第七章 機械設備的故障診斷

1、第七章第七章機械設備的故障診斷機械設備的故障診斷 設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術是一種了解和掌握設備在使用術是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正?；虍惓＃缙诎l(fā)現故障及部正常或異常，早期發(fā)現故障及其原因，并能預報故障發(fā)展趨勢其原因，并能預報故障發(fā)展趨勢的技術。的技術。設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的內容內容 對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測； 在發(fā)現異常情況后對設備的故障進行在發(fā)現異常情況后對設備的故障進行 分析、診斷。分析、診斷。 沒有設備狀態(tài)監(jiān)測就沒有故障診斷，沒有設備狀態(tài)監(jiān)測就沒有故障

2、診斷，診斷是目的，監(jiān)測是手段，監(jiān)測是診斷的診斷是目的，監(jiān)測是手段，監(jiān)測是診斷的基礎和前提，診斷是監(jiān)測的最終結果。基礎和前提，診斷是監(jiān)測的最終結果。一、設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷一、設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的三個階段設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的三個階段 傳傳 感感 器器信號采集、數據顯示信號采集、數據顯示 分析處理、狀態(tài)識別分析處理、狀態(tài)識別 故障診斷、決策故障診斷、決策 巡回監(jiān)測巡回監(jiān)測監(jiān)護運行監(jiān)護運行 停機檢修停機檢修 治理、預防治理、預防 參考圖譜參考圖譜 設設 備備 狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測 分析診斷分析診斷 治理預防治理預防設備故障診斷的作用設備故障診斷的作用保證設備安全可靠地運行

3、；保證設備安全可靠地運行；降低設備壽命周期費用；降低設備壽命周期費用；提高設備的性能和精度，彌補設提高設備的性能和精度，彌補設 備的備的“先天性不足先天性不足”；是是“預知維修制預知維修制”的技術支柱。的技術支柱。設備故障診斷的方法和程序設備故障診斷的方法和程序設備故障診斷基本思路設備故障診斷基本思路 識別現狀識別現狀 預測未來預測未來設備故障診斷的主要方法設備故障診斷的主要方法 振動和噪聲診斷法；振動和噪聲診斷法； 磨損殘留物、泄漏物診斷法；磨損殘留物、泄漏物診斷法； 溫度、壓力、流量和功率變化診斷法；溫度、壓力、流量和功率變化診斷法； 應變、裂紋及聲發(fā)射診斷法。應變、裂紋及聲發(fā)射診斷法。設

4、備故障診斷技術的原理及程序設備故障診斷技術的原理及程序 信號檢測信號檢測 特征提取特征提取 狀態(tài)識別狀態(tài)識別 預報決策預報決策特征特征信號的選擇信號的選擇 在設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，要在設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，要對特征信號有選擇性的提取。對特征信號有選擇性的提取。 要選擇能實時采集的，且能敏感反要選擇能實時采集的，且能敏感反映工況狀態(tài)變化的信息，蘊含這種信息映工況狀態(tài)變化的信息，蘊含這種信息的信號就是特征信號，選擇特征信號要的信號就是特征信號，選擇特征信號要考慮信號的敏感性和在線與實時性?？紤]信號的敏感性和在線與實時性。設備故障診斷的設備故障診斷的四項基本技術四項基本技術檢測技術檢測技術信

5、號處理技術信號處理技術模式識別技術模式識別技術預測技術預測技術 設備故障診斷技術的層次設備故障診斷技術的層次 設備診斷技術的實施可分為設備診斷技術的實施可分為簡易診斷簡易診斷和和精密診斷精密診斷兩個層次兩個層次開展設備狀態(tài)監(jiān)測工作的步驟開展設備狀態(tài)監(jiān)測工作的步驟5確定允許的狀態(tài)限值確定允許的狀態(tài)限值6機器初次測量機器初次測量11狀態(tài)分析狀態(tài)分析12故障治理故障治理7定期狀態(tài)監(jiān)測定期狀態(tài)監(jiān)測8數據采集數據采集10故障檢測趨勢分析故障檢測趨勢分析9數據記錄數據記錄4 4建立預知維修體系建立預知維修體系3選擇監(jiān)測方法選擇監(jiān)測方法2確定監(jiān)測對象確定監(jiān)測對象1設備勘查設備勘查不允許不允許允許允許在限值內

