設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術-林英志課件 03-設備故障診斷的技術基礎

設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術主講人：林英志第三章設備故障診斷的技術基礎學習目標：機械振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術在理論上和方法上都很成熟，它涉及很多學科知識。本章介紹設備故障診斷特別是振動診斷的技術基礎，要求熟悉設備故障診斷技術的內容，掌握設備故障信息獲取和檢測方法的框架知識，了解設備故障常用的三種評定標準及相對判斷標準的制定方法，熟悉故障診斷中的信號處理。傅里葉變換在故障診斷的信號處理中占有核心的地位，必須使學生理解這一重要理論基礎。第一節(jié)設備故障診斷技術的內容

設備故障診斷的內容包括狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預測三個方面。

被測設備獲取檢測信號設備特征信息診斷決策設備允許參數(shù)故障確定趨勢分析圖3-1設備診斷過程框圖對比信號采集信號處理狀態(tài)識別一、設備故障信息的獲取方法1．直接觀測法（感性認知）★用耳朵聽（聽覺）→采取聽棒、螺絲刀等工具★用眼睛看（視覺）→有無缺件、變形、磨損、泄漏等情況★用手摸（觸覺）→振動、溫度、泄漏點等情況★用鼻子聞（嗅覺）→有無膠糊味，如電機過熱的絕緣漆味★當然，還有向操作者問→故障情況★這與中醫(yī)的“望、聞、問、切”有異曲同工之妙第二節(jié)設備故障的信息獲取和檢測方法2．量化管理★用儀器測（將人的五官延伸到儀器上）⑴參數(shù)測定法根據(jù)設備運行的各種參數(shù)的變化來獲取故障信息是廣泛應用的一種方法。因為機器運行時由于各部件的運動必然會有各種信息，這些信息參數(shù)可以是溫度、壓力、振動、或噪聲等，它們都能反映機器的工作狀態(tài)。⑵磨損殘渣測定法測定機器零部件如軸承、齒輪、活塞環(huán)等的磨損殘渣在潤滑油中的含量，即潤滑油液分析，也是一種有效的獲取故障信息的方法。⑶設備性能指標的測定設備性能包括整機及零部件性能。二、設備故障的檢測方法1．振動和噪聲的故障檢測★振動法

★特征分析法★模態(tài)分析與參數(shù)識別法★沖擊能量與沖擊脈沖測定法★聲學法2．材料裂紋及缺陷損傷的故障檢測★超聲波探傷法★射線探傷法★滲透探傷法★磁粉探傷法★渦流探傷法★激光全息檢測法★微波檢測技術★聲發(fā)射技術3．設備零部件材料的磨損及腐蝕故障檢測這類故障除采用上述無損檢測中的超聲探傷法外尚可應用下列方法：★光纖內窺技術★油液分析技術4．工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量等）變化引起的故障檢測一、判斷標準為了對設備的狀態(tài)作出判斷，判斷是否存在故障及故障的程度如何，必須對表征機器狀態(tài)的測量值與規(guī)定的標準值進行比較。常用的有三種判斷標準，即絕對判斷標準、相對判斷標準以及類比判斷標準。1．絕對判斷標準它要求在設備的同一部位或按一定的要求測得的表征機器設備狀態(tài)的值與某種相應的判斷標準相比較，以評定設備的狀態(tài)。第三節(jié)設備故障的評定標準設備狀態(tài)的另一種振動評價標準

2．相對判斷標準在設備運行狀態(tài)比較良好的時候（新安裝好或大修后能夠確認工作狀態(tài)良好時）用測振儀連續(xù)對確定的測點進行多次測量（最好能測20次以上，每次測量最好能間隔一段時間，傳感器也應取下后再放上）。然后計算其平均值。常用的平均方法先求出N次測量的算術平均值Vm=(V1+V2+…+VN)／N報警限VT為算術平均值Vm的3～10倍，即

Vt=K·Vm,K=3～10

計算N次測量的算術平均值Vm和均方根值Vs:

Vm=(V1+V2+…+VN)／N

Vs=(V1-Vm)2+(V2-Vm)2+...+(Vn-Vm)2／N

另一種平均方法

測量報警限Vt=Vm

+kVs

,k=2～5k根據(jù)設備的使用環(huán)境、工況變化范圍、對設備振動的要求嚴格程度、設備的價格等來確定。需要說明的是，每次測量時的工況（如負載，轉速等）應盡可能一致，并在以后的監(jiān)測中也盡可能在該工況下測量。3．類比判斷標準若有數(shù)臺機型、規(guī)格均相同的設備，在相同工況和使用環(huán)境下對它們進行測定，經(jīng)過相互比較作出判斷，用這種方法對機器設備的狀態(tài)進行評定而制訂的標準稱作類比判斷標準。需要指出的是，在實踐中，常將相對判斷標準與類比判斷標準兩者結合制定統(tǒng)一的標準，而上述相對判斷標準的制定方法也僅供參考，在實踐中亦可以具體情況具體分析，請參見第六章第四節(jié)。二、旋轉機械的絕對判斷標準

