项目一 机械信号测取技术

机械设备故障诊断技术陈彩萍CompanyLogo项目一机械信号测取技术

机械设备故障的信息测取与检测方法

1信号处理基础

2CompanyLogo任务1机械设备故障的信息测取与检测方法

一、机械设备故障诊断的意义转子事故预防事故，保证人身和设备安全现实生活和工业过程中恶性事故时有发生透平机械事故现实生活和工业过程中恶性事故时有发生水轮机事故调查委员会在经过４个月的调查后，提出长达２５６页的调查报告。报告认为，“挑战者”号爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题。由于航天飞机发射时气温过低，寒冷的天气对火箭垫圈产生影响，最终导致爆炸。1９８６年１月２８日“挑战者”号爆炸价值１２亿美元的航天飞机被炸成碎片，７名机组人员全部遇难现实生活和工业过程中恶性事故时有发生断裂部位三峡塔带机断裂事故

2002年9月3日事后维修，故障维修

(Breakdown)

设备坏了后才去修理。预防维修，定期维修(Preventive)

定期地检查和大修。预知维修，视情维修(Predictive)

周期或实时的监测，必要时才去维修。推动设备维修制度的改革

保证设备精度，提高产品质量

提高企业的经济效益

CompanyLogo故障诊断带来重大的经济效益3宏观上从全社会生产的角度看，花费的设备维修费用是一笔巨大的数目，而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的。2对生产单位，配置故障诊断系统能延长设备检修周期，缩短维修时间,为制定合理的检测维修制度提供基础，可极大地提高经济效益。1对生产单位，配置故障诊断系统能减少事故停机率，具有很高的收益/投资比。二、机械设备故障诊断的任务任务：监视设备的状态，判断其是否正常；预测和诊断设备的故障并消除故障；指导设备的管理和维修状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法。通常设备的状态可分为正常状态，异常状态和故障状态。故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，结合设备的运行历史（包括运行记录和曾发生的故障及维修记录等），对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施，最终使设备复原到正常状态。指导设备的管理维修设备的管理和维修方法的发展经历了三个阶段，即早期的事后维修方式,发展到定期预防维修方式，现在正向视情维修(Conditon-basedMaintenance)发展。三、机械故障诊断技术的定义、内容和类型CompanyLogo1、定义在设备运行中或基本不拆卸的情况下，掌握设备运行状况，判断产生故障的部位和原因，以及预测预报设备状态的技术2、内容状态检测、分析诊断和故障预测具体实施过程：

a信号采集b信号处理c状态识别d诊断决策3、机械设备诊断技术的分类按诊断对象分：（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）运载器和装置诊断技术（5）通信系统诊断技术（6）工艺流程诊断技术被测设备信号采集获取检测信号信号处理设备特征信息状态识别对比设备允许参数故障确定趋势分析诊断决策设备诊断过程框图

按诊断目的和要求分类（1）功能诊断与运行诊断

（2）定期诊断和连续诊断

（3）直接诊断和间接诊断

（4）常规工况与特殊工况诊断

（5）在线诊断和离线诊断按诊断方法完善程度分类简易诊断——利用一般简易测量仪器对设备进行监测，根据测得的数据，分析设备的工作状态。如利用测振仪对轴承座进行测量，根据测得的振动值对机组故障进行判断或者应用便携式数据采集器将振动信号采集下来后进行频谱分析，用以诊断故障。精密诊断技术——利用较完善的分析仪器或诊断装置，对设备故障进行诊断这种装置配有较完善的分析、诊断软件。精密诊断技术一般用于大型、复杂设备，如电站的大型汽轮发电机组、石油化工系统的关键压缩机组等。（1）离线分析诊断

四、设备故障诊断的基本方法1、按照诊断模式分计算机监控箱记录、文件（2）在线分析诊断。。。。。。。。。。。….信号调理信号调理信号调理机组机组现场工控机….信号调理信号调理信号调理机组机组现场工控机。。。。。。。。。。。….信号调理信号调理信号调理机组机组现场工控机远程计算机局域网（3）实时远程监测2、按检测参数分★振动★

温度（红外）

★声发★油液（铁谱）★无损检测★压力★强度★表面★工况参数★电气医学诊断与故障诊断医学诊断故障诊断原理及特征信息中医：望、闻、问、切西医：望、触、扣、听、嗅听心音、做心电图量体温验血验尿量血压X射线、超声波检测问病史听、摸、看、闻振动与噪声监测温度监测油样分析应力应变测量无损检测查阅技术档案资料通过形貌、声音、温度、颜色、气味的变化来诊断通过振动大小及变化规律观察温度的大小及变化观察化学成分及磨粒形状变化观察压力或应力变化观察内部结构缺陷找规律、查原因、作判断五、机械设备故障信息获取和检测方法CompanyLogo1、故障信息的获取方法（1）直接观测法应用这种方法对机器状态做出判断主要靠人的经验和感官，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。（2）参数测定法

根据设备运动的各种参数的变化来获取故障信息是广泛应用的一种方法。其它如噪声、温度、压力、变形、胀差、阻值等参数也是故障信息的重要来源。（3）磨损残渣测定法测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞环等的磨损残渣在润滑油中的含量，是一种有效的获取故障信息的方法，根据磨损残渣在润滑油中含量及颗粒分布可以掌握零件磨损情况，并可预防机器故障的发生。（4）设备性能指标的测定

