机械故障诊断学（罗金良）

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1、20092009年年3 3月月南华大学机械学院南华大学机械学院罗金良罗金良机械故障诊断学一、概述一、概述二、简易诊断与精密诊断二、简易诊断与精密诊断 三、振动测量在机器状态监测中的应用三、振动测量在机器状态监测中的应用四、故障诊断学的特点四、故障诊断学的特点五、故障诊断技术的发展概况五、故障诊断技术的发展概况六、计算机辅助监视诊断系统的主要环节六、计算机辅助监视诊断系统的主要环节第一讲第一讲 绪论绪论机械故障诊断学一、 概述 现代化生产中，如果机械设备的某一零部件或设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅可能导致设备本身损坏，甚至可 能造成机毁人亡的严重后果。在流程生产系统中，如果某一关

2、键设备因故障而不能继续运行，往往会涉及整个流程生产系统的运行，造成巨大的经济损失。因此 ，对于流程生产系统故障诊断具有极为重要的意义，例如电力工业 的汽轮发电机组，冶金、化工工业的压缩机组等。在机械制造领域中，如柔性制造系统、计算机集成制造系统等，故障诊断技术也具有相同的重要性。因故障存在而可能导致加工质 量降低，使 整个机器产品质量不能保证。 机械设备的故障诊断技术越来越受到重视。 机械故障诊断学机械故障诊断学：一门近二十年内发展起来的新学科；是现代化设备维修技术的重要组成部分，正日益成为设备维修 管理工作现代化的一个重要标志；此项技术的应用能确保机械设备安全运行，提高产品质量，节 约维修费

3、用以及防止环境污染。机械故障诊断学目前研究的主要方向分为两大模块：机械设备的状态监测和故障诊断技术。采用的方法有很多：振动监测技术、油液分析技术、红外测温技术、声发射技术、 无损检测技术等。其中振动监测技术是普遍采用的基本方法，因为振动的理论和 测量方法都比较成熟，且简单易行。振动测量和信号分析一直是 作为预知维修的主要手段，各行业设备部门要开展这项工作一般 都是从这二方面开始的。据统计，机械故障90%可以从振动测量中检测出来。振动监测技术就是“对设备的振动信号进行检测、分析处理， 故障识别和预报的一种技术”。 机械故障诊断学二、简易诊断与精密诊断 设备的状态监测技术：是指对设备（部件、零件）

4、的某些特征参数进行测试，并根据所得测定值与规定的正常值来作比较以判 断设备的工作状态是否正常或异常（存在故障），也称为简易诊 断。设备故障诊断技术则不仅要对机器设备的状态是否正常作出判断，更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计。 故称为精密诊断。 机械故障诊断学目前比较普及的还是简易诊断（状态监测），而精密诊断真正 用于生产还较少，主要用于高精尖设备上。简易诊断比较成熟，简便易行，而精密诊断还属于一种开发性 技术，尚不够成熟。这一状况欧美和日本都一样，具有普遍性。另外精密诊断的费用也比较高，需要精密的仪器，要由经过专 门训练的工程师来进行，所以只在重要的设备上进行。这一点对我国开发

5、推广诊断技术提供了参考。当前重点主要放 在普及简易诊断或状态监测上。同时积极开发精密诊断技术，使 它尽快达到使用水平。据有关资料统计，利用简易诊断仪器可以 解决设备运行中50%的故障。由此可见，简易诊断在设备管理与 维修中的重要作用。 机械故障诊断学以日本新日铁公司为例，看设备诊断技术在设备管理与维修中的应用 ：机械故障诊断学新日铁认为：在大型钢铁联合企业中，为确保全系统设备的正 常运行，有两项技术必须实行。一是有效地监视机器状况，即“设备监测技术”。二是精确的诊断方法。即：“精密诊断技术”。 1.“设备监测技术” 这类技术应满足如下要求：1）能迅速地对各种类型的机械进行振动测量2）能进行现场

6、结论 3）经济,使用方便 机械故障诊断学目前，新日铁在这方面已开发出了一系列的硬件，专门用于钢铁联 合企业中的各类设备，并把用于设备监测技术的硬件分为三类：（1）第一类是供日常检查人员随身携带使用的，能定量显示结果的 各种小型仪器。譬如：机器检测器，油膜检测器，小型测振仪、马 达检测器，声发射裂纹检测器等。 （2）第二类是监视仪表，通常是安装在现场的，可进行自动数据采 样，自动数据记录与作为倾向管理的图谱相对照，异常情况判别图 谱显示等等，譬如：旋转机械监视仪，压缩机监测仪，热轧机监视 仪等。 （3）第三类是数据控制系统，这需要第一类仪器测量得到的数据作 为输入才能进行工作。可自动处理大量测量

