《機電設(shè)備故障診斷與維修》（王仲）527-2 教案 第2課 認(rèn)識振動監(jiān)測與診斷技術(shù)

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課題認(rèn)識振動監(jiān)測與診斷技術(shù)（1）課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）熟悉故障診斷的基本概念（2）掌握振動監(jiān)測與診斷技術(shù)素質(zhì)目標(biāo)：能夠意識到故障診斷的重要性，感受故障診斷技術(shù)的實用性，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的習(xí)慣，幫助學(xué)生樹立創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新精神教學(xué)重難點教學(xué)重點：故障診斷的實施過程，振動信號的幅域、時域、頻域分析教學(xué)難點：振動故障判斷教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計第1節(jié)課：→→→傳授新知（35min）第2節(jié)課：→傳授新知（32min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖第一節(jié)課課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，讓其提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，完成課前任務(wù)請大家了解故障診斷的實施過程。【學(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，使學(xué)生了解本次課的主要內(nèi)容，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學(xué)生】班干部報請假人員及原因培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（8min）【教師】提出以下問題：如何利用故障診斷技術(shù)對設(shè)備進行故障診斷？通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（35min）【教師】通過學(xué)生的回答引入新知，講解故障診斷技術(shù)實施的基礎(chǔ)、故障診斷的意義、故障診斷的實施過程、故障診斷的工作內(nèi)容和的故障診斷技術(shù)的分類等相關(guān)內(nèi)容一、故障診斷概述1．故障診斷技術(shù)實施的基礎(chǔ)故障診斷技術(shù)實施的基礎(chǔ)是工況監(jiān)測，工況監(jiān)測的任務(wù)是判別動態(tài)系統(tǒng)是否偏離正常功能，并監(jiān)視其發(fā)展趨勢，預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生。工況監(jiān)視的對象是機電設(shè)備外部信息參數(shù)（如力、速度、加速度、位移、溫度、噪聲等）的變化。故障診斷技術(shù)具有很強的綜合性，它涉及了力學(xué)、傳感器與檢測技術(shù)、計算機技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)、自動控制、人工智能、振動工程和機械工程等多個領(lǐng)域。2．故障診斷的意義?【多媒體】教師展示因機電設(shè)備故障造成的停產(chǎn)紀(jì)錄片?【學(xué)生】觀看、思考故障診斷的意義主要有以下幾點。①預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全。通過故障診斷，可以減少或避免由于零部件失效導(dǎo)致的設(shè)備突然停止運轉(zhuǎn)或其他突發(fā)惡性事件的發(fā)生。②推動設(shè)備維修制度的改革。故障診斷技術(shù)能夠幫助維修人員在故障早期發(fā)現(xiàn)異常，迅速查明原因，預(yù)測故障影響，實現(xiàn)有計劃、有針對性的按狀態(tài)檢修或視情檢修。從而做到在最有利的時間內(nèi)對設(shè)備進行維修，提高檢修質(zhì)量，縮短檢修時間，減少備件儲備，將檢修次數(shù)減到最少，使設(shè)備的維修管理水平得到提高，改變以預(yù)防維修為主體的維修體制。③提高企業(yè)經(jīng)濟效益。