设备状态监测与故障诊断技术第3章-设备故障诊断的技术

第三章设备故障诊断的技术基础学习目标：熟悉设备故障诊断技术的内容；掌握设备故障信息获取和检测方法的框架知识；了解设备故障常用的3种评定标准及相对判断标准的制定方法；熟悉故障诊断中的信号处理，傅里叶变换在故障诊断的信号处理中占有核心的地位，须理解这一重要理论基础。2019/9/31机械振动状态监测与故障诊断技术在理论上和方法上都很成熟，它涉及很多学科知识。本章介绍设备故障诊断特别是振动诊断的技术基础，第一节设备故障诊断技术的内容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。设备故障诊断的具体实施过程可以归纳为如下4个方面:(1)信息采集：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息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等，这些信号一般是用不同的传感器来获取的，我们简称为数采。(2)信号处理：这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程，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。2019/9/32第一节设备故障诊断技术的内容(3)状态识别：将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对此以确定设备所处的状态，即是否存在故障、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设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。图3-1设备诊断过程框图被测设备获取检测信号设备特征信息诊断决策设备允许参数故障确定趋势分析对比信号采集信号处理状态识别2019/9/33第二节设备故障的信息获取和检测方法一、设备故障信息的获取方法：直接观察法、量化管理1．直接观测法（感性认知）判断主要靠人的经验和感官来感受、获取设备的状态信息，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。被更多地用在静止的设备中。在观测中有时使用一些辅助的工具和仪器，如倾听机器内部声音的听棒，检查零件内孔有无表面缺陷的光学窥镜，检查零件表面有无裂纹的磁性涂料及着色渗透剂等，来扩大和延伸人的观测能力。主要包括以下工具和仪器：★用耳朵听（听觉）→采取听棒、螺丝刀等工具；★用眼睛看（视觉）→有无缺件、变形、磨损、泄漏等情况；★用手摸（触觉）→振动、温度、泄漏点等情况；★用鼻子闻（嗅觉）→有无胶糊味，如电机过热的绝缘漆味；★当然，还有向操作者问→故障情况；★这与中医的“望、闻、问、切”有异曲同工之妙。2019/9/34第二节设备故障的信息获取和检测方法2．量化管理★用仪器测（将人的五官延伸到仪器上）⑴参数测定法根据设备运行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。因为机器运行时由于各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是温度、压力、振动、噪声等，它们都能反映机器的工作状态。胀差、阻值等参数也是故障信息的重要来源。P23⑵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，即润滑油液分析，也是一种有效的获取故障信息的方法。⑶设备性能指标的测定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。设备性能包括整机及零部件性能。P232019/9/35第二节设备故障的信息获取和检测方法二、设备故障的检测方法：1．振动和噪声的故障检测大部分机器共有的表现形式，约占60%，可有如下诊断方法：★振动法：对机器主要部位的振动值如位移、速度、加速度、转速及相位值等进行测定，并与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行状况进行评定，最常用的方法之一。★特征分析法：对测得的上述振动量在时域、频域、时频域进行特征分析，确定机器各种故障的内容和性质。2019/9/36第二节设备故障的信息获取和检测方法★模态分析与参数识别法：利用测得的振动参数对机器零部件的模态参数进行识别，以确定故障的原因和部位。★冲击能量与冲击脉冲测定法：利用共振解调技术(IFD)测定滚动轴承的故障。★声学法：对机器噪声的测量，了解机器运行情况并寻找振动源。2019/9/372．材料裂纹及缺陷损伤的故障检测材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检测：★超声波探伤法★射线探伤法★渗透探伤法★磁粉探伤法★涡流探伤法★激光全息检测法★微波检测技术★声发射技术第二节设备故障的信息获取和检测方法2019/9/383．设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可应用下列方法：★光纤内窥技术★油液分析技术4．工艺参数（温度、压力、流量等）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、流量等的变化中。如在温度测量中，常规的接触式测温仪：装在机器上的热电阻、热电偶等；特殊场合中的非接触式测温仪：红外测温仪、红外热像仪等。它们依靠物体的热辐射进行测量。第二节设备故障的信息获取和检测方法2019/9/39一、判断标准(绝对、相对、类比)为了对设备的状态作出判断，判断是否存在故障及故障的程度如何，必须对表征机器状态的测量值与规定的标准值进行比较。常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。1．绝对判断标准它要求在设备的同一部位或按一定的要求测得的表征机器设备状态的值与某种相应的判断标准相比较，以评定设备的状态。