第2章机械故障诊断基础ok

1、 程道来程道来 第二学科楼第二学科楼A308 02160873631， 第3页第4页返回到目录返回到目录第5页返回到目录第6页 (1)便于信息交流；便于信息交流； (2)便于处理故障时更有针对性。便于处理故障时更有针对性。1、分类的目的、分类的目的返回到目录第7页 机械故障可以从不同的角度来进行分类机械故障可以从不同的角度来进行分类 (1)按其发生的按其发生的原因原因分分 (2)按其造成的按其造成的后果后果分分 (3)按其发生的按其发生的快慢快慢分分 (4)按其发生的按其发生的范围（程度）范围（程度）分分 (5)按其发生的按其发生的频次频次分分 (6)其他角度其他角度来进行分类（来进行分类（所

2、采用的技术手段所采用的技术手段）2、分类方法、分类方法第8页返回到目录(1) 磨损性故障磨损性故障：是指机械系统因使用过程中的正常磨：是指机械系统因使用过程中的正常磨损而引发的一类故障，对这类故障形式，一般只进行损而引发的一类故障，对这类故障形式，一般只进行寿命预测。寿命预测。(2) 错用性故障错用性故障：是因使用不当而引发的故障。：是因使用不当而引发的故障。(3) 先天性故障先天性故障：是由于设计或制造不当而造成机械系：是由于设计或制造不当而造成机械系统中存在某些薄弱环节而引发的故障。统中存在某些薄弱环节而引发的故障。3、按其发生的按其发生的原因原因分分第9页返回到目录(1) 危害性故障危害

3、性故障：故障发生后会对人身、生产和环境：故障发生后会对人身、生产和环境造成危险或危害的一类故障，如机床保护系统不造成危险或危害的一类故障，如机床保护系统不能进行有效地工作而造成损害工件或操作者的故能进行有效地工作而造成损害工件或操作者的故障、毒气泄漏、高压罐爆炸等。障、毒气泄漏、高压罐爆炸等。(2)安全性故障安全性故障：故障的发生不会对人身、生产和环：故障的发生不会对人身、生产和环境造成危害的一类故障，如保护系统在不需保护境造成危害的一类故障，如保护系统在不需保护时动作的故障等。时动作的故障等。4、按造成的按造成的工程技术安全性后果工程技术安全性后果分分第10页返回到目录(1) 突发性故障突发

4、性故障：不能靠早期测试探测出来的一类故：不能靠早期测试探测出来的一类故障。即此类故障是障。即此类故障是不可预测不可预测的，对这类故障只能的，对这类故障只能进行进行预防预防，如过载造成机件损坏。，如过载造成机件损坏。(2) 渐发性故障渐发性故障：故障的发展有一个过程，因而可对：故障的发展有一个过程，因而可对其进行其进行预测和监视预测和监视，如疲劳裂纹的产生和扩展。，如疲劳裂纹的产生和扩展。5、按其按其发生的快慢发生的快慢分分第11页返回到目录 (1) 部分性故障部分性故障：设计功能部分丧失的一类故障。：设计功能部分丧失的一类故障。 (2) 完全性故障完全性故障：设计功能完全丧失的一类故障。：设计

5、功能完全丧失的一类故障。5、按其按其发生的发生的分分第12页返回到目录 (1) 偶发性故障偶发性故障：发生频率很低的一类故障，即：发生频率很低的一类故障，即“意外现意外现 象象”，如齿轮断齿。，如齿轮断齿。 (2) 多发性故障多发性故障：经常发生的一类故障，如齿轮磨损。：经常发生的一类故障，如齿轮磨损。 机械故障还有机械故障还有其它其它分类方法，如单一故障分类方法，如单一故障/复杂故障等，复杂故障等， 可参考有关文献。可参考有关文献。6、按其按其发生的发生的频次频次分分第13页返回到目录性质性质持续时间持续时间程度程度7、机械故障其它、机械故障其它分类方法分类方法第14页返回到目录严重性严重性

