機電設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展概述

山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁任課教師教研室主任 月日任課教師教研室主任 月日山東職業(yè)學(xué)院山東職業(yè)學(xué)院任課教師教研室主任任課教師教研室主任教師授課教案2013/2014學(xué)年第1學(xué)期 課程機電設(shè)備故障診斷與維修章節(jié)課題第1章機電設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展概述授課方法課堂講授所需教具便課時間月日節(jié)月日節(jié)月日節(jié)月日節(jié)慢課班級目的要求：了解機電設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展的過程以及最新診斷技術(shù)應(yīng)用情況舊知復(fù)習(xí)：重點難點：機電設(shè)備故障診斷傳統(tǒng)技術(shù)教學(xué)過程：（包括主要教學(xué)環(huán)節(jié)、時間分配）舊知復(fù)習(xí)及新課導(dǎo)入 5分鐘新課內(nèi)容：1、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀 5分鐘2、常用的傳統(tǒng)技術(shù)方法 30分鐘3、存在的問題 10分鐘4、發(fā)展趨勢 35分鐘5、小結(jié) 5分鐘課后作業(yè)：1、名詞：振動監(jiān)測診斷技術(shù)、油液磨屑分析檢測診斷技術(shù)、紅外測溫診斷技術(shù)、射線掃描技術(shù)2、查資料，了解機電設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)的發(fā)展趨勢教學(xué)后記：第1章機電設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展概述一、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀現(xiàn)代化生產(chǎn)中機械設(shè)備的故障診斷技術(shù)越來越受到重視，人們投人大量精力進行研究，機電設(shè)備故障診斷技術(shù)取得了很大的進展：探索出一系列新的理論方法與技術(shù)應(yīng)用于實際，增加了對設(shè)備故障判斷的效率，奠定了對設(shè)備實施故障診斷分析與修復(fù)的堅實基礎(chǔ)，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。機電設(shè)備診斷技術(shù)最初來自軍事上的需要，在第二次世界大戰(zhàn)初期問世。當(dāng)時能用儀表進行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)測定，相繼又開發(fā)了快速、多功能自動監(jiān)測儀器；20世紀(jì)60年代以來，隨著航天工業(yè)的發(fā)展，可靠性理論的應(yīng)用，使設(shè)備診斷技術(shù)迅速發(fā)展；70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的應(yīng)用，機械設(shè)備故障診斷技術(shù)更加完善，主要用于航天、核電等部門；20世紀(jì)末已經(jīng)在冶金礦山、交通運輸、化工、發(fā)電、農(nóng)業(yè)和機械制造等部門的機械設(shè)備上開始應(yīng)用設(shè)備診斷技術(shù)，具發(fā)展日新月異，經(jīng)濟效益日益明顯；進入新世紀(jì)，這一技術(shù)迅速滲透到國民經(jīng)濟各部門，應(yīng)用已相當(dāng)普及，設(shè)備故障診斷技術(shù)水平的提高，開始向智能化方向發(fā)展?；仡櫄v史，不難看出機械故障診斷技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：診斷結(jié)果取決于領(lǐng)域?qū)＜业母泄偌皩I(yè)知識和經(jīng)驗對診斷信息判斷的初級階段；以傳感器、動態(tài)監(jiān)測技術(shù)為手段，基于計算機信號處理的現(xiàn)代診斷技術(shù)；實現(xiàn)診斷系統(tǒng)智能化，向監(jiān)測、診斷、管理和調(diào)度的集成化發(fā)展。美國從1967年在美宇航局和海軍研究所的倡導(dǎo)下，由企業(yè)和大學(xué)參加成立了機械故障診斷技術(shù)的研究組織，開展機械設(shè)備的故障機理，檢測、診斷和預(yù)測等方面的研究。另外俄亥俄州立大學(xué)開展了根據(jù)振動的解析對軸承、齒輪、發(fā)動機及一般回轉(zhuǎn)機械的診斷技術(shù)研究。相繼鍋爐、壓力容器等靜止機械的檢測診斷中心，根據(jù)美國機械工程學(xué)會（ASME的規(guī)定開展靜止機械的故障診斷技術(shù)研究，制定了一系列規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)。