（机械设计及理论专业论文）钢包回转台设备故障诊断与分析.pdf

辽宁科技大学硕士研究生论文摘要 摘要 连续铸钢作为一种新的炼钢工艺，在降低生产成本、提高经济效益、 简化加工工艺等方面显示了极大的优越性。钢包回转台是近十多年来发展 很快的一种钢包运载设备，其作用是将钢包迅速地进行跨越输送并连续浇 注实现钢水包满包与空包的快速更换，并与钢水包、结晶器等设备实现钢 水浇铸的连续性。可以看出，钢包回转台是连铸车间的重要设备。因此， 钢包回转台在工作时出现异常状态，进行故障诊断与分析是十分重要的。 故障诊断的前提是深入了解掌握连杆式钢包回转台各个部位的应力、应变 水平，以往传统的解析方法与经验公式很难对连杆式钢包回转台整体的应 力、应变水平进行计算，而本文中采用有限元法计算钢包回转台应力、应 变水平的整体水平，特别是一些关键部位的应力、应变分布状态，为钢包 回转台的故障诊断奠定基础。因此，在进行故障诊断前，需要对钢包回转 台进行有限元分析，以获取其应力、应变场。另外，通过前期的有限元分 析，可以初步确定构件容易发生故障的部位、区域，以便能为后续的检测 工作做好充分的准备工作，从而提高分析效率和分析计算的精度。 关键词：钢包回转台故障诊断有限元分析 辽宁科技大学硕士研究生论文a b s t r a a a b s t r a c t a sb e i n gan e wt e c h n o l o g yo fs t e e l m a k i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n gh a s d i s p l a y e di t sg r e a ts u p e r i o r i t i e si ns o m ea s p e c t s ，s u c ha sd e c l i n i n gp r o d u c t i o n c o s t s ，i n c r e a s i n ge c o n o m i ce f f i c i e n c y ，s t r e a m l i n i n gp r o c e s s i n ga n ds oo n g y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l ei sat r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n to fs t e e lc o n t a i n e r s ， w h i c hw i l l t r a n s p o r ts t e e l c o n t a i n e r sq u i c k l yb y l e a p sa n d b o u n d sa n d c o n t i n u o u sc a s t i n g ，f i n i s ht h er e p l a c e m e n tb e t w e e nf u l ls t e e lc o n t a i n e r sa n d e m p t yc o n t a i n e r sq u i c k l ya tt h es a m et i m e ，i tc a na c h i e v et h ec o n t i n u i t yo f s t e e lc a s t i n gw i t hs t e e lc o n t a i n e r sa n dc r y s t a l l i z a t i o ne q u i p m e n t w ec a n k n o wt h a tg y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l ei sv e r yi m p o r t a n ti nc a s t i n gw o r k s h o p i ft h e r ea r es o m e t h i n gw r o n gw h e ng y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l ei sw o r k i n g ， f a u l td i a g n o s i sa n da n a l y s i si sv e r yi m p o r t a n t t h ep r e m i s eo ff a u l t sd i a g n o s i s i st h a tw es h o u l db ct om a s t e rt h es t r e s sa n ds t r a i nl e v e lo fe v e r ys e c t i o no f l i n k a g eg y r a t i o n p l a t f o r mo fl a d l ei nf u r t h e r t h et r a d i t i o n a l a n a l y s i s m e t h o d sa n de m p i r i c a lf o r m u l aa r eh a r d l yt oc a l c u l a t et h es t r e s sa n ds