机电设备故障诊断与维修 第3版 教案 第2章机械设备状态监测与故障诊断技术

授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号01授课日期授课班级教学内容：2.1概述2.1.1机械故障及其分类2.1.2机械故障诊断的基本方法及分类教学目标：知识目标：熟悉机械故障的分类和故障诊断的基本方法；掌握振动诊断与监测技术。能力目标：掌握机械振动信号分析的基本步骤；熟悉振动监测及故障诊断中常用设备的工作原理；了解现场振动诊断的基本步骤。素质目标：培养学生独立分析机械故障产生原因的理论素养；培养学生理论联系实践；解决实践问题的能力。重点难点及解决方法：重点：机械故障及其分类、机械故障诊断的基本方法及分类难点：机械故障及其分类授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：资源：学习效果评价方式：小组互评课后作业评分作业和思考题：课后习题课后小结：教学内容及过程2.1概述机械设备状态监测与故障诊断技术是在20世纪60年代开始应用并发展起来的设备管理新理念。随着现代大生产的发展和科学技术的进步,生产中所用的机械设备的结构越来越复杂,功能越来越完善,自动化程度也越来越高。由于受许多无法避免的因素影响,有时机械设备会出现各种故障,以致降低或失去其预定功能,甚至会造成灾难性的事故,如各种空难、海难、矿难、断裂、坍塌和泄漏等,大部分是因机械设备在使用过程中不能正常运行或损坏而造成的。因此,机械设备状态监测与故障诊断技术在国外得到了迅猛的发展和广泛的使用,成为当今现代化设备管理与维修的新技术。近年来,我国在该技术领域内进行了一些突破性研究,并取得了一定的成效。作为一种科学的设备管理思想,它比传统的设备管理与维修更有效、更科学,大大提高了设备运行的可靠性、利用率及寿命,同时又大大降低了机械设备的维护费用,是一种更加积极、主动的设备管理新理念。机械设备的状态监测与故障诊断技术是指利用现代科学技术和仪器,根据机械设备外部信息参数的变化来判断其内部的工作状态或结构的损伤状态,确定故障的性质、程度、类别和位置,预报其发展趋势,并研究故障产生的机理。现代机械设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面:一是机械设备设计与制造的各项技术指标的实现,为此在设计中要充分考虑到各种可能的失效形式,采用可靠性设计方法,要有保证安全性的措施;二是机械设备安装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。当今,机械设备故障诊断技术、修复技术、润滑技术已成为推进机械设备管理现代化,保证机械设备安全可靠运行的重要手段。2.1.1机械故障及其分类机械故障是指机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。通常见到的发动机发动不起来、机床运转不平稳、汽车制动不灵、机械设备运转中出现异常的声音等都是机械故障的表现形式。依据不同的分类标准,机械故障可以分为很多种,对机械故障进行很好的分类后就能更好地针对不同的故障形式采取相应的对策,常见的机械故障分类见表2-1对故障进行分类的目的是为了弄清不同的故障性质,从而采取相应的诊断方法。当然,需要特别关注的是破坏性的、危险性的、突发性的、全局性的故障,以便及时采取措施防止灾难性事故的发生。2.1.2机械故障诊断的基本方法及分类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,当异常时分析其产生的原因和部位,预报其发展趋势并提出相应措施。机械故障诊断有如下分类方法。1.按诊断参数分类(1)振动诊断适用于旋转机械、往复机械、轴承及齿轮等。(2)温度诊断适用于工业炉窑、热力机械、电机及电器等,如红外测温监控技术。(3)声学诊断适用于压力容器、往复机械、轴承及齿轮等,如管壁测厚、声发射诊断技术。(4)光学诊断适用于探测腔室和管道内部的缺陷,如光学探伤法。(5)油液分析、污染诊断适用于齿轮箱、设备润滑系统及电力变压器等,如铁谱分析技术。(6)压力诊断适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。