《冶金机械设备维修》经典教案

1、冶金机械设备维修教案学习情景1:设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数2 2授课形式引导文法模块一设备状态检测与故障诊断基础知识教案目的1 1、理解状态监测与故障诊断基本概论及分类。2 2、掌握故障诊断的基本方法和基本过程。3 3、了解故障诊断技术的作用及意义。4 4、培养学生职业责任感及自学能力。教案重点、难点重点：状态监测与故障诊断方法难点：实际运用、设备故障分布规律，典型故障曲线课外作业阅读专业杂志及书籍，多到厂区了解设备相关状态课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教案手段时间分配课程介绍、学习要求：设备的状态监测与故障诊断是

2、指利用现代科学 技术和仪器、根据设备外部信息参数的变化来判断机 器内部的工作状态或机械结构的损失状况， 确定故障 的性质、程度、类别和部位，预报其发展趋势，并研 究故障产生的机理。通过学习，使学生针在一定程度 选取恰当的诊断方法对冶金机电设备的状态进行判 断，并能熟练使用各种常见检测仪器，处理设备问题。 归纳总结1 1、讲解了设备状态监测与故障诊断相关基础知识。2 2、阐述了监测与诊断的重要性。布置作业1 1、故障诊断的基本步骤。演示文档(PPTPPT、机电 设备载体、各类诊断监测 仪器、相关技 术资料引题 5 5 分钟；授 课4040 分 钟；实训3030 分 钟；归纳总结 5 5 分钟设备

3、状态监测与故障诊断设备的状态监测与故障诊断是指利用现代科学技术和仪器、根据设备外部信息参数的变化 来判断机器内部的工作状态或机械结构的损失状况，确定故障的性质、程度、类别和部位， 预报其发展趋势，并研究故障产生的机理。状态监测与故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包含的内容 比较广泛，诸如机械状态量(力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等)的监测，状 态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防，机械 零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命估计等等。设备状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之一。一、设备故障的基本知识1 1、定义设备故

4、障(FaultFault)的一般性定义是： 设备在规定时间内、 规定条件下， 丧失规定功能 的状况。 美国政府 工程工程经管人员测试性与诊断性指南(AD(AD A208917)A208917)中，则把故障定义为：“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”。在工程实例中，我们还常常听到另一个词汇：失效(FailureFailure)。国家规范 GB3187GB3187 8282可靠性基本名词术语及定义中规定，失效是产品丧失规定的功能，对可修复产品通常称为故障。国家军用规 范 GJB451GJB451 9090可靠性维修性术语指出，故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成 预定功能的

5、事件或状态，对某些产品称为失效。由此可见，“失效”和“故障”均为表示产品不能完成或丧失功能的现象。在实际工程中，对于“失效”和“故障”没有严格的区别，通常对于可修复产品常用“故障”，而对于不可修复产品常用“失效”。对于各种设备系统而言，其包含着大量可修复的零部件，因此常常统一用“故障”来表示各级零部件直至系 统不能完成规定功能的事件。2 2、 设备故障分布规律设备故障的发生、发展过程都有其客观规律。研究故障规律对制定维修策略，以及建 立更加科学的维修体制都是十分有利的。典型故障曲线一一浴盆曲线1-1 典型故障曲线浴盆曲线通过大量的实践证 明，可维修设备的故障率入随着设备使用期的延续， 而呈现三

6、个不同趋势的阶 段。典型的故障率分布曲线，可参见图 1-11-1 所示的浴盆曲线(bathtub(bathtub curve)curve),它将使用维修期间的设备故障状态分为三个时间:11早期 故障期偶发故障期耗损故障期寿命J时间率障故的定规t1t2故障率(1) 早期故障期( (OWtvti) )：是指设备安装调试过程至移交生产试用阶段。这一时期的 特点是故障率由高到低。造成早期故障的原因主要是由设计、制造上的缺陷，包装、运输中的损伤，安装调试不到位，使用工人操作不习惯或尚未全部熟练掌握其性能等原因所造 成的。设备处于早期故障期，其故障率开始往往很高，但通过跑合运行、故障排除和使用 维修人员对

7、设备的逐步熟悉，故障率将逐渐降低并趋于稳定，设备进入正常工作阶段。此 段时间的长短，随产品、系统的设计与制造质量而异。不过，当设备进行大修理或技术改 造后，早期故障期还将再次出现。早期故障率是影响设备可靠性的一个重要因素，会使设备的平均无故障工作时间减少。从设备的总役龄来看，这段时间虽不长，但必须认真对待，否则影响新设备效能的正常发 挥，对资金回收不利。对于已定型的成批生产的设备和熟练的操作人员来说，早期故障期 相对较短。工程实例：攀钢二期工程新建的深井泵站在投产初期，水泵运行台时时常只有 数百小时，甚至只有几十小时就必须检修，且检修1 1 台水泵耗时近半个月。当时只能出动车间绝大部分的检修力

8、量，不分黑天白夜的加班加点组织抢修。(2)偶发故障期( (titt2) )：经过第一阶段的调试、试用后，设备的各部分机件进人正 常磨损阶段，操作人员逐步掌握了设备的性能、原理和机构调整的特点。设备进入偶发故障期。在此期间故障率大致处于稳定状态，趋于定值。在此期间，故障的发生是随机的。 在偶发故障期内，设备的故障率最低，而且稳定。因而可以说，这是设备的最佳状态期或 称正常工作期。这个区段称为有效寿命。偶发故障期的故障，一般是由于设备使用不当，维修不力，工作条件(负荷、环境等)变化，或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造上存在的问题所致。故通 过提高设计质量、改进使用经管、加强监视诊断

