障诊断基础ok

机械故障诊断,程道来办公室：第二学科楼A308电话：02160873631箱：daolaicheng,第二章机械故障诊断基础,目录,2.1故障的概念与分类,2.2故障规律,2.3故障模式,2.4故障机理,2.5故障特征参量,2.6机械系统故障状态标准,2.9机械故障诊断的一般思维方法,第3页,2.8机械故障诊断技术的分类,2.7机械故障评定标准,第4页,返回到目录,2.1故障的概念与分类,一、故障的概念,二、机械系统故障的外因,三、机械故障的分类,1、功能失常、失效及区别（P7严）2、失效和故障概念3、判断故障的准则4、常见的几种故障,2.1故障的概念与分类,一、故障的概念,返回到目录,第5页,1、环境因素（能量，中晚期）P72、人为因素(早期)P83、时间因素（晚期）,2.1故障的概念与分类,二、机械系统故障的外因（P8-10严）,返回到目录,第6页,(1)便于信息交流；(2)便于处理故障时更有针对性。,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,1、分类的目的,返回到目录,第7页,机械故障可以从不同的角度来进行分类(1)按其发生的原因分(2)按其造成的后果分(3)按其发生的快慢分(4)按其发生的范围（程度）分(5)按其发生的频次分(6)其他角度来进行分类（所采用的技术手段）,2、分类方法,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第8页,返回到目录,(1)磨损性故障：是指机械系统因使用过程中的正常磨损而引发的一类故障，对这类故障形式，一般只进行寿命预测。(2)错用性故障：是因使用不当而引发的故障。(3)先天性故障：是由于设计或制造不当而造成机械系统中存在某些薄弱环节而引发的故障。(4)先天性故障、使用性故障。,3、按其发生的原因分,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第9页,返回到目录,(1)危害性故障：故障发生后会对人身、生产和环境造成危险或危害的一类故障，如机床保护系统不能进行有效地工作而造成损害工件或操作者的故障、毒气泄漏、高压罐爆炸等。(2)安全性故障：故障的发生不会对人身、生产和环境造成危害的一类故障，如保护系统在不需保护时动作的故障等。,4、按造成的工程技术安全性后果分,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第10页,返回到目录,(1)突发性故障：不能靠早期测试探测出来的一类故障。即此类故障是不可预测的，对这类故障只能进行预防，如过载造成机件损坏。(2)渐发性故障：故障的发展有一个过程，因而可对其进行预测和监视，如疲劳裂纹的产生和扩展。,5、按其发生的快慢分,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第11页,返回到目录,(1)部分性故障：设计功能部分丧失的一类故障。(2)完全性故障：设计功能完全丧失的一类故障。,5、按其发生的范围分,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第12页,返回到目录,(1)偶发性故障：发生频率很低的一类故障，即“意外现象”，如齿轮断齿。(2)多发性故障：经常发生的一类故障，如齿轮磨损。机械故障还有其它分类方法，如单一故障/复杂故障等，可参考有关文献。,6、按其发生的频次分,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第13页,返回到目录,(1)按故障的性质人为故障、自然故障(2)按故障持续时间间断性故障、持续性故障(3)按故障的程度局部性故障、完全性性故障,7、机械故障其它分类方法（P10-11严）,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,第14页,返回到目录,(4)按故障造成的“严重性”轻微故障、一般故障、严重故障、恶性故障(5)按故障的相关性相关故障-间接故障、非相关故障-直接故障,7、机械故障其它分类方法（P10-11严）,(6)按故障复杂性单一故障、复杂故障,2.1故障的概念与分类,三、机械故障的分类,15,第15页,返回到目录,故障规律遵循典型故障曲线(浴盆曲线)（P13严）：一、早期故障期(期)二、偶发故障期(期)三、严重故障期(期),2.2故障规律,第16页,返回到目录,磨合期正常使用期耗损期,2.2故障规律,故障规律遵循典型故障曲线(浴盆曲线)（P13严）：,第17页,返回到目录,故障模式（征兆）是外因和内因对机械系统共同作用结果所表现的故障形态。（P13严）一、外因：应力二、内因：机理三、维护设计制造等,2.3故障模式,第18页,返回到目录,故障机理是引起机械系统故障的物理、化学变化等在内的原因、规律及其原理（P13严）。注意：1、主导故障机理、诱导故障机理2、一次故障、二次故障3、故障和征兆之间的交叉或对应关系4、不同故障概念之间的联系及基本特性：故障原因、故障机理、故障模式、故障分析之间的关联性、机械故障的层次性、传播性、放射性、相关性、延时性、不确定性等基本特性。,2.4故障机理,第19页,返回到目录,一、故障特征参量的定义二、故障特征参量的选取原则三、故障特征参量的选定方法,2.5故障特征参量,第20页,返回到目录,对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题是：(1)这种故障通过哪些物理参量表现出来?