機(jī)械故障診斷-第一章緒論

第一章緒論1．設(shè)備故障診斷的意義

隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越完善，自動(dòng)化程度越來(lái)越高。由于許多無(wú)法避免的因素的影響，有時(shí)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，以致降低或失去其預(yù)定的功能，甚至造成嚴(yán)重的以致災(zāi)難性的事故。例如，1986年，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核反應(yīng)堆泄漏，死亡32人，13.5萬(wàn)人被疏散；1986年，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)失事，死亡7人，航天飛機(jī)爆炸，損失12億美元。在我國(guó)，1985年大同電廠和1988年秦嶺電廠的200MW汽輪發(fā)電機(jī)組的嚴(yán)重?cái)噍S毀機(jī)事件，都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，保證設(shè)備的安全運(yùn)行，消除事故，是十分迫切的問題。因設(shè)備故障而造成的嚴(yán)重事故，不但會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還可能會(huì)造成很大的人員傷亡和環(huán)境污染。隨著現(xiàn)代設(shè)備的日趨大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和連續(xù)化，設(shè)備一旦發(fā)生故障，給生產(chǎn)和質(zhì)量以至人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成的影響往往大得難以估算。采煤機(jī)運(yùn)輸設(shè)備提升系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的重要意義

現(xiàn)代設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性取決于兩個(gè)方面：

一、設(shè)備設(shè)計(jì)與制造的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；

二、設(shè)備安裝、運(yùn)行、管理維修和診斷措施的實(shí)施?！颈苊夤收?、失效及損壞】失效與損壞是嚴(yán)重的故障。災(zāi)難機(jī)械故障：指機(jī)械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺(tái)設(shè)備乃至一系列的設(shè)備組合）因偏離其設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。機(jī)械故障的分類（1）按發(fā)生的原因分：①磨損性故障：機(jī)械系統(tǒng)因使用過程中的正常磨損而引發(fā)的一類故障。②錯(cuò)用性故障：因使用不當(dāng)而引發(fā)的故障。③先天性故障：由于設(shè)計(jì)或制造不當(dāng)而造成機(jī)械系統(tǒng)中存在某些薄弱環(huán)節(jié)而引發(fā)的故障。

①危害性故障：故障發(fā)生后會(huì)對(duì)人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危險(xiǎn)或危害的一類故障。②安全性故障：故障的發(fā)生不會(huì)對(duì)人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危害的一類故障。