9、与维护保养等工作，可使故障率降低到最 低。对于偶发期故障，一般需要进行统计分析。为此，必须健全设备运行、故障动态和维 修保养的记录，建立设备检查与生产日志等制度，对故障进行登记与分析。工程实例：上 述的深井泵站在投产 2 23 3 年后，随着对设备的逐步熟悉，检修维护水平的逐步提高，设备 便进入偶发故障期，这一时期水泵的大修台时普遍提高到 7000h,7000h,部分甚至可到 12000h12000h 以上。一般每年大修台数为 2 23 3 台，大修台时 6060 工。相对早期故障期，工作量极大减少， 目前只配备数个钳工就可完全胜任设备检修工作。(3) 耗损故障期( (t2t) )：这段时期的

10、特点是设备故障率急剧升高。此时设备经过上述稳定阶段，大多数零部件由于长期的运转，其机械磨损、疲劳、老化、腐蚀逐步加剧而丧 失机能，使设备故障率开始上升，进人耗损故障期。这说明设备的一些零部件已经达到了 其使用寿命。因此，应在这一时期出现前不久，进行针对性的预防维修，或在这一时期刚 出现时，进行设备修理，便可防止故障大量涌现，降低故障率和维修工作量，延长设备的 使用寿命。但如果坚持继续使用，就可能造成设备事故。归纳来说，这三个阶段对应着故障分布的三种基本类型：早期为故障递减型；偶发期为故障恒定型；耗损期为故障递增型。3 3、故障分类故障的分类方法有多种，它们可分别从不同的角度，如经济性、安全性、

11、复杂性、故 障发展速度、起因等方面，观察设备丧失工作效能的程度。不同的分类方法反映了设备故 障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的 对策。常见的故障分类如下所述：（1 1）按故障的性质分类：间断性故障和永久性故障（2 2）按故障形成的速度（即发生的快慢）分类：突发性故障和渐发性故障（3 3）按故障的原因分类：外因故障和内因故障（4 4）按故障危害性分类：危险性故障和安全性故障（5 5）按功能丧失程度分类：局部性故障和完全性故障（6 6）按故障的相关性分类：相关故障和非相关故障（7 7）按功能分类：潜在故障和功能故障（8 8）按故障影响的程度分：轻微故障、

12、一般故障、严重故障和恶性故障二、 故障诊断及其分类故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分 析其产生的原因和部位，并预报其发展趋势。在设备故障诊断技术中，诊断方法的分类问 题是一个比较重要的问题， 它不仅是建立一个学科所必需的条件，给人以明确的科学体系，而且更能启迪人们，改进已有的诊断方法，寻求新的突破。因此，了解设备故障诊断的分 类，对我们今后更好地理解和运用诊断技术，具有积极的意义。下面，简要介绍一些常见 的故障分类方法。1 1、 按目的分：分成功能诊断和运行诊断2 2、 按方式分：分成巡回检测和在线监测3 3、 按提取信息的方式分：分成直接诊断和间接诊断

13、4 4、 按诊断时所要求的机械运行工况条件分：分成常规工况诊断和特殊工况诊断5 5、 按功能分：分成简易诊断和精密诊断三、 设备故障诊断技术的发展与展望故障诊断技术是现代科学技术与生产高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促 进的产物。除了故障机理的研究得益于数学、物理学、力学、机械学、声学、化学等基础 学科之外，还特别地从自动控制、信号处理、人工智能、计算机技术的发展中得到支持。追溯设备故障诊断的历史，实际上自有工业生产以来就已存在。早期的人们主要是依 据五官感觉，如对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，同时凭借工匠的经验， 以此来判断某些故障的存在，并提出修复的措施，例如，有经验的

14、工人常利用听棒来判断 旋转设备轴承及转子的状态等。这一阶段我们估且称之为感性阶段，即利用人的五官来感 受各种设备故障信息。之后，随着振动、温度、压力、流量等传感器的广泛应用，设备故障诊断的历史发生 了第一次革命性的转变，进入了量化阶段。但是故障诊断技术真正作为一门学科，则是2020世纪 6060 年代以后才发展起来的， 这也是设备故障诊断历史上第二次革命性的转变。近年来， 人工智能和网络化已逐步成为故障诊断的主要发展方向，这必将推动设备故障诊断第三次 革命性的转变。简而言之，设备故障诊断技术是现代科学技术与生产高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促进的产物，其真正发展成为一门学科的时期大约

15、在2020 世纪 6060 年代，是在设备经管与维修模式发展的基础上成长起来的。故障诊断技术经过 4040 多年的研究与发展，已应用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞 机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程、飞机、汽车、冶金、矿山 设备等领域。但同时我们也应该看到，尽管设备故障诊断技术已取得了长足的进步， 但它 作为一门正在发展的新型学科， 目前还远未达到完善的水平，主要表现在：理论与实际结 合力度不够，故障诊断是一门实践性极强的技术，目前从事设备故障诊断研究的人员多为 高校或研究单位，他们对现场设备缺乏深入了解，而现场技术人员通常又没有足够的时间 和技术基础，将所观察、检测到的