同時一些監(jiān)測儀器設(shè)備公司也研制并生產(chǎn)各類型檢測診斷儀器，如Atlanta公司開發(fā)的M600旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測裝置在實際應(yīng)用取得良好效果。日本、英國、德國、瑞典等國的機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究工作也起步較早，并在某些方面處于領(lǐng)先地位。我國機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究工作起步較晚， 但發(fā)展較快。西安交通大學(xué)在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷進行了研究。天津大學(xué)開展了軸承和齒輪的狀態(tài)監(jiān)測研究。華中理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了汽車發(fā)動機和汽輪機狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。石化系統(tǒng)研究和應(yīng)用紅外診斷和聲發(fā)射定位系統(tǒng)。機械部門繼一汽、二汽之后洛陽軸承廠開發(fā)了軸承故障診斷系統(tǒng)；冶金部門繼太鋼、寶鋼之后武鋼進行離心鼓風(fēng)機和透平壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷； 中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)了KTD型旋轉(zhuǎn)鐵譜儀及計算機磨屑圖像分析系統(tǒng)。北京科技大學(xué)對礦用汽車故障診斷有較深的研究探討。此外，設(shè)備診斷儀器的開發(fā)取得較大進展，為設(shè)備診斷提供各類儀器。這些發(fā)展為我國設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。我國機械設(shè)備的維修制度正在經(jīng)歷由以運轉(zhuǎn)時間為基礎(chǔ)的定期維修制度向以機械技術(shù)狀況為基礎(chǔ)按需維修制度發(fā)展。正常運轉(zhuǎn)設(shè)備可不停車，在發(fā)現(xiàn)故障征兆后及時停車，按診斷故障性質(zhì)和部位有目的地進行檢修。實現(xiàn)按需維修的前提，必須應(yīng)用先進的設(shè)備故障診斷技術(shù)與手段，提高對設(shè)備運行的狀態(tài)檢測和故障診斷的準(zhǔn)確性，以保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運行，增加機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時間，大幅度提高勞動生產(chǎn)率，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益。二、常用的傳統(tǒng)技術(shù)方法機電設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展到今天，已形成了一門集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、信息處理、模式識別、基礎(chǔ)與信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和人工智能等多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)。但傳統(tǒng)的診斷技術(shù)仍然在大量地使用，主要包括：振動監(jiān)測技術(shù)、噪聲監(jiān)測技術(shù)、紅外測溫技術(shù)以及，射線掃描技術(shù)等。.振動監(jiān)測診斷技術(shù)振動監(jiān)測診斷技術(shù)是通過檢測設(shè)備的振動參數(shù)及其特征來分析設(shè)備的狀態(tài)和故障的方法。由于振動的廣泛性、參數(shù)多維性、測振方法的無損性、在線任課教師教研室主任 年月日性，決定了人們將機械設(shè)備振動監(jiān)測診斷作為機械設(shè)備故障診斷的首選方法。機械運行過程中要產(chǎn)生振動，機械狀態(tài)特征凝結(jié)在振動信息中。機械振動的測量參數(shù)有速度、加速度和位移，可根據(jù)機械設(shè)備頻率來選擇測量的參數(shù)和傳感器。為了檢測到足夠數(shù)量，又能真實地反映機械狀態(tài)的信號，要恰當(dāng)?shù)剡x擇振動測量點。通常選擇能夠?qū)C械振動狀態(tài)作全面反映的機械振動敏感點， 離機械診斷的核心部位最近的關(guān)鍵點和容易發(fā)生劣化現(xiàn)象的易損點， 以保證機械振動信號測量的有效性。