（2）按造成的后果分：

①突發(fā)性故障：故障發(fā)生前無(wú)明顯征兆，難以通過早期試驗(yàn)或測(cè)試來(lái)預(yù)測(cè)。

②漸發(fā)性故障：設(shè)備在使用過程中零部件因疲勞、腐蝕、磨損等而導(dǎo)致設(shè)備性能逐漸下降，最終超出允許值而發(fā)生的故障。

（3）按發(fā)生的快慢分：

①部分性故障：設(shè)計(jì)功能部分喪失的一類故障。

②完全性故障：設(shè)計(jì)功能完全喪失的一類故障。

（4）按發(fā)生的范圍分：①偶發(fā)性故障：發(fā)生頻率很低的一類故障，即“意外現(xiàn)象”。②多發(fā)性故障：經(jīng)常發(fā)生的一類故障。（5）按發(fā)生的頻次分：①永久性故障：必須更換某些零件后，機(jī)器才能恢復(fù)其功能。②非永久性故障：或稱間斷性故障，故障使部件喪失某些功能，但不需更換零件就可以排除故障使機(jī)器恢復(fù)其全部功能。（6）按系統(tǒng)功能喪失的程度分：①相關(guān)故障障：也稱為為間接故故障，這這種故障障是由于設(shè)備備的其他他部件所所引起的的。②非相關(guān)故故障：也稱直直接故障障，這是是因?yàn)榱懔悴考旧砩碇苯右蛞蛩匾鹌鸬?。?）按按故障相相關(guān)性劃劃分：①早期故障障②使用期故故障③后期故障障使用后期早期使用期早期使用后期使用期故障率（8）按按故障發(fā)發(fā)生的時(shí)時(shí)期劃分分：磨合期空難2009年年6月1日日14時(shí)，，法航空客客A330起飛不久久后與地面面失去聯(lián)系系。機(jī)上228人全全部遇難。。飛機(jī)殘骸切爾諾貝利利核電站事事故烏克蘭北部部，1986年4月月26日核核電站的第第4號(hào)核反反應(yīng)堆在進(jìn)進(jìn)行半烘烤烤實(shí)驗(yàn)中突突然發(fā)生火火災(zāi)，引起起爆炸，其其輻射量相相當(dāng)于500顆美國(guó)國(guó)投在日本本的原子彈彈。爆炸使使機(jī)組被完完全損壞，，8噸多強(qiáng)強(qiáng)輻射物質(zhì)質(zhì)泄露。2005年年一份國(guó)際際原子能機(jī)機(jī)構(gòu)的報(bào)告告認(rèn)為直到到當(dāng)時(shí)有300人喪喪生，并估估計(jì)大約4000人人最終將會(huì)會(huì)因這次意意外所帶來(lái)來(lái)的疾病而而死亡。1986年年1月28日“挑戰(zhàn)戰(zhàn)者”航天天飛機(jī)失事事價(jià)值12億億美元的航航天飛機(jī)頃頃刻化為烏烏有，七名名宇航員全全部遇難事故原因發(fā)射時(shí)氣溫溫過低，發(fā)發(fā)射臺(tái)上已已經(jīng)結(jié)冰，，造成固定定右副燃料料艙的O形形環(huán)硬化，，失效。發(fā)射過程2003年年2月13日“哥倫倫比亞”航航天飛機(jī)失失事外部燃料箱箱表面泡沫沫材料安裝裝過程中存存在的缺陷，一塊泡沫沫材料脫落落擊中航天天飛機(jī)左翼翼前緣。當(dāng)當(dāng)航天飛機(jī)機(jī)返回經(jīng)過過大氣層時(shí)時(shí)，劇烈摩摩擦使溫度度高達(dá)1400℃的的空氣沖入入左翼并融融化了內(nèi)部部結(jié)構(gòu)返航過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與與故障診斷斷是識(shí)別機(jī)器器或機(jī)組運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)的的科學(xué)。它研究的是是機(jī)器或機(jī)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的的變化在診斷信息中的反映。。其研究?jī)?nèi)容容包括：對(duì)機(jī)器運(yùn)行行現(xiàn)狀的識(shí)識(shí)別診斷對(duì)其運(yùn)行過過程的監(jiān)測(cè)測(cè)對(duì)其運(yùn)行發(fā)發(fā)展趨勢(shì)的的預(yù)測(cè)設(shè)備診斷技技術(shù)的目的的是“保證可靠地地、高效地地發(fā)揮設(shè)備備應(yīng)有的功功能”。