項(xiàng)目一 機(jī)械信號測取技術(shù)

機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)陳彩萍CompanyLogo項(xiàng)目一機(jī)械信號測取技術(shù)

機(jī)械設(shè)備故障的信息測取與檢測方法

1信號處理基礎(chǔ)

2CompanyLogo任務(wù)1機(jī)械設(shè)備故障的信息測取與檢測方法

一、機(jī)械設(shè)備故障診斷的意義轉(zhuǎn)子事故預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生透平機(jī)械事故現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生水輪機(jī)事故調(diào)查委員會在經(jīng)過４個(gè)月的調(diào)查后，提出長達(dá)２５６頁的調(diào)查報(bào)告。報(bào)告認(rèn)為，“挑戰(zhàn)者”號爆炸的原因是右側(cè)助推火箭存在問題。由于航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)氣溫過低，寒冷的天氣對火箭墊圈產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致爆炸。1９８６年１月２８日“挑戰(zhàn)者”號爆炸價(jià)值１２億美元的航天飛機(jī)被炸成碎片，７名機(jī)組人員全部遇難現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生斷裂部位三峽塔帶機(jī)斷裂事故

2002年9月3日事后維修，故障維修

(Breakdown)

設(shè)備壞了后才去修理。預(yù)防維修，定期維修(Preventive)

定期地檢查和大修。預(yù)知維修，視情維修(Predictive)

周期或?qū)崟r(shí)的監(jiān)測，必要時(shí)才去維修。推動設(shè)備維修制度的改革

保證設(shè)備精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量

提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益

CompanyLogo故障診斷帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益3宏觀上從全社會生產(chǎn)的角度看，花費(fèi)的設(shè)備維修費(fèi)用是一筆巨大的數(shù)目，而實(shí)施故障診斷帶來的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。2對生產(chǎn)單位，配置故障診斷系統(tǒng)能延長設(shè)備檢修周期，縮短維修時(shí)間,為制定合理的檢測維修制度提供基礎(chǔ)，可極大地提高經(jīng)濟(jì)效益。1對生產(chǎn)單位，配置故障診斷系統(tǒng)能減少事故停機(jī)率，具有很高的收益/投資比。二、機(jī)械設(shè)備故障診斷的任務(wù)任務(wù)：監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)，判斷其是否正常；預(yù)測和診斷設(shè)備的故障并消除故障；指導(dǎo)設(shè)備的管理和維修狀態(tài)監(jiān)測的任務(wù)是了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判別方法。通常設(shè)備的狀態(tài)可分為正常狀態(tài)，異常狀態(tài)和故障狀態(tài)。故障診斷的任務(wù)是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)以及環(huán)境條件，結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行歷史（包括運(yùn)行記錄和曾發(fā)生的故障及維修記錄等），對設(shè)備可能要發(fā)生的或已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)、分析和判斷，確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及其后果，提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的調(diào)整、維修、治理的對策措施，最終使設(shè)備復(fù)原到正常狀態(tài)。指導(dǎo)設(shè)備的管理維修設(shè)備的管理和維修方法的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，即早期的事后維修方式,發(fā)展到定期預(yù)防維修方式，現(xiàn)在正向視情維修(Conditon-basedMaintenance)發(fā)展。三、機(jī)械故障診斷技術(shù)的定義、內(nèi)容和類型CompanyLogo1、定義在設(shè)備運(yùn)行中或基本不拆卸的情況下，掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，判斷產(chǎn)生故障的部位和原因，以及預(yù)測預(yù)報(bào)設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)2、內(nèi)容狀態(tài)檢測、分析診斷和故障預(yù)測具體實(shí)施過程：

a信號采集b信號處理c狀態(tài)識別d診斷決策3、機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)的分類按診斷對象分：（1）旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷技術(shù)（2）往復(fù)機(jī)械診斷技術(shù)（3）工程結(jié)構(gòu)診斷技術(shù)（4）運(yùn)載器和裝置診斷技術(shù)（5）通信系統(tǒng)診斷技術(shù)（6）工藝流程診斷技術(shù)被測設(shè)備信號采集獲取檢測信號信號處理設(shè)備特征信息狀態(tài)識別對比設(shè)備允許參數(shù)故障確定趨勢分析診斷決策設(shè)備診斷過程框圖