通過各種振動傳感器檢測的設(shè)備狀態(tài)信號經(jīng)放大濾波處理后， 送入A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入數(shù)據(jù)處理分析診斷裝置進行時域分析、頻域分析、時序模型分析、倒譜分析、共腕解調(diào)分析以及三維全息譜分析等分析處理后以振動位移隨時間變化的曲線和頻譜圖形式輸出，作為診斷的依據(jù)，以判定設(shè)備運行狀態(tài)，并采取相應(yīng)的措施。由于振動監(jiān)測診斷技術(shù)能實時地、直觀地、精確地表征機械動態(tài)特征及其變化過程，監(jiān)測診斷方法簡單實用，而被廣泛應(yīng)用。.油液磨屑分析檢測診斷技術(shù)通過對油液磨屑粒形狀態(tài)識別或觀察油液介質(zhì)的物理、化學(xué)成分的變化來判斷機械運行狀況。主要用于機械設(shè)備潤滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。油液中磨屑微粒來自磨損和污染，機械摩擦幅的金屬表面間不同磨損方式和磨損速度造成油液中微粒總量、尺寸分布和形態(tài)的差異，可以根據(jù)金屬微粒的總量判斷磨損所處階段；根據(jù)尺寸分布判斷磨損的程度；根據(jù)微粒形態(tài)判斷磨損類型；根據(jù)化學(xué)成分判斷磨損部位。油液分析方法如下所述。利用各種元素受到一定能量激發(fā)時具有發(fā)射或吸收特定波長光的特性， 當(dāng)各類型光譜儀對油液發(fā)射光譜化學(xué)分析時就可檢測到油液中各種物質(zhì)在特定條件下發(fā)出具有特定波長的光確定其化學(xué)成分和含量，就可準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的磨損部位和程度。其特點分析速度快，診斷方便、準(zhǔn)確，適用于磨屑粒徑小于10仙m的磨損狀態(tài)分析。.紅外測溫診斷技術(shù)山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁通過對機械設(shè)備各部位的不同溫度或溫度變化來分析判斷機械設(shè)備運行狀態(tài)的方法。機械磨損、發(fā)動機排煙管堵塞、液壓系統(tǒng)油液性能優(yōu)劣、電器接點燒壞等常見故障都會造成相應(yīng)部位溫度升高，另外材料機械性能也與溫度有關(guān)，機械故障的溫度檢測占有重要地位，占工業(yè)檢測50旅右。對高速旋轉(zhuǎn)機件采用一般傳感器測溫不能獲得準(zhǔn)確測量值，而紅外測溫儀具有顯著優(yōu)越性；可以遠距離，非接觸式測溫，具有信息處理、運算和判斷功能，可精確地確定儀器工作環(huán)境溫度狀態(tài)與變化情況，如農(nóng)業(yè)機械經(jīng)常處于暴曬或風(fēng)雨雪的露天作業(yè)，環(huán)境溫度影響監(jiān)測系統(tǒng)溫度。因而可對測量數(shù)據(jù)進行修正與補償，減少溫度誤差，提高測量準(zhǔn)確度。測量數(shù)據(jù)存取使用方便，具有通用接口可與計算機通信，便于實現(xiàn)全系統(tǒng)監(jiān)控，易于實現(xiàn)有關(guān)常數(shù)設(shè)定與更換如報警裝置的設(shè)定于更換。通過測溫判斷機械狀態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)如磨損加劇、油液劣化及材料缺陷，以便采取相應(yīng)措施，改善性能，保證機械正常運轉(zhuǎn)以提高使用壽命。.射線掃描技術(shù)Y射線掃描是一項用于工藝設(shè)備過程故障檢測診斷的新技術(shù)， 具優(yōu)點明顯、應(yīng)用范圍廣闊。基本原理是運用丫射線在物質(zhì)中的衰減服從Lamber-Beer指數(shù)規(guī)律，結(jié)合工藝設(shè)備的特點對設(shè)備的掃描檢測得到反映設(shè)備內(nèi)介質(zhì)密度變化關(guān)系的圖譜，通過系統(tǒng)分析掃描圖譜以確定設(shè)備故障，為故障修復(fù)提供依據(jù)。二、存在的問題雖然機電設(shè)備故障診斷技術(shù)得到很大發(fā)展，但是至今為止尚未形成一套完整的理論體系和有效的診斷技術(shù)。絕大多數(shù)技術(shù)都是針對特定的故障、特定的設(shè)備來研究，目前設(shè)備故障診斷的研究都是根據(jù)故障的種類、特定的設(shè)備、特定的層次建立自己的機電設(shè)備故障診斷技術(shù)。這些理論和方法在實際中廣泛應(yīng)用的較少，即使在實際中得到應(yīng)用，也沒有一個完善的評價體系對其效果做出合理的評價。止匕外，故障診斷準(zhǔn)確性也是一個急于解決的問題。提高故障診斷準(zhǔn)確性的關(guān)鍵在于確定故障與特征（信號）問的因果關(guān)系，但這是一個比較復(fù)雜的問題。因為故障與特征間的關(guān)系可能是多元的，往往不能認(rèn)為是一一對應(yīng)關(guān)系。如機任課教師教研室主任 年月日械制造、材質(zhì)和安裝運行維護上的差異可導(dǎo)致振動特征相差很大。 