結(jié)構(gòu)故障的診斷方法

結(jié)構(gòu)故障的診斷方法第一頁(yè)，共十八頁(yè)。引言由于制造、安裝、操作等不當(dāng)人為因素和許多自然因素的影響，或使用一定的時(shí)期以后，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生裂紋、腐蝕、配合松動(dòng)的故障。這些故障發(fā)展至一定程度而又未被覺(jué)察并及時(shí)采取措施，便可能導(dǎo)致破壞性事故，引起嚴(yán)重的后果。在歷史上這些事故不乏其例，近十年來(lái)再我國(guó)一些港口也曾多次發(fā)生港口門座起重機(jī)臂架折斷的惡性事故。究其原因，往往是在臂架上由于裂紋的形成并擴(kuò)展的一定程度，使臂架斷面縮小到一定程度以至于無(wú)力承受外載荷所致。所以對(duì)于這種裂紋的形成與擴(kuò)展引起的故障的診斷與監(jiān)測(cè)，就具有重要的意義。人們從各個(gè)方面開(kāi)展了對(duì)于這種故障的診斷方法的研究。第二頁(yè)，共十八頁(yè)。當(dāng)前進(jìn)行故障診斷的基本方法可以分為三類：直接觀察法無(wú)損檢測(cè)法間接檢測(cè)法第三頁(yè)，共十八頁(yè)。直接觀察法

它包括感官觀察法、磁場(chǎng)探傷法和著色探傷法。感官觀察法：利用手摸、目視、耳聽(tīng)等簡(jiǎn)易方法來(lái)找出裂紋，這種方法對(duì)于表面裂紋的監(jiān)測(cè)室簡(jiǎn)單易行的，但對(duì)于內(nèi)部的微裂紋或人們不便接近的位置則顯得無(wú)能為力，并且這種方法與觀察者的經(jīng)驗(yàn)有莫大關(guān)系。第四頁(yè)，共十八頁(yè)。磁場(chǎng)探傷法：能有效地檢測(cè)鐵磁性材料表面和近表面裂紋，但對(duì)于受空間位置影響難以進(jìn)行檢測(cè)的部位及非磁性材料就受到了限制。CXD-3型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)探傷儀第五頁(yè)，共十八頁(yè)。著色探傷法：這種方法是把著色探傷的主要操作置于磁場(chǎng)的磁力作用下，探頭和被探工件表面產(chǎn)生氣隙的機(jī)械振動(dòng)，使?jié)B透劑能夠有效地滲透，加強(qiáng)顯像能力，提高檢測(cè)靈敏度。磁場(chǎng)著色探傷法操作如下：清洗滲透磁化清洗顯像磁化磁粉磁化觀察結(jié)果清洗滲透磁化清洗顯像磁化磁粉磁化觀察結(jié)果第六頁(yè)，共十八頁(yè)。無(wú)損檢測(cè)法它包括射線探傷法、超聲波探傷法和聲發(fā)射探傷法等。

射線探傷是利用射線可以穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中有衰減的特性來(lái)發(fā)現(xiàn)其中缺陷的一損探傷方法。它可以檢查金屬和非金屬材料及其制品的內(nèi)部缺陷，如焊縫中的氣孔夾渣、未焊透等體積性缺陷。這種無(wú)損探方法有獨(dú)特的優(yōu)越性，即檢驗(yàn)缺陷的直性、準(zhǔn)確性和可靠性，而且，得到的射線底可用于缺陷的分析和作為質(zhì)量憑證存檔。射線探傷法能較直觀的對(duì)缺陷定性和定量，但對(duì)于大型結(jié)構(gòu)則工作量很大。第七頁(yè)，共十八頁(yè)。

超聲波探傷法能較靈敏的檢測(cè)裂紋類面積缺陷，超聲波探傷儀的種類繁多，但在實(shí)際的探傷過(guò)程，脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。TUD360超聲波探傷儀，是一種便攜式工業(yè)無(wú)損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無(wú)損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷(裂紋、疏松、氣孔、夾雜等)的檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷。

