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1、南京理工大学机械工程学院工业工程系第5章 设备状态监测与故障诊断引言n机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要的地位，为了做到对设备的预防维修，从设备维修的角度，首先必须建立起与设备有关的状态监测与诊断技术体系，即必须根据被诊断的对象设备自身的重要性选定相应的监测方法和仪器设备。2n机械设备诊断的4个基本要求(1)指出故障发生的部位；(2)确定故障的类型；(3)解释故障产生的原因；(4)预告故障恶化的时间。3n以状态监测为基础的预知维修，是不规定检修周期，但是要定期或连续地对设备进行状态监测，并根据状态监测和故障诊断的结果，查明设备有无劣化或故障征兆，再安排在必要时进行修
2、理。它能在设备失效前检测和诊断出所存在的故障，并可较准确地估计出连续运行的可靠时间，因而设备使用寿命最长，意外停机事故最少，还有因过剩维修受到控制，从而减少了备件消耗和维修工作量，也可防止因检修而出现的人为故障，从而最终导致使维修费用最低。45.1 设备故障的规律n设备故障- 定义 设备系统或其中的元件/部件丧失了规定的功能或精度。- 发生阶段： 早期故障 使用故障 后期故障故障率（磨损量）偶发故障期初始故障期耗损故障期磨合磨损期缓慢磨损期快速磨损期T5A 浴盆曲线B 故障递减C 故障缓增E 故障不随时间变化D 故障由增至缓F 故障减缓故障模型大量研究表明：对于复杂设备故障，除了浴盆曲线故障模
3、型外，还存在其他5种故障模型，其中故障率呈稳定或缓慢上升的D、E、F三种类型占了故障总概率的89%，其余只占11%。6nDalanik 定律：可修复的复杂设备，无论故障件寿命分布类型如何，故障件修复或更新以后，设备的故障率随时间而趋于常数。n但对于简单的磨损、疲劳及腐蚀等原因导致的故障，仍属于A、B、C类型故障n一般的机械、电气和电子设备大多为复杂设备，其故障基本符合F类故障规律，在服役期间故障率恒定，但故障发生是随机的。所以，要强调对设备的监测和诊断。7n故障的原因及模式- 设计错误 应力过大，应力集中，材料、配合润滑方式选用不当，对使用条件、环境影响考虑不周- 原材料缺陷 材料不符合技术要
4、求，造成铸锻件缺陷，热处理缺陷- 制造缺陷 机加工、压力加工和装配缺陷，焊接缺陷、热处理变形等- 运转中的问题 没有预料到的使用条件变化，已知使用条件发生变化，过载、过热、腐蚀、润滑不良、操作失误、维护不当、修理不当。8n几种机械故障模式- 弹性变形失效- 屈服失效- 塑性断裂失效- 脆性断裂失效- 疲劳断裂失效- 腐蚀失效- 磨损失效- 蠕变失效95.2 成熟的设备状态检测和故障诊断技术简介n设备故障诊断技术的发展- 第一阶段 - 最初是依靠现场获取设备运行时的感观状态（如异常震动、异常噪音、异常温度、润滑油液中是否含有磨削物等）并凭经验或多位专家进行分析研究确定可能存在何种故障或故障隐患。
5、10- 第二阶段 - 依靠测量仪器测量设备的某些关键部位，以获取参数（如频率、振幅、速度、加速度、温度等参数）并记录下来，通过计算出某些固有参数与测量参数进行对比，确定故障点或故障隐患点，或者通过对某些参数多次测量的数值进行比较，依据其劣化趋势确定其工作状态(是否出现故障或故障隐患)。11- 第三阶段- 状态监测与故障诊断技术发展到计算机时代，一些专用的状态监测仪器（如数据采集器）不仅具有测量、记录现场参数，还能进行一些简单的数据分析处理，还可将数据采集器上的参数通过通讯线传入计算机，以便作出综合分析，并显示出相关的图谱如：倍频谱图、倒频谱图、时域频谱图、幅值图等。并可通过计算机上的专家系统对