6、在限值內在限值外在限值外存在故障存在故障不存在故障不存在故障確定監(jiān)測與診斷對象時考慮的因素確定監(jiān)測與診斷對象時考慮的因素設備在生產中的重要性設備在生產中的重要性設備的價值設備的價值設備對產品質量的影響設備對產品質量的影響設備對環(huán)境的影響設備對環(huán)境的影響設備對安全的影響設備對安全的影響設備故障發(fā)生頻率設備故障發(fā)生頻率設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作中的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作中的 “八個固定八個固定”定機組定機組 定參數定參數定測點定測點 定周期定周期定回路定回路 定標準定標準定儀器定儀器 定人員定人員設備故障診斷的判定標準設備故障診斷的判定標準 絕對判定標準絕對判定標準 相對判定標準相對判定標準

7、類比判定標準類比判定標準 二、振動診斷技術二、振動診斷技術 振動診斷是以系統在某種激勵下的振動診斷是以系統在某種激勵下的振動響應作為診斷信息的來源，通過對振動響應作為診斷信息的來源，通過對所測得的振動參量進行各種處理，借助所測得的振動參量進行各種處理，借助一定的識別策略，對機械設備的運行狀一定的識別策略，對機械設備的運行狀態(tài)做出判斷，進而對于有故障的設備給態(tài)做出判斷，進而對于有故障的設備給出故障部位、故障程度以及故障原因等出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。方面的信息。 機械振動機械振動 機械振動是物機械振動是物體體（或其一部分）（或其一部分）沿沿直線或曲線并經過直線或曲線并經過其平

8、衡位置所作的其平衡位置所作的往復運動。往復運動。 振動的三要素振動的三要素振動的幅值振動的幅值振動的頻率振動的頻率振動的相位振動的相位振動分析振動分析 幅域分析法幅域分析法: : 在幅域分析中，對波形幅值的研究通過以下在幅域分析中，對波形幅值的研究通過以下幾個參數進行：幾個參數進行： 峰值峰值Xp 峰峰峰值峰值（雙峰值）（雙峰值）Xp-p 平均值平均值 有效值有效值（均方根值）（均方根值）XrmsX X 頻域分析：頻域分析： 將信號和系統的時間變量函數或序列變換成將信號和系統的時間變量函數或序列變換成對應頻率域中的某個變量的函數，來研究信號和對應頻率域中的某個變量的函數，來研究信號和系統的頻域

9、特性為頻域分析法。系統的頻域特性為頻域分析法。 時域分析：時域分析： 對一個測試系統，直接分析時間變量函數或對一個測試系統，直接分析時間變量函數或序列，研究系統的時間響應特性就是時域分析法。序列，研究系統的時間響應特性就是時域分析法。振動的時域分析與頻域分析振動的時域分析與頻域分析信號的時域描述與頻域描述信號的時域描述與頻域描述 頻譜分析頻譜分析 頻譜分析方法，就是頻譜分析方法，就是利用某種數學變換利用某種數學變換（一般用傅里葉變換），將復雜，將復雜的信號分解為簡單信號的的信號分解為簡單信號的疊加。疊加。 即，將復雜信號分解即，將復雜信號分解為有限或無限個頻率的簡為有限或無限個頻率的簡諧分量；

10、也就是將一個組諧分量；也就是將一個組合振動分解為它的各個頻合振動分解為它的各個頻率分量。率分量。把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜信號的時域與頻域變換信號的時域與頻域變換 信號的時域和頻域波形均是在直角坐標系中進行描述的，區(qū)別是時域描述時，坐標圖中的橫坐標為時間t;而在頻域描述時，坐標圖中的橫坐標為頻率f或圓頻率。工程中常見的幾種振動工程中常見的幾種振動 受迫振動受迫振動 外界物體對振體外界物體對振體持續(xù)地以力的形式進持續(xù)地以力的形式進行激勵，使系統不斷行激勵，使系統不斷得到能量的補充，以得到能量的補充，以彌補阻尼所消耗的能彌補阻尼

