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0机械故障诊断技术绪论
第1章机械故障诊断技术绪论
随着现代工业及科学技术的迅速发展,生产设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化和智能化,设备在生产中的地位越来越重要,对设备的管理也提出了更高的要求,能否保证一些关键设备的正常运行,直接影响到一个行业发展的各个层面。
现代工业生产,一旦因故障停机,损失将十分巨大。
因此,设备诊断这一技术,日益引起人们的重视,并在理论和实践应用方面得到了迅猛的发展。
1.1机械故障诊断的基本概念、研究内容和分类
1.1.1故障的定义和分类
关于机械设备故障(Fault)这一概念,目前并没有一个严格、统一的定义。
基于不同的文献资料或不同的应用环境往往有不同的解释。
按照国标(GB3187-82)的规定,给定层次级上的子分系统的故障是指该子分系统“丧失规定的功能”,或者说,给定层次织上的子分系统的输出与所预期的输出不相符合。
按电子工业部部标(SJ-2166-82)的规定,所谓故障是指:
(1)设备(系统)在规定条件下,不能完成规定的功能。
(2)设备(系统)在规定的条件下,一个或几个性能参数不能保持在规定的上下限值之间。
(3)设备系统在规定的应力范围内工作时,导致设备(系统)不能完成其功能的机械零件、结构件或元器件的破裂、断裂、卡死等损坏状态。
另外,从设备维修的角度,故障被定义为:
设备运行的功能失常,或者是设备的系统或局部的功能失效。
从诊断对象出发,故障又可以被认为是系统的观察(测)值与由系统的行为模型所得的预测值之间存在着矛盾。
依状态识别的观点,则定义设备的故障为其不正常状态。
也有的专家认为,设备故障是设备在运行过程中出现异常,不能达到预定的性能要求,或者表征其工作性能的参数超过某一规定界限,有可能使设备部分或全部丧失功能的现象。
美国《工程项目管理人员测试与诊断指南》(AD-A208917)把故障定义为“造成装置、组件或元件不能按规定方式工作的一种物理状态”。
在工程应用中,我们一般习惯于用机械设备的状态来定义故障。
机械设备的基本状态通常被认为有三种,即正常状态、异常状态和故障状态。
可见故障也属于机械设备的一种状态。
所谓机械设备(机器或机组)正常,是指它在执行规定的动作时没有缺陷,或者虽有缺陷但也是在允许的限度范围之内。
异常则是指设备的缺陷开始产生或已有一定程度的扩展,使设备的状态信号(如振动、温度、压力等)发生变化,设备的工作性能逐步劣化但仍能维持工作。
而故障则是指设备的性能指标严重降低,并低于正常要求的最低极限位,设备已无法维持正常工作。
按设备故障的性质、原因、影响、特点、程度、变化等表征,可作如下分类:
1按故障的性质划分
(1)暂时性故障。
这类故障带有间断性,只在短期内在一定条件内丧失某些功能,通过修理、调试或调整运行参数,不需要更换零部件即可恢复系统的正常功能。
(2)永久性故障。
这类故障一般由设备中的某些零部件损坏所至,必须经过更换零部件并修复后才能消除故障。
2按故障的影响程度划分
对于上面提到的永久性故障.按造成的功能丧失程度可分为:
(1)完全性故障。
完全丧失设备所应具有的功能。
(2)局部性故障。
只有某些局部功能丧失。
3按故障发生、发展快慢划分
(1)突发性故障。
故障发生前无明显征兆,难以通过早期试验或测试来预测。
这类故障发生时间很短暂,发展极快,一般带有破坏性,如转子叶片断裂,误操作导致的设备损毁等。
(2)渐发性故障。
设备在使用过程中零部件因疲劳、腐蚀、磨损等而导致设备性能逐渐下降,最终超出允许值而发生的故障,这类故障比较重大,具有一定规律性,并且一般可以通过早期状态监测和故障预报来预防。
4按故障严重程度划分
(1)破坏性故障。
这类故障既是突发性故障,而且故障发生后还往往会危及设备和人身安全。
(2)非破坏性故障。
一般属渐发性和局部性故障,故障发生后暂时不会危及设备和人身安全。
5按故障发生原因划分
(1)先天性故障。