16、现象上升到理论加以分析、归纳、归纳总结；诊断技术 发展不平衡，虽然旋转机械的故障诊断理论和实践都取得了较成熟的效果，但是往复机械 的诊断理论和实践还有待提高；诊断仪器的性能与现场设备的实际需求存在差距；现场设 备诊断系统的实际效果表现欠佳，智能化水平较低，简易诊断的仪器功能较为单一，精度 不高，而精密诊断的仪器价格较为昂贵，且对使用人员的专业技术水平要求很高，在易用 性方面还存在较大不足等。 相信随着现代科学技术的不断发展， 这些问题都将逐步得以缓 解， 并最终得到有效解决。四、 诊断技术基本方法简介对设备的诊断有不同的技术手段，较为常用的有振动监测与诊断、温度监测与诊断、 噪声监测、油液诊断

17、、无损探伤技术等。设备诊断技术尽管很多，但基本上离不开信息的 采集，信息的分析处理，状况的识别、诊断、预测和决策三个环节。设备状态监测与诊断技术的主要工作内容是：（1 1） 保证机器运行状态在设计的范围内（2 2） 随时报告运行状态的变化情况和恶化趋势（3 3） 提供机器状态的准确描述（4 4） 故障报警五、 故障诊断技术作用及意义现今社会，设备诊断技术日益获得重视和发展，一方面是随着科学技术和生产发展， 设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各部分间 的关联更加密切，往往微小的故障就可能引发连锁反应， 从而导致整个设备系统或与设备 有关的环境遭受灾难性的破坏。

18、 这不仅会造成巨大经济损失，而且会危及人身安全，导致 环境事故等，后果不堪设想。例如：19731973 年美国三里岛核电站堆芯损坏事故；19851985 年美国“挑战者”号航天飞机坠毁；19841984 年印度博帕尔市农药厂异氰酸甲酯毒气外泄事故；19861986年前苏联切尔若贝利核电站泄漏事故；19861986 年欧洲莱茵河瑞士化学工业污染事故等，这些都是由设备故障造成的震惊世界的恶性事故。据统计，重要设备因事故停机造成的损失极为严重：一个乙烯球罐停产一天，损失产值500500 万元，利润 200200 万元；一台大型化纤设备停产一小时，损失产值 8080 万元。有国外研究标明，对大型汽轮发

19、电机组进行振动监视，获 利与投资之比为 1717:1 1。这表明采用设备诊断技术，保证设备可靠而有效地运行是极为重要的。另一个不可忽视的重要因素是维修体制的变革，尤其是状态维修的推行，迫切需要提 升设备综合效率，降低设备寿命周期费用。 过去国内外对设备主要采用计划维修或事后维 修。 在许多场合下， 这是非常不合理的，致使不该修的修了（即过维修），不仅浪费人力、物力、财力，甚至还会降低设备工作性能；而该修的可能又没修（即欠维修），不仅降低设备寿命，而且还将导致事故发生。例如：英国曾对20002000 家工厂调查，结果表明采用诊断技术后，每年设备维修费可节约3 3 亿英镑。日本有资料指出，采用诊断

20、技术后，每年设备维修费减少 202050%50%,故障停机减少 75%75%。我国冶金企业的维修费用一般占到生产成本的8 81010%，许多大型钢厂，每年设备维修费达数亿万元以上。对此，上海宝钢提出并实施了从“以周期检修为基础， 以预防维修为主线”的维修模式向“以设备状态受控经管为基础，以状态维修为主线”的综合维修模式转变的战略决策，从而使其维修费用持续下降，公司 年吨钢维修费用均降 5%5%左右，创效上亿元，而且近几年来公司各条主作业线设备状态逐年 趋于稳定，重（特）大设备事故为零，主要生产设备事故故障停机率持续降低，领先国内同行企业。根据世界发达国家的先进经验和中国企业的多年实践探索，设备

21、诊断技术在现代设备 工程中的作用，大致可归纳为以下几方面：1.1.能及时科学地对设备各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备 的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低 到最低水平。2 2保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充 分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。3.3. 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及 生产过程提供反馈信息和理论依据。4.4. 通过实施设备故障诊断，带动与故障诊断有关的一系列相关理论，如信号采集、信 号分析、模式识别等相关学

22、科的发展，同时可检验相关理论的完善程度，寻找最佳故障诊 断方法，完善设备故障诊断学。我国的设备故障诊断事业正在蓬勃发展，必将在我国经济建设中发挥越来越大的作用。面向 2121 世纪，我们将面临更加严峻的考验，尤其是在充分强调“经管创新、科技创新”的 今天，状态监测与故障诊断已成为设备经管水平提升的迫切需要，而一个脱颖而出的设备 故障诊断新事业，也必将顺应和推动现代企业制度进步的潮流，并以其强大的生命力展现 在现代企业经管之林。冶金机械设备维修教案学习情景1:设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数4 4授课形式工程教案法模块二振动监测与诊断教案目的1 1、了解振动基本知识。2 2、掌握振动诊断技

