山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學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 月日山東職業學院山東職業學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學年第1學期 課程機電設備故障診斷與維修章節課題第1章機電設備故障診斷技術發展概述授課方法課堂講授所需教具便課時間月日節月日節月日節月日節慢課班級目的要求：了解機電設備故障診斷技術發展的過程以及最新診斷技術應用情況舊知復習：重點難點：機電設備故障診斷傳統技術教學過程：（包括主要教學環節、時間分配）舊知復習及新課導入 5分鐘新課內容：1、發展歷程及現狀 5分鐘2、常用的傳統技術方法 30分鐘3、存在的問題 10分鐘4、發展趨勢 35分鐘5、小結 5分鐘課后作業：1、名詞：振動監測診斷技術、油液磨屑分析檢測診斷技術、紅外測溫診斷技術、射線掃描技術2、查資料，了解機電設備故障診斷與維修技術的發展趨勢教學后記：第1章機電設備故障診斷技術發展概述一、發展歷程及現狀現代化生產中機械設備的故障診斷技術越來越受到重視，人們投人大量精力進行研究，機電設備故障診斷技術取得了很大的進展：探索出一系列新的理論方法與技術應用于實際，增加了對設備故障判斷的效率，奠定了對設備實施故障診斷分析與修復的堅實基礎，產生了明顯的經濟效益和社會效益。機電設備診斷技術最初來自軍事上的需要，在第二次世界大戰初期問世。當時能用儀表進行設備狀態參數測定，相繼又開發了快速、多功能自動監測儀器；20世紀60年代以來，隨著航天工業的發展，可靠性理論的應用，使設備診斷技術迅速發展；70年代，隨著微電子技術的發展，計算機技術、傳感器技術的應用，機械設備故障診斷技術更加完善，主要用于航天、核電等部門；20世紀末已經在冶金礦山、交通運輸、化工、發電、農業和機械制造等部門的機械設備上開始應用設備診斷技術，具發展日新月異，經濟效益日益明顯；進入新世紀，這一技術迅速滲透到國民經濟各部門，應用已相當普及，設備故障診斷技術水平的提高，開始向智能化方向發展。回顧歷史，不難看出機械故障診斷技術的發展經歷了3個階段：診斷結果取決于領域專家的感官及專業知識和經驗對診斷信息判斷的初級階段；以傳感器、動態監測技術為手段，基于計算機信號處理的現代診斷技術；實現診斷系統智能化，向監測、診斷、管理和調度的集成化發展。美國從1967年在美宇航局和海軍研究所的倡導下，由企業和大學參加成立了機械故障診斷技術的研究組織，開展機械設備的故障機理，檢測、診斷和預測等方面的研究。另外俄亥俄州立大學開展了根據振動的解析對軸承、齒輪、發動機及一般回轉機械的診斷技術研究。相繼鍋爐、壓力容器等靜止機械的檢測診斷中心，根據美國機械工程學會（ASME的規定開展靜止機械的故障診斷技術研究，制定了一系列規程標準。同時一些監測儀器設備公司也研制并生產各類型檢測診斷儀器，如Atlanta公司開發的M600旋轉機械在線監測裝置在實際應用取得良好效果。日本、英國、德國、瑞典等國的機械設備故障診斷技術的研究工作也起步較早，并在某些方面處于領先地位。我國機械設備故障診斷技術的研究工作起步較晚， 但發展較快。西安交通大學在旋轉機械故障診斷進行了研究。天津大學開展了軸承和齒輪的狀態監測研究。華中理工大學和哈爾濱工業大學開展了汽車發動機和汽輪機狀態監測和診斷系統。石化系統研究和應用紅外診斷和聲發射定位系統。機械部門繼一汽、二汽之后洛陽軸承廠開發了軸承故障診斷系統；冶金部門繼太鋼、寶鋼之后武鋼進行離心鼓風機和透平壓縮機的狀態監測和故障診斷； 中國礦業大學開發了KTD型旋轉鐵譜儀及計算機磨屑圖像分析系統。北京科技大學對礦用汽車故障診斷有較深的研究探討。此外，設備診斷儀器的開發取得較大進展，為設備診斷提供各類儀器。這些發展為我國設備狀態監測和故障診斷技術的推廣應用奠定了穩固的基礎。我國機械設備的維修制度正在經歷由以運轉時間為基礎的定期維修制度向以機械技術狀況為基礎按需維修制度發展。正常運轉設備可不停車，在發現故障征兆后及時停車，按診斷故障性質和部位有目的地進行檢修。實現按需維修的前提，必須應用先進的設備故障診斷技術與手段，提高對設備運行的狀態檢測和故障診斷的準確性，以保證設備安全、穩定運行，增加機械設備正常運轉時間，大幅度提高勞動生產率，產生巨大經濟效益。二、常用的傳統技術方法機電設備故障診斷技術發展到今天，已形成了一門集數學、物理、化學、電子技術、計算機技術、通訊技術、信息處理、模式識別、基礎與信息科學、系統科學和人工智能等多學科交叉的綜合性技術。但傳統的診斷技術仍然在大量地使用，主要包括：振動監測技術、噪聲監測技術、紅外測溫技術以及，射線掃描技術等。.振動監測診斷技術振動監測診斷技術是通過檢測設備的振動參數及其特征來分析設備的狀態和故障的方法。由于振動的廣泛性、參數多維性、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備振動監測診斷作為機械設備故障診斷的首選方法。