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機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術,第一章 概 述 機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術是在現(xiàn)代檢測技術、識別理論、計算機科學等多學科成就基礎上發(fā)展起來的一門嶄新的綜合性橫斷科學，是醫(yī)學診斷思想在機械工程中的應用。 設備狀態(tài)監(jiān)測的基本任務是運用現(xiàn)代檢測技術獲取某些最能反映設備運行狀態(tài)的特征參數(shù)并據(jù)以判定設備正?；蚬收?。 故障診斷則不僅對狀態(tài)是否正常作出判斷，還需要進一步分析、確定故障的性質、類別、部位、程度、原因以及發(fā)展趨勢等等。 由此可見，設備的狀態(tài)監(jiān)測技術與設備的故障診斷技術之間既有區(qū)別又有密切的聯(lián)系，二者不可分割。狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎或簡易的故障診斷，有時亦將二者統(tǒng)稱為設備的故障診斷。,第一章 概述,近些年來，設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷逐漸進入工程應用階段，技術日趨成熟，應用范圍日趨廣泛，成為現(xiàn)代設備維護技術的一個重要組成部分。 一、實施設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義 1.機械設備維護的基本任務：對設備進行合理的技術維護、及時發(fā)現(xiàn)異常和故障、適時采取檢修措施以最大限度保證其正常運行。 2.傳統(tǒng)的機械設備維護方法——一定意義上的經驗維護法 特點：具有相當?shù)木窒扌?，往往依靠人的眼看、耳聽、手摸等感觀手段獲取某種信息繼而憑借過去的經驗來加以判斷。 2.1 傳統(tǒng)維修體制中的設備維護方式： 事后維修—— 不足維修——導致嚴重事故 定期維修—— 過剩維修——停機停產、增加檢修費用 （大、中、小修 ） 不足維修——新故障和潛在的故障因素,,,第一章 概 述,2.2重要缺陷—傳統(tǒng)的檢修方式對于故障的尋找往往需要對設備的大拆大卸才能實現(xiàn)，檢修周期長，且檢修后，設備其他一些并無故障的零部件間的正常配合或裝配關系常遭到破壞，又往往引起新的故障或潛在的故障因素。 3.視情維修———理想的機械設備維修方式 視情維修是根據(jù)設備運行故障狀態(tài)來確定維修時間、內容和方法。亦屬預防性維修，不同的是，它以設備的運行狀態(tài)監(jiān)測為基礎、以對故障診斷和預測結果而采取維護決策的，因而更具有客觀性、科學性。 正是由于設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的成熟和應用，視情維修才成為可能并進入實際應用階段，這是設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術對機械設備維護體制產生的最具有深刻意義的影響，并成為設備維護管理工作現(xiàn)代化的一個重要標志。,二.設備故障診斷技術的分類,1.按診斷對象的類別分類 ㈠.旋轉機械診斷技術 ㈡.往復機械診斷技術 ㈢.工程結構診斷技術 ㈣.機械零件診斷技術 ㈤.液壓設備診斷技術 ㈥.電氣設備診斷技術 ㈦.生產過程綜合診斷技術 2.按診斷的目的、要求和條件 ㈠性能診斷和運行診斷 ㈡定期診斷和連續(xù)診斷 ㈢直接診斷和間接診斷 ㈣常規(guī)診斷和特殊診斷 ㈤在線診斷和離線診斷 ㈥簡易診斷和精密診斷 3.從所利用的設備狀態(tài)信號來分 ㈠振動診斷：以平穩(wěn)振動、瞬態(tài)振動、機械導納及模態(tài)參數(shù)為檢測目標,進行特征分析、譜分析和時域分析，也包括含有相位信息的全息譜診斷法和其他方法。,故障診斷技術分類,強度診斷：以力、應力、應變、扭矩等機械參數(shù)為檢測目標。進行 冷熱強度變形、結構損傷容限與壽命分析。 溫度診斷：以溫度、溫差、溫度場、熱相等為檢測目標。進行溫度 場、溫變量、紅外熱相識別與分析。 聲學診斷：以噪聲、聲阻、超聲、聲發(fā)射等為檢測目標。 電參數(shù)診斷：以電信號、功率及磁特性等為檢測目標。 光學診斷：,設備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) 振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉速、電流、電壓等信號的在線監(jiān)測（數(shù)據(jù)采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷） 模塊化組態(tài) 圖形化的編程語言 虛擬儀表顯示 故障診斷專家系統(tǒng) 具有中試基地,機械振動及設備故障診斷方向,機械振動及設備故障診斷方向,信號分析與處理軟件包 設備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) FFT—FS頻譜細化技術 軋機主傳動系統(tǒng)故障診斷 小波分析在故障診斷中的應用 應用光譜、鐵譜結合電譜能譜對潤滑油樣進行分析 設備狀態(tài)趨勢分析,信號分析與處理軟件包,在windows或DOS環(huán)境下運行 信號采集及分析功能 時域、頻域、倒頻域、幅值域及其它域分析處理功能 時移和頻移功能 加窗功能（矩形窗、漢寧窗等8種窗） 信號合成與分解 