6、”相关性相关性7、机械故障其它、机械故障其它分类方法分类方法 (6)按按故障复杂性故障复杂性 第15页返回到目录遵循典型故障曲线遵循典型故障曲线( (浴盆曲线浴盆曲线) ) 一、早期故障期一、早期故障期( (期) )二、偶发故障期二、偶发故障期( (期) )三、严重故障期三、严重故障期( (期) )第16页返回到目录故障率%磨合期正常使用期耗损期遵循典型故障曲线遵循典型故障曲线( (浴盆曲线浴盆曲线) ) 第17页返回到目录（征兆）是外因和内因对机械系统（征兆）是外因和内因对机械系统共同作用结果所表现的故障形态。共同作用结果所表现的故障形态。 第18页返回到目录第19页返回到目录 一、故障特征

7、参量的定义一、故障特征参量的定义 二、故障特征参量的选取原则二、故障特征参量的选取原则 三、故障特征参量的选定方法三、故障特征参量的选定方法第20页返回到目录对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题是：对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题是： (1)这种故障通过哪些物理参量表现出来这种故障通过哪些物理参量表现出来? (2)这种故障与各物理参量间的关系强弱情况如何这种故障与各物理参量间的关系强弱情况如何? 一般而言，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生一般而言，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生了变化，就必定会影响到与之相联系的各个动态物理参了变化，就必定会影响到与之相联系的各个动态物

8、理参量，牵涉面较广。而故障类型与物理参量的关系强弱是量，牵涉面较广。而故障类型与物理参量的关系强弱是我们最感兴趣的。我们最感兴趣的。 故障特征参量的定义故障特征参量的定义：对故障敏感、稳定可靠的物理量：对故障敏感、稳定可靠的物理量（原始（原始/运算后）运算后）称为故障特征参量。称为故障特征参量。第21页返回到目录机械系统的故障类型千差万别，与每一种故机械系统的故障类型千差万别，与每一种故障类型相对应，机械系统必定会通过一个或多个物障类型相对应，机械系统必定会通过一个或多个物理参量将其表征出来理参量将其表征出来 (一因多果一因多果)；每一种故障类型每一种故障类型也必须由一种或多种原因所引起也必须

9、由一种或多种原因所引起 (一果多因一果多因)。如齿如齿轮齿面点蚀。轮齿面点蚀。 故障表现与其特征参量和故障原因之间存在的对故障表现与其特征参量和故障原因之间存在的对应关系：应关系：第22页返回到目录 F = f (1 ,2 ,3 ,.） F 某种故障类型；某种故障类型； 1 ,2 ,3 各特征参量或故障原因。各特征参量或故障原因。 故障诊断就是要确定故障诊断就是要确定F与与1 ,2 ,3.之间的某种对之间的某种对应关系应关系 f，以便通过检测，以便通过检测1 ,2 ,3 来判断故障类型来判断故障类型F是否发生，或在已知是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成发生的情况下去查明造成 F 产生的

10、原因产生的原因1 ,2 ,3 等。等。 第23页返回到目录对于同一种故障类型，当它们发生在不同的对于同一种故障类型，当它们发生在不同的机械系统上时，其故障特征参量也不同，因此，在机械系统上时，其故障特征参量也不同，因此，在确确定某种故障的特征参量时，应结合具体的系统进行定某种故障的特征参量时，应结合具体的系统进行。 ：一般机器的轴承发生故障时，其温度会升高，一般机器的轴承发生故障时，其温度会升高，此时温度可选为故障特征参量。然而，对于矿用通风此时温度可选为故障特征参量。然而，对于矿用通风机，其转子轴承处于风道内，受到强风冷却，即使出机，其转子轴承处于风道内，受到强风冷却，即使出现故障温度也未必