由于故障診斷技術(shù)的實施可以有效地降低發(fā)生故障時的經(jīng)濟損失，因此可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。3．故障診斷的實施過程故障診斷的實施過程可以歸納為以下4個方面。?【多媒體】教師展示“故障診斷的實施過程”圖片（詳見教材），并講解各過程的具體內(nèi)容1）信號采集機電設(shè)備在運行過程中必然會有力、熱、振動及能量等各種量的變化，由此會產(chǎn)生各種不同的信號。根據(jù)不同的診斷需要，選擇能表征機電設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號（如振動、壓力、溫度等）是十分必要的。這些信號可用不同的傳感器來拾取。2）信號處理信號處理是將采集到的信號進行分類處理、加工，獲得能表征機電設(shè)備特征的信號的過程，又稱特征提取過程，如對振動信號從時域變換到頻域進行頻譜分析即是這個過程。3）狀態(tài)識別將經(jīng)過信號處理后獲得的機電設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進行比較、對比，以確定機電設(shè)備所處的狀態(tài)，即確定是否存在故障及故障的類型和性質(zhì)等。為此應(yīng)正確制訂相應(yīng)的判別準(zhǔn)則和診斷策略。4）診斷決策根據(jù)對機電設(shè)備狀態(tài)的判斷，決定應(yīng)采取的對策和措施，同時應(yīng)根據(jù)當(dāng)前信號預(yù)測機電設(shè)備狀態(tài)可能發(fā)展的趨勢，進行趨勢分析。4．故障診斷的工作內(nèi)容?【教師】開展“你問我答”互動式講授故障診斷內(nèi)容?【學(xué)生】聆聽、結(jié)合教材積極回答故障診斷的工作內(nèi)容主要有以下幾點：①保證機電設(shè)備運行的狀態(tài)在設(shè)計范圍內(nèi)。監(jiān)測振動位移可以對旋轉(zhuǎn)零件和靜止零件之間臨近接觸狀態(tài)發(fā)出警報；監(jiān)測振動速度和加速度可以保證受力不至于超過極限；監(jiān)測溫度可以防止強度喪失和過熱損傷等。②隨時報告機電設(shè)備運行狀態(tài)的變化情況和惡化趨勢。雖然振動監(jiān)測系統(tǒng)不能避免故障的發(fā)生，但是能在故障還處于初期和局部范圍時就發(fā)現(xiàn)并報告它的存在，從而防止惡性事故發(fā)生和繼發(fā)性損傷。③提供機電設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。機電設(shè)備的實際運行狀態(tài)是決定機電設(shè)備維修周期和內(nèi)容的依據(jù)，準(zhǔn)確地描述機電設(shè)備狀態(tài)可以減少對機電設(shè)備不必要的拆卸而破壞其完整性。④故障報警。報警某種故障的臨近，特別是報警危及人身安全和設(shè)備安全的惡性事故。實施故障診斷的目的是：盡量避免機電設(shè)備發(fā)生事故，減少機電設(shè)備事故性停機，降低維修成本，保證操作及生產(chǎn)安全，保護環(huán)境、節(jié)約能源。5．故障診斷技術(shù)的分類?【多媒體】教師展示“不同故障技術(shù)的應(yīng)用場合”的表格（詳見教材），并講解具體應(yīng)用故障診斷技術(shù)按診斷參數(shù)的不同，可分為振動診斷、溫度診斷、聲學(xué)診斷、光學(xué)診斷、油液分析與污染診斷、壓力診斷、強度診斷、電參數(shù)診斷等。【資料卡】振動診斷是目前所有故障診斷技術(shù)中應(yīng)用最廣也是最成功的診斷方法，這是因為振動引起機械損壞的比例較大，約為60%。但在進行機電設(shè)備故障診斷時，僅僅進行振動診斷是不夠的，有時還需要幾種方法同時應(yīng)用才能更加科學(xué)地、準(zhǔn)確地、全方位地獲得機電設(shè)備的狀態(tài)信息，以降低誤診率。?【教師】開展主題討論：振動是所有機電設(shè)備無法避免的，振動是如何產(chǎn)生的？我們該如何進行振動診斷？?【學(xué)生】結(jié)合教材及課程資源，分組討論?【教師】巡回指導(dǎo)，查看各小組討論情況【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄通過紀(jì)錄片向?qū)W生展示設(shè)備故障造成的危害，進而講解故障診斷的意義，便于學(xué)生理解圖文結(jié)合講授，直觀易懂，便于學(xué)生理解掌握通過“你問我答”趣味活動，學(xué)生容易掌握，活躍課堂氣氛第二節(jié)課分組匯報（8min）【教師】主持各組匯報次序【學(xué)生】分組匯報關(guān)于振動的產(chǎn)生及診斷的討論結(jié)果【教師】總結(jié)各組發(fā)言，并講解振動的基礎(chǔ)知識在機電設(shè)備、零部件及基礎(chǔ)等表面能感覺到或能測量到的振動，往往是某一振動源在固體中的傳播。