1、故障診斷基礎故障診斷基礎1.機械故障診斷概述機械故障診斷概述2.機械故障診斷中的信號處理機械故障診斷中的信號處理3.振動與噪聲監測技術振動與噪聲監測技術4.超聲波與聲發射檢測技術超聲波與聲發射檢測技術5.油樣分析技術油樣分析技術6.溫度監測方法溫度監測方法7.滾動軸承與齒輪故障診斷技術滾動軸承與齒輪故障診斷技術8.旋轉機械故障診斷技術旋轉機械故障診斷技術9.往復機械故障診斷技術往復機械故障診斷技術宋玉超宋玉超2014.3第一章 機械故障診斷概述1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容1.2設備故障的信息獲取和檢測方法設備故障的信息獲取和檢測方法1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障

2、診斷方法的分類1.4機械設備故障診斷技術的發展概況1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容o 現代工業生產對機械設備的要求:n 可靠性n 可用性n 維修性n 經濟性n 安全性n 進行全壽命管理，實行全面質量保證體系制度1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容o 機械故障機械故障： 指機械系統（零件、組件、部件或整臺設備乃至一系列指機械系統（零件、組件、部件或整臺設備乃至一系列的設備組合）因偏離其設計狀態而喪失部分或全部功能的設備組合）因偏離其設計狀態而喪失部分或全部功能的現象。的現象。1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容分類標準分類名稱（1）按發生原因分磨損性故障磨損性故

3、障錯用性故障錯用性故障先天性故障先天性故障（2）按造成的后果分）按造成的后果分危害性故障危害性故障安全性故障安全性故障（3）按發生的快慢分）按發生的快慢分突發性故障突發性故障漸發性故障漸發性故障（4）按發生的范圍分）按發生的范圍分部分性故障部分性故障完全性故障完全性故障（5）按發生的頻次分）按發生的頻次分偶發性故障偶發性故障多發性故障多發性故障（6）按系統功能喪失的程度分）按系統功能喪失的程度分永久性故障永久性故障非永久性故障非永久性故障（7）按故障相關性劃分）按故障相關性劃分相關故障相關故障非相關故障非相關故障（8）按故障發生的時期劃分）按故障發生的時期劃分早期故障早期故障使用期故障使用期故

4、障后期故障后期故障機械故障的分類機械故障的分類機械設備診斷技術的分類機械設備診斷技術的分類Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容按診斷對象分：按診斷對象分： 旋轉機械診斷技術旋轉機械診斷技術 往復機械診斷技術往復機械診斷技術 工程結構診斷技術工程結構診斷技術 運載器和裝置診斷技術運載器和裝置診斷技術 通信系統診斷技術通信系統診斷技術 工藝流程診斷技術工藝流程診斷技術機械設備診斷技術的分類機械設備診斷技術的分類Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容按按診斷目的和要求分類：按按診斷目的和要求分類： 功能診斷與運行診斷功能診斷與運行診斷

5、 定期診斷和連續診斷定期診斷和連續診斷 直接診斷和間接診斷直接診斷和間接診斷 常規工況與特殊工況診斷常規工況與特殊工況診斷 在線診斷和離線診斷在線診斷和離線診斷機械設備診斷技術的分類機械設備診斷技術的分類Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容設備故障診斷的基本方法設備故障診斷的基本方法Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容（1）傳統的故障診斷方法）傳統的故障診斷方法v首先是利用各種物理的和化學的原理和手段，通首先是利用各種物理的和化學的原理和手段，通過伴隨故障出現的各種物理和化學現象，直接檢測過伴隨故障出現的各種物理和化學現象，直

6、接檢測故障。故障。 v其次，利用故障所對應的征兆來診斷故障是最常其次，利用故障所對應的征兆來診斷故障是最常用、最成熟的方法，以旋轉機械為例，振動及其頻用、最成熟的方法，以旋轉機械為例，振動及其頻譜特性的征兆是最能反映故障特點、最有利于進行譜特性的征兆是最能反映故障特點、最有利于進行故障診斷的手段。故障診斷的手段。設備故障診斷的基本方法設備故障診斷的基本方法Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容（2）故障的智能診斷方法）故障的智能診斷方法在上述傳統的診斷方法的基礎上，將人工智能（在上述傳統的診斷方法的基礎上，將人工智能（Artificial Intelligenc

