《故障诊断》讲稿第一章

机械设备故障诊断

冶金设备研究所李友荣办公地点：教一楼五楼510室：68862292国务委员陈至立、教育部长周济视察实验室

教材1、《机械故障诊断基础》廖伯瑜主编，冶金工业出版社，20052、《机械设备故障诊断技术及方法》张来斌王朝晖等石油工业出版社20003、《机械故障诊断学》钟秉林黄仁主编机械工业出版社20075、《随机振动》李友荣编著冶金工业出版社19944、《设备故障诊断手册》徐敏主编西安交通大学出版社19986、《机械故障诊断学》屈梁生主编上海科学出版社1987

教材

以课堂笔记（要与作业一起交老师批阅，作为平时成绩考核仍据）为主线

以廖伯瑜主编的《机械故障诊断基础》为主要参考教材概论、设备劣化进程和设备维修制度1.1.1设备劣化进程中的一般规律(浴盆曲线和劣化曲线)设备劣化进程可分为三个部分(图1-1)Ⅰ——磨合期，新设备的跑合阶段，故障率高。Ⅱ——正常使用期，设备经跑合后处于稳定的阶段，这个阶段故障率最低。Ⅲ——耗损期，设备由于磨损、疲劳、腐蚀等已处于老年阶段，故障率又逐步升高。概论、设备劣化进程和设备维修制度设备劣化曲线(图1-2)一般重要设备的跑合在制造厂进行，现场运行的设备一般都处于Ⅱ、Ⅲ阶段，取设备劣化进程（浴盆曲线）的Ⅱ、Ⅲ部分（即劣化曲线）。劣化曲线分为三个阶段：绿区（G）——故障率最低的阶段，设备处于良好状态。黄区（Y）——浴盆曲线Ⅲ区的初始阶段，故障率已有抬高的趋势，设备处于应注意的状态。红区（R）——浴盆曲线Ⅲ区故障率已大幅度上升的阶段，设备已处于危险状态，要准备随时停机检修。概论、设备维修制度、传统维修制度:第一章概论、设备维修制度、传统维修制度:

随着设备向大型化、高速化、连续化和自动化方向发展，设备的维修费用在急剧增加，如美、日两国企业的年平均维修费分别占企业固定资产的4～8.5%和～12%；在我国，这个比例则为12～25%。

面对当今世界激烈竞争的市场环境，如何有效地管理和使用先进的生产设备，减少设备非计划事故的维修费用，提高设备的可靠性与有效性，从而降低企业的产品成本，一直是国内外企业所面临的一个重大课题。、现代维修制度——视情维修（预知维修）

前提条件：以对设备的运行状态监测为基础，以对故障诊断和预测结果而采取维护决策根据设备运行故障状态来确定设备维修时间、内容和方法。

必须对重要设备进行状态监测和故障诊断设备故障诊断技术（FaultDiagnosis)）

利用测取设备在运行中或相对静态条件下的状态信息，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的历史状况，来定量识别设备及其零件、部件的实时技术状态，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状态，从而确定必要对策的技术。、故障诊断技术分类、按诊断对象的类别分类（1）旋转机械诊断技术：转子、风机、泵、透平机、汽轮发电机组……（2）往复机械诊断技术：活塞曲柄连杆机构（3）工程结构诊断技术：金属结构、框架、桥梁、容器、建筑物、地桩等、故障诊断技术分类、按诊断对象的类别分类（4）机械零件诊断技术：转轴、轴承、齿轮、连接件等（5）液压设备诊断（6）电气设备诊断技术（7）生产过程综合诊断技术：机械加工过程、轧钢生产过程、发电厂生产过程……、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（1）振动诊断法：以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检测目标，进行特征分析、谱分析和时频域分析，也包括含有相位信息的全息谱诊断法和其它方法。（2）强度诊断法：以力、扭矩、应力、应变为检测目标，进行冷热强度变形、结构损伤容限分析与寿命估计。主小车满载位于跨中时各测点的应力值起重机结构、测点分布、贴片方案现场测试（mean=-20.434,max=-1.113,min=-46.833）

