机电设备故障诊断与维修(汪永华高职高专)

书名：机电设备故障诊断与维修ISBN：978-7-111-40732-4作者：汪永华出版社：机械工业出版社本书配有电子课件第2章机械设备状态监测与故障诊断技术返回章目录第一节概述第二节振动监测与诊断技术第三节噪声监测与诊断技术第四节温度检测技术返回章目录2.1概述2.1.1机械故障及其分类机械故障，就是指机械系统（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。通常见到发动机发动不起来、机床运转不平稳、汽车制动不灵、机器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的针对不同的故障形式采取相应的对策，常见的故障分类见表2-1返回章目录2.1概述分类依据故障名称定义按故障性质分暂时性故障永久性故障按引发故障的过程速率分突发性故障渐发性故障按故障发生的时期分（设备故障率如图2-1所示，这种分类方法即按故障发生的时期分，对设备的维修工作具有重大意义）早期故障使用期故障后期故障按故障的表现形式分结构型故障参数型故障按故障机理分磨损腐蚀结构失效系统失效表2-1常见的机械故障分类返回章目录2.1概述故障率使用时期早期使用期后期图2-1设备故障率曲线返回章目录2.1概述2.1.2机械故障诊断的基本方法及分类机械故障诊断可以如下分类:1.按诊断参数分类振动诊断适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。温度诊断适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。如红外测温监控技术声学诊断适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。如管壁测厚、声发射诊断技术。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。油液分析、污染诊断适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。如铁谱分析技术。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。强度诊断适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。电参数诊断适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。返回章目录2.1概述2.按目的分:（1）功能诊断（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:（1）定期诊断每隔一定时间对监测的设备进行测试和分析；（2）连续诊断利用现代测试手段对设备连续进行监控和诊断。4.按提取信息的方式分:（1）直接诊断直接根据主要零件的信息确定设备的状态，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；5.按诊断时所要求的机械运行工况条件分:（1）常规工况诊断（2）特殊工况诊断返回章目录2.2振动监测与诊断技术2.2.1机械振动的基础知识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确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。1.简谐振动简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移x与时间t的关系可用正弦曲线表示，表达式为：()sin(2/)xtDT式中：D：振幅，又称峰值（mm或）；T：振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔（s）；φ：振动的初相位（rad）。返回章目录2.2振动监测与诊断技术2.实测的机械振动：(1)振幅振幅表征机械振动的强度和能量，通常以峰值、平均值和有效值表征。1)峰值Xp表示振幅的单峰值，在实际振动波形中，单峰值表示振动瞬时冲击的最大幅值。Xp-p表示振幅的双峰值，又称峰-峰值，它反映了振动波形的最大偏移量。2)平均值表示振幅的平均值，是在时间T范围内设备振动的平均水平，其表达式为：01()TXxtdtT返回章目录2.2振动监测与诊断技术3)有效值表示振幅的有效值，他表示了振动的破坏能力，是衡量振动能量大小的量。ISO标准规定，振动速度的方均根值即有效值，为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个标注。其数学表达式为：2max01()TXxtdtT(2)频率频率是振动的重要特征之一。不同的结构、不同的零部件、不同的故障源，则产生不同频率的机械振动。(3)相位不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。对于两个振源，相位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消，起到减振的作用。返回章目录2.2振动监测与诊断技术2.2.2机械振动的信号分析设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程可以归纳为以下四个方面。（1）信息采集；（2）信号处理；（3）状态识别；（4）诊断决策诊断内容如图2-2所示：备测设备获取监测信号设备特征信息对比设备允许参数故障确定趋势分析诊断决策信号采集信号处理状态识别图2-2设备诊断过程返回章目录1.数字信号采集机械故障诊断与监测所需的各种机械状态量（振动、转速、温度、压力等）一般用相应的传感器换为电信号再进行深处理。通常传感器获得的电信号为模拟信号，它是随时间连接变化的。随着计算机技术的飞速发展和普及，信号分析中一般都将模拟信号转换为数字信号进行各种计算和处理。（1）采样采样是指将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包括取样和量化两个步骤。（2）采样间隔及采样定理根据Shannon采样定理，带限信号（信号中的频率成分）不丢失信息的最低采样频率为：max2sff式中：——原信号中最高频率成分的频率。maxf2.2振动监测与诊断技术返回章目录2.振动信号的幅值域分析3.振动信号的时域分析4.