11、明显升高，此时就不宜选用温度作现故障温度也未必明显升高，此时就不宜选用温度作为轴承故障的特征参量。为轴承故障的特征参量。第24页返回到目录 1、高度敏感性、高度敏感性：机械系统状态的微弱变化应引起故障：机械系统状态的微弱变化应引起故障特征参量较大的变化；特征参量较大的变化； 2、高度可靠性、高度可靠性：故障特征参量是依赖于机械系统的状：故障特征参量是依赖于机械系统的状态变化而变化的，如果把系统状态取作自变量，故障特征态变化而变化的，如果把系统状态取作自变量，故障特征参量取作因变量，则故障特征参量应是系统状态这个自变参量取作因变量，则故障特征参量应是系统状态这个自变量的量的单值函数单值函数； 3

12、、实用性、实用性(或或可实现性可实现性)：故障特征参量应便于检测，：故障特征参量应便于检测，如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不易获得易获得(经济、技术方面的考虑经济、技术方面的考虑)，那么这个物理参量也不，那么这个物理参量也不便用作故障特征参量。如便用作故障特征参量。如。第25页返回到目录 原因：原因： 1、故障的复杂性及多因多果性、故障的复杂性及多因多果性; 2、故障类型不同，其故障特征不同，其故障特征、故障类型不同，其故障特征不同，其故障特征参量也不同；参量也不同； 3、即使是同一种故障类型，当其、即使是同一种故障类型，当其

13、环境条件环境条件(包括故包括故障主体障主体)发生变化时，其故障特征参量也不同。发生变化时，其故障特征参量也不同。 第26页返回到目录一、损伤程度的极限值一、损伤程度的极限值二、输出系数的极限值二、输出系数的极限值三、整机的极限状态三、整机的极限状态四、经济损失的极限值四、经济损失的极限值第27页返回到目录一、绝对判断标准一、绝对判断标准二、相对判断标准二、相对判断标准三、类比判断标准。三、类比判断标准。可用平均法制定相对判断标准。可用平均法制定相对判断标准。第28页返回到目录转机振动标准举例(轴承振动)ISO2372，ISO3945振动烈度：振动速度的有效值测量频率范围 101000HzI 级

14、：小型机械 例15kW以下电机II级：中型机械 例1575kW以下电机 和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础 60012000r/minIV 级：大型机械，柔性基础 60012000r/min振动烈度mm/s设 备 分 级范 围限 值I级II级III级IV级0.280.450.71A A A1.12A A A1.8B B BA A A2.8B B BA A A4.5C C CB B B7.1C C CB B B11.2C C C18C C C284571D D DD D DD D DD D DA优优，B良，良，C可可，D不可不可第29页返回到目录(轴振动)转机振动标准举例转机振动标

15、准举例VDI德国工程师协会IEC 国际电工协会API 美国石油协会NEMA MITI/JEAC 第30页返回到目录相对法确定振动限值1 2 3 4 5 6 7 8滚动轴承滚动轴承齿齿 轮轮旋转机械旋转机械滑动轴承滑动轴承(23) (46) 报警值危险值正常值正常值第31页返回到目录类比法确定振动限值CBAD C泵的振动超过同类诸泵的振动一倍，C泵应定为有故障第32页返回到目录故障频率带频率范围报警值单 位通 频(040)R 8.8mm/s pk基频、亚同步(01.2)R 7.6mm/s pk23 倍频(1.53.5)R 6.3mm/s pk轴承带 I(3.515)R 3.3mm/s pk轴承带

16、 II(1540)R 3.3mm/s pk叶片通过频率叶片数R 2.5mm/s pk很高频40R 20kHz 3.0g pk R 为机器的转动频率滚动轴承机械的滚动轴承机械的报警参考值报警参考值0 5 10 15 20 25 30 35 40 R8 6 4 2 0mm/s pk第33页返回到目录故障频率带频率范围报警值单 位通 频(010)R 8.8mm/s pk亚同步(00.8)R2.54mm/s pk基 频(0.81.8)R 7.6mm/s pk23 倍频(1.53.5)R 6.3mm/s pk410 倍频(3.510)R 5.0mm/s pk叶片通过频率叶片数R 2.5mm/s pk基频