6、所测的数据进行综合评价（如设备是否该修理或还可使用多长时间后应修理）12- 第四阶段 - 研究工作从监测诊断系统的开发研制进入到诊断方法的研究；监测诊断手段由震动工艺参数的监测扩大到油液、扭矩、功率、甚至能量损耗的监测诊断；研究对象由旋转机械扩展到发动机、工程施工机械以及生产线；时空范围由当地监测诊断扩大到异地监测，即监测诊断网络。13n设备故障诊断内容- 状态监测- 分析诊断- 故障预测14n定义：- 在不损害被检对象未来的使用性能，或者不影响当前的工作状况，应用各种物理原理和化学现象，对性能或者参数进行检验和测试，籍以评价他们的完整性、连续性、安全可靠性及某些理化性能。n应用- 在材料科学
7、、机械制造、军工、航天、交通运输、考古等领域广泛存在，甚至医学上的一些检测（CT、B超、红外、X透照等等）亦可包含其中。n发展趋势- 从无损探伤、再到无损检测，然后到无损评价阶段。从单一的检查到综合的测评的一个过渡。5.3 无损检测技术（Nondestructive testing，NDT）15n无损检测与评价技术是一门新兴的、多学科综合应用的、理论与实践紧密结合的工程科学，它包括了物理学、材料科学、电子技术、测量技术以及信息技术等多方面的内容.n材料的每一种特性几乎都可以用作某种无损检测方法的基础，几乎所有形式的能量都能被利用来确定材料的物理特性或者用于检测缺陷。n无损检测技术方法涉及到的物
8、理基础有声、光、热、电、磁、机械、核辐射、物理化学、电磁、粒子束或者其中某些特性的组合应用.n目前应用最多的无损检测方法主要有超声波检测、磁粉检测、涡流检测、射线照相检测和渗透检测(称为五大常规方法)，此外声发射检测和泄漏检测方法也已获得越来越多的应用。16n在役设备重要承力件中最常见也是最危险的缺陷就是疲劳裂纹，特别是早期疲劳裂纹更是难以用目视检查发现的，而若是正确地采用渗透检测(对被检件表面粗糙度有一定要求)、磁粉检测(必须是铁磁材料)、涡流检测(必须是导电材料)、超声波检测以及射线照相检测(基本上不受材料种类影响)这些常规的无损检测方法就能有效地检测出来。17n渗透探伤- 主要应用于检查
9、材料及工件表面开口性缺陷，其灵敏度已经达到可以检查出开口宽度仅有微米级的缺陷。 对试件的预清洗，清除表面可能影响渗透液渗入的污物 施加渗透液在试件表面并保证充分渗透 中间清洗，去除试件表面上多余的渗透液 施加显像剂形成背景衬托和迹痕显示以供观察评定 18n磁粉探伤- 铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。- 当采用微细的磁性介质（磁粉）铺撒在材料表面时，这些磁粉会被漏磁场吸附聚集从而显示出缺陷所在，这种方法就是“磁粉探伤”技术。- 如果不是使用磁粉，而是直接使用特殊的测
10、磁装置（例如磁带、检测线圈、磁敏元件等）探查并记录漏磁通的存在来达到检测目的，则称为“漏磁检测”技术。19n涡流探伤- 基于电磁感应原理，当把通有交变电流的线圈（激磁线圈）靠近导电物体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出涡电流，该涡电流的分布及大小除了与激磁条件有关外，还与导电体本身的电导率、磁导率、导电体的形状与尺寸、导电体与激磁线圈间的距离、导电体表面或近表面缺陷的存在或组织变化等都有密切关系。- 涡电流本身也要产生交变磁场，通过检测其交变磁场的变化，可以达到对导电体检测的目的。因此，利用涡流探伤技术，可以检测导电物体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度、热处理质量（如淬火透入深度、硬化层
11、厚度、硬度等）以及材料牌号分选等等。 20n超声波探伤- 一般把频率在200千赫兹到25兆赫兹范围的声波叫做超声波。它是一种机械振动波，它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定等等。 21n射线检测
