083732218 王伟 机械故障诊断基础

新疆农业大学机械交通学院机械故障诊断课程论文题目:旋转机械故障诊断设计研究课程:机械故障诊断基础姓名:王伟专业:农业机械化及其自动化班级:机化082班学号:083732218指导教师:亢银霞日期：2011年11月28日旋转机械故障诊断设计研究新疆农业大学——王伟（农机化082班083732218）【摘要】：文章概述了旋转机械故障诊断的基本方法和国内外的先进技术，分别阐述了各方法的基本原理、优缺点及典型应用，展望了故障诊断技术的发展趋势和前景。关键词旋转机械，信号处理，故障诊断转子系统前言机械故障诊断技术是指通过对设备在运行中(或相对静态条件下)状态信息的处理和分析，结合诊断对象的历史状况,识别设备及其部件的实时技术状况，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状况,从而确定必要对策的技术，是一门以近代数学、电子计算机理论与技术、自动控制理论、信号处理技术、仿真技术、可靠性理论等有关学科为基础的，应用型的多学科交叉的边缘学科。用于设备故障诊断的方法很多，常用的按检测手段分有振动检测诊断法、噪声检测诊断法、温度检测诊断法、声发射检测诊断法、油液分析诊断法等。国内外还提出了其他一些故障诊断技术方法，主要有专家系统、人工神经网络、Petri网络、粗糙集理论等。1.旋转机械故障诊断的内容作为设备故障诊断技术的一个分支--旋转机械状态监测与故障诊断技术.其研究领域也同样主要集中在故障信息检测、故障特征分析、状态监测方法、故障机理研究、故障识别及其专家系统。其研究领域的进一步划分如图1-1所示图1-1旋转机械故障诊断技术领域2.旋转机械故障诊断意义旋转机械故障诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关，而旋转机械故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。具体可归纳如下几个方面：1.及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生；2.一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故；3通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用；4可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。3转子不平衡的故障机理及诊断方法3.1振动机理转子不平衡是指受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。因此，把产生离心力的原因——旋转体质量沿旋转中心线的不平均分布叫做不平衡，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。事实上一个平衡良好的转子也做不到“绝对平衡”的，总是存在微量的不平衡，因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。3.2诊断方法表1转子质量偏心的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×稳定径向稳定椭圆正进动表2转子质量偏心的敏感参数123456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变低速时振幅趋于零表3转子部件缺损的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×突发性增大后稳定径向突变后稳定椭圆正进动表4转子缺损部件的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变振幅突然增加4转子不对中的故障机理以及诊断方法机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安装误差，承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态是各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。安装误差造成转子不对中的三种情形转子系统机械故障的60%是由不对中引起的。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和轴的挠曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。4.1转子不对中振动机理转子不对中的轴系，不仅改变了转子轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状态，同时也降低了轴系的固有频率。如图所示，轴系由于转子不对中，使转子受力及支承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。转子不对中示意图联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中、小型设备多用固定式刚性联轴器，现以刚性联轴器为例说明转子不对中的故障机理。刚性联轴器联接的转子对中不良时，由于强制联接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同，其变形和受力情况也不一样，如图所示。转子不对中的两种变形情况用刚性联轴器联接的转子不对中时，转子往往是既有轴线平行位移，又有轴线角度位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力，又有轴向交变力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动，而且当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的转速会产生周期变动，每转动一周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的两倍。