时做出诊断。1966年，全球主要滚动轴承生产商之一，瑞典SKF公司在多年对轴承故障机理研究的基础上发明了用冲击脉冲仪（Shock Pulse Meter）检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。之后，第一章 绪论2几十家公司相继安装了大批传感器用于长期监测轴承的
4、运转情况，在航空飞机上也安装了类似的检测仪器。1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪（Machine Checker） ，可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。同时推出的还有油膜检查仪，利用超声波或高频电流对轴承的润滑状态进行监测，探测油膜是否破裂，发生金属间直接接触。1976-1983年，日本精工公司（ NSK）相继研制出了 NB系列轴承监测仪，利用115kHz范围内的轴承振动信号测量其RMS值和峰值来检测轴承故障。由于滤除了低频干扰，灵敏度有所提高，其中有些型号的仪器仪表还具有报警、自动停机功能。随着对滚动轴承的运动学、动力学的深入研究，对于轴承振动信号中的频率成
5、分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解，加之快速傅里叶变换技术的发展，开创了用频域分析方法来检测和诊断轴承故障的新领域。其中最具代表性的有对钢球共振频率的研究，对轴承圈自由共振频率的研究，对滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间关系的研究。 1969年，H. L. Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，以上研究奠定了这方面的理论基础。目前已有多种信号分析仪可供滚动轴承的故障诊断，美国恩泰克公司根据滚动轴承振动时域波形的冲击情况推出的 “波尖能量 ”法及相应仪器，对滚动轴承的故障诊断非常有效
6、。还有多种信号分析处理技术用于滚动轴承的状态监测与故障诊断，如频率细化技术、倒频谱、包络线分析等。在信号预处理上也采用了各种滤波技术，如相干滤波、自适应滤波等，提高了诊断灵敏度。除了利用振动信号对轴承运行状态进行诊断监测外，还发展了其他一些技术，如光纤维监测技术、油污染分析法（光谱测定法、磁性磁屑探测法和铁谱分析法等）、声发射法、电阻法等 。本课题利用的是振动信号来对故障的监测。1.1.2 旋转机械故障的主要形式和原因3滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。南京工业大学本科生毕业设计（论文）3即使在安装、润滑
7、和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承的主要故障形式与原因如下。1.疲劳剥落滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就
8、认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴承故障监测的重要性。2.磨损由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。此外，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。3.塑性变形当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或
9、因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。4.锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴第一章 绪论4承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。5.断裂过高的载荷会可能引起轴承零件断裂
10、。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。6.胶合在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。7.保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。1.1.3 旋转机械故障诊断的目的故障诊断的目的：(1)能即
11、使地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以把故障损失降低到最低水平。(2)保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，充分挖掘设备潜力，延长其使用寿命。(3)通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备机构修改、优化设计、合制造及生产过程提供数据和信息。总而言之，故障诊断即要保证设备的安全可靠性，又要获取更大的经济利益和社会效益。1.1.4 旋转机械故障诊断的过程作为机械设备的故障诊断技术，应具有下面几种功能：南京工业大学本科生毕业设计（论文）5(1) 在不拆卸机械设备的条件下，能够定量地检测和评价设
12、备个部分的运动和受力状态，缺陷和磨损状态，性能的劣化和故障状态。(2) 能够确定设备的故障性质、部位、程度和发展趋势，预测设备的可靠性程度。(3) 能够确定设备发生异常时的修复方法。因此，机械设备的故障诊断应包括下面几个环节：(1) 机械设备状态参数的监测；(2) 进行信号处理，提取故障的特征信息；(3) 确定故障的类型及发生部位；(4)对所确定的类型作防治或控制。1.21.2 机械故障诊断方法机械故障诊断方法1.2.1 常用的机械故障诊断方法的分类机械设备有各种类型，其工作条件又各有不同，故对不同机器的故障往往需要采用不同的方法来诊断。对机器进行故障诊断的方法可以按如下几种方式进行分类。按诊
13、断的目的要求分类1.功能诊断和运行诊断功能诊断是针对新安装或刚维修后的机器或机组，需要检查它们的运行工况和功能是否正常，并且按检查的结果对机器或机组进行调整。而运行诊断是针对正常工作的机器或机组。2.定期诊断和连续监控定期诊断是么一隔一个小时，例如1个月或数个月对工作状态下的机器进行常规检查。连续监控则是采用仪表和计算机信息处理系统对机器运行状态进行不间断地监视或控制。两种诊断方式的采用，取决于设备的关键程度、设备事故影响的严重程度、运行过程中性能下降的快慢，以及设备发生和发展的可预测性。3.直接诊断和间接诊断直接诊断是直接确定关键部件的状态，如主轴承间隙、齿轮齿面磨损、燃气轮机叶子的裂纹以及
14、在腐蚀环境下管道的壁厚等。直接诊断往往受到机第一章 绪论6器结构和工作条件的限制而无法实现，这时，就不得不采用间接诊断。所谓间接诊断就是通过二次诊断信息来间断判断机器中关键部件的状态变化。多次二次诊断信息属于综合信息。4.在线诊断与离线诊断在线诊断是指对于大型、重要的设备为了保证其安全和可靠运行需要对所监测的信号自动、连续、定时的进行采集与分析，对出现的故障及时作出诊断；离线诊断是通过磁带记录仪或数据采集将现场的信号记录并储存起来，再在实验室进行回放分析，对于一般中小型设备往往采用离线诊断方式。按信息提取方式分类信号是信息的载体，设备出现故障时出现的征兆是通过检测信息，即信号来体现的，所以可以
15、按找特征信号与征兆之间的关系对方法进行分类。1.函数分析法特征信号与征兆之间存在定量的函数关，可用数学分析方法，例如状态空间分析，由特征信号求出征兆。2.可用数理统计方法由特征信号求出征兆。统计分析法又可分为分非参数模型统计法即传统的信号处理方法和参数模型统计法两种。它根据信号的采样数据，首先建立差分方程形式的参数模型，再用模型的参数或用模型计算出信号统计特性、结构固有的特性或其他特性作为征兆。按照状态诊断方式分类1.对比诊断法目前应用最广，应事先通过统计归纳、实验研究、分析计算，确定同各有关状态一一对应的征兆，然后将获得的征兆同基准模式对比，即可确定设备的状态。2.函数诊断法在征兆与状态之间
16、如存在定量的函数关系，则在获得征兆后即可用相应的函数关系计算出状态。3.逻辑诊断法在征兆与状态间如存在逻辑关系时，则在获得征兆后即可用相应物理或数理逻辑关系推理判明有关状态。4.统计诊断法南京工业大学本科生毕业设计（论文）7一般模式识别理论中的统计模式法，它用于征兆与状态之间存在统计关系时。5.模糊诊断法它是一种较新的诊断方法，其特点有二：第一，它采用多因素诊断，因为一种状态可在不同程度地引起多种征兆，而一种征兆又可在不同程度上反映多种状态；第二，它模仿人利用模糊逻辑而精确识别事物这一特性。这样，它根据所获得的征兆，列出征兆隶属度模糊向量，再根据以实践为基础所得到的模糊矩阵，利用模糊数学方法，计算出状态隶属度模糊向量16,17，最后根据此向量中各元素的大小确定有关状态的情况。6.智能诊断法人工只能的目的是使计算机去做原来人才能做的事情，包括推理、理解、规划、决策、抽象、学习等功能，专家系统是实现人工智能的重要形式，目前已广泛用于诊断、解释、设计、规划、决策等各个领域。现在国内外已发展了一系列用语设备故障诊断的专家系统，获得了良好的效果。1.2.2
