机械故障诊断概述

1、故障诊断基础故障诊断基础1.机械故障诊断概述机械故障诊断概述2.机械故障诊断中的信号处理机械故障诊断中的信号处理3.振动与噪声监测技术振动与噪声监测技术4.超声波与声发射检测技术超声波与声发射检测技术5.油样分析技术油样分析技术6.温度监测方法温度监测方法7.滚动轴承与齿轮故障诊断技术滚动轴承与齿轮故障诊断技术8.旋转机械故障诊断技术旋转机械故障诊断技术9.往复机械故障诊断技术往复机械故障诊断技术宋玉超宋玉超2014.3第一章 机械故障诊断概述1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容1.2设备故障的信息获取和检测方法设备故障的信息获取和检测方法1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障

2、诊断方法的分类1.4机械设备故障诊断技术的发展概况1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容o 现代工业生产对机械设备的要求:n 可靠性n 可用性n 维修性n 经济性n 安全性n 进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容o 机械故障机械故障： 指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列指机械系统（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。的现象。1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容分类标准分类名称（1）按发生原因分磨损性故障磨损性故

3、障错用性故障错用性故障先天性故障先天性故障（2）按造成的后果分）按造成的后果分危害性故障危害性故障安全性故障安全性故障（3）按发生的快慢分）按发生的快慢分突发性故障突发性故障渐发性故障渐发性故障（4）按发生的范围分）按发生的范围分部分性故障部分性故障完全性故障完全性故障（5）按发生的频次分）按发生的频次分偶发性故障偶发性故障多发性故障多发性故障（6）按系统功能丧失的程度分）按系统功能丧失的程度分永久性故障永久性故障非永久性故障非永久性故障（7）按故障相关性划分）按故障相关性划分相关故障相关故障非相关故障非相关故障（8）按故障发生的时期划分）按故障发生的时期划分早期故障早期故障使用期故障使用期故

4、障后期故障后期故障机械故障的分类机械故障的分类机械设备诊断技术的分类机械设备诊断技术的分类Company Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容按诊断对象分：按诊断对象分：旋转机械诊断技术旋转机械诊断技术 往复机械诊断技术往复机械诊断技术 工程结构诊断技术工程结构诊断技术 运载器和装置诊断技术运载器和装置诊断技术 通信系统诊断技术通信系统诊断技术 工艺流程诊断技术工艺流程诊断技术机械设备诊断技术的分类机械设备诊断技术的分类Company Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容按按诊断目的和要求分类：按按诊断目的和要求分类：功能诊断与运行诊断功能诊断与运行诊断定期

5、诊断和连续诊断定期诊断和连续诊断直接诊断和间接诊断直接诊断和间接诊断常规工况与特殊工况诊断常规工况与特殊工况诊断在线诊断和离线诊断在线诊断和离线诊断机械设备诊断技术的分类机械设备诊断技术的分类Company Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容按诊断方法的按诊断方法的完善程度分类完善程度分类简易诊断简易诊断 利用一般简易测量仪器对设备进行利用一般简易测量仪器对设备进行监测，根据测得的数据，分析设备的工作状态。监测，根据测得的数据，分析设备的工作状态。如利用测振仪对机组轴承座进行测量，根据测得如利用测振仪对机组轴承座进行测量，根据测得的振动值对机组故障进行判别或者应用便携式数的

6、振动值对机组故障进行判别或者应用便携式数据采集器将振动信号采集下来后再进行频谱分析据采集器将振动信号采集下来后再进行频谱分析用以诊断故障。用以诊断故障。精密诊断技术精密诊断技术 利用较完善的分析仪器或诊断装利用较完善的分析仪器或诊断装置，对设备故障进行诊断，这种装置配有较完善置，对设备故障进行诊断，这种装置配有较完善的分析、诊断软件。精密诊断技术一般用于大型、的分析、诊断软件。精密诊断技术一般用于大型、复杂的设备，如电站的大型汽轮发电机组、石油复杂的设备，如电站的大型汽轮发电机组、石油化工系统的关键压缩机组等。化工系统的关键压缩机组等。设备故障诊断的基本方法设备故障诊断的基本方法Company