振動響應(yīng)的非線性，在多因素產(chǎn)生特征的疊加時，有用和無用信號混在一起，要用信號提分、分解、融合等方法加以處理難免產(chǎn)生誤差。有時故障可能是間歇性的，不一定連續(xù)出現(xiàn)，監(jiān)測儀表的功能、質(zhì)量和可靠性也影響診斷的準(zhǔn)確性。故障診斷是依賴于人們認(rèn)識和經(jīng)驗的學(xué)科，診斷從分析機械狀態(tài)特征入手，但人們認(rèn)識局限性以及對事物認(rèn)識永無止境，機械及其組成零件的個體差異，使得通過特征來判斷設(shè)備狀態(tài)帶有某些不確定性，特別是機械設(shè)備狀態(tài)的正常與異常中問無明確界限，多為漸變性過渡的，一些設(shè)備狀態(tài)處于邊緣狀態(tài)也使診斷人員做出定性的結(jié)論是困難的。目前，機電設(shè)備故障診斷技術(shù)是一個開放性課題，有必要建立一套完整的理論方法體系來指導(dǎo)機電設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究。目前存在的具體問題有：模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、智能方法等研究熱點主要停留在理論研究上，實際應(yīng)用較少；搭建的故障診斷操作平臺繁瑣且可操作性差， 應(yīng)用在實際生產(chǎn)中既不便操作，也不便管理；許多機電設(shè)備故障診斷技術(shù)主要注重故障的診斷而沒有考慮設(shè)備故障的修復(fù)，為后面的修復(fù)工作帶來不便；企業(yè)對設(shè)備故障診斷的重視不夠，追求短期效益，成熟的診斷技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實際的較少。四、發(fā)展趨勢隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、無線通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機電設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、 多維化，診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術(shù)的智能化。成熟的技術(shù)將大量運用到國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)中，促進國家和軍隊的現(xiàn)代化建設(shè)。從目前的研究資料來看，今后機電設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向可歸納如下：.基于Internet的遠程協(xié)作診斷技術(shù)。將設(shè)備診斷技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與決策支持技術(shù)相結(jié)合形成遠程協(xié)作診斷技術(shù)， 它用多臺計算機監(jiān)測儀器在各企業(yè)、大型工程施工工程和機械化作業(yè)農(nóng)場中的大型關(guān)鍵機械設(shè)備建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)并采集狀態(tài)信號， 在技術(shù)水平高經(jīng)驗豐富的科研院所建立分析診斷中心，為企業(yè)、大型施工工程和機械化作任課教師教研室主任 年月日山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁任課教師教研室主任 年月日任課教師教研室主任 年月日山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁任課教師教研室主任 年月日任課教師教研室主任 年月日業(yè)農(nóng)場提供遠程診斷的支持和保證。網(wǎng)絡(luò)化的遠程設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中儲存了多種設(shè)備的故障診斷知識和經(jīng)驗，可響應(yīng)不同監(jiān)測現(xiàn)場用戶的使用要求，不同的監(jiān)測現(xiàn)場可以與同一個診斷中心建立聯(lián)系，使得用戶的使用頻率很高。這樣一來可以避免系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)和維護，顯著降低了系統(tǒng)的費用。另一方面，由于構(gòu)造于網(wǎng)絡(luò)之上，系統(tǒng)知識庫中的專家知識來源廣泛，可以得到不斷充實，診斷規(guī)則可以是來自現(xiàn)場的企業(yè)單位的經(jīng)驗，也可來自于從事設(shè)備故障理論研究的科研單位，知識庫比較豐富，相應(yīng)地診斷能力也增強了。基于網(wǎng)絡(luò)的遠程設(shè)備診斷專家系統(tǒng)將管理部門、監(jiān)測現(xiàn)場、診斷專家、設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)系起來，形成一個真正開放的系統(tǒng)。