t r a i n l e v e lo fo v e r a l ll i n k a g eg y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l e ，b u tt h i sp a p e rw i l lm a k e g o o du s e do ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t e ，s p e c i a l l yt h es t r e s sa n d s t r a i nd i s t r i b u t i o n so fs o m ev e r yi m p o r t a n ts e c t i o n s ，w h i c hw i l l l a yt h e f o u n d a t i o nf o rf a u l t sd i a g n o s i so fg y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l e s ob e f o r e m a k i n gf a u l t sd i a g n o s i s ，w en e e dt oa n a l y z et h eg y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l eb y f i n i t ee l e m e n tm e t h o df o ri t ss t r e s sa n ds t r a i np h e n o m e n o n f u r t h e r m o r e ，b y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z ea b o v e ，w ec o u l dm a k es u r ew h i c h s e c t i o nw i l lg ow r o n go ro u to fw o r ka tp r e s e n t ，a n dt h i si sc o n v e n i e n tt om a k e g o o dp r e p a r a t i o n sf o rt h en e x td e t e c t i o na l s o s ot h i sm e t h o dc a ni m p r o v e a n a l y z i n ge f f i c i e n c ya n da n a l y z i n ga c c u r a c y k e y w o r d s ：g y r a t i o np l a t f o r mo fl a d l e ，f a u l ta n a l y s i s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：蕊矗童日期：墼墨! 盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：醯盆宝 导师签名：壶全嗑生日期：超! ，斜 辽宁科技大掌硕士研究生论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 连续铸钢作为一种新的炼钢工艺，在降低生产成本、提高经济效益、 简化加工工艺等方面显示了极大的优越性。钢包回转台是连铸车间的重 要设备。钢包回转台的作用是将钢包迅速地迸行跨越输送并连续浇注实现 钢水包满包与空包的快速更换，并与钢水包、结晶器等设备实现钢水浇铸 的连续性。钢包回转台是近十多年来发展很快的一种钢包运载设备，其作 用是将载满钢水的钢包回转到浇钢位置，同时将浇完钢水空包回转至盛接 钢水的位置并准备运走。在近代连铸设备中采用钢包回转台具有如下特 点：它能迅速准确地将载满钢水的钢包运送至浇钢位置，并在浇钢过程中 支承钢包；更换钢包迅速、能适应多炉连浇的需要：发生事故或断电时， 能迅速将钢包转移到安全位置；能实现保护浇注，并通过安装钢水称重装 置，浇铸更顺利；占用浇铸平台面积小，有利于浇注操作。由于钢包回转 台有上述特点，在一些连铸技术较先进的国家，它已成为近代连铸必备的 标准设备1 2 1 。 钢包回转台是连铸生产的关键设备。它承接从炼钢转炉运来的盛满钢 水的钢包，并将其回转至浇铸位置，使得钢包内的钢水流注到中间包内， 并经中间包注入结晶器，然后由拉锭机拉出所需的铸坯。钢包回转台的回 转是由回转电机通过拨动针轮机构带动回转臂旋转来实现的。当电机发生 故障时用液压电动机来驱动回转台回转。 装满钢水的钢包旋转至浇注位置时自动停车，然后开始浇注，当钢包 内的钢水浇注完毕后，回转台将空包旋转至受包位置，等待空包运走的同 时，将另一装满钢水的钢包回转至浇注位置继续浇注。为了保证钢包在浇 注时不至于在外力冲击下产生位移，采用锁紧装置实现回转臂的回转定 位。当回转臂回转停止于浇注位置( 或受包位置) 时，锁紧装置的锁紧销插 入回转臂上的导向轴套进行锁紧。为保证锁紧装置可靠工作，钢包回转台 的定位精神控制在1 。内。为达到控制要求，并保证钢包到位时平稳停止， 避免冲击，在临近浇注位置( 或受包位置) 时，回转台应能自动减至低速。 