由于没能达到设计或生产制造要求,或设计本身有问题所引起的故障。
(2)耗损性故障。
由于设备设计时预料之中的正常磨损造成的故障。
(3)错用性故障。
由于使用应力超过规定值而造成的故障。
6按故障相关性划分
(1)相关故障。
也称为间接故障,这种故障是由于设备的其他部件所引起的,如轴承因断轴而烧瓦的故障是首先因油路系统故障而导致的。
(2)非相关故障。
也称直接故障,这是因为零部件本身直接因素引起的。
对设备进行故障诊断应首先注意这类故障。
7按故障发生的时期划分
(1)早期故障。
故障的产生可能是由于设计、加工或材料上的缺陷,在设备投入运行初期的暴露表现。
(2)使用期故障。
这类故障是设备在有效寿命内发生的,通常是由于载荷(外因、运行事件等)和系统特性(内因、零部件故障、结构损伤)等无法预知的偶然因素而引起的。
(3)后期故障。
也称耗散期故障,这类故障是由于长期使用,甚至超过设备规定的使用寿命后,因设备的军部件逐渐磨损、或疲劳、老化等的原因,使系统功能退化,最后导致系统发生的突发性、危险性和全局性故障。
图1-1给出了设备使用时期与故障率变化的关系曲线。
又称“浴盆曲线”(Bah-tubCurve。
)
图1-1设备故障率曲线
1.1.2机械故障诊断的研究内容
机械故障诊断是指在一定工作环境下根据机械设备运行过程中产生的各种信息判别机械设备是正常运行还是发生了异常现象,并判定产生故障的原因和部位以及预测、预报设备状态的技术。
其主要内容包括对机械设备运行状态的监测、识别和预测三个方面。
其中,状态监测有时也称为简易诊断,一般是通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备状态,并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备是否处于正常、异常还是故障状态。
如果对设备进行定期连续的监测,便可获得有关设备状态变化的趋势规律,据此可进行状态的预测和预报,通常就是趋势分析,是一种较为普遍采用的有效方法。
而故障诊断不仅要掌握设备的状态正常与否,同时还必须对故障的原因、部件以及严重程度进行深入的分析和判断,故通常被称为精密诊断。
相比之下,精密诊断目前尚不如简易诊断成熟和简便易行,并且还处于不断完善和发展的过程之中。
故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态,确定其整体或局部是否正常或异常,早期发现故障及其原因并能预报故障发展趋势的技术,通俗地说,它是一种给机械设备“看病”的技术。
既然这样,在诊断过程中,就必须利用被诊断对象所表现出来的各种有用信息,经过适当的处理和分析从而获得最能识别设备状态的特征参考,以便作出正确的诊断结论。
从机械设备故障诊断的实施过程,可以将其归纳为四个主要的步骤:
1.信号采集
设备在运行过程中,必然会产生力、热、振动、噪声、能量等各种参数的变化,因此会产生各种不同的信息。
根据不同的诊断需要,采用相应的传感器来拾取得到的能表征设备工作状态的不同信息,这就是信号采集过程。
2.信号处理
就是将信号采集获得的数据信息进行分类、处理、加工,获得能表征设备运行特征的特征参量的过程,也就是特征的提取过程。
3.状态识别
将经过信号处理后获得的设备特征参量,采用一定的判别模式、判别准则和诊断策略,对设备的状态作出判、判断,确定是否存在故障以及故障的类型和性质、程度等。
4.诊断决策
根据状态识别的结果,决定采取的对策、措施,同时根据当前的检测信息预测机械设备运行状态的可能发展趋势,进行趋势分析。
机械设备的故障诊断内容可用图1-2来总结。
以上四个步骤构成了一个循环,一个复杂,疑难的故障往往并不能通过一个循环就正确地找出症结所在,而通常都需要经过多次诊断重复循环,逐步加深认识的深度和判断的准确度,才能最后解决问题。
图1-2机械设备的诊断过程
1.1.3机械故障诊断方法的分类
由于机械设备千差万别,运行状态及其工作条件又各不相同,因此,用于对设备进行故障诊断的方法有很多种,可以被划分为不同类型。
并发,分类方法也比较多。