7、e）的理論和方法用于故障診斷，發展智能化的診斷）的理論和方法用于故障診斷，發展智能化的診斷方法，是故障診斷的一條全新的途徑，目前已廣泛應用，成為設備方法，是故障診斷的一條全新的途徑，目前已廣泛應用，成為設備故障診斷的主要方向。故障診斷的主要方向。 人工智能的目的是使計算機去做原來只有人才能做的智能任務，人工智能的目的是使計算機去做原來只有人才能做的智能任務，包括推理、理解、規劃、決策、抽象、學習等功能。專家系統包括推理、理解、規劃、決策、抽象、學習等功能。專家系統（Expert System）是實現人工智能的重要形式）是實現人工智能的重要形式. 專家系統由知識庫、推理機以及工作存儲空間（包括數

8、據庫）組專家系統由知識庫、推理機以及工作存儲空間（包括數據庫）組成。專家系統的核心問題是知識的獲取和知識的表示。成。專家系統的核心問題是知識的獲取和知識的表示。設備故障診斷的基本方法設備故障診斷的基本方法Company Logo1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容（3）故障診斷的數學方法）故障診斷的數學方法設備故障診斷技術作為一門學科，尚處在形成和發展之中，必須廣設備故障診斷技術作為一門學科，尚處在形成和發展之中，必須廣泛利用各學科的最新科技成就，特別要借助各種有效的數學工具。泛利用各學科的最新科技成就，特別要借助各種有效的數學工具。包括基于模式識別診斷方法，基于概率統計的診斷方法，

9、基于模糊包括基于模式識別診斷方法，基于概率統計的診斷方法，基于模糊數學的診斷方法，基于可靠性分析和故障樹分析的診斷方法，以及數學的診斷方法，基于可靠性分析和故障樹分析的診斷方法，以及神經網絡、小波變換、分形幾何等新發展的數學分支在故障診斷中神經網絡、小波變換、分形幾何等新發展的數學分支在故障診斷中的應用等等。的應用等等。o 推廣和應用設備狀態監測與故障診斷技術可以達到如下目的目的：1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容保障設備運行安全，防止突發事故保障設備運行安全，防止突發事故保證設備工作精度，提高產品質量保證設備工作精度，提高產品質量實施狀態維修實施狀態維修(或預防維修或預防維修)，

10、節約維修費用，節約維修費用避免設備事故帶來的環境污染及其它危害避免設備事故帶來的環境污染及其它危害 給企業部門帶來較大的間接經濟效益給企業部門帶來較大的間接經濟效益1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容u 設備診斷設備診斷：即即“設備醫生設備醫生” 用一定的用一定的儀器、手段儀器、手段 定性定性、定量定量描述設備狀態描述設備狀態 分析故障發生原因分析故障發生原因 并根據運行狀態的變化預測故障的發展并根據運行狀態的變化預測故障的發展 最終最終實現對故障的控制實現對故障的控制 1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的目的和內容o 目標：保證設備的安全、可靠和高效、經濟運行o 主要目的：n及

11、時、正確、有效地對設備的各種異常或故障狀態作出診斷，預防或消除故障；同時對設備的運行維護進行必要的指導。確保可靠性、安全性和有效性n制定合理的監測維修制度，保證設備發揮最大設計能力,同時在允許的條件下充分挖掘設備潛力，延長其服役期及使用壽命，降低設備全壽命周期費用 通過檢測、分析、性能評估等，為設備修改結構、優化設計、合理制造及生產過程提供數據和信息o狀態監測：o故障診斷：o指導設備管理和維修：1.1 機械設備故障診斷技術的意義、目的和內容內容o有利于提高設備管理水平o避免重大事故發生，減少事故危害性o可以獲得潛在的巨大經濟和社會效益1.1 機械設備故障診斷技術的意義意義、目的和內容目的意義舉

12、例目的意義舉例：美國：美國Pekrul電廠故障診斷效益分析電廠故障診斷效益分析目的意義舉例：目的意義舉例：空難空難飛機殘骸飛機殘骸目的意義舉例：目的意義舉例： 外部燃料箱表面泡沫外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的材料安裝過程中存在的缺陷缺陷，一塊泡沫材料脫，一塊泡沫材料脫落擊中航天飛機左翼前落擊中航天飛機左翼前緣。當航天飛機返回經緣。當航天飛機返回經過大氣層時，劇烈摩擦過大氣層時，劇烈摩擦使溫度高達使溫度高達1400的空的空氣沖入左翼并融化了內氣沖入左翼并融化了內部結構部結構返航過程返航過程保證可靠地、高效地發揮設備應有的功能保證可靠地、高效地發揮設備應有的功能 1.2設備故障的信息獲取和