它能夠充分利用更多的技術(shù)經(jīng)驗和診斷數(shù)據(jù)共享，從而提高設(shè)備診斷的準(zhǔn)確性，并能在診斷中心中對企業(yè)、工程和農(nóng)場等的設(shè)備監(jiān)測診斷動態(tài)管理，實現(xiàn)資源利用充分，生產(chǎn)效率高、成本低，施工質(zhì)量好的綜合目標(biāo)?；诰W(wǎng)絡(luò)的設(shè)備故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是今后發(fā)展的必由之路， 可以直接提高企業(yè)設(shè)備管理和維護水平，對提高企業(yè)效益和國際競爭力具有巨大作用。.人工智能專家系統(tǒng)。把傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗與現(xiàn)代計算機數(shù)據(jù)管理巧妙結(jié)合，把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)機制引人專家系統(tǒng)，提高專家系統(tǒng)的判斷準(zhǔn)確性。人工智能是一門綜合了計算機技術(shù)、生理學(xué)和哲學(xué)的交叉學(xué)科。人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法力圖模擬人的大腦一些基本特征如自適應(yīng)性、自組織性和容錯性能，用于模式識別、系統(tǒng)辨識領(lǐng)域取得了良好效果。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶能力、自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力，其非線性映射能力和逼近能力能解決很多問題。計算簡便、評估客觀。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中知識信息分布存儲，個別單元損壞，容錯能力強，可靠性高。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合建立智能診斷模型，在機器學(xué)習(xí)診斷實時性等方面性能的改善是提高診斷準(zhǔn)確性、有效性的關(guān)鍵。它利用領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q問題的實例來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取知識信息，采用隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識，自動產(chǎn)生的知識用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和權(quán)值表示。對同一問題若干知識表示在同一網(wǎng)絡(luò)中，便于知識自動獲取及聯(lián)想推理，并通過神經(jīng)源間相互作用實現(xiàn)，通過自學(xué)習(xí)不斷完善診斷系統(tǒng)提高診斷準(zhǔn)確性。山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁山東職業(yè)學(xué)院教案附頁3.小波分析。小波分析是一種信號的時間一一尺度分析方法，它具有多分辨率分析的特點，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率， 在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率，很適合探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分，被譽為分析信號的顯微鏡。在實際設(shè)備故障診斷中，利用小波變換進行動態(tài)系統(tǒng)故障檢測與診斷具有良好的效果： 連續(xù)小波變換可以檢測信號的奇異性，區(qū)分信號突變和噪聲漓散小波變換可以檢測隨機信號頻率結(jié)構(gòu)的突變。其故障診斷機理是利用觀測器信號的奇異性進行故障診斷，以及利用觀測器信號頻率結(jié)構(gòu)的變化進行故障診斷。小波分析方法具有良好的時頻定位特性，特別適合于分析時變、瞬態(tài)及非線性信號，具有一般譜分析所不具備的時域和頻域同時定位的能力，為設(shè)備故障診斷檢測提供了新的強有力的分析手段。將小波理論與分形理論、小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合是提高故障診斷可靠性的重要方法之一。4.研究和改進傳感器與監(jiān)測儀器。機械設(shè)備檢測的傳感器有多種類型，但存在檢測水平低，可靠性差，監(jiān)測儀器只使用于單一目標(biāo)決策，方法簡單。必須研究開發(fā)新型傳感器和監(jiān)測儀器，提高監(jiān)測技術(shù)水平；監(jiān)測設(shè)備的參量有振動、溫度、噪音、扭矩、油液中磨屑及其形態(tài)，但每種方法對不同故障敏感程