最主要的分类方法及故障诊断方法有如下几种:
1按诊断对象的类别来分
(1)旋转机械故障诊断方法。
其对象为转子、轴系、叶轮、泵、风机、电机及气轮发电机组、水轮发动机组等。
(2)往复机械故障诊断方法。
其对象为内燃机、往复式压缩机、活塞曲柄和连杆机构等。
(3)工程结构诊断方法。
其对象为金属结构、框架、桥梁、容器建筑物、地桩等。
(4)工艺流程诊断方法。
其对象为生产流水线、挤压成形以及传送装置等。
(5)机械零件诊断方法。
其对象为转轴、轴承、齿轮、连接件等。
(6)运载器和装置诊断方法。
其对象为飞机、火箭、航天器、舰艇、火车、汽车、坦克、装甲车等。
2状态信号的物理特征来分
(1)振动诊断方法。
以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数等为检测目标。
(2)声学诊断方法。
以机械噪声、声阻、超声、声波、声发射为检测目标。
(3)温度诊断方法。
以温度、温差、温度场、热象为检测目标。
(4)强度诊断方法。
以力、扭矩、应力、应变为检测目标。
(5)污染物诊断方法。
以泄漏、残留物、气、液、固体的成分变化为检测目标。
(6)压力诊断方法。
以压差、压力及压力脉动为检测目标。
(7)电参数诊断方法。
以功率、电信号及磁特性等为检测目标。
(8)光学诊断方法。
以亮度、光谱和各种射线效应为检测目标。
(9)表面形貌诊断方法。
以裂纹、变形、斑点、凹坑、色泽等为检测目标。
(10)性能趋向诊断方法。
以设备各种主要性能指标为检测目标。
3按诊断的目的和要求不同来分
(1)功能诊断和运行诊断。
功能诊断主要是针对新安装或刚维修后的机器或机组需要检查它们的运行工况和功能是否正常,并且在必要时还要按检查的结果对机器或机组进行调整。
而运行诊断则是针对正在工作(运转)中的机器或机组,需要监视其运行状态,故障的发生和发展。
(2)定期诊断和连续监控。
定期诊断是每隔一定时间,例如一星期、一月或数月对正在
运转中的机器进行常规检查,而连续监控则是利用仪表或专用计算机信息处理系统对机器
的状态随时进行监视或控制。
(3)直接诊断和间接诊断。
直接诊断是直接确定关键部件的状态,如主轴承间隙、齿轮齿面磨损、燃气轮机叶片的裂纹以及在腐蚀环境下管道的壁厚等,直接诊断往往受到机器设备结构和工作条件的限制而无法实现,此时,不得不采用间接诊断。
所谓间接诊断是通过二次诊断信息来间接判断机器中关键部件的状态变化。
多数二次诊断信息属于综合信息,例如用润滑油温升来反映轴承的运行状态。
因此,在间接诊断中出现伪报警和漏检的可能性增大。
(4)常规工况下诊断和特殊工况下诊断。
多数诊断在机器正常运转条件下就能进行,只有在个别情况下才需要创造特殊的条件来拾取信息。
例如,发电机组的启动和停机过程,需要跨过转子扭曲,弯曲的几个临界转速,利用起动和停车过程的振动信号作出转速谱阵图等,常常包含着许多在常规诊断中所得不到的诊断信息。
(5)在线诊断和离线诊断。
所谓在线诊断一般是指对现场正在运行的设备进行自动实时诊断。
而离线诊断是通过磁带记录仪或数据采集器将现场的状态信号记录下来带回实验室结合机组状态的历史档案作进一步的分析诊断。
4按诊断方法的完善程度来分
(1)简易诊断方法。
使用各种便携诊断仪器和工况监视仪表(例如TK—80振动计、BY207、217工业听诊器),仅仅根据一些简单参数对设备有无故障及故障严重程度作出判断和区别。
(2)精密诊断方法。
精密诊断方法是故障诊断技术发展的必然趋势,它不同于简易诊断之处表现在;除了应用新手段而外,它还具备完整科学的工作步骤和程序,又可进一步划分为:
1)人工诊断方法。
使用比较复杂的分析仪器及具有一定诊断功能的设备,除了能够对机械设备有无故障及故障的严重程度作出判断及区分之外,在有经验的专家及工程技术人员的参与下,还能够对某些特殊类型的典型故障的性质、类别、部位、原因作出合理的判断和估计。
2)系统诊断方法。
这是一种建
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