在钢包回转台承接钢包的位置，安装有钢包称重装置，它随回转臂一 起旋转。称重传感器输出的信号通过滑环传输到控制室内进行钢包重量信 号的显示与处理。该系统选用的滑环结构不能实现回转台的无限旋转，只 能使回转臂在旋转3 6 0 。后，必须再反向回转3 6 0 。 辽宁科技大学硕士研究生论文簟1 章绪论 综上所述，对回转台的控制要求如下： ( 1 ) 在临近浇注位置( 或受包位置) 自动减低速，到浇注位置( 或受包 位置) 自动停车。 ( 2 ) 回转台回转半周即1 8 0 6 后，应能继续回转。 ( 3 ) 回转台完成一个循环即3 6 0 后不得继续回转必须反向回转。 1 2 钢包回转台发展状况 在实际生产中，由于钢包回转台工作负荷和工艺操作要求不同，它有 多种不同的结构形式、多种运动方式和不同的工作性能。最简单的钢包回 转台只有一个回转运动，而复杂的钢包回转台除了回转运动之外，还有钢 包的升降运动。对多功能钢包回转台还有钢包倾翻运动、钢包盖升降运动、 吹气运动和等离子加热钢包钢水所需的运动等。钢包回转台按驱动方式可 分为单驱动和双驱动两种，按转臂结构可分为整体摆动式和双臂摇摆式； 按是否有炉外精炼可分为单功能和多功能。根据上述分类，对钢包回转台 综合归纳为：双驱动式、单驱动式、多功能型，下面对以上几种型式的钢 包回转台进行分别论述。 双驱动式钢包回转台指回转台有两个转臂且两个转臂各有一套转动 回转系统，每个转臂可单独回转，并能在不同的转角接受钢包。这种型式 的回转台特点是操作灵活，但结构复杂，制造和维修困难，设计中通常很 少采用。只有在工艺上要求钢水运进方向必须对准回转台中心且垂直于连 铸机中心线时才选用这种型式。这种型式的回转台有轨道式双摇臂双驱动 回转台和双臂摇摆式双驱动回转台。轨道式双摇臂双驱动回转台它有两个 独立转臂分别支承两个钢包。两个转臂分别在其底盘的环形轨道上绕其中 心立柱转动，转臂是通过车轮支承在底盘轨道上的车轮的驱动机构安装在 转臂下面。它的动力是通过中心枢轴上的电刷获得的。由环形轨道构成的 底盘直径很大。可以直接安装在连铸机操作平台上面，这种回转台有较好 的稳定性。双臂摇摆式双驱动回转台有很多种，其中蝴蝶式回转台是其中 的一种。该回转台的双臂可单独回转、升降，也可同时回转、升降。转臂 有使钢包保持水平的结构。回转台的下部由转盘、底座组成，中间用止推 轴承连接，转盘上的销轴连接左、右两个臂，两个臂的升降由两端铰接的 液压缸来推动。为防止钢水二次氧化、实现保护浇铸，现在的连铸机通常 采用封闭式浇注，即钢水在与空气隔绝的状态下浇注。为此在钢包与中间 包之间使用长水口装置。从而要求回转台具有使钢包升降的功能，这也是 辽宁科技大学硬士研究生论文第1 章绪论 回转台为满足中间包升降的需要必须具备的功能。钢包升降可采用机械式 即机械千斤项式，也可采用液压式，机械升降同步性可靠，但结构复杂、 效率低；液压升降同步控制难度大，系统也较复杂并要防止系统漏油和采 取防火措施。 单驱动式指回转台转臂只由一套传动系统来驱动，这种型式的回转台 在现代连铸机上用得广泛，它较前述的回转台结构简单、维修方便、制造 成本低。凡是钢水需要跨过连铸机的，一般都选用这种型式的回转台。这 种形式的回转台包括：单驱动整体式转臂式、单驱动t 字形、单驱动整体 摆动式和单驱动双臂摇摆式。在这里只介绍单驱动整体式转臂式钢包回转 台。这种回转台主要由转臂、底座、驱动装置、电气控制系统组成。各部 分结构主要有以下特点： 1 转臀：支承钢包的转臂为箱形焊接结构，其两端做成叉形属悬臂梁 形式，箱体内用隔板加固，它是回转台的关键部分之一。 2 底座：为圆柱形箱形结构，上部与止推轴承联结，通过转盘与转臂 相联，下部通过地脚螺栓安装在基础上。 3 驱动装置：驱动装置由交流电机和事故气动机构组成，正常操作时 电机带动主减速机，再由主减速机输出端的小齿轮带动转臂底盘上的针 轮，使回转台旋转。当发生断电事故时，电机停止工作，启动电气马达， 通过主减速机使回转台旋转，两套系统互相联锁，一系统工作时另一系统 则闭锁。 为使钢包水口准确地停在中间包受钢口的上方，防止回转台的转臂接 受钢包时因冲撞而产生突然转动，在转臂和底座之间设置了用压缩空气推 动的旋转微调及定位装置。 多功能回转台是指具有吹气调温、等离子加热钢包钢水、钢包加盖、 钢包倾翻等功能之一的回转台。它是在单驱动式或双驱动式基础上结合工 艺特点形成的一种综合性回转台。回转台的型式和结构多种多样，设计选 用时应根据具体使用条件、工艺要求、经济性、以及用户的特殊需要进行 选定 5 1 。 意大利d a n i e l 公司开发带两个独立操纵臂的钢包回转台，又称炼钢机 器人，它用于炼钢和连铸车间的电弧炉、钢包精炼炉和连铸机生产中，进 行扒渣、预热和维修滑动水口以及运送钢包等多种作业。这种钢包回转台 的每个臂，各有全套的称量系统和钢包升降系统以便于插浸入管和检查钢 包滑动水口，而且操作灵活，能够适应多炉连铸的新技术。对提高钢水收 辽宁科技大学顼士研究生论文 第1 章绪论 得率、降低耐火材料消耗、提高连铸机的产量，以及因取代钢包吊运设备 而节省资金等都有一定的好处口j 。 2 0 0 4 年1 月1 日邢台机械轧辊( 集团) 公司设备制造公司与武汉大西洋 连铸设备工程公司强强联合，承制了通化钢铁公司r 9 m 五流合金钢大方坯 连铸机，并共同研制成功其中的关键设备一一新型蝶式升降1 4 0 吨钢包回 转台，这台新型钢包回转台单臂承重1 4 0 吨，设备制造难度大，采用了钢 包加盖装置和钢包称重系统，保证水平方向3 6 0 度任意角度旋转，体现了 高配置的技术要求。