這包含含了三點(diǎn)：：一、保證設(shè)設(shè)備無(wú)故障障，工作可可靠；二、保證物物盡其用，，設(shè)備要發(fā)發(fā)揮其最大大的效益；；三、保證設(shè)設(shè)備在將有有故障或已已有故障時(shí)時(shí)，能及時(shí)診斷出來(lái)來(lái)，正確地地加以維修修，以減少少維修時(shí)間間、提高維修質(zhì)質(zhì)量，節(jié)約約維修費(fèi)用用，應(yīng)使重重要的設(shè)備備能按其狀狀態(tài)進(jìn)行維維修（即視情維修或或預(yù)知維修修)，改革目目前按時(shí)維維修的體制制。設(shè)備診斷技技術(shù)的最根本的任任務(wù)：通過測(cè)取設(shè)設(shè)備的信息息來(lái)識(shí)別設(shè)設(shè)備的狀態(tài)態(tài)正如對(duì)人體體診斷一樣樣，一是預(yù)預(yù)防與保健健，二是看看病與處置置。對(duì)于設(shè)備的的診斷，一一是防患于于末然，早早期診斷【【狀態(tài)監(jiān)測(cè)】；二是診斷故障，采取措施施。1．按目的的分：(1)功能診斷即對(duì)新安裝裝或剛維修修過的機(jī)械械系統(tǒng)診斷斷其功能是是否正常，，也就是投投入運(yùn)行前前的診斷。。(2)運(yùn)行診斷即對(duì)服役中中的機(jī)械系系統(tǒng)進(jìn)行的的診斷。機(jī)械故障診診斷可以分分類如下：：(1)巡回回檢測(cè)就就是每隔隔一定的時(shí)時(shí)間對(duì)服役役中的機(jī)械械系統(tǒng)進(jìn)行行檢查和診診斷。(2)在線線監(jiān)測(cè)就就是連續(xù)續(xù)地對(duì)服役役中的機(jī)械械系統(tǒng)進(jìn)行行監(jiān)測(cè)。2．按方式式分：(1)直接診斷診斷對(duì)象與與診斷信息息來(lái)源直接接對(duì)應(yīng)的一一種診斷方方法，即一次信息診診斷。(2)間接診斷診斷對(duì)象與與診斷信息息來(lái)源不直直接對(duì)應(yīng)的的一種診斷斷方法。3．按提取取信息的方方式分：(1)常規(guī)工況診診斷在機(jī)械的正正常運(yùn)行條條件下進(jìn)行行的一種故故障診斷方方式。(2)特殊工況診診斷對(duì)某些機(jī)械械，需為其其創(chuàng)造特殊殊的工作條條件才能對(duì)對(duì)其進(jìn)行診診斷，4．按診斷斷時(shí)所要求求的機(jī)械運(yùn)運(yùn)行工況條條件分：(1)簡(jiǎn)易診斷對(duì)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的狀態(tài)作作出相對(duì)粗略的判斷。一般利用簡(jiǎn)簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x儀器對(duì)設(shè)備備進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)，根據(jù)測(cè)測(cè)得的數(shù)據(jù)據(jù)，分析設(shè)設(shè)備的工作作狀態(tài)。(2)精密診斷是在簡(jiǎn)易診診斷基礎(chǔ)上上更為細(xì)致的一種診斷斷過程。利用較完善善的分析儀儀器或診斷斷裝置，對(duì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行行診斷，這這種裝置配配有較完善善的分析、、診斷軟件件。5．按功能能分：機(jī)械故障診診斷還可根根據(jù)所采用用的技術(shù)手手段不同而而分為：振動(dòng)診斷油樣分析溫度監(jiān)測(cè)無(wú)損檢測(cè)等。1.正確選擇與與測(cè)取設(shè)備備有關(guān)狀態(tài)態(tài)的特征信信號(hào)所測(cè)取的信信號(hào)應(yīng)該包包含設(shè)備有有關(guān)狀態(tài)的的信息。