1、 機械設備狀態監測與故障診斷技術 第一章第一章 概概 述述 機械設備狀態監測與故障診斷技術是在現代檢測技術、識別理論、計算機科學等多學科成就基礎上發展起來的一門嶄新的綜合性橫斷科學，是醫學診斷思想在機械工程中的應用。 設備狀態監測的基本任務是運用現代檢測技術獲取某些最能反映設備運行狀態的特征參數并據以判定設備正常或故障。 故障診斷則不僅對狀態是否正常作出判斷，還需要進一步分析、確定故障的性質、類別、部位、程度、原因以及發展趨勢等等。 由此可見，設備的狀態監測技術與設備的故障診斷技術之間既有區別又有密切的聯系，二者不可分割。狀態監測是故障診斷的基礎或簡易的故障診斷，有時亦將二者統稱為設備的故障診

2、斷。第一章第一章 概述概述 近些年來，設備狀態監測與故障診斷逐漸進入工程應用階段，技術日趨成熟，應用范圍日趨廣泛，成為現代設備維護技術的一個重要組成部分。一、實施設備狀態監測與故障診斷的意義1.機械設備維護的基本任務：對設備進行合理的技術維護、及時發現異常和故障、適時采取檢修措施以最大限度保證其正常運行。2.傳統的機械設備維護方法一定意義上的經驗維護法特點：具有相當的局限性，往往依靠人的眼看、耳聽、手摸等感觀手段獲取某種信息繼而憑借過去的經驗來加以判斷。 2.1 傳統維修體制中的設備維護方式： 事后維修 不足維修導致嚴重事故 定期維修 過剩維修停機停產、增加檢修費用 （大、中、小修 ） 不足維

3、修新故障和潛在的故障因素第一章第一章 概概 述述 2.2重要缺陷傳統的檢修方式對于故障的尋找往往需要對設備的大拆大卸才能實現，檢修周期長，且檢修后，設備其他一些并無故障的零部件間的正常配合或裝配關系常遭到破壞，又往往引起新的故障或潛在的故障因素。3.視情維修理想的機械設備維修方式 視情維修是根據設備運行故障狀態來確定維修時間、內容和方法。亦屬預防性維修，不同的是，它以設備的運行狀態監測為基礎、以對故障診斷和預測結果而采取維護決策的，因而更具有客觀性、科學性。 正是由于設備狀態監測和故障診斷技術的成熟和應用，視情維修才成為可能并進入實際應用階段，這是設備狀態監測與故障診斷技術對機械設備維護體制產

4、生的最具有深刻意義的影響，并成為設備維護管理工作現代化的一個重要標志。1.按診斷對象的類別分類按診斷對象的類別分類 .旋轉機械診斷技術 .往復機械診斷技術 .工程結構診斷技術 .機械零件診斷技術 .液壓設備診斷技術 .電氣設備診斷技術 .生產過程綜合診斷技術2.按診斷的目的、要求和條件按診斷的目的、要求和條件 性能診斷和運行診斷 定期診斷和連續診斷 直接診斷和間接診斷 常規診斷和特殊診斷 在線診斷和離線診斷 簡易診斷和精密診斷3.從所利用的設備狀態信號來分從所利用的設備狀態信號來分振動診斷：以平穩振動、瞬態振動、機械導納及模態參數為檢測目標,進行特征分析、譜分析和時域分析，也包括含有相位信息的

5、全息譜診斷法和其他方法。 故障診斷技術分類強度診斷強度診斷：以力、應力、應變、扭矩等機械參數為檢測目標。進行 冷熱強度變形、結構損傷容限與壽命分析。溫度診斷溫度診斷：以溫度、溫差、溫度場、熱相等為檢測目標。進行溫度 場、溫變量、紅外熱相識別與分析。聲學診斷聲學診斷：以噪聲、聲阻、超聲、聲發射等為檢測目標。電參數診斷：電參數診斷：以電信號、功率及磁特性等為檢測目標。光學診斷：光學診斷：設備在線監測及故障診斷系統振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉速、電流、電壓等信號的在線監測（數據采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷）模塊化組態圖形化的編程語言虛擬儀表顯示故障診斷專家系統具有

6、中試基地機械振動及設備故障診斷方向機械振動及設備故障診斷方向機械振動及設備故障診斷方向信號分析與處理軟件包設備在線監測及故障診斷系統FFTFS頻譜細化技術軋機主傳動系統故障診斷小波分析在故障診斷中的應用應用光譜、鐵譜結合電譜能譜對潤滑油樣進行分析設備狀態趨勢分析信號分析與處理軟件包在windows或DOS環境下運行信號采集及分析功能時域、頻域、倒頻域、幅值域及其它域分析處理功能時移和頻移功能加窗功能（矩形窗、漢寧窗等8種窗）信號合成與分解低通、高通、帶通、帶阻四種濾波機械振動及設備故障診斷方向設備在線監測及故障診斷系統 振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉速、電流、電壓等信號