評定機器振動狀態(tài)的物理量可以是：★振動加速度——在航空工業(yè)上習慣用振動加速度來評定，因航空結構振動頻率較高，且通過加速度測量可以了解構件所受力的情況。★振動速度——對于軸承座，國際上規(guī)定用振動烈度（振動速度的有效值）作為評定的物理量，因為振動烈度反映了振動能量的大小，用振動烈度表示可以從能量觀點直接反映振動物體的動強度?！镎駝游灰啤獙τ诘孛娴男D機械如汽輪發(fā)電機組、壓縮機組等則以振動位移作為評定的物理量，因用位移量可以更直觀、更直接地了解轉子的運動情況。一、測量信號

1．測量信號分類動態(tài)信號確定性信號隨機信號周期信號非周期信號平穩(wěn)信號非平穩(wěn)信號簡諧復雜周準周期瞬態(tài)各態(tài)歷非各態(tài)歷調制型非一般非平穩(wěn)信號期信號信號信號經(jīng)信號經(jīng)信號平穩(wěn)信號隨機信號第四節(jié)故障診斷中的信號處理大多數(shù)機械設備的振動信號類型是周期信號、準周期信號和平穩(wěn)隨機信號以及幾種不同類型信號的組合。一般在啟動或停機過程中的振動信號是平穩(wěn)的。設備在正常運行中，其表現(xiàn)的周期信號往往淹沒在隨機信號之中。若設備故障程度加劇，則振動信號中的周期成分加強，從而整臺設備振動增大。因此，從某種意義上講，設備振動診斷的過程，就是從信號中提取周期成分的過程。2．簡諧信號

振動加速度尖峰振動速度尖峰上限平衡位置時間下限物體周期振動位移峰—峰值圖3-3彈簧振動

機械振動是物體（或其一部分）沿直線或曲線并經(jīng)過其平衡位置所作的往復運動。圖3-3所示的彈簧振動是簡單機械振動的例子。

振幅A（Amplitude）偏離平衡位置的最大距離，有時也稱峰值或單峰值，2A則稱為峰—峰值、雙峰值或簡稱雙幅。（位移、速度和加速度三者都可以這樣表達。）頻率f（frequency）為每秒鐘的振動次數(shù)，描述振動的快慢，單位為次/秒即赫茲（Hz）。f=1/T

圓頻率（Angularfrequency）亦可用于描述振動的快慢，也稱角頻率，單位為弧度/秒（rad/s）。=2f=2/T

周期T

為每振動一次所需的時間，單位為秒（s）或毫秒（ms）。初相角（Initialphase）描述振動在起始瞬間的狀態(tài)，單位為弧度（rad）。

相位φ（phase）表示振動質點的相對位置，是時間的函數(shù)，單位為弧度（rad）。

φ=t+

式中：t——時間，s或ms。簡諧振動的三要素振動位移、速度、加速度之間的關系振動位移

(Displacement)速度

(Velocity)加速度

(Acceleration)

位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。三者的幅值依次為A、A、A2。相位關系：加速度領先速度90o;速度領先位移90o。xvaxva常用的振動時域參數(shù)位移信號峰峰值。單位為微米（m）

速度信號有效值。單位為毫米/秒（mm/s）

加速度信號峰值。單位為米/秒平方（m/s2）二、試驗數(shù)據(jù)處理方法

去偽存真、去粗取精、由表及里、由此及彼1．按任務可分為：★

預處理★

二次處理★

最終處理2．按方式可分為：★

在線處理（On-LineProcessing）★

離線處理（Off-LineProcessing）3．按手段可分為：★

模擬式分析

★

數(shù)字式分析——在現(xiàn)代故障診斷系統(tǒng)中廣泛采用三、振動信號在頻率域中的描述

1．傅里葉變換（FT）數(shù)學算法把一個復雜的函數(shù)分解成一系列（有限或無限個）簡單的正弦和余弦波，時域變換成頻域，也就是將一個組合振動分解為它的各個頻率分量，把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜，這就是傅里葉變換。這一理論基礎早在19世紀早期/18世紀晚期由法國著名數(shù)學家傅里葉研究出來。按照傅里葉變換的原理，任何一個平穩(wěn)信號（不管如何復雜），都可以分解成若干個諧波分量之和，即式中：A0——直流分量，mm；Akcos(2kf0t+k)——諧波分量，mm；k=1、2…，每個諧波稱為k次諧波；