新型钢包回转台的研制成功，为邢钢公司钢包回转台 产品增加了新品种，为钢铁企业选择该设备拓宽了范围1 4 。 连杆式钢包回转台则是一种先进的结构形式，也是目前国内外回转技 术发展的主要趋向。连铸技术的发展，对回转台的整体结构提出了多功能 的要求1 6 。 1 3 本课题研究的主要内容 对1 号连铸机大包回转台进行部分力能参数和振动信号测试以及部分 零件的有限元分析。寻找液压缸端部轴承损坏和传动过程中出现不协调声 音的原因。 由于钢包回转台在连铸生产中被广泛采用，钢包回转台设计的可靠 性、安全性，以及制造的合理性、经济性己成为国内许多设计单位关心的 问题。钢包回转台具有大载荷、较强冲击等特点，为了保证其设计具有足 够的安全性和可靠性，需要了解其主体结构的应力场和变形规律。目前， 国内对钢包回转台强度计算方法仍沿用传统的设计准则，诸多的不安全因 素只借助于安全系数来考虑，其设计过分的依赖于经验，导致钢包回转台 实际的强度水平很难把握，其后果为钢包回转台的设计体积庞大，设备重 量很大，造成较大的浪费，而设计的安全性并没有得到相应的提高【s 】。因 此钢包回转台工作发生异常时，必须及时我出故障的原因，以免引起事故， 否则会导致生命财产的安全受到侵害。这对现实生产是有很大意义的。 课题研究的重点内容是连杆式钢包回转台在工作时出现异常状态，进 行故障诊断与分析。故障诊断的前提是深入了解掌握连杆式钢包回转台各 个部位的应力、应变水平，以往传统的解析方法与经验公式很难对连杆式 钢包回转台整体的应力、应变水平进行计算，而本文中采用有限元法计算 钢包回转台应力、应变水平的整体水平，特别是一些关键部位的应力、应 变分布状态，为钢包回转台的故障诊断奠定基础。因此，在进行故障诊断 辽宁科技大学硕士研究生论文 第1 章绪论 前，需要对钢包回转台进行有限元分析，以获取其应力、应变场。另外， 通过前期的有限元分析，可以初步确定构件容易发生故障的部位、区域， 以便能为后续的检测工作做好充分的准备工作，从而提高分析效率和分析 计算的精度【1 们。 1 4 论文主要采用的方法 1 4 1 有限元分析 首先，计算钢包回转台在工作载荷情况下是否满足设计要求。钢包回 转台的主要承载结构由回转臂、底座和回转支承轴承三部分组成。回转臂 与底座之间通过大直径回转支承轴承联接，并能做相对转动。各部件之间 的联接采用了高强度螺栓。同时底座也用高强度地脚螺栓安装在地基上。 回转臂与底座均为钢板焊接结构，在正常载荷作用下只产生小的变形，属 于线弹性系统。所以，可以用线弹性有限元方法进行计算】。用 p r o e n g i n e e r 软件建立实体模型，用a n s y s 软件进行应力、应变的分 析，计算各零部件的强度和刚度以及硬度等方面的内容 ”】。 1 4 2 实地检测 1 力的检测( 应变、应力、振动信号检测) ( 1 ) 应变、应力、振动信号检测所需的仪器 多点动态电阻应变仪；d p s 多功能检测分析仪；v e s i o n l 6 数字式记 录仪；压电晶体式加速度传感器；电阻应变计等。 ( 2 ) 应变、应力测点分布 以钢包回转台回转中心为观测点，面向钢包为正前方。测点一位于右 臂的下底面；测点二位于右连杆上表面：测点三位于右转臂的内侧表面； 测点四位于右转臂的上表面：测点五位于横梁的右半边，距右转臂内侧表 面1 4 7 0 m m ( 以横梁中心将横梁分为左右两半) ；测点六位于横梁的左半边， 与测点五关于横梁中心对称：测点七位于左转臂的上表面；测点八位于左 连杆上表面。 辽宁科技大学_ 硬士研究生论文 第l 章绪论 ( a ) ( b ) 图l ，l 各测点分布图 f i 9 1 it h ed i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t s 2 振动检测 振动加速度传感器测试点分布图1 1 ，根据各测点的测出时域和频域 分析图，计算出各测点最大振幅和频率。 6 辽宁科技大学硕士研究生论文 第l 章绪论 图1 2 振动测点分布图 f i 9 1 2t h ev i b r a t i n gp o i n t s d i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t s 1 5 本章小结 本章主要是简单阐述钢包回转台的发展状况以及现有钢包回转台的 结构特点，通对现有的设备进行分析，提出本文主要进行的工作，根据回 转台出现异常的状况分析可能的原因，并采用理论与实践相结合的方法， 找出故障或产生异常的问题所在，并提出解决问题的办法。 辽宁科技大学硕士研究生论文 第2 章机械设备故障诊断简介 第2 章机械设备故障诊断简介 2 1 发展背景 随着科学技术与生产的高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互 促进，形成了设备诊断技术这一生命力旺盛的新兴学科。它是一种了解和 掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发 现故障及其原因，并能预报故障发展趁势的技术。通俗地说，它是一种给 设备“看病”的技术。