13、檢測方法被測設備信 號采 集獲取檢測信號信號處理設備特征信息狀態識別對比設備允許參數故障確定趨勢分析診斷決策設備診斷過程框圖1.2設備故障的信息獲取和檢測方法 直接觀測法直接觀測法; 參數測定法參數測定法; 磨損殘渣測定法磨損殘渣測定法; 設備性能指標的測定設備性能指標的測定 1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (一一) )直接觀測法直接觀測法應用這種方法對機器狀態做出判斷主應用這種方法對機器狀態做出判斷主要靠人的經驗和感官，且限于能觀測要靠人的經驗和感官，且限于能觀測到的或接觸到的機器零部件。到的或接觸到的機器零部件。1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (二二) )參數測定法參數測定法

14、根據設備運動的各種參數的變化來獲取根據設備運動的各種參數的變化來獲取故障信息是廣泛應用的一種方法。故障信息是廣泛應用的一種方法。 其它如噪聲、溫度、壓力、變形、脹差、其它如噪聲、溫度、壓力、變形、脹差、阻值等參數也是故障信息的重要來源。阻值等參數也是故障信息的重要來源。1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (三三) )磨損殘渣磨損殘渣測定法測定法測定機器零部件如軸承、齒輪、活塞測定機器零部件如軸承、齒輪、活塞環等的磨損殘渣在潤滑油中的含量，環等的磨損殘渣在潤滑油中的含量，也是一種有效的獲取故障信息的方法也是一種有效的獲取故障信息的方法，根據磨損殘渣在潤滑油中含量及顆，根據磨損殘渣在潤滑油中含量

15、及顆粒分布可以掌握零件磨損情況，并可粒分布可以掌握零件磨損情況，并可預防機器故障的發生。有關這方面的預防機器故障的發生。有關這方面的詳細內容將在第五章中敘述。詳細內容將在第五章中敘述。1.2設備故障的信息獲取和檢測方法(四四)設備性能設備性能指標的測定指標的測定 設備性能包括整機及零部件性能，設備性能包括整機及零部件性能，通過測量機器性能及輸入、輸出量的通過測量機器性能及輸入、輸出量的變化信息來判斷機器的工作狀態也是變化信息來判斷機器的工作狀態也是一種重要方法。一種重要方法。 例如，柴油機耗油量與功率的變化，例如，柴油機耗油量與功率的變化，機床加工零件精度的變化，風機效率機床加工零件精度的變化

16、，風機效率的變化等均包含著故障信息。的變化等均包含著故障信息。 對機器零部件性能的測定，主要反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可靠性，預報設備破壞性故障具有重要意義。要意義。1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (一）振動和噪聲的故障檢測一）振動和噪聲的故障檢測5 5聲學法聲學法4 4沖擊能量與沖擊脈沖測定法沖擊能量與沖擊脈沖測定法 3 3模態分析與參數識別法模態分析與參數識別法2 2特征分析法特征分析法1、 振動法振動法 1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (二）二）材料裂紋及缺陷損傷的故障檢測材

17、料裂紋及缺陷損傷的故障檢測4 4磁粉探傷法磁粉探傷法1 1超聲波探傷法超聲波探傷法3 3滲透探傷法滲透探傷法2 2射線探傷法射線探傷法5 5渦流探傷法渦流探傷法6 6激光全息檢測法激光全息檢測法7 7微波檢測技術微波檢測技術 8 8聲發射技術聲發射技術 1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (三）三）設備零部件材料的磨損及腐蝕故障檢測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：應用下列方法：1.2設備故障的信息獲取和檢測方法( (三）三）溫度、壓力、流量變化引起的故障檢測溫度、壓力、流量變化引起的故

18、障檢測機器設備系統的有些故障往往反映在一些工藝參機器設備系統的有些故障往往反映在一些工藝參數，如溫度、壓力、流量的變化中。在溫度測量數，如溫度、壓力、流量的變化中。在溫度測量中除常規使用的裝在機器上的熱電阻、熱電偶等中除常規使用的裝在機器上的熱電阻、熱電偶等接觸式測溫儀外，目前在一些特殊場合使用的非接觸式測溫儀外，目前在一些特殊場合使用的非接觸式測溫方法有紅外測溫儀和紅外熱像儀，它接觸式測溫方法有紅外測溫儀和紅外熱像儀，它們都是依靠物體的熱輻射進行測量。們都是依靠物體的熱輻射進行測量。1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障診斷方法的分類設備故障診斷技術的分類，有三種分類方法（一）按照診斷