機械運行過程中要產生振動，機械狀態特征凝結在振動信息中。機械振動的測量參數有速度、加速度和位移，可根據機械設備頻率來選擇測量的參數和傳感器。為了檢測到足夠數量，又能真實地反映機械狀態的信號，要恰當地選擇振動測量點。通常選擇能夠對機械振動狀態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鍵點和容易發生劣化現象的易損點， 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備狀態信號經放大濾波處理后， 送入A/D轉換器，把模擬信號轉換為數字信號，送入數據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，以判定設備運行狀態，并采取相應的措施。由于振動監測診斷技術能實時地、直觀地、精確地表征機械動態特征及其變化過程，監測診斷方法簡單實用，而被廣泛應用。.油液磨屑分析檢測診斷技術通過對油液磨屑粒形狀態識別或觀察油液介質的物理、化學成分的變化來判斷機械運行狀況。主要用于機械設備潤滑系統和液壓系統。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、尺寸分布和形態的差異，可以根據金屬微粒的總量判斷磨損所處階段；根據尺寸分布判斷磨損的程度；根據微粒形態判斷磨損類型；根據化學成分判斷磨損部位。油液分析方法如下所述。利用各種元素受到一定能量激發時具有發射或吸收特定波長光的特性， 當各類型光譜儀對油液發射光譜化學分析時就可檢測到油液中各種物質在特定條件下發出具有特定波長的光確定其化學成分和含量，就可準確地判斷設備的磨損部位和程度。其特點分析速度快，診斷方便、準確，適用于磨屑粒徑小于10仙m的磨損狀態分析。.紅外測溫診斷技術山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁通過對機械設備各部位的不同溫度或溫度變化來分析判斷機械設備運行狀態的方法。機械磨損、發動機排煙管堵塞、液壓系統油液性能優劣、電器接點燒壞等常見故障都會造成相應部位溫度升高，另外材料機械性能也與溫度有關，機械故障的溫度檢測占有重要地位，占工業檢測50旅右。對高速旋轉機件采用一般傳感器測溫不能獲得準確測量值，而紅外測溫儀具有顯著優越性；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境溫度狀態與變化情況，如農業機械經常處于暴曬或風雨雪的露天作業，環境溫度影響監測系統溫度。因而可對測量數據進行修正與補償，減少溫度誤差，提高測量準確度。測量數據存取使用方便，具有通用接口可與計算機通信，便于實現全系統監控，易于實現有關常數設定與更換如報警裝置的設定于更換。通過測溫判斷機械狀態的薄弱環節如磨損加劇、油液劣化及材料缺陷，以便采取相應措施，改善性能，保證機械正常運轉以提高使用壽命。.射線掃描技術Y射線掃描是一項用于工藝設備過程故障檢測診斷的新技術， 具優點明顯、應用范圍廣闊。基本原理是運用丫射線在物質中的衰減服從Lamber-Beer指數規律，結合工藝設備的特點對設備的掃描檢測得到反映設備內介質密度變化關系的圖譜，通過系統分析掃描圖譜以確定設備故障，為故障修復提供依據。二、存在的問題雖然機電設備故障診斷技術得到很大發展，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。絕大多數技術都是針對特定的故障、特定的設備來研究，目前設備故障診斷的研究都是根據故障的種類、特定的設備、特定的層次建立自己的機電設備故障診斷技術。這些理論和方法在實際中廣泛應用的較少，即使在實際中得到應用，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，故障診斷準確性也是一個急于解決的問題。提高故障診斷準確性的關鍵在于確定故障與特征（信號）問的因果關系，但這是一個比較復雜的問題。因為故障與特征間的關系可能是多元的，往往不能認為是一一對應關系。如機任課教師教研室主任 年月日械制造、材質和安裝運行維護上的差異可導致振動特征相差很大。 振動響應的非線性，在多因素產生特征的疊加時，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生誤差。有時故障可能是間歇性的，不一定連續出現，監測儀表的功能、質量和可靠性也影響診斷的準確性。故障診斷是依賴于人們認識和經驗的學科，診斷從分析機械狀態特征入手，但人們認識局限性以及對事物認識永無止境，機械及其組成零件的個體差異，使得通過特征來判斷設備狀態帶有某些不確定性，特別是機械設備狀態的正常與異常中問無明確界限，多為漸變性過渡的，一些設備狀態處于邊緣狀態也使診斷人員做出定性的結論是困難的。目前，機電設備故障診斷技術是一個開放性課題，有必要建立一套完整的理論方法體系來指導機電設備故障診斷技術的研究。