(7)强度诊断适用于工程结构、起重机械及锻压机械等。(8)电参数诊断适用于电机、电器、输变电设备及电工仪表等。振动诊断是目前所有故障诊断技术中应用最广泛也是最成功的诊断方法,这是因为振动引起的机械损坏比重高,据资料统计,由振动产生的机械故障率高达60%。但在进行机械设备故障诊断时,仅仅进行振动诊断是不够的,有时还需要几种方法同时应用才能更加科学地、准确地、全方位地获得机械设备状态信息,以降低误诊率。2.按目的分类(1)功能诊断检查新安装的机械设备或刚维修的机械设备的功能是否正常,并根据检查结果对机组进行调整,使设备处于最佳状态。(2)运行诊断对正在运行的设备进行状态诊断,了解其故障的情况。3.按周期分类(1)定期诊断每隔一定时间对监测的机械设备进行测试和分析。(2)连续诊断利用现代测试手段对机械设备连续进行监测和诊断。4.按提取信息的方式分类(1)直接诊断直接根据主要零件的信息确定机械设备的状态,如主轴的裂纹、管道的壁厚等。(2)间接诊断利用二次诊断信息来判断主要零部件的故障,多数二次诊断信息属于综合信息,如利用轴承的支承油压来判断两根转子对中状况等。5.按诊断时所要求的机械运行工况条件分类(1)常规工况诊断在机械设备常规运行工况下进行监测和诊断。(2)特殊工况诊断有时为了分析机组故障,需要收集机组在起停时的信号,这时就需要在起动或停机的特殊工况下进行监测和诊断。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号02授课日期授课班级教学内容：2.2振动监测与诊断技术2.2.1机械振动的基础知识2.2.2机械振动的信号分析2.2.3振动监测及故障诊断的常用仪器设备2.2.4实施现场振动诊断的步骤2.2.5轴承故障的振动诊断2.2.6齿轮故障的振动诊断2.2.7旋转机械常见故障的振动诊断教学目标：知识目标：熟悉机械故障的分类和故障诊断的基本方法；掌握振动诊断与监测技术。能力目标：掌握机械振动信号分析的基本步骤；熟悉振动监测及故障诊断中常用设备的工作原理；了解现场振动诊断的基本步骤。素质目标：培养学生独立分析机械故障产生原因的理论素养；培养学生理论联系实践；解决实践问题的能力。重点难点及解决方法：重点：机械振动的基础知识、机械振动的信号分析、振动监测及故障诊断的常用仪器设备、实施现场振动诊断的步骤、轴承故障的振动诊断、齿轮故障的振动诊断、旋转机械常见故障的振动诊断难点：振动监测及故障诊断的常用仪器设备、轴承故障的振动诊断、齿轮故障的振动诊断、旋转机械常见故障的振动诊断授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：资源：学习效果评价方式：课堂练习及其互评作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程2.2振动监测与诊断技术在机械设备的状态监测与故障诊断技术中,振动监测与诊断技术(即振动诊断)是普遍采用的一种基本技术,是设备故障诊断方法中最有效、最常用的一种方法。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是反映系统状态及其变化规律的主要信号。通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析动态信号是进行系统状态监测与故障诊断的主要途径。在机械设备、零部件及基础等表面能感觉到或能测量到的振动,往往是某一振动源在固体中的传播。而振动源的存在,又是由设备的设计、材料本身或使用方法存在缺陷而引起的。随着零部件的磨损,零部件表面将发生剥落、裂纹等现象,振动将相应产生。同时,机械设备还可能因为某个微小的振动,引起其结构或部件的共振响应,从而导致机械设备状态的迅速恶化。研究机械振动的目的就是为了了解各种机械振动现象的机理,破译机械振动所包含的大量信息,进而对机械设备的状态进行监测,分析机械设备的潜在故障。因此,根据对机械振动信号的测量和分析,就可在不停机和不解体的情况下对其劣化程度和故障性质有所了解。2.2.1机械振动的基础知识机械振动是指物体在平衡位置附近往复运动,它表示机械系统运动的位移、速度、加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过程。