（mean=-15.51,max=-5.268,min=-24.454）

4#测点应力记录曲线5#测点应力记录曲线东梁动态应力记录曲线的比较宝钢桥式起重机主梁寿命研究金属结构疲劳分析方向起重机桥架三维有限元分析

----最小主应力图金属结构疲劳分析方向宝钢桥式起重机主梁寿命研究起重机桥架三维有限元分析

----最大主应力图东主梁主腹板焊缝剪应力谱图西主梁主腹板焊缝剪应力谱图东主梁下盖板焊缝应力谱图西主梁下盖板焊缝应力谱图

主腹板及下盖板焊缝应力谱东主梁副腹板焊缝剪应力谱图(不开坡口）西主梁副腹板焊缝剪应力谱图东主梁副腹板焊缝剪应力谱图(开坡口）西主梁副腹板焊缝剪应力谱图副腹板焊缝应力谱p=50%MPa;p=95%MPa，

剪应力疲劳极限＝0.707×Mpa焊缝的p—S—N曲线疲劳寿命计算公式

主梁的疲劳寿命（工作寿命）为：

（按年产钢788万吨计）每年循环次数为：26×3×365＝28470次疲劳寿命计算结果

（按年产钢788万吨计）桥式起重机主梁最危险的部位是主、副腹板扒渣机端直角焊缝处，根据焊缝形式的不同，疲劳寿命为:17年。、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（3）温度诊断法：以温度、温差、温度场、热象为检测目标，进行温变量、温度场、红外热象识别与分析。实测结果未涂保温材料红外温度成像LI03处温度分布曲线热送初始温度为1080℃90秒后中间坯尾部温度比不使用保温罩提高41℃空冷90秒后中间坯温度为956℃实测结果1000800600400200150涂保温材料红外温度成像LI03处温度分布曲线热送初始温度为1080℃90秒后中间坯尾部温度比不使用保温罩提高65℃空冷90秒后中间坯温度为956℃

未盖罩时输送辊的温度仿真温度8150C实测温度7920C

盖罩时输送辊的温度仿真温度8520C实测温度8430C、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（4）声学诊断法：以噪声、声阻、超声、声发射为检测目标，进行声级、声强、声源、声场、声谱分析。超声波诊断法，声发射诊断法。噪声诊断的优点：非接触缺点：环境噪声干扰大

对策：研究降噪新方法、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类超声波诊断法声波：能引起人的听觉的机械波，20～20000Hz超声波：频率高于20000Hz的机械波次声波：频率低于20Hz的机械波超声波的特点：方向性好——可定向发射能量高——能量（声强）与频率平方成正比穿透力强——在一些金属材料中可达数米、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类超声波的类型：纵波L、横波S（T）、表面波R纵波L：介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波。固体、液体和气体介质都可传播纵波，常用于钢板、锻件探伤。(图9-1)

、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类超声波的类型：纵波L、横波S（T）、表面波R横波S（T）：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。只能在固体中传播。(图9-2)、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类超声波的类型：纵波L、横波S（T）、表面波R表面波Ｒ：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波。只能在固体中传播。表面波探伤只能发现距工作表面两倍波长深度内的缺陷。(图9-3)、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类超声波的探伤方法：脉冲反射法、穿透法、共振法脉冲反射法：超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内，根据反射波来检测试件缺陷的方法。含缺陷回波法、底面回波高度法、底面多次回波法。

、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类

当试件完好时，探伤图形中只有表示发射脉冲Ｔ及底面回波Ｂ两个信号。

若试件中存在缺陷，在探伤图形中有表示缺陷的回波Ｆ，且底面回波Ｂ减弱。缺陷回波法：（图9-9）、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类底面回波高度法:（图9-10）依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况

当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。

如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失。、故障诊断技术分类底面多次回波法:（图9-11）依据底面回波次数，判断试件有无缺陷

当试件完好无缺陷时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3……。

如果试件存在缺陷，底面回波次数减少，并显示出缺陷回波。、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类穿透法:（图9-12）依据脉冲波或连续波穿透试件后的能量变化来判断缺陷情况、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类共振法：（常用于测厚）当试件厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，引起共振。

δ——试件厚度；c——被测试件的声速fn——第n阶共振频率、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类声发射技术广泛应用于对运行状态下构件缺陷的发生和发展进行在线监测