23、术的原理和振动监测方法。3 3、了解振动诊断的作用及意义。4 4、培养学生职业责任感及自学能力。教案重点、难点重点：振动诊断技术的原理和监测方法 难点：振动监测的实际运用课外作业阅读专业杂志及书籍，多参加实际锻炼课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教案手段时间分配课程介绍、学习要求：振动诊断是设备状态监测与故障诊断常用技术 之一。通过学习，训练学生针对冶金机电设备的常用 旋转零件进行振动诊断，能合理确定诊断策略，选取 恰当的诊断方法，并能熟练使用各种常见检测仪器。归纳总结1 1、讲解了振动相关基础知识及振动诊断方法。2 2、结合实际

24、讲解振动诊断的应用。布置作业1 1、振动诊断实施要点演示文档 (PPTPPT、机电 设备载体、各 类维修技术工器具和材 料、技术资料引题 5 5 分钟；授课 4 40 0分钟；实训 3030分钟；归 纳总结 5 5 分钟振动监测与诊断机械振动是工程中普遍存在的现象，机械设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的 增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、 破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一 种物理现象。据统计，有 60%60%以上的机械故障

25、都是通过振动反映出来的。因此，不用停机 和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另 外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技 术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。研究振动问题时，一般将研究对象（如一部机器、一种结构）称为系统；把外界对系 统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的 动态行为，称为响应或输出。振动分析（理论或实验分析）就是研究这三者间的相互关系。所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分 析处理，然后将结果与事先制订的某种规范进行

26、比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂 纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消 除故障、保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统 的参数（质量、刚度、阻尼等）来确定系统的输入，以判断系统环境的特性，如寻找振源 等问题的研究。一、振动诊断基本知识图 2-1重物随时间的运动图1 1、什么是振动振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。例如图 2-12-1所示的弹簧质量系统中重物的运动就是振动的一个典型例子。重物从平衡位置移动到上极限位置，再返回经过静平衡位置移动到下极限位置，又返 回移动到静平衡位置，为一个

27、运动循环，即往复振动一次。这个运动循环连续不断重复就 是该重物的振动。图右面是重物振动位移随时间变化的运动图， 它是一条正弦 （或余弦） 曲线。 这种正 弦振动， 称之为“简谐振动”，它是一种最简单的振动。各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些都可认为是一个弹 性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动，这种每 隔一定时间的往复性机械运动，称为机械振动。由于各种系统的结构、参数不同，系统所受的激励不同，系统所产生的振动规律也各 不相同。根据振上限I It动规律的性质及其研究方法，振动可分为确定性振动和随机振动两大类。确定性振动的规律可以用某个确定

28、的数学表达式来描述，其振动的波形具有确定的形 状。其振动位移是时间 t t 的函数，可用简单的数学解读式来表示，为：x=xx=x（t t）。随机振动不能用确定的数学表达式来描述，其振动波形呈不规则的变化，只能用概率 统计的方法来描述。在机械设备的状态监测和故障诊断中，常遇到的振动多为周期振动、准周期振动、窄 频带随机振动和宽频带随机振动等，以及其中几种振动的组合。周期振动和准周期振动属 确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。2 2、振动的表示方法（1 1）确定性振动1 1 ）简谐振动简谐振动是机械振动中最简单最基本的振动形式，了解它的特性，对了解其它振动的 特性和掌握振动监测诊断技术

29、都十分重要。若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正 弦（或余弦）函数表示，则这种周期振动就称为简谐振动。其数学表达式为x Asin（ t ）（2 2 1 1）式中x物体相对平衡位置的位移；A A振幅（又称峰值），表示物体偏离平衡位置的最大距离（2A2A 称为峰- -峰值）；单位为毫 M M （mm）；振动的角频率，表示2秒内的振动次数或称圆频率；-振动的初相位角，用以表示振动物体的初始位置，单位为弧度（rad）。振幅 A A 表示振动的大小，而角频率表示振动的快慢。如果已知某物体作简谐振动，且已知（或测出）A A、 及，就可以完全确定该物体在任何瞬时的位移X X。简谐振动是确定性振动，其特性

30、取决于A A、三个参数，这三个参数在设备诊断中有着重要的意义，因此，A A、 及 称为简谐振动的三要素。2 2）周期振动若振动波形按周期 T T 重复出现，也就是x x（t t） x x（t t nTnT）（n 0,1,2）（22）成立时，称为周期振动，相对简谐振动而言，一般它是一个复杂的周期振动，是由一 个静态分量X。和无限个谐波余弦分量（振幅为Xn，相角为n）组成，实践中产生复杂周 期振动的情况远多于产生简谐振动的情况。事实上，简谐振动往往是复杂周期振动的一种 近似表示。3 3）准周期振动所谓准周期振动，也是由一些不同周期的简谐振动合成的振动。这一点与复杂周期 振动相类似。但是，准周期振动

31、没有周期性，组成它的简谐分量中总会有一个分量与另一 个分量的频率之比值为无理数。而复杂周期振动的各简谐分量中任何两个分量的频率之比 是有理数。准周期振动是一种非周期振动，可用如下的函数描述：X（t）XnSin（2 fntn）（ 2 2 3 3）（2 2）随机振动随机振动是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式描述。随机振动过程虽不能预知，也不能重复，但随机振动具有一定的统计规律，因此可以 用概率统计的方法来研究随机振动，用统计特征参数来描述随机振动的特性，用随机信号 来描述随机振动。二、振动监测参数与规范1 1、振动参数及其选择如前所述，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。为