机械振动可分为确定性振动和随机振动两大类。确定性振动的振动位移是时间t的函数,可用简单的数学解析式表示为x=x(t)。而随机振动则因其振动波形呈不规则变化,只能用概率统计的方法来描述。机械设备状态监测中常遇到的振动有周期振动、近似周期振动、窄带随机振动和宽带随机振动,以及其中几种振动的组合。周期振动和近似周期振动属于确定性振动范围,由简谐振动及简谐振动的叠加构成。2.2.2机械振动的信号分析机械设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测3个方面。其具体实施过程可以归纳为以下4个方面。(1)信号采集机械设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化,由此会产生各种不同信号。根据不同的诊断需要,选择能表征机械设备工作状态的不同信号(如振动、压力、温度等)是十分必要的。这些信号一般是用不同的传感器来拾取的。(2)信号处理信号处理是将采集到的信号进行分类处理、加工,获得能表征机械设备特征的信号的过程,也称特征提取过程,如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是这个过程。(3)状态识别将经过信号处理后获得的机械设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对比以确定机械设备所处的状态,即是否存在故障及故障的类型和性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。(4)诊断决策根据对机械设备状态的判断,决定应采取的对策和措施,同时应根据当前信号预测机械设备状态可能发展的趋势,进行趋势分析。2.2.3振动监测及故障诊断的常用仪器设备振动监测及故障诊断所用的典型仪器设备包括测振传感器、信号调理器、信号记录仪、信号分析与处理设备等。测振传感器将机械振动量转换为适于测量的电量,经信号调理器进行放大、滤波、阻抗变换后,可用信号记录仪将所测振动信号记录、存储下来,也可直接输入到信号分析与处理设备,对振动信号进行各种分析、处理,取得所要的数据。随着计算机技术的发展,信号分析与处理已逐渐由以计算机为核心的监视、分析系统来完成。2.2.4实施现场振动诊断的步骤现场诊断实践表明,对机械设备实施振动诊断,必须遵循正确的诊断程序,以使诊断工作有条不紊地进行,并取得良好的效果。反之,如果方法、步骤不合理,或因考虑步骤而造成某些环节上的缺漏,则将影响诊断工作的顺利进行,甚至中途遇挫,无果而终。在日常工作中,诊断工程师主要采用人、机械设备、计算机、测振仪四位一体的方式,沿着“确定诊断范围→了解诊断对象→确定诊断方案(包括选择测点、频程、测量参数、仪器、传感器等)→建立监测数据库(包括测点数据库、频率项数据库、报警数据库)→设置巡检路线→采集数据→回放数据→分析数据→判断故障→做出诊断决断→择时检修→检查验证”这条科学有效的途径开展工作。2.2.5轴承故障的振动诊断滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件,它的工作好坏对机械设备的工作状态有很大影响,其缺陷会导致机械设备产生异常振动和噪声,甚至造成机械设备损坏。1.滚动轴承的常见故障(1)磨损由于滚道和滚动体的相对运动以及尘埃异物的侵入引起表面磨损。磨损的结果是配合间隙变大、表面出现刮痕或凹坑,使振动及噪声加大。(2)疲劳由于载荷和相对滚动作用产生疲劳剥落,在表面上出现不规则的凹坑,造成运转时的冲击载荷,振动和噪声随之加剧。(3)压痕受到过大的冲击载荷或静电荷,或因热变形增加载荷,或有硬度很高的异物侵入,以致产生凹陷或划痕。(4)腐蚀有水分或腐蚀性化学物质侵入,以致在轴承表面上产生斑痕或点蚀。(5)电蚀由于轴电流的连续或间断通过,以致由电火花形成圆形的凹坑。(6)破裂残余应力及过大的载荷都会引起轴承零件的破裂。(7)胶合(黏着)由于润滑不良,高速重载,造成高温,使表面烧伤及胶合。(8)保持架损坏保持架与滚动体或与内、外圈发生摩擦等,使振动、噪声与发热增加,造成保持架的损坏。