而振動源的存在，又是由機電設(shè)備的設(shè)計、材料本身或使用方法存在缺陷而引起的。隨著零部件的磨損，零部件表面將發(fā)生剝落、裂紋等現(xiàn)象，振動將相應(yīng)產(chǎn)生。同時，機電設(shè)備還可能因為某個微小的振動，引起其結(jié)構(gòu)或部件的共振響應(yīng)，從而導(dǎo)致機電設(shè)備狀態(tài)的迅速惡化。研究機械振動的目的就是為了了解各種機械振動現(xiàn)象的機理，破譯機械振動所包含的大量信息，進而對機電設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)測，分析機電設(shè)備的潛在故障。因此，根據(jù)對機械振動信號的測量和分析，便可在不停機和不解體的情況下對其劣化程度和故障性質(zhì)有所了解?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄分組匯報，提高學(xué)生參與度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性傳授新知（32min）【教師】講解振動原理及信號分析的相關(guān)知識一、振動原理及信號分析1.振動基礎(chǔ)知識振動是指物體或質(zhì)點在其平衡位置附近所做的有規(guī)律的往復(fù)運動。?【多媒體】教師展示“振動分類”的圖片（詳見教材），并講解振動分類的相關(guān)內(nèi)容【教師】板書+PPT講解振動分類【學(xué)生】觀看、聆聽、思考振動的強弱用振動量來衡量，振動量可以是振動體的位移、速度或加速度。機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中最常遇到的振動屬于簡諧周期振動。?【多媒體+板書】PPT展示，板書公式【教師】板書公式【學(xué)生】觀看、聆聽、思考簡諧周期振動是最基本、最簡單的振動形式，其振動位移x與時間t的關(guān)系可用正弦曲線表示，表達式為（1-1）式中D——振幅，單位為mm；T——周期，即再現(xiàn)相同振動狀態(tài)的最小時間間隔，單位為s；——初相位，單位為rad。每秒振動的次數(shù)稱為振動頻率，它是振動周期的倒數(shù)，即（1-2）式中f——頻率，單位為Hz。頻率f又可以用角頻率來表示，即（1-3）因此，式（1-1）還可以表示為（1-4）2．振動信號的分析振動信號的分析是將測量獲得的振動信號中含有的與機電設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的特征參數(shù)提取出來。振動信號的分析按信號處理方式的不同，可分為幅域分析、時域分析和頻域分析。不同的振動信號分析方法可從不同的角度觀察、分析信號，從而可根據(jù)不同需要得出各種信號處理結(jié)果。1）振動信號的幅域分析?【多媒體】圖文展示振動信號的幅域的相關(guān)內(nèi)容，詳情見教材，并結(jié)合板書進行公式推導(dǎo)【教師】講授知識，板書公式【學(xué)生】觀看、聆聽、思考振動信號的幅域分析是在波形的幅值上進行的，如計算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等，它也研究波形幅值的概率分布問題。信號的幅值是從總體上反映信號強弱的特征參數(shù)。在幅域分析中，對波形幅值的研究一般通過以下幾個參數(shù)進行。①峰值（）表示振幅的單峰值，在實際振動波形中，單峰值表示振動瞬時沖擊的最大幅值。除此之外還有振幅的雙峰值（），它反映了振動波形的最大偏移量。②平均值（）是指在時間T范圍內(nèi)，機電設(shè)備振動的平均水平，表達式為（1-5）③有效值（）是衡量振動能量大小的量，作為衡量振動強度的標(biāo)準(zhǔn)，表達式為（1-6）?【多媒體】圖文展示概率密度函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，詳情見教材，并結(jié)合板書進行公式推導(dǎo)【教師】播放PPT，板書【學(xué)生】觀看、聆聽、思考在幅域分析中，可通過概率密度函數(shù)進行波形幅值概率分布的研究。