32、了提高振动测试的灵敏度，在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的参数（或传感器）。从测量的灵敏度和动态范围考虑，低频时的振动强度用位移值度量；中频时的振动强度用速度值度 量；高频时的振动强度用加速度值度量。从异常的种类考虑，冲击是主要问题时应测量加 速度；振动能量和疲劳是主要问题时应测量速度；振动的幅度和位移是主要问题时，应测 量位移。对大多数机器来说，速度是最佳参数，这也是许多规范采用该系数的原因之一。但是 另外一些规范都采用相对位移参数进行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的 最多。对于轴承和齿轮部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。2 2、测量位置的选定首先应确定是

33、测量轴振动还是轴承振动。一般说来，监测轴比测试轴承座或机壳的振 动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上振动的变化比轴承座或机壳要敏感得多。 不过，监测轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术，其中 最基本的条件是能够合理地安装传感器。测量转子振动的非接触式涡流传感器安装前一般 需要加工设备外壳，保证传感器与轴颈之间没有其他物体。在高速大型旋转设备上，传感 器的安装位置常常是在制造时就留下的，目的是对设备实行连续在线监测。而对低中速、 小设备来说，常常不具备这种条件，在此情况下，可以选择在轴承座或机壳上放置传感器 进行测试。测量轴承振动可以检测机械的各种振动，因受环境影

34、响较小而易于测量，而且 所有仪器价格低，装卸方便，但测量的灵敏度和精度较低。其次应确定测点位置。一般情况下，测点位置选择的原则是：能对设备振动状态做出 全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易 产生劣化现象的易损点。一般测点应选在接触良好、表面光滑、局部刚度较大的部位。值 得注意的是，测点一经确定之后，就要经常在同一点进行测量。特别是高频振动，测点对 测定值的影响更大。为此，确定测点后必须做出记号，并且每次都要在固定位置测量。如 机座、轴承座，一般都选为典型测点。通常对于大型设备，必须在机器的前中后、上下左 右等部位上设点进行测量。在监测中还可以根据实际需

35、要和经验增加特定测点。不论是测轴承振动还是测轴振动， 都需要从轴向、 水平和垂直三个方向测量。 考虑到 测量效率及经济性，一般应根据机械容易产生的异常情况来确定重点测量方向。3 3、 振动监测的周期监测周期的确定应以能及时反映设备状态变化为前提， 根据设备的不同种类及其所处 的工况确定振动监测周期。通常有以下几类：（1 1） 定期检测 即每隔一定的时间间隔对设备检测一次，间隔的长短与设备类型及状态 有关。高速、大型的关键设备，振动状态变化明显的设备，新安装及维修后的设备都应较频繁检测，直至运转正常。（2 2） 随机检验 对不重要的设备，一般不定期地进行检测。发现设备有异常现象时，可 临时对其进

36、行测试和诊断。（3 3） 长期连续监测对部分大型关键设备应进行在线监测，一旦测定值超过设定的门槛值即进行报警，进而对机器采取相应的保护措施。对于定期检测，为了早期发现故障，以免故障迅速发展到严重的程度，检测的周期应 尽可能短一些；但如果检测周期定的过短，则在经济上可能不合理。因此，应综合考虑技 术上的需要和经济上的合理性来确定合理的检测周期。连续在线监测主要适用于重要场合 或由于工况恶劣不易靠近的场合，相应的监测仪器较定期检测的仪器要复杂，成本也要高 些。4 4、 振动监测规范衡量机械设备的振动规范，一般可分为绝对判断规范、相对判断规范和类比判断规范 三大类。（1 1） 绝对判断规范绝对判断规

37、范是将被测量值与事先设定的“规范状态槛值”相比较以判定设备运行状态的一类规范。常用的振动判断绝对规范有ISO2372ISO2372、ISO3495ISO3495、VDI2056VDI2056、BS4675BS4675 GB/TGB/T 6075.16075.1 19991999 ISO10816ISO10816 等。（2 2） 相对判断规范对于有些设备，由于规格、产量、重要性等因素难以确定绝对判断 规范，因此将设备正常运转时所测得的值定为初始值，然后对同一部位进行测定并进行比 较，实测值与初始值相比的倍数叫相对规范。相对规范是应用较为广泛的一类规范，其不足之处在于规范的建立周期不常，且槛值 的

38、设定可能随时间和环境条件（包括载荷情况）而变化。因此，在实际工作中，应通过反 复实验才能确定。（3 3） 类比判断规范数台同样规格的设备在相同条件下运行时，通过对各设备相同部件的测试结果进行比较，可以确定设备的运行状态。类比时所确定的机器正常运行时振动的 允许值即为类比判断规范。需要注意的是， 绝对判定规范是在规定的检测方法的基础上制定的规范， 因此必须注 意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有设备的绝对判定规范是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定规范、相对判定规范和类比判定规范，这样才 能获得准确、可靠的诊断结果。三、振动监测1 1、振动测试的类型和测试系统工程中所进