(2)这种故障与各物理参量间的关系强弱情况如何?一般而言，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生了变化，就必定会影响到与之相联系的各个动态物理参量，牵涉面较广。而故障类型与物理参量的关系强弱是我们最感兴趣的。因为只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障敏感可靠的物理参量才被用于故障的诊断。故障特征参量的定义：对故障敏感、稳定可靠的物理量（原始/运算后）称为故障特征参量。,一、故障特征参量的定义,2.5故障特征参量,第21页,返回到目录,说明1：机械系统的故障类型千差万别，与每一种故障类型相对应，机械系统必定会通过一个或多个物理参量将其表征出来(一因多果)；每一种故障类型也必须由一种或多种原因所引起(一果多因)。如齿轮齿面点蚀。故障表现与其特征参量和故障原因之间存在的对应关系：,一、故障特征参量的定义,2.5故障特征参量,第22页,返回到目录,F=f(1,2,3,.）F某种故障类型；1,2,3各特征参量或故障原因。故障诊断就是要确定F与1,2,3.之间的某种对应关系f，以便通过检测1,2,3来判断故障类型F是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成F产生的原因1,2,3等。,一、故障特征参量的定义,2.5故障特征参量,第23页,返回到目录,说明2:对于同一种故障类型，当它们发生在不同的机械系统上时，其故障特征参量也不同，因此，在确定某种故障的特征参量时，应结合具体的系统进行。例如：一般机器的轴承发生故障时，其温度会升高，此时温度可选为故障特征参量。然而，对于矿用通风机，其转子轴承处于风道内，受到强风冷却，即使出现故障温度也未必明显升高，此时就不宜选用温度作为轴承故障的特征参量。,一、故障特征参量的定义,2.5故障特征参量,第24页,返回到目录,1、高度敏感性：机械系统状态的微弱变化应引起故障特征参量较大的变化；2、高度可靠性：故障特征参量是依赖于机械系统的状态变化而变化的，如果把系统状态取作自变量，故障特征参量取作因变量，则故障特征参量应是系统状态这个自变量的单值函数；3、实用性(或可实现性)：故障特征参量应便于检测，如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不易获得(经济、技术方面的考虑)，那么这个物理参量也不便用作故障特征参量。如齿面温度。,二、故障特征参量的选取原则,2.5故障特征参量,第25页,返回到目录,理论分析+实验原因：1、故障的复杂性及多因多果性;2、故障类型不同，其故障特征不同，其故障特征参量也不同；3、即使是同一种故障类型，当其环境条件(包括故障主体)发生变化时，其故障特征参量也不同。,三、故障特征参量的选定方法,2.5故障特征参量,第26页,返回到目录,故障状态标准有：（P14-16严）一、损伤程度的极限值二、输出系数的极限值三、整机的极限状态四、经济损失的极限值,2.6机械系统故障状态标准,第27页,返回到目录,机械故障三种判断标准一、绝对判断标准二、相对判断标准三、类比判断标准。可用平均法制定相对判断标准。,2.7机械故障评定标准,第28页,返回到目录,转机振动标准举例(轴承振动)ISO2372，ISO3945,振动烈度：振动速度的有效值测量频率范围101000Hz,I级：小型机械例15kW以下电机II级：中型机械例1575kW以下电机和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础60012000r/minIV级：大型机械，柔性基础60012000r/min,第29页,返回到目录,(轴振动)转机振动标准举例,VDI德国工程师协会IEC国际电工协会API美国石油协会NEMAMITI/JEAC,第30页,返回到目录,相对法确定振动限值,滚动轴承齿轮,旋转机械滑动轴承,第31页,返回到目录,类比法确定振动限值,C泵的振动超过同类诸泵的振动一倍，C泵应定为有故障,第32页,返回到目录,滚动轴承机械的报警参考值,第33页,返回到目录,滑动轴承机械的报警参考值,第34页,返回到目录,所谓机械故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分析其产生的原因、部位和严重程度，并预报其发展趋势。,2.8机械故障诊断技术的分类,一、机械故障诊断技术定义,第35页,返回到目录,机械故障诊断（技术）可按以下方法分类：1、按其目的分：功能诊断、运行诊断2、按其方式分：在线监测诊断、巡回检测诊断（离线监测诊断）3、按其提取信息的方式分：直接诊断、间接诊断4、按诊断时所要求的机械运行工况条件分：常规工况诊断、特殊工况诊断5、按功能分：简易诊断、精密诊断,二、机械故障诊断技术分类,第36页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,1、功能诊断即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功能是否正常，也就是投入运行前的诊断。2、运行诊断即对服役中的机械系统进行的诊断。,三、按目的分,第37页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,1、在线监测（诊断）就是连续地对服役中的机械系统进行监测，测试传感器及二次仪表等安装在设备现场，随机械系统一起工作。