结构故障的诊断方法

结构故障的诊断方法第一页，共十八页。引言由于制造、安装、操作等不当人为因素和许多自然因素的影响，或使用一定的时期以后，机械设备的结构往往会产生裂纹、腐蚀、配合松动的故障。这些故障发展至一定程度而又未被觉察并及时采取措施，便可能导致破坏性事故，引起严重的后果。在历史上这些事故不乏其例，近十年来再我国一些港口也曾多次发生港口门座起重机臂架折断的恶性事故。究其原因，往往是在臂架上由于裂纹的形成并扩展的一定程度，使臂架断面缩小到一定程度以至于无力承受外载荷所致。所以对于这种裂纹的形成与扩展引起的故障的诊断与监测，就具有重要的意义。人们从各个方面开展了对于这种故障的诊断方法的研究。第二页，共十八页。当前进行故障诊断的基本方法可以分为三类：直接观察法无损检测法间接检测法第三页，共十八页。直接观察法

它包括感官观察法、磁场探伤法和着色探伤法。感官观察法：利用手摸、目视、耳听等简易方法来找出裂纹，这种方法对于表面裂纹的监测室简单易行的，但对于内部的微裂纹或人们不便接近的位置则显得无能为力，并且这种方法与观察者的经验有莫大关系。第四页，共十八页。磁场探伤法：能有效地检测铁磁性材料表面和近表面裂纹，但对于受空间位置影响难以进行检测的部位及非磁性材料就受到了限制。CXD-3型旋转磁场探伤仪第五页，共十八页。着色探伤法：这种方法是把着色探伤的主要操作置于磁场的磁力作用下，探头和被探工件表面产生气隙的机械振动，使渗透剂能够有效地渗透，加强显像能力，提高检测灵敏度。磁场着色探伤法操作如下：清洗渗透磁化清洗显像磁化磁粉磁化观察结果清洗渗透磁化清洗显像磁化磁粉磁化观察结果第六页，共十八页。无损检测法它包括射线探伤法、超声波探伤法和声发射探伤法等。

射线探伤是利用射线可以穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现其中缺陷的一损探伤方法。它可以检查金属和非金属材料及其制品的内部缺陷，如焊缝中的气孔夹渣、未焊透等体积性缺陷。这种无损探方法有独特的优越性，即检验缺陷的直性、准确性和可靠性，而且，得到的射线底可用于缺陷的分析和作为质量凭证存档。射线探伤法能较直观的对缺陷定性和定量，但对于大型结构则工作量很大。第七页，共十八页。

超声波探伤法能较灵敏的检测裂纹类面积缺陷，超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。TUD360超声波探伤仪，是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷(裂纹、疏松、气孔、夹杂等)的检测、定位、评估和诊断。