2.滚动轴承振动信号的频率特征图2-12所示为滚动轴承的典型结构,它由内圈、外圈、滚动体和保持架4部分组成。假设滚道与滚动体之间无相对滑动,承受径向、轴向载荷时各部分无变形,外圈固定,则滚动轴承工作时的特征频率如下:3.滚动轴承的振动测量测量轴承的振动信号时,选择测量部位的基本思路是选择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上。一般讲,若轴承是外露的,测点位置可直接选择在轴承座上;若轴承座是非外露的,测点应选择在轴承座刚性较好的部分或基础上。同时,应在测点处做好标记,以保证不会由于测点部位的不同而导致测量值的差异。根据滚动轴承的固有特性、制造条件、使用情况的不同,它所引起的振动可能是频率为1KHz以下的低频脉动,也可能是频率为1KHz以上,数千赫乃至数十千赫的高频振动,更多的情况是同时包含了上述两种振动成分。因此,通常检测的振动速度和加速度应分别覆盖上述的两个频带,必要时可用滤波器取出需要的频率成分。如果是在较宽的频带上监测振动级,则对于要求低频振动小的轴承检测其振动速度,而对于要求高频振动小的轴承检测其振动加速度。4.振动信号分析诊断方法滚动轴承的振动信号分析诊断方法分为简易诊断法和精密诊断法两种。2.2.6齿轮故障的振动诊断齿轮传动在机械设备中使用得非常广泛,其运行状况直接影响整个机械设备或机组的工作,因此开展齿轮故障诊断对降低维修费用和防止突发性事故具有实际意义。诊断方法分为两大类:一类是检测齿轮运行时的振动和噪声,运用频谱分析、倒频谱分析和时域平均法来进行诊断;另一类是根据摩擦学理论,通过润滑油液分析来实现。齿轮故障诊断的困难在于信号在传递中所经的环节较多(齿轮→轴→轴承→轴承座→测点),高频信号在传递中基本丧失,故需借助于较为细致的信号分析技术达到提高信噪比和有效地提取故障特征的目的。2.2.7旋转机械常见故障的振动诊断旋转机械是指那些主要功能是由旋转动作来完成的机械设备,例如离心式压力机、汽轮机、鼓风机、离心机、发电机和离心泵等。由于转子、轴承、壳体、联轴体、密封和基底等部分的结构、加工及安装方面的缺陷,使机械在运行中会产生振动;在机械运行过程中,由于运行、操作、环境等方面的原因所造成的机械状态的劣化,也会表现为振动的异常。同时,过大的振动又往往是机械设备破坏的主要原因。所以对旋转机械的振动测量、监视和分析是非常重要的。另外,振动这个参数比起其他的状态参数更能直接、快速、准确地反映机组的运行状态。旋转机械的常见故障有转子不平衡、转子不对中、转轴弯曲及裂纹、油膜涡动及油膜振荡、机组共振、机械松动、碰磨和流体的涡流激振等。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号03授课日期授课班级教学内容：2.3噪声监测与诊断技术2.3.1噪声测量2.3.2噪声源与故障源的识别教学目标：知识目标：熟悉机械故障的分类和故障诊断的基本方法；掌握振动诊断与监测技术。能力目标：掌握机械振动信号分析的基本步骤；熟悉振动监测及故障诊断中常用设备的工作原理；了解现场振动诊断的基本步骤。素质目标：培养学生独立分析机械故障产生原因的理论素养；培养学生理论联系实践；解决实践问题的能力。重点难点及解决方法：重点：噪声测量、噪声源与故障源的识别难点：噪声源与故障源的识别授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂练习及课后作业作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程2.3噪声监测与诊断技术机械设备运行过程中所产生的振动和噪声是反映机械设备工作状态的诊断信息的重要来源。只要抓住所研究的机械设备零部件的生振发声的机理和特征,就可对机械设备的状态进行诊断。在机械设备状态监测与故障诊断技术中,噪声监测也是较常用的方法之一。2.3.1噪声测量声音的主要特征量为声压、声强、频率、质点振速和声功率等,其中声压和声强是两个主要参数,也是测量的主要对象。噪声测量系统有传声器、放大器、记录器以及分析装置等。传声器的作用是将声压信号转换为电压信号,测量中常用电容传声器或压电陶瓷传声器。由于传声器的输出阻抗很高,所以需加前置放大器进行阻抗变换。