機(jī)械故障診斷學(xué)

1、1概述,2技術(shù)基礎(chǔ),3信號(hào)分析與處理技術(shù),4振動(dòng)診斷,5診斷新技術(shù),本課程主要內(nèi)容,基本研究?jī)?nèi)容；基本故障分類；監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)種類；監(jiān)視診斷系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)及診斷策略；設(shè)備的故障規(guī)律；診斷技術(shù)發(fā)展概況。,主要參考文獻(xiàn)：1.機(jī)械故障診斷，梁為，機(jī)械工業(yè)出版社，2005.112.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)，李國(guó)華，化學(xué)工業(yè)出版社，1999年.3.測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用，劉經(jīng)燕，華南理工大學(xué)出版社，2000年.4.復(fù)雜機(jī)械故障診斷的分析與小波方法，徐玉秀，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年.,1.1什么是機(jī)械故障診斷技術(shù)故障：是機(jī)械達(dá)不到規(guī)定和要求功能的狀態(tài)，也可稱為失效。故障診斷技術(shù)：建立在能量耗散原理基礎(chǔ)之上的。實(shí)質(zhì)上就

2、是一種給機(jī)器“看病”的技術(shù)。包含“監(jiān)測(cè)”和“診斷”兩層意思。監(jiān)測(cè)：對(duì)機(jī)器的某些特征參數(shù)（如振動(dòng)、噪聲和溫度等）進(jìn)行測(cè)取，將測(cè)定值與規(guī)定的正常值進(jìn)行比較，判別機(jī)器是否工作正常；若對(duì)機(jī)器進(jìn)行定期定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)，還可獲得機(jī)器狀態(tài)的趨勢(shì)性規(guī)律，得到機(jī)器剩余壽命估計(jì)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。對(duì)機(jī)器健康狀況的初級(jí)診斷，又稱簡(jiǎn)易診斷。,診斷：對(duì)機(jī)器產(chǎn)生故障的原因、部位、嚴(yán)重程度等一一作出判斷，為管理決策提供依據(jù)，是對(duì)機(jī)器健康狀況的精密診斷。精密診斷的目標(biāo)：對(duì)簡(jiǎn)易診斷為異常的機(jī)器進(jìn)行專門檢測(cè)、分析和判別，最后確定應(yīng)采取的技術(shù)措施。二者關(guān)系：狀態(tài)監(jiān)測(cè)是基礎(chǔ)，故障診斷是監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上的深入和發(fā)展。范疇：屬信息技術(shù)理論基礎(chǔ)

3、廣泛：涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別技術(shù)等多領(lǐng)域,四個(gè)基本環(huán)節(jié)：信息采集、分析處理（數(shù)據(jù)處理）和狀態(tài)識(shí)別（判斷和預(yù)報(bào)）和診斷決策,1）信號(hào)采集將最能表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，用傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào),2）信號(hào)處理排除干擾，提取最能反映設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù)的過(guò)程,最基本方法：時(shí)域分析法和頻域分析

4、法。處理方法很多，各種濾波、包絡(luò)線分析、混沌、自適應(yīng)等，可研究空間大,3）狀態(tài)識(shí)別將得到的診斷參數(shù)值與檔案庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，按一定判別準(zhǔn)則對(duì)設(shè)備作出正常與否的判斷,涉及模式識(shí)別、信息融合、人工智能等多領(lǐng)域,4）診斷決策根據(jù)識(shí)別結(jié)果，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)一步分析，確定故障的原因、部位、程度、類別，根據(jù)診斷結(jié)果推測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，提出處理措施等,涉及專家系統(tǒng)、模糊控制、人工智能等多領(lǐng)域,1.2故障種類按故障發(fā)生、發(fā)展的快慢分：突發(fā)性故障和漸進(jìn)性故障,故障的發(fā)生有偶然性，與使用時(shí)間長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，發(fā)生前無(wú)可察覺的征兆，發(fā)生后狀態(tài)急劇惡化須立即排除。通常不影響設(shè)備的使用壽命，如:液壓系統(tǒng)油路堵塞，設(shè)備的潤(rùn)滑油中斷、電