这里所说的“设备”是指机械设备和某些电气设备。 机械设备故障诊断技术日益获得重视与发展的原因是，随着现代化工 业大生产的不断发展和科学技术的日益进步，为了最大限度的提高生产效 率和产品质量，作为主要的生产工具的机械设备不断朝大型、高速、强载、 连续运转以及结构复杂的方向发展。这样，在满足生产需求的同时，设备 发生的故障的潜在可能性和方式也在相应的增加，并且设备一旦发生故 障，就可能破坏整台设备甚至影响整个生产过程，造成巨大经济损失，还 可能导致灾难性的人员伤亡和社会影响。例如，1 9 7 3 年美国三里岛核电站 堆芯损坏事故；1 9 8 5 年美国航天飞机“挑战者号”的坠毁：1 9 8 4 年印度 博帕尔市农药厂异氰酸甲酯毒气外泄事故；1 9 8 6 年前苏联切尔诺贝利核电 站泄漏事故；1 9 8 6 年欧洲莱因河朝士化学工业污染事故等等，都是设备故 障造成的震惊世界的恶性事故。国内，1 9 8 2 年江苏某化肥厂合成氨压缩机 组发生强烈振动，三次停机，损失达千万元以上，1 9 9 5 年山西某电厂一台 2 0 万千瓦汽轮发电机组毁坏，直接损失达千万元。据统计，重要设备的事 故停机造成的损失极为严重：一个乙烯球停产一天，损失产值5 0 0 万元， 利润3 0 0 万元严台大型化纤设备停产1 时，损失产值8 0 万元。英国有人 在1 9 8 4 年发表论文认为：对大型汽轮发电机组进行振动监视，获利与投 资之比为1 7 ：l ，在英国西南地区，每台发电机组如减少2 5 的事故与检修 损失，每年获利可达5 5 亿英磅。这表明采用设备诊断技术，保证设备可 靠而有效地运行是极为重要的。于是，如何确保机械设备的安全运行，就 成为现代设备运行维护和管理的一大课题。实践证明，坚持开展机械设备 状态监测、有效地实施故障诊断技术是保障机械设备安全正常运行的重要 措施。事实上，状态监测与故障诊断技术已经逐步成为工业企业中保证生 产有秩序正常进行的必不可少的重要环节。 从历史上看，机械设备故障诊断技术自身的发展与设备管理和设备维 辽宁科技大学硕士研究生论文第2 章机械设备故障诊断简介 护体制的进步和完善有着密切的联系。 在1 8 到1 9 世纪，机器工业上曾相继出现了以蒸汽机和电动机为代表 的两次飞跃完成了从小作坊手工业到机器生产的工业革命。但在当时，由 于工业生产规模较小机器设备的技术水平和复杂程度都较低，设备的利用 率和设备的维修费用问题不足以引起人们的注意。当然，当时对设备故障 也缺乏认识。因此，对设备采取不坏不修，坏了在修的办法，这就是所谓 的事后维修。 进入2 0 世纪后，特别是在第二次世界大战期间，随着生产规模的不断 扩大和大生产的兴起、发展生产方式发生了很大的变化，出现了以伏特 装配线为代表的流水线生产方式。加上机器设备本身的技术水平和复杂程 度的提高，机器的故障或事故对生产的影响显著地增加了。在这种背景下， 出现了定期预防维修的方式，以便有可能在机器尚未发生故障之前就进行 检修或更换零部件。 到了6 0 年代以后，随着计算机和电子技术的飞跃发展，为了最大限度 得提高工业生产率，促使机械设备朝着大型化、高速化、连续化、精密化、 强载化、系统化以及自动化等高度现代化的方向发展，其结果使得生产体 系的规模变得越来越大，各方面的性能指标变得越来越高，功能越来越多， 设备的组成与结构也越来越复杂。这样的确是满足了提高生产效率、降低 生产成本、节约能源、紧缩人员，提高产品质量以及减少废品等现代化大 生产的要求。然而，随之也带来了新的问题，那就是，一旦生产中的机器 设备发生故障，哪怕仅是局部的失灵，都会有可能导致整台设备停止运转， 甚至还可能造成整条流水线或整个自动化车间停产。显然在这样的条件下 由于设备故障停工而造成的损失将大大的增加，维修费用也会大幅度的增 加，从而在经济上造成的巨大的损失。 日本、美国等许多国家也是因为缺乏正确的状态监测和故障诊断技术， 造成巨大的经济损失和人员伤亡，在我国，由于机械设备发生故障而带来 的损失也是十分惊人的。因此，尤其是在今天，进步深入地开展机械 设备故障诊断方法和技术研究，在实践中对机器的运行状态进行严格和有 效的监测和分析，防止事故的发生或对故障给出早期预报，已经成为现代 化工业生产的客观要求，成为保障生产安全正常开展的一个必不可少的组 成环节【l 。 9 辽宁科技大学硕士研究生论文 第2 章机械设备故障诊断简介 2 2 故障诊断技术的发展 可以说美国是开展机械设备故障诊断技术最早的国家。早在1 9 6 7 年， 在美国国家宇航局( n a s a ) 的创导下，有美国海军研究室( o n r ) 主持 召开了美国“机械故障预防小组( m f p g 一一m a c h i n e r yf a u l t sp r e d i c t g r o u p ) ”的成立大会。参加会议除一名是来自s k f 轴承的工业代表之外， 期于全部都是军界的研究员和维修员，并且以海军和空军为最多。从第二 界会议开始才有企业界和高校的代表参加，之后，代表结构成分也越来越 广泛。除了m f p g 之外，美国还有许多关于设备故障诊断技术研究单位， 这些单位多年来开发研究的成果累累，不少已经达到实用化水平。 