设备状态监测与故障诊断

1.设备监测目的意义
保障设备安全，防止突发故障。

保障设备精度，提高产品质量和经济效益。

推进设计理念和维修制度的革新。

避免设备事故、人员伤亡、环境污染。

维护社会稳定。

2.故障分类
按故障对机械工作能力的影响分类：完全性故障局部性故障
按故障发生速度及演变过程分类：突发性故障渐进性故障
按其发生的原因分类：磨损性故障错用性故障先天性故障
按造成的后果分类：危害性故障安全性故障
3.故障规律
浴盆曲线：磨合期，正常使用期，耗损期
4.故障发生的原因
宏观上分析1.设计错误2 原材料缺陷3 制造过程的缺陷4 运转缺陷
微观上分析：疲劳，磨损，断裂，腐蚀
5.零件磨损的一般规律
磨合阶段，正常磨损阶段，急剧磨损阶段
6.零件变形失效
塑性变形失效，弹性变形失效，蠕变变形失效，翘曲变形失效
7.断裂失效
塑性断裂，脆性断裂
8.状态监测与故障诊断的技术方法
1.振动、噪声诊断技术
2. 油液分析技术
3. 温度检测技术
4. 无损检测技术9.振动的危害
降低机器及仪表的精度,引起机械设备及土木结构的破坏
10.机械振动的分类
按振动系统本身的特点分类: 离散系统连续系统
按振动系统所受的激励类型分类: 自由振动强迫振动自激振动参数振动按系统的响应（振动规律）分类: 确定性振动随机振动
按描述系统运动的微分方程分类:线性振动非线性振动
11.机械振动要研究的内容和步骤
1. 建立物理力学模型
2.建立数学模型
3.方程的求解
4.结果的阐述
12. 随机振动
非确定而又具有统计规律，它们的规律不能用时间的确定性函数来描述，但又具有一定的统计规律性。

平稳随机过程与各态历经过程
13. 自相关函数
∑=∞
→+=
+n
k k k T
x t x t x n t t R 1
1
1
11)()(1
),(lim ττ
同一点不同的两个时间函数乘积
称为随机过程 X(t)于时刻 t 1与 t 1+ τ的自相关函数。

它是时差 的函数，在一般情况下，它也依赖于采样时刻 t 1，反映这两个时刻的随机变量的X k （t 1）与X （t1+τ）统计联系。

非平稳随机过：统计特性依赖于采样时刻的过程 ： 平稳随机过程：统计特性不依赖于采样时刻的过程
正常运行状态：齿轮箱的振动（噪声）是大量的、无序的、 大小接近相等的随机冲击结果，具有较宽而均匀的频谱。

异常运行状态：随机振动（噪声）中将出现有规则、周期性的 脉冲，其大小比随机冲击大的多
14. 各态历经过程
对于各态历经过程，可以分别计算：均值、均方值、峭度方差
均值dt t x T T
T
x )(1
lim ⎰∞
→=
μ 描述振动的稳定分量
均方值dt t x T T
T
x )(1
22
lim ⎰∞
→=
ψ 描述振动的的能量
歪度dt t x T T
T
x )(1
3lim ⎰∞
→=
α
峭度dt t x T T
T
x )(1
4lim ⎰∞
→=
β 反映信号中大幅值成分的影响
方差2
220
2
])([1
lim x x x T
T
x dt t x T μψμσ-=-=⎰∞
→ 描述振动的波动
分量
15. 互相关函数
⎰+=
∞
→T
T
y x dt t y t x T R 0
)()(1
)(lim ττ不同两个点不同时间函数乘积
16.概率函数
对于单个随机变量，最完整的统计描述是给出它的概率分布或概率密度。

在随机振动中常见的随机变量的概率分布函数为正态分布函数。

许多工程振动过程均十分接近于正态过程。

±
工程技术上，常把随机变量在均值附近的变化范围确定为σ3
17.传感器
分类：电阻应变片式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器磁电式传感器光电式传感器热电式传感器
定义: 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式工程技术上，多将非电量变
换成电量。