第三节设备故障的评定标准2019/9/310中型机器大型机器透平机器45281811.27.14.52.81.81.120.710.450.2815-75KW〉75KWISO2372振动质量评级标准小型机器判断每种机器质量的实例〈15KW参考GB6075-85以及VDI2056,适用于转速在600-12000转/分的各种机器优秀（A）优秀（A）优秀（A）良好（B）良好（B）良好（B）合格（C）不合格（D）不合格（D）合格（C）不合格（D）不合格（D）合格（C）合格（C）振动烈度(mm/s)优秀（A）良好（B）2019/9/311设备状态的另一种振动评价标准1387.91451814518150321282.51355.614010145181180.791303.21355.6140101251.81451814518150321201.01355.614518150321150.561303.21401014518140101503215032155561334.51401014010145181231.41355.614010145181150.561355.614010145181231.4140101451815032折旧期长VdBmm/s折旧期短VdBmm/s需大修VdBmm/s日常监测（冷冻机）柴油发电机压缩机（活塞）（高压）（低压）（不大于5,000HP）（大于20,00HP）（6-20,000HP）（不大于5,000HP）蒸气透平机旧机器（全速、满负荷）与应用的机型气体透平机（6-20,000HP）（大于20,00HP）VdBmm/s新机器速度有效值2019/9/3121231.41401014518150321201.01401014518150321150.561355.614518150321100.321303.214010145181201.01303.21365.6140101201.01303.21365.6140101231.41355.614010145181180.791303.21355.6140101201.01303.21355.6140101180.791303.21355.6140101080.251251.81303.21355.61030.141251.81253.21355.61030.14__1155.612011000.10__1100.321150.56根据加拿大政府/海军-CDA/MA/NVSH107100db=0.1mm/s（不超过5HP或大于1,200rpm）变压器（大于1KVA）（小于或等于1KVA）（小于1,800rpm）（大于1,800rpm）电动机（大于5HP或小于1,200rpm）泵（大于5HP）（不超过5HP）风扇（10-10,000HP）（不大于10HP）锅炉汽车发动机齿轮箱（大于10,000HP）日常监测折旧期短折旧期长与应用的机型旧机器（全速、满负荷）离心分离机油液分离机速度有效值新机器VdBmm/sVdBmm/sVdBmm/sVdBmm/s需大修2019/9/3132．相对判断标准它要求对设备的同一部位（同一工况）同一种量值进行测定，将设备正常工作情况的值定为初始值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。第三节设备故障的评定标准相对判断标准的制定方法：在设备运行状态比较良好的时候（新安装好或大修后能够确认工作状态良好时），用数据采集器（测振仪）连续对确定的测点进行多次测量（最好能测20次以上，每次测量最好能间隔一段时间，传感器也应取下后再放上）。然后计算其平均值。2019/9/314常用的平均方法首先，求出N次测量的算术平均值Vm=(V1+V2+…+VN)／N然后，报警限VT为算术平均值Vm的3～10倍，即Vt=K·Vm,K=3～10其中，V1，V2，…，VN表示第1,2,…,N次测量的测量值；K表示报警因子，一般去3~10第三节设备故障的评定标准2019/9/315首先，计算N次测量的算术平均值Vm和均方根值Vs:Vm=(V1+V2+…+VN)／NVs=(V1-Vm)2+(V2-Vm)2+...+(Vn-Vm)2／N另一种平均方法然后，设定测量报警限Vt=Vm+kVs,k=2～5k根据设备的使用环境、工况变化范围、对设备振动的要求严格程度、设备的价格等来确定。每次测量的工况（如负载、转速等）应尽可能一致，并在以后的检测中也尽可能在该工况下测量。第三节设备故障的评定标准2019/9/3163．类比判断标准定义：若有数台机型、规格均相同的设备，在相同工况和使用环境下对它们进行测定，经过相互比较作出判断，用这种方法对机器设备的状态进行评定而制订的标准称作类比判断标准。需要指出的是，在实践中，常将相对判断标准与类比判断标准两者结合制定统一的标准，而上述相对判断标准的制定方法也仅供参考，在实践中亦可以具体情况具体分析，后续会介绍。第三节设备故障的评定标准2019/9/317二、旋转机械的绝对判断标准振动量是衡量旋转机械设备状态的重要参数。评定机器振动状态的物理量可以是：★振动加速度——在航空工业上习惯用振动加速度来评定，因航空结构振动频率较高，且通过加速度测量可以了解构件所受力的情况。★振动速度——对于轴承座，国际上规定用振动烈度（振动速度的有效值）作为评定的物理量，因为振动烈度反映了振动能量的大小，用振动烈度表示可以从能量观点直接反映振动物体的动强度。★振动位移——对于地面的旋转机械如汽轮发电机组、压缩机组等则以振动位移作为评定的物理量，因用位移量可以更直观、更直接地了解转子的运动情况。第三节设备故障的评定标准2019/9/318一、测量信号第四节故障诊断中的信号处理信号或动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。这里所说的信号是指测量信号，它是对系统的某物理量，如位移、速度、加速度、应力、应变等进行观测获得的数据。这些物理量的共同特点是随时间、空间而变化，它们代表了系统的状态和特征。2019/9/3191．测量信号分类根据测量信号在时间历程内的变化特征分类如下，这里“时间”是泛指概念，可以表示空间坐标或时、空坐标。第四节故障诊断中的信号处理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复杂周准周期瞬态各态历非各态历调制型非一般非平稳信号期信号信号信号经信号经信号平稳信号随机信号2019/9/320周期信号：包括简谐信号和复杂周期信号。表述简谐信号的基本物理量是频率、振幅和初相位；复杂周期信号可借助傅里叶级数展成一系列离散的简谐分量之和，其中任两个分量的频率比都是有理