在英国，从总体看其设备诊断技术的发展与美国有着密切的联系，最 初的研究工作和启蒙活动始于6 0 年代末至7 0 年代初，以科拉科特 ( r a c o l l a c o t t ) 为首的“英国机器保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t h m o n i t o r i n g c e n t e r ) ”率先开展研究工作，在宣传、培训、咨询、制定规划、 故障分析以及诊断技术开发等多方面取得了很好的成就。 在日本，相比之下如果说美国在航空、核工业以及军事部门中其故障 诊断技术占有领先地位的话，那么日本则在某些民用工业，如钢铁、化工 和铁路等部门发展迅速，占有一定的优势。日本长期密切注视世界潮流的 发展动向，积极引进消化最新技术，最终努力发展自己的诊断技术，特别 注意研制本国的诊断仪器。 在我国，紧跟发达的工业国家，从7 0 年代后期就开展了设备诊断技 术的研究和学习。 1 9 8 6 年，我过正式成立了中国振动工程学会机械故障诊断分会。至今， 该会已发起组织了六次全国性的大型故障诊断学术交流会议，为推动设备 故障诊断技术和方法的进一步完善，开展了大量有意义的工作。 近几年，我国在设备诊断软件系统的开发研制方面也取得了很大进 步，先后研制出多种类型的在线和离线( 巡检) 设备诊断系统。此外，我 国的高等院校已培养了一批以设备状态监测和故障诊断技术为方向的硕 士和博士研究生。 总而言之，我国的机械设备状态监测和故障诊断事业正在各方面的努 力下不断创新，蓬勃发展。 从设备诊断技术的起源与发展来看，设备诊断技术的目的应是“保证 可靠地、高效地发挥设备应有的功能”。这包含了三点：一是保证设备无 1 0 辽宁科技大学硕士研究生论文第2 章机械设备故障诊断简介 故障，工作可靠；二是保证物尽其用，设备要发挥其最大的效益；三是保 证设备在将有故障或已有故障时能及时诊断出来，正确地加以维修，以减 少维修时间、提高维修质量，节约维修费用，应使重要的设备能按其状态 进行维修( 即视情维修或预知维修) ，改革目前按时维修的体制。应指出， 设备诊断技术应为设备维修服务，可视为设备维修技术的内容，但它决不 仅限于为设备维修服务，正如前两点所示，它还应保证设备能处于最佳的 运行状态。这意味着它还应为设备的设计、制造与运行服务。例如，它应 能保证动力设备具有良好的抗振、消振、减振能力，具有良好的抗力能力 等。还应指出，所谓故障是指设备丧失其规定的功能。显然，故障不等于 失效，更不等于损坏，失效与损坏是严重的故障1 1 7 】。 2 3 故障诊断的基本任务 设备诊断技术的最根本的任务是通过测取设备的信息来识别设备的 状态。因为只有识别设备的有关状态，才有可能达到设备诊断的目的。概 括起来，正如对人体诊断一样，一是预防与保健；二是看病与处置。对于 设备的诊断，一是防忠于末然，早期诊断；二是诊断故障，采取措施。具 体讲，设备诊断技术应包括以下5 个方面内容。 1 正确选择与测取设备有关状态的特征信号 显然，所测取的信号应该包含设备有关状态的信息。例如，诊断起重 机桁架有无裂纹决不能靠测取桁架各点温度来判定，因温度信号中不包含 裂纹有无的信息，而测取桁架的振动信号则可达到目的，因为振动信早中 包含了结构有无裂纹的信息。这种信号可称为特征信号。 2 正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信息 般来讲，从特征信号来直接判明设备状态的有关情况，查明故障的 有无是比较难的。例如，一般难于从结构的振动信号直接判明结构有无裂 纹，还需要根据振动理论、信号分析理论、控制理论等提供的理论与方法， 加上试验研究对特征信号加以处理，提取有用的信息( 称为征兆) ，才 有可能判明设备的有关状态。例如，理论分析与试验研究表明，从振动情 号中计算出的固有频率这一征兆固然可用，但对结构有无裂纹产生并不做 成，而计算出的频率特性( 或称频响函数) 却存在着十分敏感的频带，因 此，以频率特性作为征兆则更为合适。所谓敏感的强弱，是指征兆的相对 变化与有关状态相对变化之比的大小。这在概念上是成立的，但在实际上 就不一定计算或测试得出来。 辽宁科技大学硕士研究生论文 第2 章机械设备故障诊断简介 征兆，可以是结构的物理参数( 如质量、刚度等) 、结构的模态参数 ( 如固有频率、模态阻尼、模型等) ，可以是设备的工作特征( 如耗油率、 工作转速、功率等) ，可以是信号的统计特性( 如均值、方差、自功率谱 等) ，也可以是由信号中得出的其他特征量( 加自回归模型参数等) 。 3 根据征兆正确地进行设备的状态诊断 一般来讲，还不能直接采用征兆来进行设备的故障诊断、识别设备的 状态。可以采用多种的模式识别理论与方法，对征兆加以处理，构成判别 准则，进行状态的识别与分类。例如，对发动机的正常状态、间接击状态 与连杆冲击状态，在测取振动信号。采用时序方法加以处理。建立自回归 模型，将自回归参数与残差方差作为征兆后，可用此征兆构成k u l l b a c k - - l t e n e r 信息距离这一判别准则，来识别发动机所处的状态。显然，状态诊 断这一步是设备诊断重点之所在。当然，这决不表明设备诊断的成败只取 决于状态诊断这一步，特征信号与征兆的获取正确与否，是能否进行正确 的状态诊断的前提。 由此应指出，征兆既用于由外表现象推断内部状态，此对可称为症侯： 又用于由现在现象推断未来状态，此对可称为预兆。状态诊断既包括诊断 设备是否将发生什么故障，此即早期诊断，也包括诊断设备已发生什么故 降，此即故障诊断。 