概率密度函數(shù)是表示信號幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率，它提供了關(guān)于振動信號的兩個信息，一是信號幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率，二是信號沿幅值域分布的信息。的值落在區(qū)間內(nèi)的時間為，即當(dāng)樣本記錄的觀察時間T趨于無窮大時，的值便是幅值落在區(qū)間內(nèi)的概率，即定義幅值概率密度函數(shù)為（1-7）信號沿幅值域分布，坐標(biāo)x表示信號值的大小，而陰軸所包圍的面積為1。不同信號有不同的概率密度函數(shù)圖形，可以借此識別信號的性質(zhì)。?【多媒體】圖文展示，并舉例說明概率密度函數(shù)故障診斷機電設(shè)備概率密度函數(shù)可以直接用于機電設(shè)備的故障診斷。從新、舊車床變速箱噪聲的概率密度函數(shù)圖形的分布規(guī)律可以看出，新舊兩臺變速箱的分布規(guī)律有明顯的差異。新車床的概率密度函數(shù)圖形呈“窄而高”的形態(tài)，而舊車床的概率密度函數(shù)圖形呈“寬而矮”的形態(tài)。顯然舊機床噪聲的幅值大于新車床的幅值。2）振動信號的時域分析振動信號的波形表示某種物理量隨時間變化的關(guān)系，因此通過時域分析可以研究信號在時間域內(nèi)的變化或分布，描述信號在不同時刻的相互依賴關(guān)系，它是提取信號中周期成分的常用手段。?【多媒體】圖文展示振動信號自相關(guān)分析時域以及自相關(guān)函數(shù)圖，詳情見教材，并結(jié)合板書進行公式推導(dǎo)【教師】播放PPT【學(xué)生】觀看、聆聽、思考自相關(guān)分析是十分常用的時域分析方法，它是通過自相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)對信號分析的，設(shè)是信號的一個樣板函數(shù)，是前移后的樣本，則可定義自相關(guān)函數(shù)為（1-8）自相關(guān)函數(shù)用以表示信號幅值變化的程度。如果時間間隔很小，幅值之間的差異便大，信號的變化便劇烈，自相關(guān)函數(shù)的值便?。环粗?，自相關(guān)函數(shù)的值便大。當(dāng)用振動或噪聲來診斷機電設(shè)備狀態(tài)時，正常運行下的機電設(shè)備，其振動或噪聲是大量的、無序的、大小接近相等的隨機信號；當(dāng)機電設(shè)備運行狀態(tài)不正常時，在隨機信號中反而會出現(xiàn)有規(guī)律的周期性脈沖，其大小要比隨機成分大很多。因此采用自相關(guān)分析不僅可以判斷出信號中有無隱藏的周期成分，而且通過對自相關(guān)函數(shù)的幅值和波動頻率的進一步分析，可以查出機電設(shè)備缺陷之所在。?【案例分析】圖文展示兩臺C6163型臥式車床變速箱噪聲的自相關(guān)函數(shù)圖形，試確定其缺陷位置，詳情見教材【教師】提示：將變速箱各軸的轉(zhuǎn)速與的波動頻率進行比較【學(xué)生】討論、回答【教師】評價、總結(jié)3）振動信號的頻域分析振動信號的頻域分析即通過研究信號中包含的頻率成分來確定信號頻域結(jié)構(gòu)，其分析結(jié)果是以頻率為自變量的各種物理量的曲線。進行頻域分析時，是將以時間為橫坐標(biāo)的時域信號通過傅立葉變換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號，從而求得關(guān)于原時域信號頻率成分的幅值和相位信息。通過對各頻率成分的分析，并比較機電設(shè)備零部件運行時的特征頻率，即可查找出故障源。其中，通過自功率頻譜密度函數(shù)實現(xiàn)診斷分析是最常用的頻域分析方法。?【多媒體】圖文展示自功率頻譜密度函數(shù)曲線圖，詳情見教材【教師】結(jié)合PPT講授自功率頻譜密度函數(shù)【學(xué)生】聆聽、思考自功率頻譜密度函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)是一個傅立葉變換對，其關(guān)系可用公式表示為（1-9）（1-10）自功率頻譜密度函數(shù)的物理意義可理解為曲線下和頻率軸所包圍的面積是信號的平均功率。在多頻振動信號與噪聲干擾疊加的情況下，自功率頻譜信號能有效地去除噪聲干擾，并清晰地反映何種頻率成分的功率最強，為查出關(guān)鍵的振動提供依據(jù)?！窘處煛颗e例講解正常運行與非正常運行機電設(shè)備齒輪副的自功率頻譜密度函數(shù)【學(xué)生】聆聽、思考正常運行的齒輪副，在其振動譜上會出現(xiàn)嚙合頻率及其高次諧波的頻率成分。當(dāng)齒輪齒面均勻磨