例如，診斷起重機(jī)機(jī)桁架有無(wú)無(wú)裂紋決不不能靠測(cè)取取桁架各點(diǎn)點(diǎn)溫度來(lái)判判定，因溫度信信號(hào)中不包包含裂紋有有無(wú)的信息息，而測(cè)取取桁架的振振動(dòng)信號(hào)則則可達(dá)到目目的，因?yàn)闉檎駝?dòng)信號(hào)號(hào)中包含了了結(jié)構(gòu)有無(wú)無(wú)裂紋的信信息。這種種信號(hào)可稱稱為特征信號(hào)。設(shè)備診斷技技術(shù)應(yīng)包括括五方面內(nèi)容容。2.正確確地從特征征信號(hào)中提提取設(shè)備有有關(guān)狀態(tài)的的有用信息息一般來(lái)講，，從特征信信號(hào)來(lái)直接接判明設(shè)備備狀態(tài)的有有關(guān)情況，，查明故障障的有無(wú)，，是比較難難的。例如如，一般難于從從結(jié)構(gòu)的振振動(dòng)信號(hào)直直接判明結(jié)結(jié)構(gòu)有無(wú)裂裂紋，還需需要根據(jù)振動(dòng)理論、信號(hào)分析理理論、控制理論等提供的理理論與方法法，加上試驗(yàn)研究，對(duì)特征信信號(hào)加以處處理，提取取有用的信信息(稱為征兆)，才有可可能判明設(shè)設(shè)備的有關(guān)關(guān)狀態(tài)。例如，理論論分析與試試驗(yàn)研究表表明，從振振動(dòng)信號(hào)中中計(jì)算出的的固有頻率這一征兆固固然可用，，但對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)有無(wú)裂紋紋產(chǎn)生并不敏感。而計(jì)算出的的頻率特性(或稱頻響響函數(shù))卻卻存在著十分敏感的頻帶，因因此，以頻頻率特性作作為征兆則則更為合適適。所謂敏感的的強(qiáng)弱，是是指征兆的相對(duì)變化化與有關(guān)狀狀態(tài)相對(duì)變變化之比的的大小。征兆，可以是結(jié)結(jié)構(gòu)的物理理參數(shù)(如如質(zhì)量、剛度等)、、結(jié)構(gòu)的模模態(tài)參數(shù)(如固有頻頻率、模態(tài)態(tài)阻尼、模型型等)，可可以是設(shè)備備的工作特特征(如耗耗油率、工作作轉(zhuǎn)速、功功率等)，，可以是信信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性(如如均值、方方差、自功功率譜等)，也可以是由信號(hào)號(hào)中得出的的其他特征征量(如自自回歸模型參數(shù)等)。由此應(yīng)指出出，征兆既用于由外外表現(xiàn)象推推斷內(nèi)部狀狀態(tài)，此時(shí)時(shí)可稱為癥侯；又用于由由現(xiàn)在現(xiàn)象象推斷未來(lái)來(lái)狀態(tài)，此此時(shí)可稱為為預(yù)兆。狀態(tài)診斷斷既包括診診斷設(shè)備是是否將發(fā)生生什么故障障，此即早期診斷，也包括診診斷設(shè)備已已發(fā)生什么么故障，此此即故障診斷。3.根據(jù)據(jù)征兆正確確地進(jìn)行設(shè)設(shè)備的狀態(tài)態(tài)診斷不能直接采采用征兆來(lái)進(jìn)行設(shè)備備的故降診診斷、識(shí)別別設(shè)備的狀狀態(tài)。這時(shí)時(shí)，可以采用多多種的模式式識(shí)別理論論與方法，，對(duì)征兆加加以處理，，構(gòu)成判別別準(zhǔn)則，進(jìn)進(jìn)行狀態(tài)的的識(shí)別與分分類。狀態(tài)診斷是設(shè)備診斷斷重點(diǎn)之所所在。4.根據(jù)據(jù)征兆與狀狀態(tài)正確地地進(jìn)行設(shè)備備狀態(tài)分析析當(dāng)狀態(tài)為為有故障障時(shí)，則則應(yīng)采用有關(guān)關(guān)方法進(jìn)進(jìn)一步分分析故障位位置、類類型、性性質(zhì)、原原因與趨趨勢(shì)等。例如，故障樹分析是分分析故障障原因的的一種有有效方法法。