11、所消耗的能量，系統的振動就能量，系統的振動就能持續(xù)下去，這種振動持續(xù)下去，這種振動稱稱“受迫振動受迫振動”。 不平衡轉子激勵轉子系統的力學模型不平衡轉子激勵轉子系統的力學模型 自激振動自激振動 自激振動是振動系統受到初始激勵后，系統將自激振動是振動系統受到初始激勵后，系統將持續(xù)作用的能源轉化成周期作用的能源，從而維持持續(xù)作用的能源轉化成周期作用的能源，從而維持和發(fā)展系統振動的一種振動過程。和發(fā)展系統振動的一種振動過程。 （常見的有軸的抖動（常見的有軸的抖動 、油膜渦動、油膜渦動 、流體機械中的喘振等）、流體機械中的喘振等） 軸在軸承中發(fā)生抖動軸在軸承中發(fā)生抖動 隨機振動隨機振動 隨機振動是指振

12、動的波形不規(guī)則，不隨機振動是指振動的波形不規(guī)則，不能用確定的數學公式描述的振動。機械設能用確定的數學公式描述的振動。機械設備的振動多為隨機振動。備的振動多為隨機振動。 在機械設備中，故障振動大部分是周期振動在機械設備中，故障振動大部分是周期振動的信號，往往淹沒在隨機振動信號之中，若設備的信號，往往淹沒在隨機振動信號之中，若設備故障加劇，隨機振動中這種周期成分加強，從而故障加劇，隨機振動中這種周期成分加強，從而引起整臺設備振動加強，因此，從某種意義上講，引起整臺設備振動加強，因此，從某種意義上講，設備的振動診斷過程，就是從隨機振動信號中尋設備的振動診斷過程，就是從隨機振動信號中尋找周期成分的過程

13、。找周期成分的過程。振動診斷技術的實施振動診斷技術的實施診斷對象的確定診斷對象的確定 作為被監(jiān)測對象的設備應該是如下幾種情況：作為被監(jiān)測對象的設備應該是如下幾種情況： 直接生產設備，特別是連續(xù)作業(yè)和流程作業(yè)中的設備；直接生產設備，特別是連續(xù)作業(yè)和流程作業(yè)中的設備； 發(fā)生故障或停機后會造成重大損失的設備；發(fā)生故障或停機后會造成重大損失的設備； 沒有備用機組的關鍵設備；沒有備用機組的關鍵設備； 價格昂貴的大型精密設備或成套設備；價格昂貴的大型精密設備或成套設備； 發(fā)生故障后會產生環(huán)境公害的設備；發(fā)生故障后會產生環(huán)境公害的設備； 維修周期長或維修費用高的設備；維修周期長或維修費用高的設備； 容易發(fā)生

14、人身安全事故的設備；容易發(fā)生人身安全事故的設備； 容易發(fā)生故障的設備。容易發(fā)生故障的設備。診斷方案的確定診斷方案的確定 選擇測點選擇測點 預估頻率和振幅預估頻率和振幅 測量參數的確定測量參數的確定 振動監(jiān)測周期的確定振動監(jiān)測周期的確定 選擇診斷儀器選擇診斷儀器 傳感器的選擇與安裝傳感器的選擇與安裝 做好其他相關事項的準備做好其他相關事項的準備振動信號的測量振動信號的測量 在確定了診斷方案之后，要根據診在確定了診斷方案之后，要根據診斷目的對設備進行各項相關參數測量，斷目的對設備進行各項相關參數測量，然后將測量到的振動信號進行校驗，把然后將測量到的振動信號進行校驗，把真實數據儲存起來。真實數據儲存

15、起來。設備狀態(tài)分析與故障診斷設備狀態(tài)分析與故障診斷設備總體狀態(tài)的分析設備總體狀態(tài)的分析故障類型分析故障類型分析故障部位分析故障部位分析故障程度分析故障程度分析設備狀態(tài)發(fā)展趨勢分析設備狀態(tài)發(fā)展趨勢分析三、典型零部件的故障診斷三、典型零部件的故障診斷 當機械設備處于運行狀態(tài)時，若設備上的當機械設備處于運行狀態(tài)時，若設備上的某運動部件出現異常，就會引起故障振動。故某運動部件出現異常，就會引起故障振動。故障振動的頻率成分稱為故障特征頻率。障振動的頻率成分稱為故障特征頻率。 設備上不同的零部件，其振動故障有著各設備上不同的零部件，其振動故障有著各自不同的故障成因和不同的故障信號特征。自不同的故障成因和不