7、数据，并记录，储存与 控制图谱相对照，发出控制信号等。 机械故障诊断学2.“精密诊断技术” 通过使用设备监测技术进行测量，与作为倾向管理的图谱或数 值相比较之后，当指出已存在故障或者是预测可能发生故障时， 有必要进行精密诊断，不仅要确定故障是否的确存在，而且，当 存在故障时，还需诊断出它的位置，原因及程度。新日铁认为： 这类技术必须由专门的、称为精密诊断检查的技术人员来进行， 在这方面，新日铁近几年来也开发出了二类仪器： （1）一类是专门用的仪器，主要是用于旋转机械，这类仪器 通常须配合各种软件技术（譬如：参照诊断手册，振动严重性判 据等）进行使用，同时，结合设备状况进行分析、判断，譬如： 旋

8、转机械自动诊断系统，自动平衡仪，声发射裂纹分析仪等。 （2）另一类是通用仪器，用于状态诊断的测量与分析仪器。 譬如：信号记录仪，信号分析仪，传递函数分析仪等。 机械故障诊断学由“设备监测技术”和“精密诊断技术”这大类技术就构成 了新 日铁的“设备状态诊断系统”如图2所示。机械故障诊断学三、振动测量在机器状态监测中的应用1. 测量方法的量化 振动测量一台设计得很好的机器，它的固有振级也很低。但当机器磨损 、基础下沉、部件变形时，机器的动态性能开始出现各种细微的 变化：轴变得不对中；部件开始磨损；转子变得不平衡；间隙增大。所有这些因素都在振动能量的增加上反映出来。从而，振动加剧常常是机器要出毛病的

9、一种标志，而振动是可 以从机器的外表面测到的。 机械故障诊断学过去，设备工程师根据经验靠手摸、耳听来判断机器是否正常或其故障是否在发展。但今天机器的转速很高，许多起警告性的振动出现在高频段，因此，只有用仪器才能检测出来。现代做法是：在机器运行良好的状况下，具有一个典型的振级和频谱特征。而当机器的故障在发展的时候，机器的动态过程以及机器零件上的一些作用力也随着变化，从而影响机器的振动能级和频谱的图形。通过这样的振动的测量和分析，我们可以知道机器的工作状态的变化以及是否需要维修。 机械故障诊断学振动测量用于机器状态监测值得注意的是： 实际工作中，成功的例子开始是在具有代表性的机组中采用不 太昂贵的

10、模拟式振动表和分析仪，并不是取决于大量投资去配 备带高级计算机的分析仪器。 只有当取得经验并计划扩充时， 就自然地发展为采用更快更强有力的仪器。 2. 测量仪器及测量系统对振动进行周期监测的仪器系统按其复杂程度可分成三档： (1) 简单系统最简单的系统是用一种直读式的袖珍振动表在一定的频率范围内去测量振动级别。把测量结果与通用标准或每台机器的专用参 考值相比较。 机械故障诊断学手持振动计通常一个有经验的人员在用振动测量进行状态监测，一般配备 一个高质量的手持振动计。在101000HZ或10 10000HZ的频率范围内能读出单一 的振动加速度或速度的均方根值(RMS )或峰值。速度的RMS值可直

11、接与标准的振动严重性评定值相比较，从 而知道需要维修的程度。当然，宽频带振动计在早期故障检测、诊断及损坏预测方面是 必须的，但其作用是有限的。机械故障诊断学(2) 振动状态监测的系统(a) 频率分析的基本系统振动分析仪和振动能级记录仪（配置方式有很多）投资少，适用于只有几十个测量点（不多），电池供电；能准确依次画出各监测点的窄带频谱图，每次测量和分析约 需要几分钟。把每个测量点的参考频谱记录下来并复制在透明的卡片上。以后取得的频谱放在参考频谱下面，两张卡片一对照立即可 以找到差别所在。如果某一频率的振级增加就画出其振级时 间曲线，从而可预测其发展趋势。有些用户平时只进行有规律的简单宽带监视，当