當(dāng)狀態(tài)為為無(wú)故障障時(shí)，則則可用Kalman濾濾波、時(shí)時(shí)序模型等等方法進(jìn)進(jìn)一步分分析狀態(tài)態(tài)趨勢(shì)，，預(yù)計(jì)未未來(lái)情況。5.根根據(jù)狀態(tài)態(tài)分析正正確地作作出決策策干預(yù)設(shè)備備及其工工作進(jìn)程程，以保證證設(shè)備可可靠、高高效地發(fā)發(fā)揮其應(yīng)應(yīng)有功能能，達(dá)到到設(shè)備診診斷的目目的。所所謂干預(yù)預(yù)包括人人為干預(yù)預(yù)和自動(dòng)動(dòng)干預(yù)，，即包括括調(diào)整、、修理、、控制、、自診斷斷等等。。實(shí)際上往往往不能能直接識(shí)識(shí)別設(shè)備備的狀態(tài)態(tài)，因此此事先要建建立同狀狀態(tài)一一一對(duì)應(yīng)的的基準(zhǔn)模模式，由征兆作作出的判判別準(zhǔn)則則。狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)是故障診斷斷的基礎(chǔ)。。設(shè)備診診斷過程程可以說(shuō)說(shuō)是設(shè)備備的狀態(tài)態(tài)監(jiān)測(cè)、、分析與與干預(yù)過過程?，F(xiàn)代工業(yè)業(yè)對(duì)技術(shù)術(shù)診斷的的要求B機(jī)機(jī)械設(shè)備備事故的的危害性性C對(duì)對(duì)機(jī)械設(shè)設(shè)備不解解體監(jiān)測(cè)測(cè)和診斷斷的強(qiáng)烈烈要求A機(jī)機(jī)械設(shè)備備維修的的重要性性1、現(xiàn)代代工業(yè)的的特點(diǎn)2、技術(shù)術(shù)診斷與與維修制制度改革革的關(guān)系系（1）事事后維修修(Breakdownmaintenance)（2）定定期預(yù)防防維修(Preventivemaintenance)（3）狀狀態(tài)維修修或預(yù)知知維修(ConditionmaintenanceorPreditiveMaintenance)2．設(shè)備備故障診診斷的目目的（1）能能及時(shí)地地、正確確地對(duì)各各種異常常狀態(tài)或或故障狀狀態(tài)作出出診斷，，預(yù)防或或消除故故障，對(duì)對(duì)設(shè)備的的運(yùn)行進(jìn)進(jìn)行必要要的指導(dǎo)導(dǎo)，提高高設(shè)備運(yùn)運(yùn)行的可可靠性、、安全性性和有效效性，以以期把故故障損失失降低到到最低水水平。（2）保保證設(shè)備備發(fā)揮最最大的設(shè)設(shè)計(jì)能力力，制定定合理的的檢測(cè)維維修制度度，以便便在允許許的條件件下充分分挖掘設(shè)設(shè)備潛力力，延長(zhǎng)長(zhǎng)服役期期限和使使用壽命命，降低低設(shè)備全全壽命周周期費(fèi)用用。（3）通通過檢測(cè)測(cè)監(jiān)視、、故障分分析、性性能評(píng)估估等，為為設(shè)備結(jié)結(jié)構(gòu)修改改、優(yōu)化化設(shè)計(jì)、、合理制制造及生生產(chǎn)過程程提供數(shù)數(shù)據(jù)和信信息?？偲饋?lái)說(shuō)說(shuō)，設(shè)備備故障診診斷既要要保證設(shè)設(shè)備的安安全可靠靠運(yùn)行，，又要獲獲取更大大的經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益和和社會(huì)效效益。3．故障障增加的的原因，，以及設(shè)設(shè)備故障障診斷所所要解決決的問題題（1）現(xiàn)代生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)備向向大型化化、連續(xù)續(xù)化、快快速化和和自動(dòng)化化方向發(fā)發(fā)展，一一方面提提高了生生產(chǎn)率，，降低了了成本，，節(jié)約了了能源和和人力；；但另一一方面，，由于設(shè)設(shè)備故障障率的增增加和因因設(shè)備故故障停工工而造成成的損失失卻成十十倍，甚甚至成百百倍地增增大。