第八頁(yè)，共十八頁(yè)。例如，在起重機(jī)一個(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測(cè)材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。雖然這種方法檢測(cè)周期短、成本低，但對(duì)于裂紋的準(zhǔn)確定位和定量比較難。第九頁(yè)，共十八頁(yè)。聲發(fā)射探傷法是一種新的無(wú)損探傷技術(shù)，它能從整體結(jié)構(gòu)上對(duì)裂紋進(jìn)行遙測(cè)和定位，對(duì)測(cè)試目標(biāo)只要求有限的接近，靈敏度高，可檢測(cè)活動(dòng)的裂紋，有時(shí)還能預(yù)報(bào)損失負(fù)載，但具有定位精度有限，有時(shí)難于檢測(cè)測(cè)得的結(jié)果等不足之處。目前，它在材料研究，壓力容器評(píng)價(jià)，構(gòu)件強(qiáng)度及缺陷的無(wú)損檢測(cè)方面去得了有限的應(yīng)用。2000MPH2000MPH便攜式聲發(fā)射檢測(cè)儀第十頁(yè)，共十八頁(yè)。上面的兩類方法都是在結(jié)構(gòu)上直接的搜尋裂紋，總的來(lái)說(shuō)都屬于直接的診斷方法。隨著技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)的廣泛使用，人們希望得到一種具有較好的線性、遙感性和提取信號(hào)方便性的診斷方法，通過(guò)某些能反映結(jié)構(gòu)故障（裂紋）的特征量的變化來(lái)間接地進(jìn)行診斷。也就是說(shuō)診斷可以在結(jié)構(gòu)正在工作的狀態(tài)小進(jìn)行，易于安排拾取信號(hào)的傳感器到結(jié)構(gòu)深處或人不便接近的位置，并可探測(cè)到距離傳感器有一定距離的故障。因此，我們就有了對(duì)新的檢測(cè)方法的需求。第十一頁(yè)，共十八頁(yè)。間接檢測(cè)法它包括數(shù)值方法和振動(dòng)試驗(yàn)方法兩種。其中能夠反映完好結(jié)構(gòu)和有故障結(jié)構(gòu)的差別是它的振動(dòng)特性。結(jié)構(gòu)在完好狀態(tài)和有故障狀態(tài)的振動(dòng)特性的差別攜帶了結(jié)構(gòu)故障的種種信息。因此，只要能采集到故障發(fā)生前后某些載有充分信息的振動(dòng)信號(hào)，結(jié)果適當(dāng)?shù)奶幚?，便可能識(shí)別出故障的有無(wú)、程度、位置等信息，這就是機(jī)構(gòu)的診斷方法，如果在結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下實(shí)時(shí)的反映這個(gè)過(guò)程，就是故障的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。第十二頁(yè)，共十八頁(yè)。我們知道，一個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性取決于它本身的剛度、質(zhì)量、阻尼這三種物理參數(shù)和外加激勵(lì)。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，引起這些參數(shù)的變化，導(dǎo)致振動(dòng)特性發(fā)生變化。由于我們所討論的故障時(shí)裂紋類這些細(xì)微的損傷，目的是故障發(fā)生后盡早診斷，因此對(duì)物理參數(shù)的擾動(dòng)是小的。我們下面要進(jìn)行的討論就是針對(duì)物理參數(shù)微小變化條件下，振動(dòng)特性的變化時(shí)進(jìn)行的。第十三頁(yè)，共十八頁(yè)。目前正在進(jìn)行探索和研究的結(jié)構(gòu)故障振動(dòng)診斷的方法大致有三種：直接分析法、參數(shù)識(shí)別法和時(shí)序分析法。直接分析法是具有故障結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，研究故障引起的響應(yīng)的變化規(guī)律，為更有效的診斷故障提供基礎(chǔ)，它屬于數(shù)值方法。但是多數(shù)情況下，建立具有故障結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是很困難的。參數(shù)識(shí)別法是直接從測(cè)量的輸入輸出信號(hào)（或僅有輸出信號(hào)）識(shí)別模態(tài)參數(shù)或物理參數(shù)的變化情況，具有很大的方便性。但從數(shù)學(xué)上看，僅問(wèn)題往往不唯一和不確定，從而使識(shí)別的結(jié)果不唯一，而需鋪以經(jīng)驗(yàn)判斷。時(shí)序分析法，從信息論和統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看，實(shí)際上是信號(hào)的變換和凝聚，所以對(duì)判別是否有故障特別有效。但是由于時(shí)序模型中的參數(shù)沒(méi)有明確的物理意義，因而很能判斷故障的位置，也需綜合其它技術(shù)方能見(jiàn)效。第十四頁(yè)，共十八頁(yè)。最近幾年，基于對(duì)于變模態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)變傳遞函數(shù)對(duì)故障有較高的靈敏度，提出了基于應(yīng)變響應(yīng)的診斷方法，以及基于應(yīng)變響應(yīng)的傳遞函數(shù)的診斷方法。無(wú)論是參數(shù)識(shí)別法還是時(shí)序分析法或基于應(yīng)變的方法，都是以測(cè)量為背景的，因而他們一般包括如下診斷步驟：選擇觀察信號(hào)、提取特征量、識(shí)別系統(tǒng)有無(wú)故障、確定故障的位置、性質(zhì)、大小和趨勢(shì)。首先是選擇觀測(cè)信號(hào)，這是重要的一步，因?yàn)樵诠收习l(fā)生初期，響應(yīng)的變化很小。這種小的變化能否被有限精度的測(cè)量?jī)x器分辨出來(lái)，而不致被噪聲所淹沒(méi)，是進(jìn)行診斷的基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性量y對(duì)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)x的敏感度定義為：