7、 Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容（1）传统的故障诊断方法）传统的故障诊断方法v首先是利用各种物理的和化学的原理和手段，通首先是利用各种物理的和化学的原理和手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接检测过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接检测故障。故障。 v其次，利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常其次，利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法，以旋转机械为例，振动及其频用、最成熟的方法，以旋转机械为例，振动及其频谱特性的征兆是最能反映故障特点、最有利于进行谱特性的征兆是最能反映故障特点、最有利于进行故障诊断的手段。故障诊断的手段。设备故障诊断的基本

8、方法设备故障诊断的基本方法Company Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容（2）故障的智能诊断方法）故障的智能诊断方法在上述传统的诊断方法的基础上，将人工智能（在上述传统的诊断方法的基础上，将人工智能（Artificial Intelligence）的理论和方法用于故障诊断，发展智能化的诊断）的理论和方法用于故障诊断，发展智能化的诊断方法，是故障诊断的一条全新的途径，目前已广泛应用，成为设备方法，是故障诊断的一条全新的途径，目前已广泛应用，成为设备故障诊断的主要方向。故障诊断的主要方向。 人工智能的目的是使计算机去做原来只有人才能做的智能任务，人工智能的目的是使计算机去做

9、原来只有人才能做的智能任务，包括推理、理解、规划、决策、抽象、学习等功能。专家系统包括推理、理解、规划、决策、抽象、学习等功能。专家系统（Expert System）是实现人工智能的重要形式）是实现人工智能的重要形式. 专家系统由知识库、推理机以及工作存储空间（包括数据库）组专家系统由知识库、推理机以及工作存储空间（包括数据库）组成。专家系统的核心问题是知识的获取和知识的表示。成。专家系统的核心问题是知识的获取和知识的表示。设备故障诊断的基本方法设备故障诊断的基本方法Company Logo1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容（3）故障诊断的数学方法）故障诊断的数学方法设备故障诊断技

10、术作为一门学科，尚处在形成和发展之中，必须广设备故障诊断技术作为一门学科，尚处在形成和发展之中，必须广泛利用各学科的最新科技成就，特别要借助各种有效的数学工具。泛利用各学科的最新科技成就，特别要借助各种有效的数学工具。包括基于模式识别诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊包括基于模式识别诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及神经网络、小波变换、分形几何等新发展的数学分支在故障诊断中神经网络、小波变换、分形几何等新发展的数学分支在故障诊断中的应用等等。的应用等等。o 推广和

11、应用设备状态监测与故障诊断技术可以达到如下目的目的：1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容 保障设备运行安全，防止突发事故保障设备运行安全，防止突发事故 保证设备工作精度，提高产品质量保证设备工作精度，提高产品质量 实施状态维修实施状态维修(或预防维修或预防维修)，节约维修费用，节约维修费用 避免设备事故带来的环境污染及其它危害避免设备事故带来的环境污染及其它危害 给企业部门带来较大的间接经济效益给企业部门带来较大的间接经济效益1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容u 设备诊断设备诊断：即即“设备医生设备医生” 用一定的用一定的仪器、手段仪器、手段 定性定性、定量定量描述设备状

12、态描述设备状态 分析故障发生原因分析故障发生原因 并根据运行状态的变化预测故障的发展并根据运行状态的变化预测故障的发展 最终最终实现对故障的控制实现对故障的控制 1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的目的和内容o 目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行o 主要目的： 及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性 制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力,同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用 通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理

13、制造及生产过程提供数据和信息 状态监测： 故障诊断： 指导设备管理和维修：1.1 机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容内容 有利于提高设备管理水平 避免重大事故发生，减少事故危害性 可以获得潜在的巨大经济和社会效益1.1 机械设备故障诊断技术的意义意义、目的和内容目的意义举例目的意义举例：美国：美国Pekrul电厂故障诊断效益分析电厂故障诊断效益分析目的意义举例：目的意义举例：空难空难飞机残骸飞机残骸目的意义举例：目的意义举例： 外部燃料箱表面泡沫外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的材料安装过程中存在的缺陷缺陷，一块泡沫材料脱，一块泡沫材料脱落击中航天飞机左翼前落击中航天飞机左翼前缘。当航