按診斷目的和要求分類（1）功能診斷與運(yùn)行診斷

（2）定期診斷和連續(xù)診斷

（3）直接診斷和間接診斷

（4）常規(guī)工況與特殊工況診斷

（5）在線診斷和離線診斷按診斷方法完善程度分類簡易診斷——利用一般簡易測量儀器對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，分析設(shè)備的工作狀態(tài)。如利用測振儀對軸承座進(jìn)行測量，根據(jù)測得的振動值對機(jī)組故障進(jìn)行判斷或者應(yīng)用便攜式數(shù)據(jù)采集器將振動信號采集下來后進(jìn)行頻譜分析，用以診斷故障。精密診斷技術(shù)——利用較完善的分析儀器或診斷裝置，對設(shè)備故障進(jìn)行診斷這種裝置配有較完善的分析、診斷軟件。精密診斷技術(shù)一般用于大型、復(fù)雜設(shè)備，如電站的大型汽輪發(fā)電機(jī)組、石油化工系統(tǒng)的關(guān)鍵壓縮機(jī)組等。（1）離線分析診斷

四、設(shè)備故障診斷的基本方法1、按照診斷模式分計(jì)算機(jī)監(jiān)控箱記錄、文件（2）在線分析診斷。。。。。。。。。。?！?信號調(diào)理信號調(diào)理信號調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場工控機(jī)….信號調(diào)理信號調(diào)理信號調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場工控機(jī)。。。。。。。。。。。….信號調(diào)理信號調(diào)理信號調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場工控機(jī)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)（3）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測2、按檢測參數(shù)分★振動★

溫度（紅外）

★聲發(fā)★油液（鐵譜）★無損檢測★壓力★強(qiáng)度★表面★工況參數(shù)★電氣醫(yī)學(xué)診斷與故障診斷醫(yī)學(xué)診斷故障診斷原理及特征信息中醫(yī)：望、聞、問、切西醫(yī)：望、觸、扣、聽、嗅聽心音、做心電圖量體溫驗(yàn)血驗(yàn)?zāi)蛄垦獕篨射線、超聲波檢測問病史聽、摸、看、聞?wù)駝优c噪聲監(jiān)測溫度監(jiān)測油樣分析應(yīng)力應(yīng)變測量無損檢測查閱技術(shù)檔案資料通過形貌、聲音、溫度、顏色、氣味的變化來診斷通過振動大小及變化規(guī)律觀察溫度的大小及變化觀察化學(xué)成分及磨粒形狀變化觀察壓力或應(yīng)力變化觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷找規(guī)律、查原因、作判斷五、機(jī)械設(shè)備故障信息獲取和檢測方法CompanyLogo1、故障信息的獲取方法（1）直接觀測法應(yīng)用這種方法對機(jī)器狀態(tài)做出判斷主要靠人的經(jīng)驗(yàn)和感官，且限于能觀測到的或接觸到的機(jī)器零部件。（2）參數(shù)測定法

根據(jù)設(shè)備運(yùn)動的各種參數(shù)的變化來獲取故障信息是廣泛應(yīng)用的一種方法。其它如噪聲、溫度、壓力、變形、脹差、阻值等參數(shù)也是故障信息的重要來源。（3）磨損殘?jiān)鼫y定法測定機(jī)器零部件如軸承、齒輪、活塞環(huán)等的磨損殘?jiān)跐櫥椭械暮?，是一種有效的獲取故障信息的方法，根據(jù)磨損殘?jiān)跐櫥椭泻考邦w粒分布可以掌握零件磨損情況，并可預(yù)防機(jī)器故障的發(fā)生。（4）設(shè)備性能指標(biāo)的測定