39、行的振动测试工作主要有下列两类：（1 1）测量振动物体上某点的振动。如测定改点振动的位移、速度或加速度的峰值、有 效值、振动的频谱及其能量分布、各振动分量间的相互关系等。（2 2）进行结构或部件的动态特性分析。如确定结构或部件的各阶固有频率、阻尼、刚 度等参数以及分析其各阶振型等。当机器发生故障时，在敏感点的振动参数的峰值、有效值往往有明显的变化，或者出 现新的振动分量。因此对机器进行故障诊断时，通常是在故障敏感点进行第一类振动测量。 但是，当机器有故障时，往往产生新的激励，如果激励是一种脉冲，则其包含的频率成分 是十分丰富的。机器或其部件对此激励的响应主要是以其各阶固有频率所作的振动。显然,

40、不同的部件其固有频率是不同的。因此，如要寻找或判断故障源就需要进行第二类振动测 量。测量物体上某点振动的测振系统框图如图2-22-2 所示工作原理是：将传感器安装在测振点上，通过传感器将机械振动转换为电信号，若传感器的输出阻抗很大（压电式加速度计），则在传感器之后接一前置放大器，起阻抗变换及信号放大作用；然后将信号输入测振放大器（功率放大器），将信号进一步放大，并将信号进行微分或几分变换，得到所需的具有一定功率的信号（位移、速度和加速度信号）。接着将此信号输入信号分析仪进行信号处理。可得到所需各种信息；最后对信号分析结果进行 记录、显示和打印，如图 2-32-3 所示。*图 2-3振动信号分析

41、系统框图目前在工程中还广泛地应用下述测试系统：在测试现场于功率放大器后面接上磁带记 录仪。把振动信号记录到磁带上。事后，在实验室内将磁带记录仪与信号分析仪、显示仪、 记录仪等仪器相连，也可将振动信号经模数转换后输入计算机进行分析研究。采用磁带记录仪的好处：将振动信号保存起来，在需要时可以随时复现；当振动 测试的现场环境凰帯记录促信号彷析仪亞打仪图 2-2 机械振动测试系统框图比较恶劣，不适于信号分析仪等精密仪器工作时，通过磁带记录仪可在实 验室内对振动信号进行分析研究；对于没有信号分析仪、计算机的单位，可通过磁带记 录仪到其它单位分析研究。对结构或部件进行动态特殊分析的测试系统，结构的动态特性

42、可用频率响应函数H(j)表示X(j )H (j )(2(2 4)4)式中F(j )为激振力的傅里叶变换，X( j )为振动响应的傅里叶变换。频率响应函数H(j )是一个复数，它既包含幅值的信息，也包含相位信息。所以通过实验测定了系统的 频率响应函数后，就可用解读的方法确定该系统的各阶固有频率、振型以及各阶模态参数。41振枚大谑4图 2-4 频率响应函数测试分析装置框图频率响应函数测试装置的框图如图2-42-4 所示。它的工作原理：由信号发生器发出激励信号，经功率放大器放大后去控制激振器，使其产生按某种规律变化的激振力，系统在此 力作用下产生受迫振动。由测振传感器将机械振动转换为电量变化，经放大

43、、滤波等电路 后与激振信号一起输入信号分析仪进行各项分析，即可得到所需的信息；然后用显示、记 录仪器将实验结果显示或记录下来。2 2、测定系统动态特性的几种方法(1)(1)稳态正弦波频率扫描法在结构上选择某些点用激振器进行正弦稳态激振，保持激振力幅值恒定进行激振频率 扫描，在结构的不同位置上安装传感器检测振动响应，从而可得到结构的频率响应曲线。 如在结构的各阶共振时移动传感器的位置，则可测得结构的各阶固有振型。为了使实验更 准确，可利用反馈控制装置使激振力或测点的加速度幅值保持不变。(2) 机械阻抗法与上法不同之处在于它不仅要测得振动响应，而且还要同时测量激振力(不要求激振 力幅值恒定)，然后

44、根据这两者幅值和相位关系得到结构频率响应函数。应当指出，频率扫 描的速度应使系统的响应能接近稳态振动，过快就会影响实验的精度。(3) 快速等幅正弦波频率扫描此法属于瞬态激励，利用快速频率扫描的正弦波发生器，在几秒钟内产生 o o 20kHz20kHz 范 围内（可调）的衡幅线性频率扫描激振。根据测得的激励与响应的数据可以得到结构的频 率响应函数。（4 4 ）随机激振实验法本法用随机信号发生器输出宽频带的白噪声信号，驱动激振器对结构进行激振，将测 得的激振力与振动响应信号，经放大、滤波后输入信号分析仪，即可得到结构的频率响应 函数。（5 5）脉冲激振法此法也属于瞬态激振。方法是用在撞击部装有力传

45、感器的锤头快速撞击结构物，将力 传感器与加速度传感器所检验到的力与振动的信号输入信号分析仪，即可求得此结构的频 率响应函数。由振动分析可知：脉冲越宽（即撞击时间越短），其包含的频率成分就越丰富, 频率范围的上限就越高，在此频率范围内的功率谱几乎是一水平线。 为了激励感兴趣的结 构的高阶固有频率，应使撞击时间比该高阶频率对应的振动周期短。但撞击时间越短，其 激励的能量水平就越低，从而可能激励不出结构的各阶模态。因此，并不是撞击时间越短 越好，如果仅对结构的低阶模态感兴趣，不妨撞击的持续时间略长些。这可通过改变锤头 撞击部的硬度来改变撞击的时间（如撞击部的材料可以分别采用钢、铝、塑料、橡胶等） 硬