并對(duì)幾種基本的表征振動(dòng)特性的參數(shù)作了敏感度分析，發(fā)現(xiàn)：模態(tài)特性對(duì)故障不敏感，而頻域中的導(dǎo)納響應(yīng)和時(shí)間單位脈沖響應(yīng)等都具有對(duì)故障很敏感的頻率點(diǎn)或時(shí)序點(diǎn)，可作為檢測(cè)和監(jiān)測(cè)故障所需采取的信號(hào)。第十五頁(yè)，共十八頁(yè)。下面簡(jiǎn)單介紹一種參數(shù)識(shí)別法和一種時(shí)序分析法。參數(shù)識(shí)別法是應(yīng)用較廣泛的一種方法。由于待識(shí)參數(shù)的不同，又有多種不同的方法，現(xiàn)在主要采用最小二乘法辨識(shí)，卡爾曼濾波，自適應(yīng)濾波等方法，進(jìn)行故障診斷。這個(gè)方法采用頻響函數(shù)作為觀察參數(shù)，因此對(duì)故障比較敏感，加之采用最小二乘辨識(shí)及卡爾曼濾波，在混有50%的噪聲的情況下，仍能辨識(shí)故障，但方法的計(jì)算工作量偏大，不利于在線診斷，并對(duì)低于5%的剛度故障能否辨識(shí)，尚待進(jìn)一步研究。時(shí)序分析法是將由于故障發(fā)生而引起的響應(yīng)時(shí)間序列，通過(guò)時(shí)序建模，識(shí)別出系統(tǒng)動(dòng)力特性或響應(yīng)。時(shí)序分析的方法是由應(yīng)力強(qiáng)度因子導(dǎo)出含裂紋單位的剛度矩陣，并且導(dǎo)出應(yīng)變表示的運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算應(yīng)變響應(yīng)，然后用時(shí)序建模進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。它主要由運(yùn)動(dòng)方程的建立、應(yīng)變與位移振型相對(duì)于裂紋變化的敏感度、振動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)序建模及故障檢測(cè)三部分構(gòu)成。為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)的早期預(yù)報(bào)，該法使用了一種判別函數(shù)，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行。第十六頁(yè)，共十八頁(yè)。小結(jié)應(yīng)該說(shuō)明的是，結(jié)構(gòu)故障診斷是工程上的一大難題。這里簡(jiǎn)單介紹的振動(dòng)技術(shù)，也是一類正在發(fā)展中的技術(shù)，各種方法正在探索之中。據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)看，主要是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的診斷，尚待進(jìn)一步研究，而且離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。第十七頁(yè)，共十八頁(yè)。內(nèi)容梗概結(jié)構(gòu)故障的診斷方法。這些故障發(fā)展至一定程度而又未被覺(jué)察并及時(shí)采取措施，便可能導(dǎo)致破壞性事故，引起嚴(yán)重的后果。它包括感官觀察法、磁場(chǎng)探傷法和著色探傷法。磁場(chǎng)探傷法：能有效地檢測(cè)鐵磁性材料表面和近表面裂紋，但對(duì)于受空間位置影響難以進(jìn)行檢測(cè)的部位及非磁性材料就受到了限制。它包括射線探傷法、超聲波探傷法和聲發(fā)射探傷法等。TUD360超聲波探傷儀，是一種便攜式工業(yè)無(wú)損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無(wú)損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷(裂紋、疏松、氣孔、夾雜等)的檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷。例如，在起重機(jī)一個(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量又被探頭接受到，在