維維修費(fèi)用用也大幅幅度增加加。（2）高高技術(shù)的的采用對(duì)對(duì)現(xiàn)代化化設(shè)備，，特別是是航空、、航海、、核工業(yè)業(yè)等部門門對(duì)安全全性、可可靠性提提出了越越來(lái)越高高的要求求。（3）現(xiàn)現(xiàn)有大量量生產(chǎn)設(shè)設(shè)備的老老化要求求加強(qiáng)安安全監(jiān)測(cè)測(cè)和故障障診斷，，許多老老設(shè)備，，老機(jī)組組，服役役已接近近其壽命命期，進(jìn)進(jìn)入“損損耗故障障期”，，故障率率增多，，有的甚甚至超期期服役，，全部更更新經(jīng)濟(jì)濟(jì)負(fù)擔(dān)很很重，此此時(shí)如有有完善的的故障診診斷系統(tǒng)統(tǒng)，將能能延長(zhǎng)設(shè)設(shè)備的使使用期。。4．故障障診斷帶帶來(lái)的經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益（1）能能減少事事故停機(jī)機(jī)率，具具有很高高的收益益/投資資比（2）能能延長(zhǎng)設(shè)設(shè)備檢修修周期，，縮短維維修時(shí)間間，為制制定合理理的檢測(cè)測(cè)維修制制度提供供基礎(chǔ)，，極大地地提高經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益。（3）宏宏觀上，，從全社社會(huì)生產(chǎn)產(chǎn)的角度度看，花花費(fèi)的設(shè)設(shè)備維修修費(fèi)用是是一筆巨巨大的數(shù)數(shù)目，而而實(shí)施故故障診斷斷帶來(lái)的的經(jīng)濟(jì)效效益是巨巨大的。。5．設(shè)備備故障診診斷的任任務(wù)設(shè)備故障障診斷的的任務(wù)是是監(jiān)視設(shè)設(shè)備的狀狀態(tài)，判判斷其是是否正常常；預(yù)測(cè)測(cè)和診斷斷設(shè)備的的故障并并消除故故障；指指導(dǎo)設(shè)備備的管理理和維修修。（1）狀狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)（2）故故障診斷斷（3）指指導(dǎo)設(shè)備備的維修修管理6技技術(shù)診診斷的發(fā)發(fā)展概況況機(jī)械設(shè)備備故障診診斷技術(shù)術(shù)的歷史史悠久，，從人類類學(xué)會(huì)利利用機(jī)械械設(shè)備進(jìn)進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)的時(shí)候候起，就就有了眼眼看、手手摸、耳耳聽、鼻鼻嗅等簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的監(jiān)監(jiān)測(cè)手段段和憑靠靠經(jīng)驗(yàn)的的判別準(zhǔn)準(zhǔn)則。隨隨著生產(chǎn)產(chǎn)技術(shù)的的不斷發(fā)發(fā)展，診診斷技術(shù)術(shù)也在不不斷進(jìn)步步。到20世世紀(jì)60年代，一方面面，生產(chǎn)產(chǎn)機(jī)械化化、自動(dòng)動(dòng)化的發(fā)發(fā)展對(duì)機(jī)機(jī)械設(shè)備備運(yùn)行的的連續(xù)性性、可靠靠性提出出了更高高的要求求，極大大地促進(jìn)進(jìn)了診斷斷技術(shù)的的發(fā)展；；另一方方面，電電子技術(shù)術(shù)和微型型計(jì)算機(jī)機(jī)的迅速速發(fā)展，，為診斷斷技術(shù)的的發(fā)展提提供了極極大的技技術(shù)支持持，因而而出現(xiàn)了了各種精精密的電電子監(jiān)測(cè)測(cè)和故障障診斷儀儀器，使使故障診診斷技術(shù)術(shù)在20世紀(jì)紀(jì)70