在两放大器之间通常还插入带通滤波器和计权网络,前者能够截取某频带信号,对噪声进行频谱分析;后者则可以获得不同的计权声级。输出放大器的输出信号必须经检波电路和显示装置,以读出总声级,A、B、C、D计权声级或各频带声级。随着计算机技术的迅速发展,在机械设备噪声监测技术中,广泛用FFT分析仪器进行实时的声源频谱分析。另外还采用了双传声器互谱技术进行声强测量,利用声强的方向性进行故障定位和现场条件下的声功率级的确定。2.3.2噪声源与故障源的识别噪声检测的一项重要内容就是通过噪声测量和分析来确定机械设备故障的部位和程度。首先必须寻找和估计噪声源,进而研究其频率组成和各分量的变化情况,从中提取机械运行状况的信息。噪声识别的方法很多,从复杂程度、精度高低以及费用大小等方面均有很大差别,这里介绍几种现场实用的识别方法。1.主观评价和估计方法主观评价和估计方法可以借助于助听器,对于那些人耳达不到的部位,还可以借助于传声器→放大器→耳机系统。它的不足之处在于鉴别能力因人而异,需要有较丰富的经验,也无法对噪声源做定量的量度。2.近场测量法这种方法通常用来寻找机械设备的主要噪声源,较简便易行。具体的做法是用声级计在紧靠机械设备的表面扫描,并根据声级计的指示值大小来确定噪声源的部位。由于现场测量总会受到附近其他噪声源的影响,一台大机械设备上的被测点有时处于机械设备上其他噪声源的混响场内,所以近场测定法不能提供精确的测量值。这种方法通常用于机械设备噪声源和主要发声部位的一般识别或用作精确测定前的粗定位。3.表面振速测量法对于无衰减平面余弦波来说,从表面质点的振动速度可以得到一定面积的振动表面的声功率。为了对辐射表面采取有效的降噪措施,需要知道辐射表面上各点辐射声能的情况,以便确定主要辐射点,采取针对性的措施。这时可以将振动表面分割成许多小块,测出表面各点的振动速度,然后画出等振速线图,从而形象地表达出声辐射表面各点辐射能的情况以及最强的辐射点。4.频谱分析法噪声的频谱分析与振动信号分析方法类似,是一种识别声源的重要方法。对于做往复运动的机械或旋转运动的机械,一般都可以在它们的噪声频谱信号中找到与转速和系统结构特性有关的纯音峰值。因此,通过对测量得到的噪声频谱纯音峰值的分析,可识别主要噪声源。但是纯音峰值的频率为好几个零部件所共有,或者不为任何一个零件所共有,这时就要配合其他方法才能最终判定究竟哪些零件是主要噪声源。5.声强法近年来用声强法来识别噪声源的研究进展很快,至今已有多种用于声强的双通道快速傅里叶变换分析仪。声强探头具有明显的指向性,这使声强法在识别噪声源中更有其特色。声强测量法可在现场做近场测量,既方便又迅速,故受到各方面的重视。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号04授课日期授课班级教学内容：2.4温度检测技术2.4.1温度测量基础2.4.2接触式温度测量2.4.3非接触式温度测量教学目标：知识目标：熟悉机械故障的分类和故障诊断的基本方法；掌握振动诊断与监测技术。能力目标：掌握机械振动信号分析的基本步骤；熟悉振动监测及故障诊断中常用设备的工作原理；了解现场振动诊断的基本步骤。素质目标：培养学生独立分析机械故障产生原因的理论素养；培养学生理论联系实践；解决实践问题的能力。重点难点及解决方法：重点：温度检测技术难点：温度检测技术授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问（课堂中）填写自评表（课堂末）作业分数（课堂后）作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程2.4温度检测技术温度是工业生产中的重要参数,也是表征机械设备运行状态的一个重要指标,机械设备出现故障的一个明显特征就是温度的升高,同时温度的异常变化又是引发机械设备故障的另一个重要原因。因此,温度与机械设备的运行状态密切相关,温度检测在机械设备故障诊断技术体系中占有重要的地位。2.4.1温度测量基础1.温度与温标(1)温度温度是一个很重要的物理量,它表示物体的冷热程度,也是物体分子运动平均动能大小的标志。(2)温标用来度量物体温度高低的标准尺度称为温度标尺,简称温标。各种各样温度计的