17、相位 30度 R 为机器的转动频率滑动轴承机械的滑动轴承机械的报警参考值报警参考值0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R8 6 4 2 0mm/s pk第34页返回到目录 所谓所谓机械故障诊断机械故障诊断，就是对机械系统所处的状，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其态进行监测，判断其是否正常是否正常，当出现异常时分析，当出现异常时分析其产生的其产生的原因、部位原因、部位和和严重程度严重程度，并，并预报其发展趋预报其发展趋势势。第35页返回到目录 机械故障诊断机械故障诊断（技术）（技术）可可按以下方法分类按以下方法分类： 1、按其、按其目的目的分：分：功能诊断、运行诊断功能诊断、运

18、行诊断 2、按其、按其方式方式分：分： 在线监测诊断、巡回检测诊断（离线监测诊断）在线监测诊断、巡回检测诊断（离线监测诊断） 3、按其、按其提取信息的方式提取信息的方式分：分：直接诊断、间接诊断直接诊断、间接诊断 4、按、按诊断时所要求的机械运行工况条件诊断时所要求的机械运行工况条件分：分： 常规工况诊断、特殊工况诊断常规工况诊断、特殊工况诊断 5、按、按功能功能分：分：简易诊断、精密诊断简易诊断、精密诊断第36页返回到目录1、 功能诊断功能诊断 即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功能是否正常，也就是投入运行前的诊断。能是否正常，也就是投入运行前的诊断。

19、2、 运行诊断运行诊断 即对服役中的机械系统进行的诊断。即对服役中的机械系统进行的诊断。第37页返回到目录1、在线监测（诊断）在线监测（诊断） 就是连续地对服役中的机械系统进行监测，就是连续地对服役中的机械系统进行监测，测试传感器及二次仪表等安装在设备现场，随机测试传感器及二次仪表等安装在设备现场，随机械系统一起工作。械系统一起工作。2、巡回检测（离线监测诊断）巡回检测（离线监测诊断） 就是每隔一定的时间对服役中的机械系统就是每隔一定的时间对服役中的机械系统进行检查和诊断；进行检查和诊断；第38页返回到目录 1、直接诊断直接诊断 诊断对象与诊断信息来源直接对应的一种诊断方诊断对象与诊断信息来源

20、直接对应的一种诊断方法，即一次信息诊断。如通过检测齿轮的安装偏心和法，即一次信息诊断。如通过检测齿轮的安装偏心和运动偏心等参数来判断齿轮运转是否正常即属此类。运动偏心等参数来判断齿轮运转是否正常即属此类。 2、间接诊断间接诊断 诊断对象与诊断信息来源不直接对应的一种诊断诊断对象与诊断信息来源不直接对应的一种诊断方法，即二次、三次等非一次信息的诊断。如通过测方法，即二次、三次等非一次信息的诊断。如通过测箱体的振动来判断齿轮箱中齿轮是否存在偏心等。箱体的振动来判断齿轮箱中齿轮是否存在偏心等。 通常所谓的诊断主要是指间接诊断。通常所谓的诊断主要是指间接诊断。第39页返回到目录 1、常规工况诊断常规工

21、况诊断 在机械的正常运行条件下进行的一种故障诊断方在机械的正常运行条件下进行的一种故障诊断方式。式。 2、特殊工况诊断特殊工况诊断 对某些机械，需为其创造特殊的工作条件才能对对某些机械，需为其创造特殊的工作条件才能对其进行诊断。如动力机组的升降速过程诊断、提升机其进行诊断。如动力机组的升降速过程诊断、提升机启、停过程诊断。启、停过程诊断。第40页返回到目录 1、 简易诊断简易诊断 对机械系统的状态作出相对粗略的判断。一般只回对机械系统的状态作出相对粗略的判断。一般只回答答“正常与否正常与否”、“有无故障有无故障”等问题，而不分析故障等问题，而不分析故障原因、故障部位及故障程度等。又称原因、故障