第八页，共十八页。例如，在起重机一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。虽然这种方法检测周期短、成本低，但对于裂纹的准确定位和定量比较难。第九页，共十八页。声发射探伤法是一种新的无损探伤技术，它能从整体结构上对裂纹进行遥测和定位，对测试目标只要求有限的接近，灵敏度高，可检测活动的裂纹，有时还能预报损失负载，但具有定位精度有限，有时难于检测测得的结果等不足之处。目前，它在材料研究，压力容器评价，构件强度及缺陷的无损检测方面去得了有限的应用。2000MPH2000MPH便携式声发射检测仪第十页，共十八页。上面的两类方法都是在结构上直接的搜寻裂纹，总的来说都属于直接的诊断方法。随着技术的发展及计算机的广泛使用，人们希望得到一种具有较好的线性、遥感性和提取信号方便性的诊断方法，通过某些能反映结构故障（裂纹）的特征量的变化来间接地进行诊断。也就是说诊断可以在结构正在工作的状态小进行，易于安排拾取信号的传感器到结构深处或人不便接近的位置，并可探测到距离传感器有一定距离的故障。因此，我们就有了对新的检测方法的需求。第十一页，共十八页。间接检测法它包括数值方法和振动试验方法两种。其中能够反映完好结构和有故障结构的差别是它的振动特性。结构在完好状态和有故障状态的振动特性的差别携带了结构故障的种种信息。因此，只要能采集到故障发生前后某些载有充分信息的振动信号，结果适当的处理，便可能识别出故障的有无、程度、位置等信息，这就是机构的诊断方法，如果在结构工作状态下实时的反映这个过程，就是故障的振动监测。第十二页，共十八页。我们知道，一个结构的振动特性取决于它本身的刚度、质量、阻尼这三种物理参数和外加激励。因此，当结构发生故障时，引起这些参数的变化，导致振动特性发生变化。由于我们所讨论的故障时裂纹类这些细微的损伤，目的是故障发生后尽早诊断，因此对物理参数的扰动是小的。我们下面要进行的讨论就是针对物理参数微小变化条件下，振动特性的变化时进行的。第十三页，共十八页。目前正在进行探索和研究的结构故障振动诊断的方法大致有三种：直接分析法、参数识别法和时序分析法。直接分析法是具有故障结构的数学模型出发，研究故障引起的响应的变化规律，为更有效的诊断故障提供基础，它属于数值方法。但是多数情况下，建立具有故障结构的数学模型是很困难的。参数识别法是直接从测量的输入输出信号（或仅有输出信号）识别模态参数或物理参数的变化情况，具有很大的方便性。但从数学上看，仅问题往往不唯一和不确定，从而使识别的结果不唯一，而需铺以经验判断。时序分析法，从信息论和统计的观点看，实际上是信号的变换和凝聚，所以对判别是否有故障特别有效。但是由于时序模型中的参数没有明确的物理意义，因而很能判断故障的位置，也需综合其它技术方能见效。第十四页，共十八页。最近几年，基于对于变模态的研究，发现应变响应，应变传递函数对故障有较高的灵敏度，提出了基于应变响应的诊断方法，以及基于应变响应的传递函数的诊断方法。无论是参数识别法还是时序分析法或基于应变的方法，都是以测量为背景的，因而他们一般包括如下诊断步骤：选择观察信号、提取特征量、识别系统有无故障、确定故障的位置、性质、大小和趋势。首先是选择观测信号，这是重要的一步，因为在故障发生初期，响应的变化很小。这种小的变化能否被有限精度的测量仪器分辨出来，而不致被噪声所淹没，是进行诊断的基础，将结构的振动特性量y对结构的物理参数x的敏感度定义为：

并对几种基本的表征振动特性的参数作了敏感度分析，发现：模态特性对故障不敏感，而频域中的导纳响应和时间单位脉冲响应等都具有对故障很敏感的频率点或时序点，可作为检测和监测故障所需采取的信号。第十五页，共十八页。下面简单介绍一种参数识别法和一种时序分析法。参数识别法是应用较广泛的一种方法。由于待识参数的不同，又有多种不同的方法，现在主要采用最小二乘法辨识，卡尔曼滤波，自适应滤波等方法，进行故障诊断。这个方法采用频响函数作为观察参数，因此对故障比较敏感，加之采用最小二乘辨识及卡尔曼滤波，在混有50%的噪声的情况下，仍能辨识故障，但方法的计算工作量偏大，不利于在线诊断，并对低于5%的刚度故障能否辨识，尚待进一步研究。时序分析法是将由于故障发生而引起的响应时间序列，通过时序建模，识别出系统动力特性或响应。时序分析的方法是由应力强度因子导出含裂纹单位的刚度矩阵，并且导出应变表示的运动方程，计算应变响应，然后用时序建模进行模态参数识别。它主要由运动方程的建立、应变与位移振型相对于裂纹变化的敏感度、振动系统的时序建模及故障检测三部分构成。为了进行结构的早期预报，该法使用了一种判别函数，监测结构的运行。第十六页，共十八页。小结应该说明的是，结构故障诊断是工程上的一大难题。这里简单介绍的振动技术，也是一类正在发展中的技术，各种方法正在探索之中。据已发表的文献看，主要是对复杂结构的诊断，尚待进一步研究，而且离实际应用还有一定距离。第十七页，共十八页。内容梗概结构故障的诊断方法。这些故障发展至一定程度而又未被觉察并及时采取措施，便可能导致破坏性事故，引起严重的后果。它包括感官观察法、磁场探伤法和着色探伤法。磁场探伤法：能有效地检测铁磁性材料表面和近表面裂纹，但对于受空间位置影响难以进行检测的部位及非磁性材料就受到了限制。它包括射线探伤法、超声波探伤法和声发射探伤法等。TUD360超声波探伤仪，是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷(裂纹、疏松、气孔、夹杂等)的检测、定位、评估和诊断。例如，在起重机一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在