14、天飞机返回经缘。当航天飞机返回经过大气层时，剧烈摩擦过大气层时，剧烈摩擦使温度高达使温度高达1400的空的空气冲入左翼并融化了内气冲入左翼并融化了内部结构部结构返航过程返航过程保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能 1.2设备故障的信息获取和检测方法被测设备信 号采 集获取检测信号信号处理设备特征信息状态识别对比设备允许参数故障确定趋势分析诊断决策设备诊断过程框图1.2设备故障的信息获取和检测方法直接观测法直接观测法;参数测定法参数测定法;磨损残渣测定法磨损残渣测定法;设备性能指标的测定设备性能指标的测定 1.2设备故障的信息获取和检测方法( (一一) )直接

15、观测法直接观测法应用这种方法对机器状态做出判断主应用这种方法对机器状态做出判断主要靠人的经验和感官，且限于能观测要靠人的经验和感官，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。到的或接触到的机器零部件。1.2设备故障的信息获取和检测方法( (二二) )参数测定法参数测定法 根据设备运动的各种参数的变化来获取根据设备运动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。故障信息是广泛应用的一种方法。 其它如噪声、温度、压力、变形、胀差、其它如噪声、温度、压力、变形、胀差、阻值等参数也是故障信息的重要来源。阻值等参数也是故障信息的重要来源。1.2设备故障的信息获取和检测方法( (三三) )磨损残渣磨损

16、残渣测定法测定法测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞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，环等的磨损残渣在润滑油中的含量，也是一种有效的获取故障信息的方法也是一种有效的获取故障信息的方法，根据磨损残渣在润滑油中含量及颗，根据磨损残渣在润滑油中含量及颗粒分布可以掌握零件磨损情况，并可粒分布可以掌握零件磨损情况，并可预防机器故障的发生。有关这方面的预防机器故障的发生。有关这方面的详细内容将在第五章中叙述。详细内容将在第五章中叙述。1.2设备故障的信息获取和检测方法(四四)设备性能设备性能指标的测定指标的测定 设备性能包括整机及零部件性能，设备性能包括整机及零部件性能，通过测量

17、机器性能及输入、输出量的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也是变化信息来判断机器的工作状态也是一种重要方法。一种重要方法。 例如，柴油机耗油量与功率的变化，例如，柴油机耗油量与功率的变化，机床加工零件精度的变化，风机效率机床加工零件精度的变化，风机效率的变化等均包含着故障信息。的变化等均包含着故障信息。 对机器零部件性能的测定，主要反对机器零部件性能的测定，主要反映在强度方面，这对预测机器设备的映在强度方面，这对预测机器设备的可靠性，预报设备破坏性故障具有重可靠性，预报设备破坏性故障具有重要意义。要意义。1.2设备故障的信息获取和检测方法( (一）振动和噪声的故障检测

18、一）振动和噪声的故障检测5 5声学法声学法4 4冲击能量与冲击脉冲测定法冲击能量与冲击脉冲测定法 3 3模态分析与参数识别法模态分析与参数识别法2 2特征分析法特征分析法1、 振动法振动法 1.2设备故障的信息获取和检测方法( (二）二）材料裂纹及缺陷损伤的故障检测材料裂纹及缺陷损伤的故障检测4 4磁粉探伤法磁粉探伤法1 1超声波探伤法超声波探伤法3 3渗透探伤法渗透探伤法2 2射线探伤法射线探伤法5 5涡流探伤法涡流探伤法6 6激光全息检测法激光全息检测法7 7微波检测技术微波检测技术 8 8声发射技术声发射技术 1.2设备故障的信息获取和检测方法( (三）三）设备零部件材料的磨损及腐蚀故障

19、检测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：应用下列方法：油液分析技术油液分析技术光纤内窥技术光纤内窥技术 油液分析技术可分为两大类，一类是油液本身物油液分析技术可分为两大类，一类是油液本身物理、化学性能分析；另一类是对油液中残渣的分理、化学性能分析；另一类是对油液中残渣的分析。具体的方法有光谱分析法与铁谱分析法。析。具体的方法有光谱分析法与铁谱分析法。1.2设备故障的信息获取和检测方法( (三）三）温度、压力、流量变化引起的故障检测温度、压力、流量变化引起的故障检测机器设备系统的有些故障往往反