16、同的故障信號特征。 故障診斷的工作之一就是在設備振動故障診斷的工作之一就是在設備振動頻率成分中尋找故障頻率，從而判斷設備頻率成分中尋找故障頻率，從而判斷設備的故障部位。的故障部位。轉子系統故障診斷轉子系統故障診斷轉子不平衡的診斷轉子不平衡的診斷 轉子不平衡的產生機理轉子不平衡的產生機理 各種因素導致的各種因素導致的質心偏移造成的質心偏移造成的不平衡振動不平衡振動影響不平衡振動的因素影響不平衡振動的因素轉子質量大??；轉子質量大??；質心偏移距離；質心偏移距離；轉子轉速。轉子轉速。 不平衡振動對轉速的變化反應最敏感，不平衡振動對轉速的變化反應最敏感，這一特點是判別不平衡故障的重要依據。這一特點是判別

17、不平衡故障的重要依據。轉子不平衡的形式轉子不平衡的形式 轉子不平衡包括轉子不平衡包括原始不平衡原始不平衡、漸變不平衡漸變不平衡和和突發(fā)性不平衡突發(fā)性不平衡三種形式。三種形式。 轉子不對中的診斷轉子不對中的診斷轉子不對中產生機理轉子不對中產生機理 轉子與轉子間的聯接不對中，主要反映在聯軸器的不對轉子與轉子間的聯接不對中，主要反映在聯軸器的不對中上；中上；轉子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，與軸承轉子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，與軸承是否形成良好的油膜有直接關系。滾動軸承的不對中，是否形成良好的油膜有直接關系。滾動軸承的不對中，主要是由于兩端軸承座孔不同軸以及軸承元件損壞，主要是由

18、于兩端軸承座孔不同軸以及軸承元件損壞，外圈配合松動，兩端支座變形等引起的。外圈配合松動，兩端支座變形等引起的。有的機器在未運轉時轉子對中情況是符合要求的，一旦有的機器在未運轉時轉子對中情況是符合要求的，一旦運轉時溫度升高就可能產生熱不對中。運轉時溫度升高就可能產生熱不對中?；A不均勻下沉，聯軸器銷孔磨損等故障的存在也會引基礎不均勻下沉，聯軸器銷孔磨損等故障的存在也會引發(fā)不對中。發(fā)不對中。 轉子不對中的基本形式轉子不對中的基本形式 轉子不對中故障原因與治理措施轉子不對中故障原因與治理措施 轉子彎曲的診斷轉子彎曲的診斷 轉子彎曲的種類轉子彎曲的種類 永久性彎曲永久性彎曲 轉子軸呈弓形彎曲后無法恢復

19、。造成永久轉子軸呈弓形彎曲后無法恢復。造成永久彎曲的原因有設計制造缺陷、長期停放方法不彎曲的原因有設計制造缺陷、長期停放方法不當、熱態(tài)停機時未及時盤車或遭涼水急冷等。當、熱態(tài)停機時未及時盤車或遭涼水急冷等。 臨時性彎曲臨時性彎曲 可恢復的彎曲。造成臨時性彎曲的原因有可恢復的彎曲。造成臨時性彎曲的原因有預負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過預負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過快局部碰磨產生溫升等致使轉子熱變形不均勻快局部碰磨產生溫升等致使轉子熱變形不均勻等。等。 轉子彎曲的故障特征轉子彎曲的故障特征 轉子永久性彎曲故障的機器，開機啟轉子永久性彎曲故障的機器，開機啟動時振動就較大；動時振動就

20、較大； 轉子臨時性彎曲的機器，隨著開機升轉子臨時性彎曲的機器，隨著開機升速過程振幅增大到某一值后有所減小。速過程振幅增大到某一值后有所減小。轉子彎曲的故障原因與治理措施轉子彎曲的故障原因與治理措施 滾動軸承故障診斷滾動軸承故障診斷滾動軸承振動原因滾動軸承振動原因滾動體在內外座圈有凹凸的面上滾動時，產生交替激滾動體在內外座圈有凹凸的面上滾動時，產生交替激振力。當有疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂振力。當有疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂及膠合等故障出現時，表面的凹凸不平度增大，作用及膠合等故障出現時，表面的凹凸不平度增大，作用在內、外座圈上的激振力也增大，產生振動。在內、外座圈上的激振力