19、的目的、要求和條件分類（一）按照診斷的目的、要求和條件分類分為功能診斷和運行診斷、定期診斷和連續監測、直接診斷和間接診斷、在線分為功能診斷和運行診斷、定期診斷和連續監測、直接診斷和間接診斷、在線診斷和離線診斷、常規診斷和特殊診斷、簡易診斷和精密診斷等等。診斷和離線診斷、常規診斷和特殊診斷、簡易診斷和精密診斷等等。（二）按診斷的物理參數分類（二）按診斷的物理參數分類振動、聲學、溫度、污染、無損診斷、壓力診斷等等，都是按物理參數分類振動、聲學、溫度、污染、無損診斷、壓力診斷等等，都是按物理參數分類。 （三）按照按診斷的直接對象分類（三）按照按診斷的直接對象分類 各種不同的對象，診斷方法、診斷的技術

20、、診斷的設備都有很大區別，按照機各種不同的對象，診斷方法、診斷的技術、診斷的設備都有很大區別，按照機械零件、液壓系統、旋轉機械、往復機械、工程結構等等來進行區分。械零件、液壓系統、旋轉機械、往復機械、工程結構等等來進行區分。 1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障診斷方法的分類(1)功能診斷和運行診斷功能診斷和運行診斷功能診斷主要是針對新安裝的設備或剛剛維修過的設備，而運行診斷更多是起到狀態監測的功能。(2)定期診斷和連續監測定期診斷和連續監測(3)直接診斷和間接診斷直接診斷和間接診斷 直接診斷是直接根據關鍵零部件的狀態信息來確定其所處的狀態，例如軸承間隙、齒面磨損.直接診斷迅速可靠，但

21、往往受到機械結構和工作條件的限制而無法實現。間接診斷是通過設備運行中的二次效應參數來間接判斷關鍵零部件的狀態變化。由于多數二次效應參數屬于綜合信息，因此在間接診斷中出現偽警或漏檢的可能性會增加。 4、在線診斷和離線診斷、在線診斷和離線診斷 在線是指對現場正在運行設備的自動實時監測；而離線監測是利用磁帶記錄儀等將現場的狀態信號記錄后，帶回實驗室后再結合診斷對象的歷史檔案進行進一步的分析診斷或通過網絡進行的診斷。 1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障診斷方法的分類5、常規診斷和特殊診斷、常規診斷和特殊診斷 常規診斷是在設備正常服役條件下進行的診斷，大多數診斷屬于這一類型診斷。但在個別情況下

22、，需要創造特殊的服役條件來采集信號，例如，動力機組的起動和停機過程要通過轉子的扭振和彎曲振動的幾個臨界轉速采集起動和停機過程中的振動信號，停車對診斷其故障是必須的，所要求的振動信號在常規診斷中是采集不到的，因而需要采用特殊診斷。 6、簡易診斷和精密診斷、簡易診斷和精密診斷 簡易診斷一般由現場作業人員進行。憑著聽、摸、看、聞來檢查。也可通過便攜式簡單診斷儀器,如測振儀、聲級計、工業內窺鏡、紅外測溫儀等對設備進行人工監測，根據設定的標準或憑人的經驗確定設備是否處于正常狀態。 精密診斷一般要由專業人員來實施。采用先進的傳感器采集現場信號，然后采用精密診斷儀器和各種先進分析手段（包括計算機輔助方法、人

23、工智能技術等）進行綜合分析，確定故障類型、程度、部位和產生故障的原因，了解故障的發展趨勢。 1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障診斷方法的分類1.3機械設備故障診斷方法的分類機械設備故障診斷方法的分類綜上所述，設備的檢測和故障診斷技術，可以迅速、連續地反映設備的運行狀態，預示運行設備存在的潛伏性故障，提出處理措施，不同程度地延長設備的服役期，減免不必要的維修干擾，大大降低運行成本，易實行自動化和科學化設備管理，是保障設備安全經濟運行的有力措施，應大力推廣。然而，設備的檢測與故障診斷技術畢竟為新興的多學科高新技術，其發展和實施還存在許多困難，距離替代預防性定期檢修還有較長歷程。所以，既要積極開發、推廣這一技術，也要客觀對待，避免盲從，不斷總結經驗，完善系統，使該技術更好的為為企業和人民生產生活服務. 1.4機械設備故障診斷技術的發展概況(1)離線系統與在線系統相互交融，最終形成基于Interne