機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

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機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù),第一章 概 述 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是在現(xiàn)代檢測技術(shù)、識別理論、計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科成就基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門嶄新的綜合性橫斷科學(xué)，是醫(yī)學(xué)診斷思想在機(jī)械工程中的應(yīng)用。 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的基本任務(wù)是運用現(xiàn)代檢測技術(shù)獲取某些最能反映設(shè)備運行狀態(tài)的特征參數(shù)并據(jù)以判定設(shè)備正常或故障。 故障診斷則不僅對狀態(tài)是否正常作出判斷，還需要進(jìn)一步分析、確定故障的性質(zhì)、類別、部位、程度、原因以及發(fā)展趨勢等等。 由此可見，設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的故障診斷技術(shù)之間既有區(qū)別又有密切的聯(lián)系，二者不可分割。狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎(chǔ)或簡易的故障診斷，有時亦將二者統(tǒng)稱為設(shè)備的故障診斷。,第一章 概述,近些年來，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷逐漸進(jìn)入工程應(yīng)用階段，技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍日趨廣泛，成為現(xiàn)代設(shè)備維護(hù)技術(shù)的一個重要組成部分。 一、實施設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義 1.機(jī)械設(shè)備維護(hù)的基本任務(wù)：對設(shè)備進(jìn)行合理的技術(shù)維護(hù)、及時發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的機(jī)械設(shè)備維護(hù)方法——一定意義上的經(jīng)驗維護(hù)法 特點：具有相當(dāng)?shù)木窒扌?，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(jīng)驗來加以判斷。 2.1 傳統(tǒng)維修體制中的設(shè)備維護(hù)方式： 事后維修—— 不足維修——導(dǎo)致嚴(yán)重事故 定期維修—— 過剩維修——停機(jī)停產(chǎn)、增加檢修費用 （大、中、小修 ） 不足維修——新故障和潛在的故障因素,,,第一章 概 述,2.2重要缺陷—傳統(tǒng)的檢修方式對于故障的尋找往往需要對設(shè)備的大拆大卸才能實現(xiàn)，檢修周期長，且檢修后，設(shè)備其他一些并無故障的零部件間的正常配合或裝配關(guān)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(jī)械設(shè)備維修方式 視情維修是根據(jù)設(shè)備運行故障狀態(tài)來確定維修時間、內(nèi)容和方法。亦屬預(yù)防性維修，不同的是，它以設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)、以對故障診斷和預(yù)測結(jié)果而采取維護(hù)決策的，因而更具有客觀性、科學(xué)性。 正是由于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的成熟和應(yīng)用，視情維修才成為可能并進(jìn)入實際應(yīng)用階段，這是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)對機(jī)械設(shè)備維護(hù)體制產(chǎn)生的最具有深刻意義的影響，并成為設(shè)備維護(hù)管理工作現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志。,二.設(shè)備故障診斷技術(shù)的分類,1.按診斷對象的類別分類 ㈠.旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷技術(shù) ㈡.往復(fù)機(jī)械診斷技術(shù) ㈢.工程結(jié)構(gòu)診斷技術(shù) ㈣.機(jī)械零件診斷技術(shù) ㈤.液壓設(shè)備診斷技術(shù) ㈥.電氣設(shè)備診斷技術(shù) ㈦.生產(chǎn)過程綜合診斷技術(shù) 2.按診斷的目的、要求和條件 ㈠性能診斷和運行診斷 ㈡定期診斷和連續(xù)診斷 ㈢直接診斷和間接診斷 ㈣常規(guī)診斷和特殊診斷 ㈤在線診斷和離線診斷 ㈥簡易診斷和精密診斷 3.從所利用的設(shè)備狀態(tài)信號來分 ㈠振動診斷：以平穩(wěn)振動、瞬態(tài)振動、機(jī)械導(dǎo)納及模態(tài)參數(shù)為檢測目標(biāo),進(jìn)行特征分析、譜分析和時域分析，也包括含有相位信息的全息譜診斷法和其他方法。,故障診斷技術(shù)分類,強(qiáng)度診斷：以力、應(yīng)力、應(yīng)變、扭矩等機(jī)械參數(shù)為檢測目標(biāo)。進(jìn)行 冷熱強(qiáng)度變形、結(jié)構(gòu)損傷容限與壽命分析。 溫度診斷：以溫度、溫差、溫度場、熱相等為檢測目標(biāo)。進(jìn)行溫度 場、溫變量、紅外熱相識別與分析。 聲學(xué)診斷：以噪聲、聲阻、超聲、聲發(fā)射等為檢測目標(biāo)。 電參數(shù)診斷：以電信號、功率及磁特性等為檢測目標(biāo)。 光學(xué)診斷：,設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) 振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等信號的在線監(jiān)測（數(shù)據(jù)采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷） 模塊化組態(tài) 圖形化的編程語言 虛擬儀表顯示 故障診斷專家系統(tǒng) 具有中試基地,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,信號分析與處理軟件包 設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) FFT—FS頻譜細(xì)化技術(shù) 軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷 小波分析在故障診斷中的應(yīng)用 應(yīng)用光譜、鐵譜結(jié)合電譜能譜對潤滑油樣進(jìn)行分析 設(shè)備狀態(tài)趨勢分析,信號分析與處理軟件包,在windows或DOS環(huán)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(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng),振動、軸心軌跡、扭矩（非接觸式遙測）、 壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等信號的在線監(jiān)測（數(shù)據(jù)采集，運算、存儲、顯示、報警及故障診斷） 模塊化組態(tài) 圖形化的編程語言 虛擬儀表顯示 故障診斷專家系統(tǒng) 具有中試基地,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,,設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷中試基地,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,李友榮教授給學(xué)生講解設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng),虛擬儀表,,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) 故障診斷專家系統(tǒng),FFT—FS頻譜細(xì)化技術(shù),FFT:頻率分辨率△f為采樣頻率fs與采樣點 數(shù)N的比值。要△f 小， fs大，則N必 更大，使運算速度和分析效率大大降低 FFT—FS：先進(jìn)行FFT，對感興趣的頻帶進(jìn)行FS處理，可得連續(xù)的頻譜曲線，頻 率分辨率△f 不再受采樣點數(shù)的限制。,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷,R1減速機(jī) 轉(zhuǎn)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(yán)重?fù)p傷（99年已更換）,a. 功率譜圖,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷,b.功率譜細(xì)化圖(200～230Hz),c. 功率譜細(xì)化圖(0～30Hz),用FFT—FS頻譜細(xì)化分析結(jié)果,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷,R1、R4齒輪座 咬入、拋出時振動很大，穩(wěn)態(tài)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(yù)緊力不足,齒輪座受傾翻力矩作用,軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,a. 咬入,c.拋出,齒輪座振動紀(jì)錄曲線,小波分析在故障診斷中的應(yīng)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(xiàn)微弱故障診斷信號分離和提取，發(fā)現(xiàn)早期故障 R1減速機(jī)高速軸工作側(cè)軸承保持架不平衡產(chǎn)生的故障頻率 計算值3.19HZ 故障：該軸承保持架不平衡,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,應(yīng)用光譜、鐵譜結(jié)合電鏡能譜進(jìn)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(jié)合：用電鏡能譜儀對鐵譜片上典型顆粒的材料成分進(jìn)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(yīng)用范圍， 給故障定性、 定量、定位,機(jī)械振動及設(shè)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(shè)備狀態(tài)趨勢分析,灰色馬爾柯夫非等間隔預(yù)測模型 振動烈度海圖分析,機(jī)械振動及設(shè)備故障診斷方向,,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,軋機(jī)機(jī)架三維有限元分析 十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析 卷取機(jī)助卷輥支臂三維有限元分析 鋼包溫度場及應(yīng)力場計算機(jī)仿真 連鑄機(jī)拉矯輥溫度場及熱應(yīng)力計算機(jī)仿真,太鋼1000初軋機(jī)機(jī)架 上橫梁壓下螺母孔承壓面小圓角處： 按材料力學(xué)計算：在中性層附近，應(yīng)力很小 有限元計算：兩向受力，一向受壓，等效應(yīng)力最大 實際檢測：已出現(xiàn)600mm長環(huán)形裂紋（1~2mm深),軋機(jī)機(jī)架三維有限元分析,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向在故障診斷中的應(yīng)用,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,,,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,2800軋機(jī)主傳動十字軸萬向聯(lián)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(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向在故障診斷中的應(yīng)用,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,軋輥端叉頭應(yīng)力分布,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,軋輥端叉頭最大應(yīng)力部位應(yīng)力分布,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,十字軸,十字軸萬向聯(lián)軸器三維有限元分析,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,卷取機(jī)助卷輥支臂三維有限元分析,支臂最大主應(yīng)力分布圖,卷取機(jī)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(yīng)力分布圖,鋼包溫度場及應(yīng)力計算機(jī)仿真（與材料學(xué)科聯(lián)合培養(yǎng)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(yīng)力場變化 耐火材料物性對溫度場、應(yīng)力場的影響 耐火材料各種溫度下的物性優(yōu)化 耐火磚形狀、尺寸優(yōu)化,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,溫度場分布,熱機(jī)械應(yīng)力場,連鑄機(jī)拉矯輥溫度場及熱應(yīng)力計算機(jī)仿真,拉矯輥斷面溫度場 計及輥系材料物性隨溫度的變化 用有限差分法計算溫度場,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,拉矯輥斷面等溫線,連鑄機(jī)拉矯輥溫度場及熱應(yīng)力計算機(jī)仿真,表面熱應(yīng)力已超過屈服極限 用有限元法進(jìn)行彈塑性分析 殘余應(yīng)力導(dǎo)致輥系表面出現(xiàn)交替的拉、壓應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞破壞 軸向殘余應(yīng)力過大（表面裂紋多為環(huán)狀） 改進(jìn)措施： 提高冷卻水溫度 加大內(nèi)孔（冷卻水道）直徑 修復(fù)時采用沿軸線方向的條形堆焊（不用環(huán)焊）,結(jié)構(gòu)計算機(jī)仿真方向,