18.振动诊断的判断标准
绝对判断标准：将测得的数据或统计量与标准阈值相比较以判定设备所处的状态。

根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等，
如：ISO，GB，IEC等。

相对判断标准：以机器正常状态的振动值作为初值，以当前实测数据值达到初值的倍数为阈值来判断设备当前所处的状态。

类比判断标准：对多台设备的同一部位进行测定，并对测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生故障。

19.滚动轴承的失效形
1.磨损失效：滚动轴承最常见的一种失效形式
2.疲劳失效：
现象：球轴承的内圈滚道上产生等距离的剥离。

原因：由于冲击载荷造成的压痕发展而成。

3.腐蚀失效：化学腐蚀电腐蚀微振腐蚀
4.滚动轴承的塑性变形失效
5.滚动轴承的断裂失效
6.滚动轴承的胶合失效
20.滚动轴承故障信号分析
1.有效值与峰值判别法
2.峰值系数法：峰值与有效值之比。

正常时，滚动轴承的峰值系数约为5;故障时，可
达到几十。

3.峭度指标法：峭度与峰值四次方的比值。

正常情况下其值应该在3左右，如果这个
值接近4或超过4，则说明轴承的运动状况中存在冲击性振动。

它的优势在于能提供早期的故障预报。

不适合对晚期故障的诊断。

4.频谱分析法
第一阶段（超声频率）：温度正常，噪声正常，振动速度总量及频谱正常，但尖峰能
量总量及频谱有所征兆
第二阶段（轴承固有频率）：温度正常，噪声略增大，振动速度总量略增大，振动频谱变化不明显，但尖峰能量有大的增加，频谱也更加突出。

第三阶段（轴承缺陷间隔频率及其倍频）：温度略升高，可耳听到噪声，振动速度总量有大的增加，且振动速度频谱上清晰可见轴承故障频率及其谐波和边带，另振动速度频谱上“噪声地平”明显升高，尖峰能量总量相比第二阶段变得更大、频谱也更加突出。

建议于第三阶段后期予以更换轴承。

第四阶段（随机宽带振动）：温度明显升高，噪声强度明显改变，振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动速度频谱上轴承故障频率开始消失，被更大的随机的宽带高频“噪声地平”取代；尖峰能量总量迅速增大，并可能出现一些不稳定的变化。

绝不能让轴承在故障发展的第四阶段中运转，否则将可能发生灾难性破坏。

21. 临界转速
故此，机组发生共振时的转速也被称之为临界转速 转子的临界转速往往不止一个，它与系统的 自由度数目有关。

其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速n 临1，
比之大的依次叫做二阶临界转速n 临2 三阶临界转速n 临3
刚性转子 n ＜ 0.75 n 临1
柔性转子 1.4 n 临1 ＜ n ＜ 0.7 n 临
22. 旋转机械故障原因
设计 装配 制造 操作
23. 齿轮失效形式与原因
齿轮箱各类零件的故障率 齿轮60% ，轴承19% 轴10%， 箱体7%，紧固件 3%，密封 1%。

齿轮的故障，主要与齿轮的热处理质量及运行时的润滑条件有关，也与设计不当、制造误差、装配不良等有关。

维护、操作不当占最大比重。

根据齿轮损伤的形貌和损伤过程与机理，故障形式可以要为五类，发生的概率分别为： 轮齿断裂41%，齿面疲劳（点蚀、剥落、龟裂）31%， 齿面磨损10%，齿面划痕10% 其它故障（如塑性变形、化学腐蚀、异物 嵌入等）8%
24. 齿轮故障振动分析方法
1.功率谱分析法
2.边频带分析法 利用边频带的频率对称性；比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。