2、巡回检测（离线监测诊断）就是每隔一定的时间对服役中的机械系统进行检查和诊断；,四、按方式分,第38页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,1、直接诊断诊断对象与诊断信息来源直接对应的一种诊断方法，即一次信息诊断。如通过检测齿轮的安装偏心和运动偏心等参数来判断齿轮运转是否正常即属此类。2、间接诊断诊断对象与诊断信息来源不直接对应的一种诊断方法，即二次、三次等非一次信息的诊断。如通过测箱体的振动来判断齿轮箱中齿轮是否存在偏心等。通常所谓的诊断主要是指间接诊断。,五、按提取信息的方式分,第39页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,1、常规工况诊断在机械的正常运行条件下进行的一种故障诊断方式。2、特殊工况诊断对某些机械，需为其创造特殊的工作条件才能对其进行诊断。如动力机组的升降速过程诊断、提升机启、停过程诊断。,六、按诊断时所要求的机械运行工况条件分,第40页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,1、简易诊断对机械系统的状态作出相对粗略的判断。一般只回答“正常与否”、“有无故障”等问题，而不分析故障原因、故障部位及故障程度等。又称“状态监测”。2、精密诊断是在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程，它不仅要回答“正常与否”、“有无故障”的问题，而且还要详细地分析出故障原因、故障部位、故障程度及其发展趋势等一系列的问题。又称“故障诊断”。,七、按功能分,第41页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,精密诊断的方法,频谱分析法趋势分析法通频值趋势分析、频谱趋势分析时域分析法波形分析、相关函数分析倒频谱分析法模态分析法随机减量法,其他数学方法模式识别法模糊诊断法故障树诊断法神经网络法小波分析法灰色系统法分形几何法,2.8机械故障诊断技术的分类,第42页,返回到目录,精密诊断最常用的方法,频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。,2.8机械故障诊断技术的分类,第43页,返回到目录,1、旋转机械诊断技术2、往复机械诊断技术3、工程结构诊断技术4、机械零件诊断技术5、液压系统诊断技术6、电气设备诊断技术7、生产过程综合诊断技术,2.8机械故障诊断技术的分类,（P19-21严）,八、按诊断对象的类别分,第44页,返回到目录,1、振动与噪声监测法振动诊断法、声学诊断法2、油液监测法3、性能参数法温度诊断法、强度诊断法、压力流量诊断法、表面形貌（材料裂纹缺损等）诊断法、电参数诊断法、工艺参数变化诊断法,2.8机械故障诊断技术的分类,（P19-21严）,九、按信号的物理特征分,第45页,返回到目录,振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。,2.8机械故障诊断技术的分类,九、按信号的物理特征分,第46页,返回到目录,1、事故前预防。不能预防突发性故障，只能预防渐变性故障。2、事故后分析。渐变性故障是随着劣化的进展而逐步恶化，在此过程中存在着某些特征信号与之相应地变化，这些特征信号，就是设备的状态信息，其物理表现就是检测、分析的对象。从根本上讲，所有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，转换与传递过程中的附加能量损耗愈小。随着设备的劣化，附加能量损耗快速地增大。附加能量损耗中包括的各种物理量构成设备的状态信息中的重要部分。,第47页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,十、按诊断技术的应用分为,以传递力和运动的设备，如齿轮箱、轧钢机、切削、挤压设备等，附加能量损耗的初始形式也以力和运动表现出来，这就是振动、摩擦。附加能量损耗的二次形式是发热，由此将损耗的能量散发出去。设备状态信息中主要的物理量是力和运动，它也有多种形式，包含作功的力、作功的运动（位移、速度等）、损耗的力和运动，以振动及摩擦热的形式表现。因此设备状态信息的获取：温度测量应尽可能靠近热源点；测振的探头也应尽可能地靠近振动源，以期获得尽量强的振动信号。,第48页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,十、按诊断技术的应用分为,以能量转换为主要工作任务的设备，其设备的状态信息包括转换前的能量、转换后的能量以及因这些能量的损耗所衍生的物理量。分述如下：泵、风机、压缩机等都是将机械能转换成介质能量的设备，设备的状态信息包括机械能的参数力、速度、振动、温度；也包含介质的能量压力、流量。电动机是将电能转换为机械能的设备，设备的状态信息包括：电压、电流、漏电流；也包括机械能的参数力、速度、振动（频率、振幅）、温度。内燃机类的设备是将燃料中的能量转换为机械能，设备的状态信息以机械能的参数力、速度、振动、温度等为主。热工设备（工业炉、窑、化工反应塔等）的状态信息主要为设备的温度场分布。,第49页,返回到目录,2.8机械故障诊断技术的分类,十、按诊断技术的应用分为,1、定期诊断和连续诊断2、在线诊断和离线诊断,2.8机械故障诊断技术的分类,（P19-21严）,十一、按诊断实时方式分,第50页,返回到目录,离线分析诊断,定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放到计算机，由计算