21、也增大，產生振動。滾動體在通過負荷區(qū)時，有時為一個滾動體通過負荷滾動體在通過負荷區(qū)時，有時為一個滾動體通過負荷區(qū)，有時卻為兩個滾動體同時通過負荷區(qū)，旋轉軸的區(qū)，有時卻為兩個滾動體同時通過負荷區(qū)，旋轉軸的中心隨著滾動體的位置而上下移動產生振動。中心隨著滾動體的位置而上下移動產生振動。軸承由于安裝潤滑等原因產生隨機振動。軸承由于安裝潤滑等原因產生隨機振動。軸承外部傳來振動。軸承外部傳來振動。滾動軸承的振動機理滾動軸承的振動機理 正常滾動軸承的振動機理正常滾動軸承的振動機理 由于軸承滾動元件的不圓度，凹凸不平的粗糙度和波由于軸承滾動元件的不圓度，凹凸不平的粗糙度和波 紋度引起的振動；紋度引起的振動；

22、 由于外力的激勵而引起的軸承某個元件在其固有頻率由于外力的激勵而引起的軸承某個元件在其固有頻率 上的振動。上的振動。 故障滾動軸承的振動機理故障滾動軸承的振動機理 隨著軸承的旋轉，缺陷部分每當與其它元件表面接觸隨著軸承的旋轉，缺陷部分每當與其它元件表面接觸一次就會產生一個沖擊激振力，該沖擊具有明顯的周期性，一次就會產生一個沖擊激振力，該沖擊具有明顯的周期性，但不同缺陷產生振動的波形是不同的。但不同缺陷產生振動的波形是不同的。 故障軸承出現的振動中，也包含著引起正常軸故障軸承出現的振動中，也包含著引起正常軸承振動的若干因素。承振動的若干因素。 滾動軸承的故障診斷滾動軸承的故障診斷測點的選擇測點的

23、選擇傳感器的選擇與固定方式傳感器的選擇與固定方式滾動軸承的診斷滾動軸承的診斷滾動軸承的精密診斷主要采用頻譜分析法。滾動軸承的精密診斷主要采用頻譜分析法。齒輪故障診斷齒輪故障診斷 齒輪故障的常見形式齒輪故障的常見形式 齒面磨損齒面磨損 齒面膠合和擦傷齒面膠合和擦傷 齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞 彎曲疲勞與斷齒彎曲疲勞與斷齒齒輪故障的原因齒輪故障的原因制造誤差制造誤差裝配不良裝配不良潤滑不良潤滑不良超載超載操作失誤操作失誤齒輪的振動類型齒輪的振動類型齒輪的嚙合振動齒輪的嚙合振動齒輪磨損引起的振動齒輪磨損引起的振動齒輪偏心或不對中引起的振動齒輪偏心或不對中引起的振動斷齒、大的剝落等故障引起的振動斷齒、大

24、的剝落等故障引起的振動點蝕、劃痕等均勻缺陷引起的振動點蝕、劃痕等均勻缺陷引起的振動齒距不均、載荷波動故障引起的振動齒距不均、載荷波動故障引起的振動寄生成分引起的振動寄生成分引起的振動齒輪的固有振動齒輪的固有振動齒輪振動測量時重點考慮的幾個問題齒輪振動測量時重點考慮的幾個問題測點的選擇測點的選擇測量參數的選擇測量參數的選擇 傳感器的安裝傳感器的安裝測定周期的確定測定周期的確定齒輪故障診斷的步驟齒輪故障診斷的步驟 確定診斷對象進行調查分析確定診斷對象進行調查分析結構分析及理論計算結構分析及理論計算確定診斷方法，選擇診斷儀器確定診斷方法，選擇診斷儀器參數測量，信息處理參數測量，信息處理分析判斷，得出結論分析判斷，得出結論滑動軸承故障診斷滑動軸承故障診斷 滑動軸承發(fā)生的損壞多半是疲勞、磨損、燒滑動軸承發(fā)生的損壞多半是疲勞、磨損、燒傷及軸瓦斷裂。在大型、高速回轉機械中的動壓傷及軸瓦斷裂。在大型、高速回轉機械中的動壓滑動軸承，常常還會發(fā)生由于動力失穩(wěn)而產生的滑動軸承，常常還會發(fā)生由于動力失穩(wěn)而產生的油膜渦動和油膜振蕩的故障。油膜渦動和油膜振蕩的故障。 在滑動軸承的振動監(jiān)測及診斷中，一在滑動軸承的振動監(jiān)測及診斷中，一般用位移傳感器來測量軸相對于軸承的振般用位移傳感器來測量軸相對于軸承的振動；而用速度傳感器或