声发射：材料在外载荷或内力作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。检测频率大都在100～300kHz。、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类

声发射技术的特点：（a）声发射是动态检查，只有被检零件受到一定载荷，有开放性裂纹发生和发展的前提下才会有声发射可以接收；（b）声发射是试件本身发射的弹性波，由传感器加以接收，接收信号的幅值、相位、频率不能直接表征声发射源发出的信号。、故障诊断技术分类

声发射技术测量的参数描述：（a）事件计数法(图9-15)累计脉冲计数——声发射次数的总和；声发射计数率——单位时间内的声发射次数。材料应力达到屈服极限时，计数率有一峰值，而累积脉冲数则直线增加。、故障诊断技术分类

声发射技术测量的参数描述：（b）幅度和幅度分布声发射信号的幅度（一般采用峰值或有效值）可作为声发射源释放能量的量度事件分级幅度分布（图9-16）累计幅度分布（图9-17）（c）频谱、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（5）电参数诊断法：以功率、电信号及磁特性等为检测目标，进行物体运动、系统物理量状态、机械设备性能等分析。(磁粉探伤)（6）光学诊断法：以亮度、光谱、各种射线效应为监测目标，研究物质或溶液构成，分析构成成分量值，进行图形成象识别分析。(特别是光谱分析)、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（7）污染物诊断法：以泄漏、残留物、气、液、固体的成分为检测目标，进行液气成分变化、气蚀油蚀、油质磨损分析。

特别是采用光谱、铁谱和电镜能谱对润滑油样中磨屑浓度、成分、粒度等进行检测分析、故障诊断技术分类、按所利用的状态信号的物理特征分类（8）性能趋势诊断法：以设备各种主要性能指标为检测目标，研究和分析设备的运行状态、识别故障的发生与发展，提出早期预报与维修计划，估计设备的剩余寿命。、故障诊断技术分类、按诊断的目的、要求和条件的不同分类（1）

性能诊断和运行诊断性能诊断：对新安装和刚维修后设备，诊断其性能是否正常，并按诊断结果进行调整。运行诊断：对工作中的设备进行状态监测及故障诊断。（2）定期诊断和连续诊断

、故障诊断技术分类、按诊断的目的、要求和条件的不同分类（3）直接诊断：如轴承间隙、齿面磨损、叶片的裂纹、管道的壁厚等。间接诊断：通过二次效应（温度、振动、噪声……等）来间接判断设备中关键部位的状态变化。、故障诊断技术分类、按诊断的目的、要求和条件的不同分类（4）常规诊断：在正常工作状态下。特殊诊断：在特殊工作状态下，包括失事诊断，例如利用“黑匣子”提供的信息判定飞机失事的原因。（5）在线诊断（对重要关键设备）和离线诊断、故障诊断技术分类、按诊断的目的、要求和条件的不同分类（6）简易诊断：利用便携式监测与诊断仪表，对设备有无故障及故障严重程度作出判断，一般由现场作业人员实施。（7）精密诊断：由专业人员根据监测的各种信息进行综合分析，确定故障的类型、部位、产生的原因、故障严重程度及发展趋势，确定清除故障、改善设备状态的方法。、故障诊断的基本内容与结构体系、诊断过程的三阶段状态监测分析诊断治理预防

、故障诊断的基本内容与结构体系、状态监测与故障诊断系统的技术结构第一部分

状态监测、故障诊断的基本内容与结构体系、状态监测与故障诊断系统的技术结构第二部分

故障诊断

分析研究各种症状与故障之间存在的客观关系，识别和诊断出设备故障，说明其性质和程度等。、故障诊断的基本内容与结构体系、状态监测与故障诊断系统的技术结构、故障诊断的基本内容与结构体系、状态监测与故障诊断系统的技术结构症状（S）：振动、噪声、变形、裂纹、温度、压变、残留物泄转速、扭矩、功率等故障（F）：磨损、腐蚀、变形、裂纹、不对中、不平衡、松动、堵、漏、性能失常……逻辑关系（R）（诊断方法与诊断理论）：简单映射、

加权相关、规则相关、置信因子、

统计识别、