Ak——諧波分量振幅，mm；f0——基波頻率，即一次諧波頻率，Hz；t——時間，s；k——諧波分量初相角，rad。如圖3-7所示，如果測得的振動信號x(t)由4個諧波分量組成，那么，通過信號分析可將其分解成1、2、3、4這4個簡諧信號，并把時域信號變換至頻域信號。

a

x(t)

a1

a2

1′

O

t

a3

1

2′

f1

t

a4

2

3′

f2

t

3

4′

f3

t

4

f4

t

f圖3-7傅里葉變換原理圖示x(t)——綜合信號；1~4——諧波分量；1’~4’——頻率分量；f1~f4——諧波分量的頻率；a——綜合信號幅值；a1~a4——諧波分量幅值2．有限傅里葉變換在工程上只能研究某一有限時間間隔（-T，T）上的平均能量（功率），也就是僅在（-T，T）上進行傅里葉變換，稱為有限傅里葉變換。3．離散傅里葉變換（DFT）設有一單位脈沖采樣函數(shù)Δ0(t)，采樣間隔為Δt，則對x(t)的離散采樣就意味著拿x(t)乘Δ0(t)，然后再對兩者的積函數(shù)x(nΔt)進行傅里葉變換，即稱為離散傅里葉變換。4．快速傅里葉變換（FFT）在進行離散傅里葉變換計算時，常省略Δt和Δf，進而得到快速傅里葉變換的計算公式。這里需要指出的是，在工程實踐中，正是運用它把信號中所包含的各種頻率成分分別分解出來，結果得到各種頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。現(xiàn)在FFT算法的各種典型程序和集成芯片已很成熟，頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成，用時只需選用就可以了。各種振動波形的頻譜名稱波形頻譜名稱波形頻譜小結（一）設備故障診斷的內容包括狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預測三個方面。其具體實施過程為信息采集、信號處理、狀態(tài)識別、診斷決策。設備故障信息的獲取方法包括直接觀測法、參數(shù)測定法、磨損殘渣測定法及設備性能指標的測定。設備故障的檢測方法包括振動和噪聲的故障檢測、材料裂紋及缺陷損傷的故障檢測、設備零部件材料的磨損及腐蝕故障檢測及工藝參數(shù)變化引起的故障檢測。設備故障的評定標準常用的有三種判斷標準，即絕對判斷標準、相對判斷標準以及類比判斷標準?？捎闷骄ㄖ贫ㄏ鄬ε袛鄻藴省Ｐ〗Y（二）從某種意義上講，設備振動診斷的過程，就是從信號中提取周期成分的過程。組成周期成分的簡諧振動可用位移、速度和加速度三個參量來表征，每個參量有三個基本要素：即頻率、振幅和初相位。試驗數(shù)據(jù)處理的目的就是去偽存真、去粗取精、由表及里、由此及彼的加工過程，提高信噪比，找出客觀事物本身的內在規(guī)律和客觀事物之間的相互關系。振動信號頻率分析的數(shù)學基礎是傅里葉變換；在工程實踐中，運用快速傅里葉變換的原理制成頻譜儀，這是故障診斷的有力工具。問題與回答互動時間一、單項選擇題（在備選答案中選出一個正確答案，并將其號碼填在題干中的橫線上）

1．潤滑油液分析是一種

。A、直接觀測法B、參數(shù)測定法C、磨損殘渣測定法D、設備性能指標測定2．下列情況中能產生振動的是

。A、潤滑B、轉子與靜止部分碰撞C、冷卻D、密封3．ISO7919是一種

。A、絕對判斷標準B、相對判斷標準C、類比判斷標準4．在ISO7919標準中，振動在

內的機器通常認為是可以接受的，可以無限制地長期運行。A、區(qū)域AB、區(qū)域BC、區(qū)域CD、區(qū)域D5．振動烈度能反映出振動

。A、能量B、質量C、變量D、速度6．根據(jù)ISO7919和ISO10816標準的準則二，若軸承座振動或軸振動的幅值合格，但變化量超過報警限值的

，不論是振動變大或者變小都要報警。A、10％B、15％C、25％D、30％7．下列參數(shù)中，不屬于簡諧振動三要素的是

。A、頻率B、振幅C、初相位D、時間8．若有一簡諧振動，其位移x=Asin（t+），則其速度的幅值為

。A、AB、AC、A2D、9．振動信號頻率分析的數(shù)學基礎是

，頻譜儀是運用

的原理制成的。A、傅里葉變換B、有限傅里葉變換C、離散傅里葉變換D、快速傅里葉變換二、判斷題（在括號內選擇打“√”或“×”）

1．設備故障診斷的內容包括狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預測三個方面。

（）2．對振動信號從時域變換到頻域進行頻譜分析屬于狀態(tài)識別階段。

（）3．用聽棒傾聽機器內部的聲音屬于直接觀測法。（）4．對機器零部件性能的測定，主要反映在強度方面，這對預測機器設備的可靠性，預報設備破壞性故障具有重要意義。（）5．光纖內窺技術可用于檢測設備零部件材料的磨損及腐蝕故障。（）6．ISO10816是一種相對判斷標準。（）7．相對判斷標準是在不同工況下對設備同一部位進行多次測量后取平均制定的。（）8．在航空工業(yè)上習慣用振動位移來評定。（