低通、高通、帶通、帶阻四種濾波,機械振動及設備故障診斷方向,設備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng),振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉速、電流、電壓等信號的在線監(jiān)測（數(shù)據(jù)采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷） 模塊化組態(tài) 圖形化的編程語言 虛擬儀表顯示 故障診斷專家系統(tǒng) 具有中試基地,機械振動及設備故障診斷方向,機械振動及設備故障診斷方向,,設備在線監(jiān)測及故障診斷中試基地,機械振動及設備故障診斷方向,李友榮教授給學生講解設備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng),虛擬儀表,,機械振動及設備故障診斷方向,設備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) 故障診斷專家系統(tǒng),FFT—FS頻譜細化技術,FFT:頻率分辨率△f為采樣頻率fs與采樣點 數(shù)N的比值。要△f 小， fs大，則N必 更大，使運算速度和分析效率大大降低 FFT—FS：先進行FFT，對感興趣的頻帶進行FS處理，可得連續(xù)的頻譜曲線，頻 率分辨率△f 不再受采樣點數(shù)的限制。,機械振動及設備故障診斷方向,機械振動及設備故障診斷方向,軋機主傳動系統(tǒng)故障診斷,R1減速機 轉頻7.13HZ，高速級齒輪嚙合頻率221.13HZ 故障：高速級齒輪軸線不平行，齒面嚴重損傷（99年已更換）,a. 功率譜圖,機械振動及設備故障診斷方向,軋機主傳動系統(tǒng)故障診斷,b.功率譜細化圖(200～230Hz),c. 功率譜細化圖(0～30Hz),用FFT—FS頻譜細化分析結果,機械振動及設備故障診斷方向,軋機主傳動系統(tǒng)故障診斷,R1、R4齒輪座 咬入、拋出時振動很大，穩(wěn)態(tài)軋制時振動很小 水平方向振動>鉛垂方向振動 上軸水平方向>下軸水平方向振動 故障：地腳螺栓預緊力不足,齒輪座受傾翻力矩作用,軋機主傳動系統(tǒng)故障診斷,機械振動及設備故障診斷方向,a. 咬入,c.拋出,齒輪座振動紀錄曲線,小波分析在故障診斷中的應用,小波具有時頻“聚焦”特性 高斯小波—最大熵譜分析 小波分析—AR譜 實現(xiàn)微弱故障診斷信號分離和提取，發(fā)現(xiàn)早期故障 R1減速機高速軸工作側軸承保持架不平衡產生的故障頻率 計算值3.19HZ 故障：該軸承保持架不平衡,機械振動及設備故障診斷方向,應用光譜、鐵譜結合電鏡能譜進行潤 滑油樣分析（冶金部基金課題）,鐵譜：對非鐵磁性磨屑不敏感 鐵譜與電鏡能譜結合：用電鏡能譜儀對鐵譜片上典型顆粒的材料成分進行分析，對非鐵磁性磨屑（有色金屬，非金屬）也有效， 拓寬了潤滑 油樣分析的 應用范圍， 給故障定性、 定量、定位,機械振動及設備故障診斷方向,鐵譜片,電鏡能譜片,左圖為鐵譜譜片,上圖為該鐵譜片的 電鏡能譜譜片,設備狀態(tài)趨勢分析,灰色馬爾柯夫非等間隔預測模型 振動烈度海圖分析,機械振動及設備故障診斷方向,,結構計算機仿真方向,軋機機架三維有限元分析 十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析 卷取機助卷輥支臂三維有限元分析 鋼包溫度場及應力場計算機仿真 連鑄機拉矯輥溫度場及熱應力計算機仿真,太鋼1000初軋機機架 上橫梁壓下螺母孔承壓面小圓角處： 按材料力學計算：在中性層附近，應力很小 有限元計算：兩向受力，一向受壓，等效應力最大 實際檢測：已出現(xiàn)600mm長環(huán)形裂紋（1~2mm深),軋機機架三維有限元分析,結構計算機仿真方向在故障診斷中的應用,結構計算機仿真方向,,,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,2800軋機主傳動十字軸萬向聯(lián)軸器 十字軸在軋制30萬噸鋼板后斷裂 軋輥端叉頭在軋制90萬噸鋼板后斷裂,結構計算機仿真方向在故障診斷中的應用,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,軋輥端叉頭應力分布,結構計算機仿真方向,結構計算機仿真方向,軋輥端叉頭最大應力部位應力分布,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,十字軸,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,結構計算機仿真方向,卷取機助卷輥支臂三維有限元分析,支臂最大主應力分布圖,卷取機助卷輥支臂三維有限元分析,支臂油缸耳軸筋板部位 最大主應力分布圖,鋼包溫度場及應力計算機仿真（與材料學科聯(lián)合培養(yǎng)博士課題）,注入、運輸、澆注、冷卻過程溫度場變化 注入、運輸、澆注、冷卻過程應力場變化 耐火材料物性對溫度場、應力場的影響 耐火材料各種溫度下的物性優(yōu)化 耐火磚形狀、尺寸優(yōu)化,結構計算機仿真方向,溫度場分布,熱機械應力場,連鑄機拉矯輥溫度場及熱應力計算機仿真,拉矯輥斷面溫度場 計及輥系材料物性隨溫度的變化 用有限差分法計算溫度場,結構計算機仿真方向,拉矯輥斷面等溫線,連鑄機拉矯輥溫度場及熱應力計算機仿真,表面熱應力已超過屈服極限 用有限元法進行彈塑性分析 殘余應力導致輥系表面出現(xiàn)交替的拉、壓應力，產生疲勞破壞 軸向殘余應力過大（表面裂紋多為環(huán)狀） 改進措施： 提高冷卻水溫度 加大內孔（冷卻水道）直徑 修復時采用沿軸線方向的條形堆焊（不用環(huán)焊）,結構計算機仿真方向,