22、部位及故障程度等。又称“状态监测状态监测”。 2、 精密诊断精密诊断 是在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程，它是在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程，它不仅要回答不仅要回答“正常与否正常与否”、“有无故障有无故障”的问题，而且的问题，而且还要详细地分析出还要详细地分析出故障原因、故障部位、故障程度及其故障原因、故障部位、故障程度及其发展趋势发展趋势等一系列的问题。又称等一系列的问题。又称“故障诊断故障诊断”。 第41页返回到目录 频谱分析法频谱分析法 趋势分析法趋势分析法 通频值趋势分析、频谱趋势通频值趋势分析、频谱趋势分析分析 时域分析法时域分析法 波形分析、相关函数分析波形分析、相关

23、函数分析 倒频谱分析法倒频谱分析法 模态分析法模态分析法 随机减量法随机减量法其他数学方法其他数学方法 模式识别法模式识别法 模糊诊断法模糊诊断法 故障树诊断法故障树诊断法 神经网络法神经网络法 小波分析法小波分析法 灰色系统法灰色系统法 分形几何法分形几何法第42页返回到目录 每种故障有其对应的特征频率。每种故障有其对应的特征频率。 据此确定机器的故障性质和严重程度。据此确定机器的故障性质和严重程度。 根据劣化曲线，振动的通频幅值根据劣化曲线，振动的通频幅值( (特征频率幅特征频率幅值值) )随故障的发展而增大。随故障的发展而增大。 据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。据此监视机器的健康状

24、态，并推测其寿命。第43页返回到目录 （P19-21 严）第44页返回到目录1、振动与噪声监测法、振动与噪声监测法 振动诊断法、声学诊断法振动诊断法、声学诊断法2、油液监测法、油液监测法3、性能参数法、性能参数法 温度诊断法、强度诊断法、压力流量诊断法、温度诊断法、强度诊断法、压力流量诊断法、表面形貌（材料裂纹缺损等）诊断法、电参数诊断表面形貌（材料裂纹缺损等）诊断法、电参数诊断法、工艺参数变化诊断法法、工艺参数变化诊断法 （P19-21 严）第45页返回到目录 振动：振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度（红外）：温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。声发射：声

25、发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。油液（铁谱）：油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。 无损检测：无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。 压力：压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 强度：强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 表面：表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。 工况参数：工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。 电气：电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。第46页返回到目录 不能预防突发性故障，只能预防渐变性故障。渐变性故障是随着劣化的进展而逐步恶化，在此过程中存在着某些特征信号与

26、之相应地变化，这些特征信号，就是设备的状态信息，其物理表现就是检测、分析的对象。从根本上讲，所有设备转换与传递过程中的随着设备的。附加能量损耗中包括的各种物理量构成设备的状态信息中的重要部分。第47页返回到目录 以，如齿轮箱、轧钢机、切削、挤压设备等，附加能量损耗的初始形式也以力和运动表现出来，这就是振动、摩擦。附加能量损耗的二次形式是发热，由此将损耗的能量散发出去。设备状态信息中主要的它也有多种形式，包含、的形式表现。 因此温度测量应尽可能靠近热源点；测振的探头也应尽可能地靠近振动源，以期获得尽量强的振动信号。第48页返回到目录以能量转换为主要工作任务的设备，其设备的状态信息包括、以及因这些

27、能量的。分述如下：泵、风机、压缩机等都是将机械能转换成介质能量的设备，设备的状态信息包括机械能的参数力、速度、振动、温度； 也包含介质的能量压力、流量。电动机是将电能转换为机械能的设备，设备的状态信息包括：电压、电流、漏电流；也包括机械能的参数力、速度、振动（频率、振幅）、温度。内燃机类的设备是将燃料中的能量转换为机械能，设备的状态信息以机械能的参数力、速度、振动、温度等为主。热工设备（工业炉、窑、化工反应塔等）的状态信息主要为设备的温度场分布。第49页返回到目录 1、定期诊断和连续诊断、定期诊断和连续诊断 2、在线诊断和离线诊断、在线诊断和离线诊断（P19-21 严）第50页返回到目录离线分析诊断离线分析诊断 定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放到定期或不定