設(shè)備性能包括整機(jī)及零部件性能，通過測量機(jī)器性能及輸入、輸出量的變化信息來判斷機(jī)器的工作狀態(tài)也是一種重要方法。例如，柴油機(jī)耗油量與功率的變化，機(jī)床加工零件精度的變化，風(fēng)機(jī)效率的變化等均包含著故障信息。對機(jī)器零部件性能的測定，主要反映在強(qiáng)度方面，這對預(yù)測機(jī)器設(shè)備的可靠性，預(yù)報(bào)設(shè)備破壞性故障具有重要意義。機(jī)器設(shè)備有各種類型，因而出現(xiàn)的故障也多種多樣，不同的故障需要采用不同的方法來診斷。聲學(xué)法沖擊能量與沖擊脈沖測定法模態(tài)分析與參數(shù)識別法特征分析法振動法(1）振動和噪聲的故障檢測這是大部分機(jī)器所共有的故障表現(xiàn)形式，診斷方法有：2、機(jī)械設(shè)備故障的檢測方法(2)材料裂紋及缺陷損傷的故障檢測磁粉探傷法超聲波探傷法滲透探傷法射線探傷法渦流探傷法激光全息檢測法微波檢測技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)

材料裂紋包括應(yīng)力腐蝕裂紋及疲勞裂紋，檢測方法有：2、機(jī)械設(shè)備故障的檢測方法CompanyLogo（3）設(shè)備零部件材料的磨損及腐蝕故障檢測這類故障除采用無損檢測中的超聲探傷法外，還可應(yīng)用：2、機(jī)械設(shè)備故障的檢測方法光纖內(nèi)窺技術(shù)油液分析技術(shù)油液分析技術(shù)可分為兩大類：一類是油液本身物理、化學(xué)性能分析；另一類是對油液中殘?jiān)姆治?。分析的方法有光譜分析法和鐵譜分析法。（4）溫度、壓力、流量變化引起的故障檢測機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)的有些故障往往反映在一些工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量的變化中。在溫度測量中除常規(guī)使用的裝在機(jī)器上的熱電阻、熱電偶等接觸式測溫儀外，目前在一些特殊場合使用的非接觸式測溫方法有紅外測溫儀和紅外熱像儀，它們都是依靠物體的熱輻射進(jìn)行測量。2、機(jī)械設(shè)備故障的檢測方法CompanyLogo選擇診斷參數(shù)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：診斷參數(shù)的多能性

診斷參數(shù)的靈敏性診斷參數(shù)應(yīng)呈單值性診斷參數(shù)的穩(wěn)定性診斷參數(shù)的物理意義3、診斷參數(shù)的選擇和判斷標(biāo)準(zhǔn)（1）診斷參數(shù)的選擇（2）診斷的周期對定期診斷的機(jī)器，需要確定其診斷周期。（3）診斷標(biāo)準(zhǔn)的確定在測得檢測參數(shù)后，就需要判斷所測出的值是正常還是異常。其方法是將實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。判斷標(biāo)準(zhǔn)共有三種，需按診斷對象來確定采用哪一種。1．絕對判斷標(biāo)準(zhǔn)

絕對判斷標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)對某類機(jī)械長期使用、觀察、維修與測試后的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并由企業(yè)、行業(yè)協(xié)會或國家頒布，作為一標(biāo)準(zhǔn)供工程實(shí)踐使用。2．相對判斷標(biāo)準(zhǔn)

相對判斷標(biāo)準(zhǔn)是對機(jī)器的同一部位定期測定，并按時(shí)間先進(jìn)行比較，以正常情況下的值為初始值，根據(jù)實(shí)測值與該值的比值來判斷的方法。3．類比判斷標(biāo)準(zhǔn)