12、技术- 用X射线、射线、射线以及如中子射线、高能射线等放射线穿透物质时，由于存在吸收与散射、电子偶生成等特性与物质的密度结构相关，或者产生电离等现象，从而能够显示物质内部的缺陷或组织结构。常见的有采用照相或屏幕显示、电视显示等方法将物质内部情况显示为可见图像以进行分析判断。例如工业上用于检查铸件、焊缝等的“射线照相检测”或“工业X光电视”、医学界用于检查人体的“X光透视或照相”及“CT”等。 22n计算机辅助层析扫描射线检测技术（工业CT） 利用X射线或射线以不同透射角度探查试件的同一水平剖面，把射线探测器置于射线源对面，所测得的吸收值储存在计算机中，在断层照相后，通过计算机计算检测范围的水平
13、与垂直断面，重构出三维显示或恢复任意垂直面和水平面的二维图像。n工业CT技术可以提供传统X-射线成像技术无法实现的二维切面、或三维立体表现图。并且避免了影象重叠、混淆真实缺陷的现象。计算机辅助层析扫描检测技术的主要优点是能保持透视方向的深度信息，精确测定试件内部结构或缺陷的位置与形状。23无损检测应用n在役的承力钢丝绳：便携式电磁(涡流)钢缆断丝检测仪，可以进行原位检测；n机械设备上的紧固螺栓或轴类零件或者壳体等只要有一端暴露在外就可以采用超声波检测方法原位探测有无疲劳裂纹而无需拆卸解体后检查，由于这些零件或部位在原位上处于张应力或者弯曲应力作用下，所产生的疲劳裂纹的开隙度往往大于卸载后的状况
14、，因此利用原位无损检测方法的效果常常优于解体拆卸下来进行检测的效果；n外露的设备承力部位或部件(例如起重设备的吊臂、吊钩；轨道及夹板、轮轴或轮毂等)可以采用磁粉检测、涡流检测、渗透检测等方法进行检测。24n承力弹簧：可以采用超声表面波法或磁粉检测方法；n承压容器或筒体等：除了可以采用超声波检测、磁粉检测、渗透检测以及射线照相检测等方法外，还可以在耐(水)压试验过程中同时作声发射检测进行动态监控；n利用热红外线检测技术监察高速运行部件的异常热点、利用遥控声发射技术监测运行设备中的异常、使用内窥镜技术检查内孔表面缺陷。25油液检测技术n油液监测技术就是通过对设备在用润滑油的理化性能指标、磨损金属和
15、污染杂质颗粒的定期跟踪监测，及时了解掌握设备的润滑和磨损状态信息，诊断设备磨损故障的类型、部位和原因，为设备维修提供科学依据，指导企业进行设备的状态维修和润滑管理，从而预防设备重大事故发生的发生，降低设备维护费用。26n润滑监测内容- 设备润滑状态评价：通过对设备在用润滑油主要理化指标的定期跟踪监测，及时发现设备用油的劣化程度及污染原因，评价设备的润滑状态，指导企业采用合理的润滑方式和换油周期。- 设备磨损故障诊断：通过对设备在用油中磨损金属颗粒的定量、定性分析，监测诊断设备主要摩擦副的磨损失效状态及原因，指导企业及时采取视情维修措施，保证设备安全运行。27n油液理化性能检验- 对润滑油理化性
16、能指标如粘度、闪点、水分、酸值和机械杂质等检验。n发射光谱技术- 通过测量物发出特定波长的光机相应的光强度，对磨粒的元素成分及含量浓度进行定性和定量分析，以判断含有被测元素的机械零、部件的磨损状况和程度。- 特点：分析迅速，不需要对样品进行处理，在短时间内能同时分析十几到二十几种元素；适合现场使用和分析多种材料摩擦副的磨料；分析结果准确性高，适合分析小于10m的摩擦颗粒，对油中的大颗粒不敏感。28n铁谱分析技术- 利用高梯度强磁场的作用，将磁性磨粒从润滑油中分离出来，磨屑按颗粒粒度有序的沉积，以分析各种金属磨屑和污染物的形状、成分、浓度、分布情况。用以诊断设备磨损形式、原因、部位、劣化程度和预测劣化发展趋势。- 特点： 适合对大颗粒磨粒分析，颗粒直径1200m 可对磁性材料磨粒进行定性和浓度的半定量分析 分析时间长，程序较复杂29n红外光谱分析技术- 根据润滑油中各组份的基因吸收特定频率的红外辐射强度不同，来对油液中各组份进行定性或定量分析。通过分析在用润滑油和新润滑油对红外光谱吸收的差异，可判定在用油的添加剂的降解程度，油品的硝化、硫化等衰变和污染情况。- 特点：可对邮寄功能团进行定