5、氣系統(tǒng)斷路、操作人員失誤等。,由設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)逐漸劣化引起（受磨損、腐蝕、疲勞、老化等影響），發(fā)生概率與使用時(shí)間有關(guān)，可預(yù)測(cè)。大部分機(jī)械故障都屬于漸進(jìn)性故障,按故障表現(xiàn)分：功能故障和潛在故障,設(shè)備喪失了或明顯降低了工作能力，這類故障容易發(fā)現(xiàn)，操作者能感受出來(lái)，有稱為實(shí)際故障,與漸進(jìn)性故障相聯(lián)系，故障在功能方面尚未表現(xiàn)出來(lái)，但已發(fā)展到能鑒別的程度時(shí)，稱其為潛在故障，對(duì)其進(jìn)行研究在機(jī)械故障診斷中重要價(jià)值。,按發(fā)生原因分：人為故障和自然故障,設(shè)備在制造或大修時(shí)，使用了不合格的零件；運(yùn)行時(shí)不遵守操作規(guī)程，或運(yùn)輸、包管不當(dāng)，所造成的設(shè)備故障。（提高管理水平）,設(shè)備在使用或保存期間，由于外部和內(nèi)部各種自然

6、因素的影響而引起的，如正常情況下的磨損、老化、腐蝕等。（有不可抗拒性）,1.3監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)種類,按監(jiān)測(cè)信息與診斷對(duì)象的關(guān)系分：直接診斷根據(jù)診斷對(duì)象本身的信息變化，直接判斷診斷對(duì)象狀態(tài)。如根據(jù)軸承間隙、齒輪齒面的磨損、軸的疲勞裂紋和變形量，直接判斷它們的狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)在于診斷可靠性高，缺點(diǎn)為實(shí)施受到設(shè)備結(jié)構(gòu)和條件的限制，通常需停機(jī)，拆卸零部件。間接診斷通過(guò)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的設(shè)備的溫度、聲音、振動(dòng)等二次信息的變化診斷。依據(jù)一般是綜合信息，通過(guò)可測(cè)點(diǎn)的信息來(lái)得到不可測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)。缺點(diǎn)在于會(huì)發(fā)生誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。如通過(guò)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油溫度判斷軸承狀態(tài)，要排除室溫的影響、油量多少的影響、散熱條件的變化等因素。優(yōu)點(diǎn)在于可

7、在線實(shí)時(shí)進(jìn)行，根據(jù)綜合信息提高診斷的可信度，是一個(gè)深受重視的研究方向。,按診斷時(shí)間分：定期診斷每隔一段時(shí)間如一周、一月或數(shù)月，對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行一次檢測(cè)診斷，也叫巡回檢測(cè)診斷。連續(xù)診斷采用現(xiàn)代化儀表和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)診斷。二者的選擇取決于設(shè)備的關(guān)鍵程度和設(shè)備性能劣化速度等因素。,按診斷環(huán)境分：在線診斷指不離開現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備用傳感器采集信息后，直接送入分析處理儀器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理和診斷。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好，不漏報(bào)故障。缺點(diǎn)：費(fèi)用高，不靈活，適于關(guān)鍵設(shè)備。另外要求在線診斷所用傳感器不應(yīng)干擾監(jiān)測(cè)對(duì)象的正常運(yùn)行。離線診斷在現(xiàn)場(chǎng)將設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)記錄下來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室或其

8、他合適的地方進(jìn)行處理和分析。優(yōu)點(diǎn)：靈活方便，費(fèi)用少。缺點(diǎn)：不及時(shí)，容易漏報(bào)故障，一般用于普通設(shè)備的常規(guī)檢查。,按診斷方法的完善程度分：簡(jiǎn)易診斷(simplediagnosis)對(duì)設(shè)備有無(wú)故障的初步判斷，包括對(duì)故障的發(fā)展趨勢(shì)作出初步估計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，多使用便攜式儀器，由現(xiàn)場(chǎng)工作人員實(shí)施。精密診斷(precisiondiagnosis）在簡(jiǎn)易診斷基礎(chǔ)上進(jìn)行，除了對(duì)設(shè)備有無(wú)故障及故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行校驗(yàn)外，還對(duì)故障的部位、類別、原因和發(fā)展趨勢(shì)作出準(zhǔn)確的判斷與預(yù)報(bào)。常用儀器分3類：,以監(jiān)測(cè)儀表為主體的監(jiān)測(cè)裝置：如Bently序列、Philips序列等，由傳感器和指示儀表構(gòu)成，主要用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)。缺點(diǎn)：幅值監(jiān)