12、振级有明显变化时才应用频率分析。这种方式有助于故障发展的诊断而不能用于早期警告和趋势发展的规律分析。 机械故障诊断学(b)先进的机器状态监测系统当有大量的机器测点需要监测时，采用更完善的系统是合理的。操作人员可用加速度计与数据采集器(或数据记录仪)把每一个测试点的振动信号直接记录下来。回设备科后，再送到计算机里，用软件进行分析，这样做的优点是:速度快、扩大了仪器功能，改善了检测能力并降低了测量成本。机械故障诊断学(3) 永久性的机器振动监测上面提到的机器振动监测系统都是基于周期性的测量与校对。永久性监测首先应用于那些对生产过程起重要作用的单台设备 ，当机器出现突然变化时，能立即或在几分钟之内向

13、控制室提出 警告，以便在灾难性故障出现之前即采取有效措施。这种系统在 发电、石油化工工业中用得很多，用来监视汽轮机、进料泵和压 气机等设备。永久性状态监测系统的首要条件是要有高可靠性、长期的稳定 性及抗恶劣环境及抗误报警的能力，坚固的机器设计、能在潮湿 与有灰尘的条件下工作再加上例行环境试验才能满足上述的严格 要求。加速度计、电缆、接线盒等特别坚固的前线设备也需能在 高温下工作。这种系统还包括一个自动测试系统，以便在事故报 警时，操作人员立即核对哪些仪器的功能是正常的。四、故障诊断学的特点从系统观点来看，故障包括两层含义:一是机械系统偏离正常功能，它的形成原因主要是因为机械 系统的工作条件不正

14、常而产生的，通过参数调节，或零部件修 复又可恢复正常;二是功能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断 加剧，使机械设备基本功能不能保证，则称之为失效。机械故障诊断学1、故障的分类故障的类型因故障性质、状态不同可以分类如下: 按工作状态分有：问歇性故障和永久性故障; 按故障程度分有：局部功能失效和整体功能失效的故障; 按故障形成速度分有：急剧性故障和渐进性故障; 按故障程度及形成速度分有：突发性故障和缓变性故障; 按故障形成的原因分有：操作或管理失误形成的故障和机器内 在原因形成的故障; 按故障形成的后果分有：危险的故障和非危险的故障; 按故障形成的时间分有：早期故障，随时问变化的故障和随

15、机 性故障。 这些故障类型是相互交义，随着故障的发展，可从一种类型转 为另一种类型。机械故障诊断学2、故障诊断方法的分类由于目前人们对故障诊断的理解不同，各工程领域都有其 各自的方法，概括起来有以下三方面:1）按诊断环境分有：离线人工分析、诊断和在线计算机辅助监视诊断，二者要 求有很大差别。2）按检测手段分a) 振动检测诊断法。以机器振动作为信息源，在机器运行过 程中，通过振动参数的变化特征判别机器的运行状态;b) 噪声检测诊断法。以机器运行中的噪声作为信息源，在机 器运行过程中，通过噪声参数的变化特征判别机器的运行状态 ，但易受环境噪声影响;机械故障诊断学c) 温度检测诊断法。以可观测的温度

16、作为信息源，在机器运行 过程中，通过温度参数的变化特征判别机器的运行状态;d) 压力检测诊断法。以机械系统中的气体、液体的压力作为信 息源，在机器运行过程中，通过压力参数的变化特征判别机器的 运行状态;e) 声发射检测诊断法。金属零件在磨损，变形，破裂过程中产 生弹性波，以此弹性波为信息源，在机器运行过程中，分析弹性 波的频率变化特征判别机器的运行状态;f) 润滑油或冷却液中金属含量分析诊断法。在机器运行过程中 ，以润滑油或冷却液中金属含量的变化，判别机器的运行状态;g) 金相分析诊断法。某些运动的零件，通过对其表面层金属显 微组织，残余应力，裂纹及物理性质进行检查，研究变化特征， 判别机器设备存在的故障及形成原因。机械故障诊断学3）按诊断方法原理分a) 频域诊断法。应用频谱分析技术，根据频谱特征的变化判别机 器的运行状态及故障;b) 时域分析法。应用时问序列模型及其有关的特性函数，判别机 器的工况状态的变化;c) 统计分析法。应用概率统计模型及其有关的特性函数，实现工 况状态监视与故障诊断;d) 信息理论分析法。应用信息理论建立的特性函数，进行工况状 态分析与