20、映在一些工艺参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、流量的变化中。在温度测量数，如温度、压力、流量的变化中。在温度测量中除常规使用的装在机器上的热电阻、热电偶等中除常规使用的装在机器上的热电阻、热电偶等接触式测温仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温方法有红外测温仪和红外热像仪，它接触式测温方法有红外测温仪和红外热像仪，它们都是依靠物体的热辐射进行测量。们都是依靠物体的热辐射进行测量。1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障诊断方法的分类设备故障诊断技术的分类，有三种分类方法（一）按照诊断的目的、要求和条件分类（一）按照诊

21、断的目的、要求和条件分类分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、直接诊断和间接诊断、在线分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、直接诊断和间接诊断、在线诊断和离线诊断、常规诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。诊断和离线诊断、常规诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。（二）按诊断的物理参数分类（二）按诊断的物理参数分类振动、声学、温度、污染、无损诊断、压力诊断等等，都是按物理参数分类振动、声学、温度、污染、无损诊断、压力诊断等等，都是按物理参数分类。 （三）按照按诊断的直接对象分类（三）按照按诊断的直接对象分类 各种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的设备都有很大区别，按照机各

22、种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的设备都有很大区别，按照机械零件、液压系统、旋转机械、往复机械、工程结构等等来进行区分。械零件、液压系统、旋转机械、往复机械、工程结构等等来进行区分。 1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障诊断方法的分类(1)功能诊断和运行诊断功能诊断和运行诊断功能诊断主要是针对新安装的设备或刚刚维修过的设备，而运行诊断更多是起到状态监测的功能。(2)定期诊断和连续监测定期诊断和连续监测(3)直接诊断和间接诊断直接诊断和间接诊断 直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定其所处的状态，例如轴承间隙、齿面磨损.直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制而

23、无法实现。间接诊断是通过设备运行中的二次效应参数来间接判断关键零部件的状态变化。由于多数二次效应参数属于综合信息，因此在间接诊断中出现伪警或漏检的可能性会增加。 4、在线诊断和离线诊断、在线诊断和离线诊断 在线是指对现场正在运行设备的自动实时监测；而离线监测是利用磁带记录仪等将现场的状态信号记录后，带回实验室后再结合诊断对象的历史档案进行进一步的分析诊断或通过网络进行的诊断。 1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障诊断方法的分类5、常规诊断和特殊诊断、常规诊断和特殊诊断 常规诊断是在设备正常服役条件下进行的诊断，大多数诊断属于这一类型诊断。但在个别情况下，需要创造特殊的服役条件来采集信号

24、，例如，动力机组的起动和停机过程要通过转子的扭振和弯曲振动的几个临界转速采集起动和停机过程中的振动信号，停车对诊断其故障是必须的，所要求的振动信号在常规诊断中是采集不到的，因而需要采用特殊诊断。 6、简易诊断和精密诊断、简易诊断和精密诊断 简易诊断一般由现场作业人员进行。凭着听、摸、看、闻来检查。也可通过便携式简单诊断仪器,如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外测温仪等对设备进行人工监测，根据设定的标准或凭人的经验确定设备是否处于正常状态。 精密诊断一般要由专业人员来实施。采用先进的传感器采集现场信号，然后采用精密诊断仪器和各种先进分析手段（包括计算机辅助方法、人工智能技术等）进行综合分析，确定故

25、障类型、程度、部位和产生故障的原因，了解故障的发展趋势。 1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障诊断方法的分类1.3机械设备故障诊断方法的分类机械设备故障诊断方法的分类综上所述，设备的检测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，提出处理措施，不同程度地延长设备的服役期，减免不必要的维修干扰，大大降低运行成本，易实行自动化和科学化设备管理，是保障设备安全经济运行的有力措施，应大力推广。然而，设备的检测与故障诊断技术毕竟为新兴的多学科高新技术，其发展和实施还存在许多困难，距离替代预防性定期检修还有较长历程。所以，既要积极开发、推广这一技术，也要客观对待，避免盲从，不断总结经验，完善系统，使该技术更好的为为企业和人民生产