4.2转子不对中的诊断方法转子不对中的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向2×1×、3×稳定径向、轴向较稳定双环椭圆正进动转子不对中的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显明显有影响有影响有影响转子轴向振动较大；联轴器相邻轴承处振动较大；随机器负荷增加，振动增大；对环境温度变化敏感5转子摩擦的故障机理以及诊断方法在高速旋转机械中，为了提高机器效率，往往把密封间隙、轴承间隙做得较小，以减少气体和润滑油的泄露。但是，小间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的摩擦。轻者发生密封件的摩擦损伤，重者发生转子与静止件的摩擦碰撞，引起严重的机器损伤事故。此外轴承中也会发生干摩擦或半干摩擦，这种摩擦有时是不明显的，并不发生事故，机器未停机拆检之前找不出异常振动原因。因此，必须了解转子与静止件摩擦激振的故障特征，以便及时做出诊断，防止重大事故发生。5.1转子与静止件径向摩擦的振动机理转子与静止件径向摩擦示意图转子与静止件发生径向接触瞬间，转子刚度增大;被静止件反弹后脱离接触，转子刚度减小，并且发生横向自由振动。因此，转子刚度在接触与非接触两者之间变化，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。摩擦振动是非线性振动，局部摩擦引起的振动频率中包含有2X、3X···一些高次谐波及分数谐波振动(即次谐波振动)。在频谱图上出现(1/n)X的次谐波成分(n=2,3,4，···)，重度摩擦时n=2，轻度摩擦时n=2,3,4,···。次谐波的范围取决于转子的不平衡状态，在足够高阻尼的转子系统中也可能完全不出现次谐波振动。5.2转子与静止件轴向摩擦的振动机理轴向摩擦时，转子的振动响应几乎与正常状况一致，没有明显的异常特征，所以诊断轴向摩擦时，不能用波形、轨迹和频谱去识别。干摩擦具有阻尼的特性，干摩擦正比于转子与静止件间的干摩擦因数和轴向力。干摩擦阻尼远较正摩擦阻尼大，由轴向干摩擦引起的系统阻尼的增加是显著的，因此系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征。5.3诊断方法转子与静止件径向摩擦的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向高次谐1×不稳径向连续摩擦连续摩擦连续摩擦波、低次谐波及其组合谐波时:反向位移、跳动、突变；局部摩擦时:反向位移时:扩散；局部摩擦时:紊乱时:反进动；局部摩擦时:正进动转子与静止件径向摩擦的敏感系数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法不明显不明显不变不变不变时域波形严重削波6油液分析诊断法油液分析技术又称为设备磨损工况监测技术，是一种新型的设备维护技术，它利用油液所携带的设备工况信息来对设备的当前工作状况以及未来工作状况作出判断，从而为设备的正确维护提供了有效的依据，达到预防性维修的目的。油液在设备中的各个运动部位循环流动时，设备的运行信息会在油液中留下痕迹，这些信息主要包括以下三个方面：①油液本身的物理和化学性质的变化②油液中设备磨损颗粒的分布③油液中外侵物质的构成以及分布采用油液分析技术进行机械设备故障诊断的特点有：1）不拆机，无需安装传感器（随机监测除外）；2）操作易于掌握，有的方法十分简单和直观；3）信息量较大；4）需要有一个严密的管理体系（如油样的递送、机器状态的反馈等），作为开展工作的组织保证；5)需要建立一个计算机管理系统，以完成大量数据的管理工作。油液分析中，目前应用较多的有光谱分析和铁谱分析两种。油液分析结果有种类多、表征各异、离散与随机性、定量与定性交叉、信息量大、信息冗余和不一致性等特点，因此必须对油液分析的信息加以信息综合及信息融合。7旋转机械系统故障诊断技术发展趋势随着传感器技术、信号采集及处理技术、网络技术、智能控制理论的高速发展，旋转机械系统故障诊断技术正朝着智能化方向发展。快速、有效提取故障特征信号并给出相应的控制方案和预测设备的运行状态以合理安排检修，进而提高设备的利用率是故障诊断技术研究的根本出发点。实现容错控制，自动对故障进行削弱、补偿、切换、消除和修复，以保证设备在出现故障时继续完成其规定功能，是故障诊断技术进一步的发展方向。8体会虽然，目前有关旋转机械故障诊断各方面研究中取得了很大的进展，但在旋转机械故障诊断领域中仍存在着不少问题急待解决，如领域专家缺乏定量的诊断经验，故障与征兆之间的复杂对应关系尚需进一步了解，大量知识的获取尚不能自动进行，如何寻找更有效的学习算法等。各种故障诊断方法的信息融合、以及远程故障诊断系统平台的构建将很有发展前景。9参考文献1.陈平，谢志江，欧阳奇，孙红岩．基于频谱图像的MlIlti—机械故障诊断研究2.郑建明，李言，袁启龙，李鹏阳．基于小波包能量谱的HMM钻头磨损监测。中国机械工程，2006(6)3.侯敬宏，黄树红，申锼，张燕平．基于小波分析的旋转机械振动信号定量特征研究[J]．机械工程学报，2004(1)4.马辉，赵鑫，赵群超，闻邦椿．时频分析在旋转机械故障诊断中的应用[J]．振动与冲击，2007，3l(6)5.杨江天，徐金梧，目殇0骥，曾子平．旋转机械故障的双相于诧}特征及其识别[J]．机械工程学报，2000(9)6.吴今培，肖建华著蓿能故障诊断与专家系统：科学出版社[M]，19977.王方，旋转机械的故障诊断[M]北京；机械工业出版社,2006.8.赵骥，朱名栓，罗琦，旋转机械的技术发展及其实现。中国机械工程，2006,(6)