振动信号的频域分析（1）傅里叶变换（FT）数学算法把一个复杂的函数分解成一系列（有限或无限个）简单的正弦和余弦波，时域变换成频域，也就是将一个组合振动分解为它的各个频率分量，把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱。按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信号（不管如何复杂），都可以分解成若干个谐波分量之和，即:001()(2)kkkxtAAcoskft式中：0A式中：——直流分量(mm)；0A——谐波分量，单位为mm；k=1,2,···········0cos(2)kkAkft2.2振动监测与诊断技术返回章目录时域函数的傅里叶变换为：2()()iftXfxtedt相应的时域函数也可用X(f)的傅里叶逆变换表示为：2()()iftXtxfedf———谐波分量振幅(mm)；————基波频率，即一次谐波频率；t——时间(s)；——谐波分量初相角(rad)。kA0fk2.2振动监测与诊断技术返回章目录工程中的复杂振动，正是通过傅里叶变换得到频谱，再以频谱图为依据来判断故障的部位以及故障的严重程度的。如图2-5所示为将采集的时间信号进行傅里叶变换得到相应的频谱。图2-5各种傅里叶变换2.2振动监测与诊断技术返回章目录2.2.3振动监测及故障诊断的常用仪器设备1.涡流式位移传感器涡流式位移传感器的工作原理，如图2-6所示。在传感器的端部有一线圈，线圈中有频率较高（1～2MHz）的交变电压通过。当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出涡流，而所形成的磁通又穿过原线圈。这样，原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感。它将位移的变化线性地转换成相应的电压信号以便进行测量。图2-6涡流式位移传感器的工作原理图2.2振动监测与诊断技术返回章目录2.2振动监测与诊断技术2.磁电式速度传感器磁电式速度传感器的工作原理如图2-8所示，其主要组成部分包括线圈、磁铁和磁路。磁路里留有圆环形空气间隙，而线圈处于气隙内，并在振动时相对于气隙运动。磁电式速度传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里面切割磁力线时，导体两端就感应出电动势。其感应电动势（传感器的输出电压）与线圈相对于磁力线的运动速度成正比。图2-8磁电式速度传感器的工作原理返回章目录2.2振动监测与诊断技术3.压电式加速度传感器压电式加速度传感器是利用压电效应制成的机电换能器。某些晶体材料，如天然石英晶体和人工极化陶瓷等，在承受一定方向的外力而变形时，会因内部极化现象而在其表面产生电荷，当外力去掉后，材料又回复不带电状态。这些材料能将机械能转换成电能的现象称为压电效应，利用材料压电效应制成的传感器称为压电式传感器。目前用于制造压电式加速度传感器的材料主要分为压电晶体和压电陶瓷两大类。当压电式传感器承受机械振动时，在它的输出端能产生与所承受的加速度成正比例的电荷或电压量。与其它种类传感器相比，压电式传感器具有灵敏度高、频率范围宽、线性动态范围大、体积小等优点，因此成为振动测量的主要传感器形式。返回章目录2.2振动监测与诊断技术常见的压电式加速度传感器结构如图2-9所示。压电元件在正应力及切应力作用之下都能在极化面上产生电荷，因此在结构上有中心压缩式和剪切式两种类型。图2-9压电式加速度传感器的典型结构(a)周边压缩式(b)中心压缩式(c)倒置中心压缩式(d)剪切式1—机座；2—压电元件；3—质量块；4—预紧弹簧；5—输出引线返回章目录2.2振动监测与诊断技术4.记录仪器记录仪用来记录和显示被测振动随时间的变化曲线（时域波形）或频谱图。如电子示波器、光电示波器、磁带记录仪、X-Y记录仪、电平记录仪等。对于测量冲击和瞬态过程，可采用记忆式示波器和瞬态记录仪。5.振动监测及分析仪器（1）设备简易诊断仪器。简易诊断仪器通过测量振动幅值的部分参数，对设备的状态作出初步判断。这种仪器体积小，价格便宜，易于掌握，适合由工段、班组一级来组织实施进行日常测试和巡检。按其功能可分为：振动计、振动测量仪和冲击振动测量仪等。（2）振动信号分析仪。信号分析仪种类很多，一般由信号放大、滤波、A/D转换、显示、存储、分析等部分组成，有的还配有软盘驱动器，可以与计算机进行通信。（3）离线监测与巡检系统。离线监测与巡检系统一般由传感器、采集器、监测诊断软件和微机组成，有时也称为设备预测维修系统。返回章目录2.2振动监测与诊断技术（5）网络化在线巡检系统。网络化在线巡检系统由固定安装的振动传感器、现场数据采集模块、监测诊断软件和计算机网络等组成，也可直接连接在监测保护系统之后。（6）高速在线监测与诊断系统。对于石化、冶金、电力等行业的关键设备的重要部件可采用高速在线监测与诊断系统，对各个通道的振动信号连续、并行地进行监测、分析和诊断。（7）故障诊断专家系统。诊断的专家系统是一种基于人工智能的计算机诊断系统，能够模拟故障诊断专家的思维方式，运用已有的诊断理论和专家经验，对现场采集到的数据进行处理、分析和推断，并能在实践中不断修改、补充和完善知识库，提高诊断专家系统的性能和水平。返回章目录2.2振动监测与诊断技术2.2.4实施现场振动诊断的步骤通观振动诊断的全过程，诊断步骤可概括为3个环节，即：准备工作、诊断实施、决策与验证。1．确定、了解诊断对象诊断的对象就是机器设备。根据企业自身的生产特点以及各类设备的实际特点、组成情况，有重点地选定作为诊断对象的设备。一般来说，这些设备应该是如下几种情况。①稀有、昂贵、大型、精密、无备台的关键设备。②连续化、快速化、自动化、流程化程度高的设备③一旦发生故障可能造成很大经济损失，或是环境污染，或是人身伤亡事故等影响的设备。④故障率高的设备返回章目录2.2振动监测与诊断技术在确定了诊断对象的范围后，在实施设备诊断之前，必须对每台诊断对象的各个方面有充分的认识了解，就像医生治病必须熟悉人体的构造一样，有很多企业的故障诊断从业人员在对本企业设备进行诊断时往往比信号分析专家更准确，就是因为他们做到了对现场设备了如指掌。所以了解诊断对象是开展现场诊断的第一步。概括起来,对一台列为诊断对象的设备要着重掌握5个方面的内容：（1）设备的结构组成对设备的结构主要掌握两点：①搞清楚设备的基本组成部分及其连接关系。②必须查明各主要零件（特别是运动零件）的型号、规格、结构参数及数量等，并在结构图上标明，或另予说明。返回章目录2.2振动监测与诊断技术（2）机器的工作原理和运行特性主要要了解以下内容：①各主要零部件的运动方式：旋转运动还是往复运动。②机器的运动特性：平稳运动还是冲击性运动。③