46、度越大，撞击时间就越短。四、齿轮故障的振动诊断齿轮传动在机器中使用得非常广泛，其运行状况直接影响整个机器或机组的工作，因 此展开齿轮故障诊断对降低维修费用和防止突发性事故具有实际意义。1 1、齿轮振动信号的频率特征振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种振动信号传感器、放 大器及其它测量仪器测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理方法提取其故 障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。很多情况下，从齿轮的啮合波形也可以直接观察出 故障。（1 1 ）啮合频率在齿轮传动过程中，每个齿轮周期地进入和退出啮合。以直齿圆柱齿轮为例，其啮合 区分为单齿啮合区和双齿啮合区。在单齿啮合区内，全

47、部载荷由一对齿副承担；当一旦进 入双齿啮合区，则载荷分别由两对齿副按其啮合刚度的大小分别承担。很显然，在单、双 齿啮合区的交变位置，每对齿副所承受的载荷将发生突变，这必将激发齿轮的振动；同时， 在传动过程中，每个轮齿的啮合点均从齿根向齿顶（主动齿轮）或齿顶向齿根（从动齿轮）逐渐移动，由于啮合点沿齿高方向不断变化，各啮合点处齿副的啮合刚度也随之变化，相 当于变刚度弹簧，这也是齿轮产生振动的一个原因；此外，由于齿轮的受载变形，其基节 发生变化，在轮齿进入啮合和退出啮合时，将产生齿入冲击和齿出冲击，这更加剧了齿轮 的振动。对斜齿圆柱齿轮，产生振动的原因基本相同，但由于同时啮合的齿数较多，传动 较平稳

48、，所产生的啮合振动的幅值相对较低。齿轮啮合产生的振动是以每齿啮合为基本频率进行的，该频率称为啮合频率当齿轮的运行状态劣化之后，对应于啮合频率及其谐波的振动幅值会明显增加，这为 齿轮的故障诊断提供了有力的依据。（2 2）齿轮振动信号的调制由于齿轮的故障，加工误差如齿距不均，安装误差如偏心等，使齿面载荷波动，影响 振幅而造成幅值调制。由于齿轮载荷不均、齿距不等及故障造成载荷波动，除了影响振幅 之外，同时也必然产生转矩波动，使齿轮转速波动。这些波动就是振动上的频率调制（也 称相位调制）。所以，任何导致幅值调制的因素也同时会导致频率调制。频率调制现象对小 齿轮副尤为突出。齿轮振动信号的调制中包含了许多

49、故障信息。从频域上看，调制的结果是在齿轮啮合 频率及其谐波周围产生以故障齿轮的旋转频率为间隔的边频带，且其振幅随故障的恶化而 加大。（3 3 ）齿轮的振动测量齿轮所发生的低频和高频振动中，包含了诊断各种异常振动非常有用的信息。齿轮发生的振动中，有固有频率、齿轮轴的旋转频率及轮齿啮合频率等成分，其频带 较宽。利用包含这种宽带频率成分的振动进行诊断时，要把所测的振动按频带分类，然后 根据各类振动进行诊断。通常在进行齿轮振动测定时，可选用频率范围较宽的加速度传感器。（4 4）齿轮的简易诊断方法齿轮的简易诊断， 主要是通过振动与噪声分析法进行的， 包括声音诊断法、 振动诊断 法及冲击脉冲法等。简易诊断

50、通常借助一些简易的振动检测仪器，对振动信号的幅域参数进行测量，通过 监测这些幅域参数的大小或变化趋势，判断齿轮的运行状态。1齿轮的振幅监测监测齿轮的振动强度，如峰值、有效值等，可以判别齿轮的工作状态。判别规范可以用绝对规范或相对规范，也可以用类比的方法。2齿轮无量纲诊断参数的监测为了便于诊断，常用无量纲幅域参数指标作为诊断指标。它们的特点是对故障信息敏感，而对信号的绝对大小和频率变化不敏感。这些无量纲诊断参数有：波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标及峭度指标。这些指标各适用于 不同的情况，没有绝对优劣之分。（5 5）齿轮的精密诊断方法由于齿轮动态特性及故障特性的复杂性，齿轮的故障诊断通常需要

51、进行较为细致的信 号分析与处理，通过前后对比得出诊断结论。其计算公式为fs式中,zn60Z1、60Z2为主、（2-52-5）从动齿轮的齿数;n2为主、从动齿轮的转速。冶金机械设备维修教案学习情景1:设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数4 4授课形式工程教案法模块二振动监测与诊断教案目的1 1、了解振动基本知识。2 2、掌握振动诊断技术的原理和振动监测方法。3 3、了解振动诊断的作用及意义。4 4、培养学生职业责任感及自学能力。教案重点、难点重点：振动诊断技术的原理和监测方法 难点：振动监测的实际运用课外作业阅读专业杂志及书籍，多参加实际锻炼课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，