7、的在線監測（數據采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷） 模塊化組態 圖形化的編程語言 虛擬儀表顯示 故障診斷專家系統 具有中試基地機械振動及設備故障診斷方向機械振動及設備故障診斷方向設備在線監測及故障診斷中試基地機械振動及設備故障診斷方向李友榮教授給學生講解設備在線監測及故障診斷系統 虛擬儀表 機械振動及設備故障診斷方向設備在線監測及故障診斷系統 故障診斷專家系統 故障診斷系統故障特征參數標準圖譜小波分析打印輸出概率密度分析相關分析功率譜包絡譜倒頻譜小波-AR譜分析趨勢分析FFTFS頻譜細化技術FFT:頻率分辨率f為采樣頻率fs與采樣點 數N的比值。要f 小， fs大，則N必 更大，使運算速

8、度和分析效率大大降低FFTFS：先進行FFT，對感興趣的頻帶進行FS處理，可得連續的頻譜曲線，頻 率分辨率f 不再受采樣點數的限制。 機械振動及設備故障診斷方向機械振動及設備故障診斷方向軋機主傳動系統故障診斷軋機主傳動系統故障診斷R1減速機轉頻7.13HZ，高速級齒輪嚙合頻率221.13HZ故障：高速級齒輪軸線不平行，齒面嚴重損傷（99年已更換）a. 功率譜圖 機械振動及設備故障診斷方向軋機主傳動系統故障診斷b.功率譜細化圖(200230Hz) c. 功率譜細化圖(030Hz) 用FFTFS頻譜細化分析結果機械振動及設備故障診斷方向軋機主傳動系統故障診斷 R1、R4齒輪座咬入、拋出時振動很大，

9、穩態軋制時振動很小水平方向振動鉛垂方向振動上軸水平方向下軸水平方向振動故障：地腳螺栓預緊力不足齒輪座受傾翻力矩作用軋機主傳動系統故障診斷機械振動及設備故障診斷方向a. 咬入 c.拋出齒輪座振動紀錄曲線小波分析在故障診斷中的應用小波具有時頻“聚焦”特性高斯小波最大熵譜分析小波分析AR譜實現微弱故障診斷信號分離和提取，發現早期故障R1減速機高速軸工作側軸承保持架不平衡產生的故障頻率計算值3.19HZ 故障：該軸承保持架不平衡機械振動及設備故障診斷方向應用光譜、鐵譜結合電鏡能譜進行潤 滑油樣分析（冶金部基金課題）鐵譜：對非鐵磁性磨屑不敏感鐵譜與電鏡能譜結合：用電鏡能譜儀對鐵譜片上典型顆粒的材料成分進

10、行分析，對非鐵磁性磨屑（有色金屬，非金屬）也有效，拓寬了潤滑油樣分析的應用范圍，給故障定性、定量、定位機械振動及設備故障診斷方向鐵譜片電鏡能譜片左圖為鐵譜譜片上圖為該鐵譜片的 電鏡能譜譜片設備狀態趨勢分析 灰色馬爾柯夫非等間隔預測模型 振動烈度海圖分析機械振動及設備故障診斷方向結構計算機仿真方向結構計算機仿真方向軋機機架三維有限元分析十字軸萬向聯軸器三維有限元分析卷取機助卷輥支臂三維有限元分析鋼包溫度場及應力場計算機仿真連鑄機拉矯輥溫度場及熱應力計算機仿真太鋼1000初軋機機架上橫梁壓下螺母孔承壓面小圓角處： 按材料力學計算：在中性層附近，應力很小 有限元計算：兩向受力，一向受壓，等效應力最大

11、實際檢測：已出現600mm長環形裂紋（12mm深)軋機機架三維有限元分析結構計算機仿真方向在故障診斷中的應用結構計算機仿真方向十字軸萬向聯軸器三維有限元分析2800軋機主傳動十字軸萬向聯軸器十字軸在軋制30萬噸鋼板后斷裂軋輥端叉頭在軋制90萬噸鋼板后斷裂結構計算機仿真方向在故障診斷中的應用十字軸萬向聯軸器三維有限元分析軋輥端叉頭應力分布結構計算機仿真方向結構計算機仿真方向軋輥端叉頭最大應力部位應力分布十字軸萬向聯軸器三維有限元分析十字軸十字軸萬向聯軸器三維有限元分析結構計算機仿真方向卷取機助卷輥支臂三維有限元分析支臂最大主應力分布圖卷取機助卷輥支臂三維有限元分析支臂油缸耳軸筋板部位 最大主應力分布圖 鋼包溫度場及應力計算機仿真（與材料學科聯合培養博士課題）注入、運輸、澆注、冷卻過程溫度場變化注入、運輸、澆注、冷卻過程應力場變化耐火材料物性對溫度場、應力場的影響耐火材料各種溫度下的物性優化耐火磚形狀、尺寸優化結構計算機仿真方向溫度場分布熱機械應力場連鑄機拉矯輥溫度場及熱應力計算機仿真拉矯輥斷面溫度場計及輥系材料物性隨溫度的變化用有限差分