目前存在的具體問題有：模糊理論、神經網絡、小波分析、智能方法等研究熱點主要停留在理論研究上，實際應用較少；搭建的故障診斷操作平臺繁瑣且可操作性差， 應用在實際生產中既不便操作，也不便管理；許多機電設備故障診斷技術主要注重故障的診斷而沒有考慮設備故障的修復，為后面的修復工作帶來不便；企業對設備故障診斷的重視不夠，追求短期效益，成熟的診斷技術應用于生產實際的較少。四、發展趨勢隨著傳感器技術、數據處理技術、人工智能技術、無線通信技術等相關技術的發展，機電設備故障診斷技術的發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，診斷技術的智能化。成熟的技術將大量運用到國民經濟建設和國防建設中，促進國家和軍隊的現代化建設。從目前的研究資料來看，今后機電設備故障診斷技術的發展方向可歸納如下：.基于Internet的遠程協作診斷技術。將設備診斷技術和計算機網絡技術、信息技術、數據庫與決策支持技術相結合形成遠程協作診斷技術， 它用多臺計算機監測儀器在各企業、大型工程施工工程和機械化作業農場中的大型關鍵機械設備建立狀態監測系統監測設備運行狀態并采集狀態信號， 在技術水平高經驗豐富的科研院所建立分析診斷中心，為企業、大型施工工程和機械化作任課教師教研室主任 年月日山東職業學院教案附頁山東職業學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 年月日山東職業學院教案附頁山東職業學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 年月日業農場提供遠程診斷的支持和保證。網絡化的遠程設備故障診斷系統中儲存了多種設備的故障診斷知識和經驗，可響應不同監測現場用戶的使用要求，不同的監測現場可以與同一個診斷中心建立聯系，使得用戶的使用頻率很高。這樣一來可以避免系統的重復開發和維護，顯著降低了系統的費用。另一方面，由于構造于網絡之上，系統知識庫中的專家知識來源廣泛，可以得到不斷充實，診斷規則可以是來自現場的企業單位的經驗，也可來自于從事設備故障理論研究的科研單位，知識庫比較豐富，相應地診斷能力也增強了。基于網絡的遠程設備診斷專家系統將管理部門、監測現場、診斷專家、設備供應商聯系起來，形成一個真正開放的系統。它能夠充分利用更多的技術經驗和診斷數據共享，從而提高設備診斷的準確性，并能在診斷中心中對企業、工程和農場等的設備監測診斷動態管理，實現資源利用充分，生產效率高、成本低，施工質量好的綜合目標。基于網絡的設備故障診斷與監測系統是今后發展的必由之路， 可以直接提高企業設備管理和維護水平，對提高企業效益和國際競爭力具有巨大作用。.人工智能專家系統。把傳統的專家經驗與現代計算機數據管理巧妙結合，把人工神經網絡與專家系統相結合、將神經網絡的自學習機制引人專家系統，提高專家系統的判斷準確性。人工智能是一門綜合了計算機技術、生理學和哲學的交叉學科。人工智能神經網絡方法力圖模擬人的大腦一些基本特征如自適應性、自組織性和容錯性能，用于模式識別、系統辨識領域取得了良好效果。由于神經網絡具有聯想記憶能力、自適應自學習能力，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。在神經網絡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，神經網絡與專家系統相結合建立智能診斷模型，在機器學習診斷實時性等方面性能的改善是提高診斷準確性、有效性的關鍵。它利用領域專家解決問題的實例來訓練神經網絡獲取知識信息，采用隱式表示神經網絡知識，自動產生的知識用網絡結構和權值表示。對同一問題若干知識表示在同一網絡中，便于知識自動獲取及聯想推理，并通過神經源間相互作用實現，通過自學習不斷完善診斷系統提高診斷準確性。山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁山東職業學院教案附頁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反常現象并展示其成分，被譽為分析信號的顯微鏡。在實際設備故障診斷中，利用小波變換進行動態系統故障檢測與診斷具有良好的效果： 連續小波變換可以檢測信號的奇異性，區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構的突變。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構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、小波分析與神經網絡有機結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測儀器。機械設備檢測的傳感器有多種類型，但存在檢測水平低，可靠性差，監測儀器只使用于單一目標決策，方法簡單。必須研究開發新型傳感器和監測儀器，提高監測技術水平；監測設備的參量有振動、溫度、噪音、扭矩、油液中磨屑及其形態，但每種方法對不同故障敏感程