3.倒频谱分析法
25. 齿轮故障信号的频域特征
1.均匀性磨损
2.不均匀的分布故障
3.齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障
4.点蚀等分布性故障
n
临1
= 604 r/min
n
临2
= 1840 r/min
n
临3
= 4651 r/min
多自由度转子有多个临界转速和相应的振型
26.润滑剂基本功能
控制摩擦减少磨损冷却降温密封隔离阻尼震动清洁防锈
27.油液污染度评定
1）称重法2）计数法3）光测法4）电测法5）淤积法6）综合法
28.油液污染状态检测仪器
1.油液污染物体积浓度检测仪
2.油液中污染物颗粒数目和尺寸检测仪
3.油液污染物粒
度分布检测仪
29.油样分析技术
1.铁谱分析技术：1）在线式铁谱仪2）旋转式铁谱仪3）分析式铁谱仪4）直读（DR）
式铁谱仪
2.油样光谱分析技术1）.分光光度法2）.原子发射光谱分析法3）.原子吸收光谱分析（原子吸收分光光度法)
3.磁塞技术：柱形和探针形
30.通过油样分析，可以取得如下几方面的信息：
(1)磨屑的浓度和颗粒大小反映机器磨损的严重程度；
(2)磨屑的大小和形态反映磨屑产生的原因，即磨损发生的机理；
(3)磨屑的化学成分反映磨屑产生的部位，亦即零件磨损的部位。

哪些零件受到磨损
将以上三方面的信息综合起来，即可对零件摩擦副的工作状况作出切合实际的判断。

31.铁谱分析由以下四个基本环节组成
1.采样
2.制谱
3.观测与分析
4.结论
32.温度检测
33.热电偶法测温
①测量精度高；②测量范围广；③构造简单，使用方便；④将温度转换成电信
号，便于处理和远传。

34.热电阻测温
几乎所有导体与半导体的电阻都会随着温度的变而变化，热电阻法测温就是利用体的这种特性来进行的。

(1)测温范围宽：可测从－272.16～1100℃范围内的温度；
(2)测温精度高：一般为千分之几或±2℃左右；
(3)灵敏度高，响应速度快：由于可把热电阻做成体积很小，因而其热惯性很小：
响应速度最快可达0.1s，甚至更高，这一点对于温度的测控非常重要；
(4) 性能稳定：热电阻一般都是纯度很高的金属
制成，其物理和化学稳定性良好，因而制出的热电阻复现性较好，便于互换；
(5) 不适于点温的测量：由于热电阻的阻值随温度的改变与整个感温元件有关，尽
管现代工艺可将热电阻做成很小，但其感温元件总是要占据一定的空间，因此，热电阻所测量的是某一空间的平均温度，这一点与热电偶法测温不同。

（6）测温准确度高，信号便于传送。

材料:铂热电阻铜热电阻薄膜铂热电阻
35.非接触式测温方法
优点:仪表不破坏被测介质的温度场。

敏感元件不必和被测介质达到平衡，仪表滞后小。

理论上仪表测温上限不受限制。

敏感元件不必与被测介质达到同样温度值，因此测温部件不被高温破坏。

输出信号大，灵敏度高，准确度高
类型:光学高温计,光电高温计
36.三种辐射测温方法比较
亮温法的灵敏度较高，与真实温度的偏差较小，适用于较高精度的测量；
比色法受物体发射率变化的影响小。

全辐射测温法在测量高温时有其优越性.
37.非接触式测温计类型
光学高温计:
光电高温计: 光学元件互换性很差，更换元件时，整个仪表要进行重新调整和分度。

辐射温度计:可用于测量400～20000°C的高温，多为现场安装式结构。

比色高温计:准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。

红外热像仪:
38.无损检测技术
超声波检测射线检测磁粉检测渗透检测涡流检测声发射检测工业CT
优点1.不破坏被检对象；
2.可实现100%的检验；
3.发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量；
4.可对缺陷形成原因及发展规律做出判断，以促进有关部门改进生产工艺和产品
质量；
5.对关键部件和部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止
事故发生。