類比判斷標(biāo)準(zhǔn)是指數(shù)臺同樣規(guī)格的機(jī)械在相同條件下運(yùn)行時(shí)，通過各臺機(jī)械的同一部位進(jìn)行測定和互相比較來掌握其劣化程度的方法。動態(tài)信號確定性信號隨機(jī)信號周期信號非周期信號平穩(wěn)信號非平穩(wěn)信號簡諧信號復(fù)雜周期信號準(zhǔn)周期信號瞬態(tài)信號各態(tài)歷經(jīng)信號非各態(tài)歷經(jīng)信號調(diào)制型非平穩(wěn)信號一般非平穩(wěn)信號1、信號的分類任務(wù)2信號處理基礎(chǔ)一、信號處理的基礎(chǔ)知識簡諧信號——振動波形為單一的正旋波復(fù)雜周期信號——振動波形為多條正旋波的疊加準(zhǔn)周期信號——信號經(jīng)處理后可變換成周期振動瞬態(tài)信號——單發(fā)的一次性振動2、現(xiàn)代信號處理技術(shù)現(xiàn)代信號處理的本質(zhì)可用“非”字來高度概括，即：非線性、非因果、非最小相位系統(tǒng)非高斯、非平穩(wěn)、非整數(shù)維(分形)信號為準(zhǔn)確、有效地獲得故障特征信息，目前重點(diǎn)是：研究和發(fā)展基于非高斯、非平穩(wěn)及非線性故障信號的分析理論及方法。時(shí)頻分布、小波分析、高階統(tǒng)計(jì)量分析、循環(huán)平穩(wěn)信號處理、非線性分析、…現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘英國Aston大學(xué)根據(jù)電力工業(yè)的需要，開發(fā)了一個(gè)MODIAROT（ModelBasedDiagnosisofRotorSystemsinPowerPlants）系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等作為數(shù)據(jù)挖掘方法，將設(shè)備在線測量數(shù)據(jù)與模型仿真輸出進(jìn)行比較，進(jìn)而診斷設(shè)備故障。采用先進(jìn)計(jì)算方法比較信號處理合成振動信號系統(tǒng)模型實(shí)際振動信號故障模型結(jié)合實(shí)際故障機(jī)器辨識二、常用傳感器及其原理

（1）電渦流位移傳感器

1、振動傳感器工作原理：電渦流效應(yīng)。傳感器的核心部分是線圈。結(jié)構(gòu)：（2）速度傳感器線圈芯軸彈簧片磁鋼阻尼環(huán)外殼32

（3）壓電式加速度傳感器

A、壓電加速度計(jì)，是利用某些晶體材料的壓電效應(yīng)制成的。

B、接觸式傳感器,使用時(shí)需要與被測對象固接在一起。m輸出壓電片基座壓電式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)：（1）頻率范圍寬，上限：10～60kHz,下限：0.3×10-8～2×10-8Hz(用電荷放大器）（2）相移?。▽弘妭鞲衅?，阻尼因素小）（3）重量輕，安裝簡單（4）動態(tài)范圍大，靈敏度高，用于低加速度的振動測量及高加速度沖擊測量（5）在低頻域，只能產(chǎn)生較低信號電平，較難判斷較低頻率的故障振動傳感器的選擇

（1）正確選擇所需參數(shù)（2）機(jī)械阻抗選擇

（3）頻率選擇2、溫度診斷傳感器（1）熱電偶一般熱電偶特殊熱電偶（2）熱電阻半導(dǎo)體溫度傳感器電阻溫度傳感器薄膜熱電阻傳感器（3）紅外測溫傳感器（4）紅外熱像儀3、壓力診斷傳感器

（1）應(yīng)變式壓力傳感器板式壓力傳感器筒式壓力傳感器（2）固態(tài)壓阻式傳感器4、聲發(fā)射診斷儀

（1）原理物體受力時(shí)，其內(nèi)部組織因變形而釋放出應(yīng)變能，并以彈性波的方式向外輻射。（2）聲發(fā)射傳感器類型諧振式傳感器差動式傳感器寬帶傳感器（3）聲發(fā)射診斷儀5、轉(zhuǎn)速傳感器

（1）磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器開磁路磁阻轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁阻轉(zhuǎn)速傳感器（2）光電式轉(zhuǎn)速傳感器傳感器的選用原則

（1）靈敏度靈敏度越高越好。（2）響應(yīng)特性響應(yīng)特性——在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。（3）線性任何傳感器都有一定的線性工作范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入呈比例關(guān)系。線性范圍越寬，則傳感器的工作量程越大。

（4）穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)長時(shí)間使用后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。（5）精確度表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。（6）測量方式傳感器在實(shí)際條件下的工作方式。（7）其他考慮結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于復(fù)制等。

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。

可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

濾波器分為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。1、濾波器