9、測(cè)不能動(dòng)態(tài)過(guò)程特征；強(qiáng)烈振動(dòng)前，故障征兆不明顯；儀表無(wú)分析功能，靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷。,2.監(jiān)測(cè)儀表配備軟硬件裝置：由傳感器+頻譜分析儀構(gòu)成，具有頻譜分析、譜陣圖、波特圖、軸心軌跡圖等功能。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)判斷，診斷依賴于領(lǐng)域?qū)＜遥徊荒茴A(yù)防突發(fā)性故障；大型設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障與征兆無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，難免誤診斷。,3.計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)：由傳感器+接口裝置+計(jì)算機(jī)（含人工智能技術(shù)）組成?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)診斷，是機(jī)械工況監(jiān)測(cè)與故障診斷的主要發(fā)展領(lǐng)域。（目前無(wú)商品供應(yīng)，但國(guó)內(nèi)外有這種系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用）,三種層次的監(jiān)測(cè)方法：,常用人工智能技術(shù)：專家系統(tǒng)這是一種用計(jì)算機(jī)程序模擬大腦功能的人工智能系統(tǒng)，是診斷技

10、術(shù)的高級(jí)形式。需要將故障診斷專家知識(shí)和推理方法存入計(jì)算機(jī)，輸入監(jiān)測(cè)信號(hào)后，計(jì)算機(jī)可模擬專家的工作，對(duì)設(shè)備狀態(tài)作出專家水平的分析、判斷、預(yù)測(cè)及行營(yíng)的處理決策。（專家知識(shí)的瓶頸）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)建成的網(wǎng)狀系統(tǒng)，是另一種人工智能系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)，使其具有大腦處理信息的某些特性，對(duì)設(shè)備狀態(tài)能夠根據(jù)輸入的監(jiān)測(cè)信息作出適當(dāng)?shù)姆治?、判斷并提出響?yīng)的處理決策。（學(xué)習(xí)瓶頸，通常已有故障數(shù)據(jù)有限）,1.4一般設(shè)備的故障規(guī)律設(shè)備故障率：設(shè)備工作到t時(shí)刻不發(fā)生故障，而在下一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率叫設(shè)備故障率。計(jì)算公式：,設(shè)備故障率t時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)同類設(shè)備中出現(xiàn)的故障數(shù)量Nt時(shí)刻設(shè)備總數(shù),故障率隨時(shí)間變

11、化而變化的規(guī)律，曲線由3個(gè)區(qū)段組成，形如浴盆。分磨合期、正常使用期、耗損期,高，設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)缺陷造成，在設(shè)備大修或改造后，會(huì)再次出現(xiàn),低，穩(wěn)定，近似常數(shù)，設(shè)備工作最佳時(shí)期，故障由隨機(jī)因素引起，不可預(yù)測(cè)，易排除，不影響壽命，,設(shè)備后期故障率不斷增加，由零部件磨損、疲勞、老化、腐蝕等造成，是設(shè)備接近終點(diǎn)的征兆。,1-5故障診斷技術(shù)的發(fā)展,總體：第二次世界大戰(zhàn)中，認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)的重要性；第二次世界大戰(zhàn)后，因?qū)?yīng)技術(shù)未發(fā)展而發(fā)展不快；60年代后，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展、1965年FFT方法和對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理和分析技術(shù)的發(fā)展為設(shè)備診斷技術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。,美國(guó)：1967年成立美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組

12、，在航空、航天、軍事、核能等尖端部門目前處于領(lǐng)先地位。英國(guó)：70年代初成立機(jī)器保健與狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)會(huì)，在摩擦、磨損、汽車、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)與診斷具有領(lǐng)先地位。瑞典：SPM公司-軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)，AGEMA公司-紅外熱像技術(shù)；丹麥：B&K公司-振動(dòng)、噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)；挪威：船艦診斷技術(shù)。日本：70年代起步，在民用工業(yè)（鋼鐵、化工、鐵道等）有優(yōu)勢(shì)。中國(guó)：1979年第一次辦學(xué)習(xí)班，80年代初開始，目前在石化、冶金、電力等行業(yè)應(yīng)用較好，在其它領(lǐng)域逐步展開。,2.設(shè)備維修制度的改革,事后維修制度-POM(PostmortemMaintenance)早期維修制度。特點(diǎn)：不壞不修，應(yīng)用于小型設(shè)備。,預(yù)防維修制度-PM（PreventiveMaintenance）又稱以時(shí)間為基礎(chǔ)的維修制度TBM（TimeBasedMaintenance）或計(jì)劃維修制度。特點(diǎn)：靜態(tài)維修制度。當(dāng)設(shè)備到了計(jì)劃規(guī)定的臺(tái)小時(shí)，或噸公里進(jìn)行強(qiáng)制維修，大多數(shù)企業(yè)仍采用。,預(yù)知維修制度-PRM（PredictiveMaintenance）又稱為以狀態(tài)為基礎(chǔ)的維修制度CBM(ConditionBasedMaintenance)。特點(diǎn)：以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際優(yōu)劣程度決定維修時(shí)間和維修規(guī)模，是動(dòng)