52、互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教案手段时间分配课程介绍、学习要求：振动诊断是设备状态监测与故障诊断常用技术 之一。通过学习，训练学生针对冶金机电设备的常用 旋转零件进行振动诊断，能合理确定诊断策略，选取 恰当的诊断方法，并能熟练使用各种常见检测仪器。归纳总结1 1、讲解了振动相关基础知识及振动诊断方法。2 2、结合实际讲解振动诊断的应用。布置作业2 2、振动诊断实施要点演示文档 (PPTPPT、机电 设备载体、各 类维修技术工器具和材 料、技术资料引题 5 5 分钟；授课 4 40 0分钟；实训 3030分钟；归 纳总结 5 5 分钟振动监测与诊断机械振动是工程中普遍存在的现象

53、，机械设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的 增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、 破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一 种物理现象。据统计，有 60%60%以上的机械故障都是通过振动反映出来的。因此，不用停机 和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另 外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技 术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。研究振动问题时，一

54、般将研究对象（如一部机器、一种结构）称为系统；把外界对系 统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的 动态行为，称为响应或输出。振动分析（理论或实验分析）就是研究这三者间的相互关系。所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分 析处理，然后将结果与事先制订的某种规范进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂 纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消 除故障、保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统 的参数（质量、刚度、阻尼等）来确定系统的输入，以判断系统环境的特性

55、，如寻找振源 等问题的研究。一、振动诊断基本知识图 2-1重物随时间的运动图1 1、什么是振动振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。例如图 2-12-1所示的弹簧质量系统中重物的运动就是振动的一个典型例子。重物从平衡位置移动到上极限位置，再返回经过静平衡位置移动到下极限位置，又返 回移动到静平衡位置，为一个运动循环，即往复振动一次。这个运动循环连续不断重复就 是该重物的振动。图右面是重物振动位移随时间变化的运动图， 它是一条正弦 （或余弦） 曲线。 这种正 弦振动， 称之为“简谐振动”，它是一种最简单的振动。各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些

56、都可认为是一个弹 性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动，这种每 隔一定时间的往复性机械运动，称为机械振动。由于各种系统的结构、参数不同，系统所受的激励不同，系统所产生的振动规律也各 不相同。根据振上限I It动规律的性质及其研究方法，振动可分为确定性振动和随机振动两大类。确定性振动的规律可以用某个确定的数学表达式来描述，其振动的波形具有确定的形 状。其振动位移是时间 t t 的函数，可用简单的数学解读式来表示，为：x=xx=x（t t）。随机振动不能用确定的数学表达式来描述，其振动波形呈不规则的变化，只能用概率 统计的方法来描述。在机械设备的状态监测和故障诊断

57、中，常遇到的振动多为周期振动、准周期振动、窄 频带随机振动和宽频带随机振动等，以及其中几种振动的组合。周期振动和准周期振动属 确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。2 2、振动的表示方法（1 1）确定性振动1 1 ）简谐振动简谐振动是机械振动中最简单最基本的振动形式，了解它的特性，对了解其它振动的 特性和掌握振动监测诊断技术都十分重要。若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正 弦（或余弦）函数表示，则这种周期振动就称为简谐振动。其数学表达式为x Asin（ t ）（2 2 1 1）式中x物体相对平衡位置的位移；A A振幅（又称峰值），表示物体偏离平衡位置的最大距离（2A2A 称为峰-

58、 -峰值）；单位为毫 M M （mm）；振动的角频率，表示2秒内的振动次数或称圆频率；-振动的初相位角，用以表示振动物体的初始位置，单位为弧度（rad）。振幅 A A 表示振动的大小，而角频率表示振动的快慢。如果已知某物体作简谐振动，且已知（或测出）A A、 及，就可以完全确定该物体在任何瞬时的位移X X。简谐振动是确定性振动，其特性取决于A A、三个参数，这三个参数在设备诊断中有着重要的意义，因此，A A、 及 称为简谐振动的三要素。2 2）周期振动若振动波形按周期 T T 重复出现，也就是x x（t t） x x（t t nTnT）（n 0,1,2）（22）成立时，称为周期振动，相对简谐振

59、动而言，一般它是一个复杂的周期振动，是由一 个静态分量X。和无限个谐波余弦分量（振幅为Xn，相角为n）组成，实践中产生复杂周 期振动的情况远多于产生简谐振动的情况。事实上，简谐振动往往是复杂周期振动的一种 近似表示。3 3）准周期振动所谓准周期振动，也是由一些不同周期的简谐振动合成的振动。这一点与复杂周期 振动相类似。但是，准周期振动没有周期性，组成它的简谐分量中总会有一个分量与另一 个分量的频率之比值为无理数。而复杂周期振动的各简谐分量中任何两个分量的频率之比 是有理数。准周期振动是一种非周期振动，可用如下的函数描述：X（t）XnSin（2 fntn）（ 2 2 3 3）（2 2）随机振动随

60、机振动是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式描述。随机振动过程虽不能预知，也不能重复，但随机振动具有一定的统计规律，因此可以 用概率统计的方法来研究随机振动，用统计特征参数来描述随机振动的特性，用随机信号 来描述随机振动。二、振动监测参数与规范1 1、振动参数及其选择如前所述，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。为了提高振动测试的灵敏度，在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的参数（或传感器）。从测量的灵敏度和动态范围考虑，低频时的振动强度用位移值度量；中频时的振动强度用速度值度 量；高频时的振动强度用加速度值度量。从异常的种类考虑，冲击是主要问题时应测量加 速度；振动能量