作用:
1.无损探伤——对产品质量做出评价，以探测被检物的各种宏观的内部和表面缺
陷，并判断其位置、大小、形状和种类，是无损检测的一个重要组成部分。

2.材料检查——用无损检测技术测定材料的物理性能和组织结构，能判断材料的
品种和热处理状态，进行材料分选。

3.几何定量——产品的几何尺寸、涂层和镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度
和应力状态都能无损检测技术测定；
4.现场监控——对在役设备或生产中的产品进行现场的或动态的检测，将产品中
的缺陷变化信息连续地提供给运行和生产部门实行监控
三阶段:无损探伤,无损检测,无损评价
39.射线检测的特点
1.检测结果有直接记录——底片
2.可以获得缺陷的投影图象，缺陷定性定量准确
3.体积型缺陷检出率很高
4.适宜检验厚度较薄的工件
5.对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难
6.有些试件结构和现场条件不适合射线照相
7.检测成本高
8.射线照相检测速度慢
9.射线对人体有伤害
40.磁粉检测
预处理→磁化→施加磁粉→观察→记录→后处理
1.磁粉检测特别适用于检测（铁）磁性材料（如钢铁材料）工件表面或近表面的各种裂纹、夹渣、气孔等缺陷，如铸件、锻件、焊缝和机械加工零件等。

2.对于在表面没有开口但深度很浅的裂纹也可以探测出来；能直观地显示出缺陷的位置、形状、大小和严重程度
3.具有很高的检测灵敏度，可检测微米级宽度的缺陷；检验速度快，工艺简单，成本低，污染轻；
41.渗透检测
渗透→清洗→显象→观察
42.声发射检测特点
1.能够检测出活动的缺陷，即材料的断裂和裂纹的扩展，从而为使用安全性评价提供依据；
2.可远距离操作，长期监控设备允许状态和缺陷扩展情况；
3.无法探测静态缺陷；
4.设备价格昂贵；
5.检测过程中干扰因素较多；
6.声发射检测完成后，一般需要常规无损检测方法复验。

43.工业CT的特点
1.被检物体的全三维成像，直观准确地再现物体内部的三维立体结构。

2.任何方向上的非破坏切片和断面成像
3.三维测量(逆向工程：对实物模型数据化处理，成为设计概念模型，在此基础上分析进行、修改和优化技术）
4.取代传统的破坏性切片检测和分析
5.扩大了传统的二维X射线检测能力
6.成本高、设备复杂。

44.液压系统故障原因
内因：1.液压元件结构设计存在潜在缺陷，或液压元件结构特性不佳，如滑阀在往复运动中易发生泄漏的液压系统故障等；
2.液压元件材质不佳，制造质量低，留下隐患，易导致液压系统故障；
3.液压系统设计不合理或不完善，使用时由于液压功能不全，导致液压系统故障；
4.液压设备运输、系统安装调试不当或错误，导致液压系统故障等。

外因：1.液压系统的运行条件：即环境条件与使用条件，如温度过高，水和灰尘的污染等，易导致液压故障；
2.液压系统的维护保养不当和管理不善：如未能按时保养、未能按期换油、未能按时向蓄能器补充氮等易导致液压系统故障；
3.自然因素和人为因素突变：如密封圈老化失效、运行规范不合理、操作失误等，易出现液压系统故障。

45.油缸爬行的原因
1.滑块导轨装配润滑不当，传动件的刚性不足；导轨与油缸轴线不平行。

2.运动件的质量较大，大行程卧式油缸易产生附加力矩。

3.密封件的材料与类型。

当摩擦处于边界摩擦状态时，存在着动、静摩擦系数的变化和动摩擦系数随速度的增加而降低的现象。

4.油缸内含有空气。

5.油液的压缩性。

6.液压元件磨损及油液污染，导致压力、流量的波动。

7.机床导轨润滑状况与摩擦阻力变化。

8.油缸与载荷（滑块）的连接位置。

46.油缸常见故障
(1)油缸不动作
(2)油缸欠速能运动，但速度达不到规定的调节值
(3)油缸运行中产生不正常声响和抖动
(4)缓冲作用失灵，缸端冲击
(5)油缸的自然行走和自由下落
(6)油缸的变形与破损。