设备性能包括整机及零部件性能，通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机器的工作状态也是一种重要方法。例如，柴油机耗油量与功率的变化，机床加工零件精度的变化，风机效率的变化等均包含着故障信息。对机器零部件性能的测定，主要反映在强度方面，这对预测机器设备的可靠性，预报设备破坏性故障具有重要意义。机器设备有各种类型，因而出现的故障也多种多样，不同的故障需要采用不同的方法来诊断。声学法冲击能量与冲击脉冲测定法模态分析与参数识别法特征分析法振动法(1）振动和噪声的故障检测这是大部分机器所共有的故障表现形式，诊断方法有：2、机械设备故障的检测方法(2)材料裂纹及缺陷损伤的故障检测磁粉探伤法超声波探伤法渗透探伤法射线探伤法涡流探伤法激光全息检测法微波检测技术

声发射技术

材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，检测方法有：2、机械设备故障的检测方法CompanyLogo（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无损检测中的超声探伤法外，还可应用：2、机械设备故障的检测方法光纤内窥技术油液分析技术油液分析技术可分为两大类：一类是油液本身物理、化学性能分析；另一类是对油液中残渣的分析。分析的方法有光谱分析法和铁谱分析法。（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、热电偶等接触式测温仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温方法有红外测温仪和红外热像仪，它们都是依靠物体的热辐射进行测量。2、机械设备故障的检测方法CompanyLogo选择诊断参数应遵循以下几个原则：诊断参数的多能性

诊断参数的灵敏性诊断参数应呈单值性诊断参数的稳定性诊断参数的物理意义3、诊断参数的选择和判断标准（1）诊断参数的选择（2）诊断的周期对定期诊断的机器，需要确定其诊断周期。（3）诊断标准的确定在测得检测参数后，就需要判断所测出的值是正常还是异常。其方法是将实测数据与标准值进行比较。判断标准共有三种，需按诊断对象来确定采用哪一种。1．绝对判断标准

绝对判断标准是根据对某类机械长期使用、观察、维修与测试后的经验总结，并由企业、行业协会或国家颁布，作为一标准供工程实践使用。2．相对判断标准

相对判断标准是对机器的同一部位定期测定，并按时间先进行比较，以正常情况下的值为初始值，根据实测值与该值的比值来判断的方法。3．类比判断标准

类比判断标准是指数台同样规格的机械在相同条件下运行时，通过各台机械的同一部位进行测定和互相比较来掌握其劣化程度的方法。动态信号确定性信号随机信号周期信号非周期信号平稳信号非平稳信号简谐信号复杂周期信号准周期信号瞬态信号各态历经信号非各态历经信号调制型非平稳信号一般非平稳信号1、信号的分类任务2信号处理基础一、信号处理的基础知识简谐信号——振动波形为单一的正旋波复杂周期信号——振动波形为多条正旋波的叠加准周期信号——信号经处理后可变换成周期振动瞬态信号——单发的一次性振动2、现代信号处理技术现代信号处理的本质可用“非”字来高度概括，即：非线性、非因果、非最小相位系统非高斯、非平稳、非整数维(分形)信号为准确、有效地获得故障特征信息，目前重点是：研究和发展基于非高斯、非平稳及非线性故障信号的分析理论及方法。时频分布、小波分析、高阶统计量分析、循环平稳信号处理、非线性分析、…现代信号处理结果示例-数据挖掘英国Aston大学根据电力工业的需要，开发了一个MODIAROT（ModelBasedDiagnosisofRotorSystemsinPowerPlants）系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。采用先进计算方法比较信号处理合成振动信号系统模型实际振动信号故障模型结合实际故障机器辨识二、常用传感器及其原理

（1）电涡流位移传感器

1、振动传感器工作原理：电涡流效应。传感器的核心部分是线圈。结构：（2）速度传感器线圈芯轴弹簧片磁钢阻尼环外壳32

（3）压电式加速度传感器

A、压电加速度计，是利用某些晶体材料的压电效应制成的。

B、接触式传感器,使用时需要与被测对象固接在一起。m输出压电片基座压电式传感器应用特点：（1）频率范围宽，上限：10～60kHz,下限：0.3×10-8～2×10-8Hz(用电荷放大器）（2）相移小（对压电传感器，阻尼因素小）（3）重量轻，安装简单（4）动态范围大，灵敏度高，用于低加速度的振动测量及高加速度冲击测量（5）在低频域，只能产生较低信号电平，较难判断较低频率的故障振动传感器的选择

（1）正确选择所需参数（2）机械阻抗选择

（3）频率选择2、温度诊断传感器（1）热电偶一般热电偶特殊热电偶（2）热电阻半导体温度传感器电阻温度传感器薄膜热电阻传感器（3）红外测温传感器（4）红外热像仪3、压力诊断传感器

（1）应变式压力传感器板式压力传感器筒式压力传感器（2）固态压阻式传感器4、声发射诊断仪

（1）原理物体受力时，其内部组织因变形而释放出应变能，并以弹性波的方式向外辐射。（2）声发射传感器类型谐振式传感器差动式传感器宽带传感器（3）声发射诊断仪5、转速传感器

（1）磁阻式转速传感器开磁路磁阻转速传感器闭磁路磁阻转速传感器（2）光电式转速传感器传感器的选用原则

（1）灵敏度灵敏度越高越好。（2）响应特性响应特性——在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。（3）线性任何传感器都有一定的线性工作范围，在线性范围内输出与输入呈比例关系。线性范围越宽，则传感器的工作量程越大。

（4）稳定性表示传感器经长时间使用后，输出特性不发生变化的性能。（5）精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。（6）测量方式传感器在实际条件下的工作方式。（7）其他考虑结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于复制等。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。

可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

滤波器分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。1、滤波器