4 根据征兆与状态正确地进行设备的状态分析 当状态为有故障时，则应采用有关方法进一步分析故障位置、类型、 性质、原因与趋势等。例如，故障树分析是分析故障原因的一种有效方法， 当然，故障的原因往往是次一级的故障；如轴承烧坏是故障，其原因是输 油管不输油，不输油是因油管堵塞，后者是因滤油器失效等等，这些原因 就可称为第二、三、四级故障。正因为故障的原因可能是次级故障，从而 有关的状态诊断方法也可用于状态分析。当状态为无故障时，则可用 k a l m a n 滤波、对序模型等方法进一步分析状态趋势，预计未来情况。 5 根据状态分析正确地作出决策 干预设备及其工作进程，以保证设备可靠、高效地发挥其应有功能， 达到设备诊断的目的。所谓干预包括人为干预和自动干预，即包括调整、 修理、控制、自诊断等等。 应当指出，实际上往往不能直接识别设备韵状态，因此事先要建立同 状态一一对应的基准模式，由征兆所作出的判别准则，此时是同基准模式 相联系来对状态进行识别与分类的。显然，将上述设备诊断内容加以概括， 1 2 辽宁科技大学硕士研究生论文第2 章机械设备故障诊断简介 可得到图2 1 所示的设备诊断过程框图。 所谓简易诊断主要指状态诊断这步只判明设备有无故障，但不作故障 分析；而所谓精密诊断则包括状态诊断与状态分析这两步，还可能要判明 多种故障的情况。 一般所谓工况监视实际上是状态监视，故障是设备的异常状态；因此， 工况监视是故障诊断( 亦即设备诊断的基础) 。设备诊断过程可以说是设 备的工况监控、分挤与干预过程【19 1 。 2 4 故障诊断的基本过程 根据图2 1 可知，状态监测及故障诊断的具体实施分为四个主要步骤： 1 信号( 数据) 采集 机械设备在运转过程中必然会有力、热、振动及能量等各种变化，这 样从外部表现来看会产生各种不同的信号。因此我们根据不同的诊断目 的，选择最能代表机械设备运行状态的信号( 如振动、噪声、温度、压力 等) 作为状态信号初始模式，并采用合适的传感器和测量方法来采集信号。 童剥c 娶 典型故障一，。、 ( 故障模拟) i。 诊断实施 机械设备 ( 信号) 信号 l 状态信号l 特征 ( 数据) r 叫 l ( 初始模式h 采集 il 提取 状态识别 诊断 决策 图2 1 机械故障诊断全过程 f i 9 2 1t h ep r o c e s so fm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s 2 特征提取 这是一个信号处理过程，即将采集的信号进行分类加工、处理，包括 进行数据维数压缩、形式更换、模型转换等。从而去掉冗余信息，提取出 故障信息特征，形成待检模式。 3 状态识别 罴 征 取 特 提 h 障一 号 故一 信 辽宁科技大学硬士研究生论文 第2 章机械设备故障诊断简介 将经过信号处理和特征提取获得的待检模式与数据库中已有样板模 式( 故障档案) 按一定准则和诊断策略，进行对比分析，以确定设备当前 所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。 4 诊断策略 根据对设备的状态所作出的判别和决定应当采取的对策和措施，即对 机械设备的运行必要的预测及实旖必要的干预措施，所谓预测就是指在 ( 维持原来运行状态情况下) 暂不采取任何措施的情况下，估计设备还可 以继续运行多长时间，后估计可能产生的后果。干预措施则包括监视方案， 加强监测方案，以及通过停机修理彻底消除故障。 以上四个步骤构成了一个循环，一个复杂，疑难的故障往往不能通过 一个循环就正确地找出结症所在，而通常都需要经过多次诊断重复循环， 逐步加深认识的深度和判断的准确度，才能最后解决问题【2 “。 2 。5 设备故障的检测方法 由于机器运行的状态千差万别，因而出现的故障也多种多样，采用的 检测方法各不相同。 本节将对具体的各种故障应采用的方法及其应用范围作一下介绍。 1 振动和噪声的故障检测 机器在运行的过程中振动是诊断的重要信息，它反映了机器的状态。 根据检阅的振动和噪声信号，可采用以下方法对机器状态进行诊断： ( 1 ) 振动法：对机器主要部位的振动值如位移、速度、加速度、转 速及相位等进行测定。与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行 状况进行评定，这是最常用的方法。 ( 2 ) 特征分析法：对测得的上述振动量在时域、领域、时一频域进 行特征分析。用以确定机器各种故障的内容和性质。 ( 3 ) 模态分析与参数识别法：利用测得的振动参数对机器零部件的 模态参数进行识别确定故障的原因和部位。 ( 4 ) 冲击能量与冲击脉冲测定法：利用共振解调技术以测定滚动轴 承的故障。 ( 5 ) 声学法：对机器噪声的测量可以了解机器运行情况并寻找故障 源。 2 。材料裂纹及缺陷损伪的故障检测 材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检 辽宁科技大学硕士研究生论文第2 章机械设备故障诊断简介 测： ( 1 ) 超声波探伤法：该方法成本低。可测厚度大，速度快，对人体 无害，主要用来检测平面型缺陷。 ( 2 ) 射线探伤法：主要采用x 和y 射线。该方法主要用于展示体积 型缺陷，适用于一切材料，测量成本较高，对人体有一定损害，使用时应 注意。 ( 3 ) 渗远探伤法：主要有荧光渗透与省色渗透两种。该方法操作简 单，成本低，应用范围广，可直观显示，但仅适用于有表面缺陷的损伤类 型。 ( 4 ) 磁粉探伤法：该法使用简便，较渗透探伤更灵敏。能探测近表 面的缺陷，但仅适用于铁磁性材料。 ( 5 ) 涡流探伤法：这种方法对封闭在材料表面下的缺陷有较高的检 测灵敏度，它属于电学测量方法，容易实现自动化和计算机处理。 ( 6 ) 激光检测法：它是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种技术，可检 测各种蜂窝结构、叠层结构、高压容器等。 ( 7 ) 微波检测技术：它也是近几十年来发展起来的一种新技术，对 非金属的贯穿能力远大于超声波方法，其特点是快速、简便，是一种非接 触式的无损检测。 ( 8 ) 声发射技术：它主要对大型构件结构的完整性进行监测和评价， 对缺陷的增长可实行动态、实时监测，且检测灵敏度高、目前在压力容器， 核电站重点设备及放射性物质泄漏，输送管道焊接部位缺陷等方面的检测 获得了广泛的应用。 3 设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测 这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可用下列方法： ( 1 ) 光纤内窥技术：它是利用特制的光纤内窥探测器直接观测到材 料表面磨损及腐蚀情况。 ( 2 ) 油液分析技术：油液分析技术可分为两大类：一类是油液本身 的物理、化学性能分析，另一类是对油液污染程度的分析。具体的方法有 光谱分析法与铁谱分析法。 4 温度、压力、流量变化引起的故障检测 机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数，如温度、压力、 流量的变化中，在温度测量中除常规使用的装在机器上的热电阻、热电偶 等接触式测阻仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温方法有红外 辽宁科技大学硕士研究生论文第2 章机械设备故障诊断简介 测温仪和红外热伤仪，它们都是依靠物体的热辐射进行测量1 2 。 2 6 本文采用的检测方法 机器在运行的过程中振动是诊断的重要信息，它反映了机器的状态。 所以本文采用以下方法对钢包回转台工作状态进行诊断。 1 振动法：对钢包回转台主要部位的振动值如位移、速度、加速度、 转速及相位值等进行测定，与标准值进行比较，据此可以宏观地对钢包回 转台的运行状况进行评定。 2 特征分析法：对测得的上述振动量在时域、频域、时一频域进行特 征分析，用以确定钢包回转台故障的内容和性质。 3 应变片测试：对钢包回转台零部件性能的测定，主要反映在强度、 刚度方面，这对预测设备的可靠性，预报设备破坏性故障具有重要意义。 以上这三种方法是机械故障诊断中最常用的检测方法。 1 6 辽宁科技大学硕士研究生论文第3 章有限元基础及a n s y s 分析 第3 章主要零部件的a n s y s 有限元分析 3 1 概述 有限元法是适应电子计算机的使用而发展起来的一种比较新颖和有 效的数值计算方法。这种方法大约起源于2 0 世纪5 0 午代航空工程中飞机 结构的矩阵分析。结构矩阵分析是结构力学的一种分析方法。结构矩阵分 析方法认为：整体结构可以看作是由有限个力学小单元相互连接而组成的 集合体，每个单元的力学特性可以比作建筑物中的砖瓦，装配在一起就能 提供整体结构的力学特性。 为什么要首先分析力学小单元的特性呢? 直接分析整体结构不是更 好吗? 我们说人类的认识能力是有限的，不可能一下子就弄清楚很复杂的 东西。因此往往把复杂系统分解成形态容易了解的单个元件或“单元”， 研究其形态。再将这些元件重新原来的系统以得到整体形态。这是工程技 术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。 有些系统由有限个已经充全确定的元件组成，我们称它为离散系统： 例如：电阻及其电阻网络，杆件及其由杆件织成的桁架，水管和由它们组 成的水管网络等等。另外一些系统则可以无限地被分割，这其中的问题只 有利用无穷小这数学概念才能定义，它意味着有无限个单元组成，我们 称这种系统为连续系统。例如一块受力平板，一个活塞，一根轴等。 随着数字电子计算机的出现，求解离散系统问题般比较容易，即使 单元数目非常大时也是如此。例如桁架结构，过去结构力学的方法只能求 解比较简单、杆件数目也较少的结构。有了计算机之后，基本上还是用结 构力学的办法，可以求解杆件数目成千上万个的大型平面或空间立体桁架 中各个杆件的受力及变形。例如大型体育场馆的屋顶或雨棚现在多采用球 体连接的空间立体网架，它在风、重力等载荷的什用下各个杆件受多大力、 有多大变形，是否安全，都可以内结构矩阵分析的方法，根据有限元的思 想，利用计算机求出。而对于连续系统，出于实际上有无限个单元，而计 算机的存储量总是有限的，因此由计算机不容易处理。一般来讲，连续系 统只有通过数学运算才能精确求解。但是工程中能得到精确解的问题很 少，只有在非常简单的情况下才是可能的。例如弹性力学中的薄板弯曲问 题，只有矩形板或圆形板而且支撑和载荷都非常简单的情况才可能求出解 析解。对传热学中的热传导问题也是如此。而工程中的构仍形状一般都是 辽宁科技大