机电设备故障诊断与维修.
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书名：机电设备故障诊断与维修 ISBN：978-7-111-40732-4 作者：汪永华 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
第2章 机械设备状态监测与故障诊断技术
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 振动监测与诊断技术 噪声监测与诊断技术 温度检测技术
返回章目录
2.1
概述
2.1.1机械故障及其分类 机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设 备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或 全部功能的现象。通常见到发动机发动不起来、机床运转不 平稳、汽车制动不灵、机器运转中出现异常的声音等都是机 械故障的表现形式。 依据不同的分类标准，机械故障可以分为很多种，对机械 故障进行很好的分类后就能更好的针对不同的故障形式采取 相应的对策，常见的故障分类见表2-1
1 X T
T
0
x (t )dt
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2.2 振动监测与诊断技术
3)有效值 表示振幅的有效值，他表示了振动的破坏能力，是衡量振 动能量大小的量。ISO标准规定，振动速度的方均根值即有效值，为 “振动烈度”，作为衡量振动强度的一个标注。其数学表达式为：
X max 1 T 2 x ( t ) dt 0 T
设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。 其具体实施过程可以归纳为以下四个方面。 （1）信息采集；（2）信号处理 ；（3）状态识别；（4）诊断决策
诊断内容如图2-2所示 ：
设备允 许参数
信号 采集
备测设备
获取监 测信号
信号 处理
故障确定 设备特 征信息
状态 识别
对比 趋势分析
诊断决策
结构失效
系统失效
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2.1
概述
故 障 率
早期
使用期
后期
使用时期
图2-1 设备故障率曲线
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2.1
概述
2.1.2 机械故障诊断的基本方法及分类
机械故障诊断可以如下分类: 1.按诊断参数分类 振动诊断 适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度诊断 适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。如红外测温 监控技术 声学诊断 适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。如管壁测 厚、声发射诊断技术。 光学诊断 适用于探测腔室和管道内部的缺陷。如光学探伤法。 油液分析、污染诊断 适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。 如铁谱分析技术。 压力诊断 适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 强度诊断 适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 电参数诊断 适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。
(2) 频率 频率是振动的重要特征之一。不同的结构、不同的零部件、不同 的故障源，则产生不同频率的机械振动。 (3)相位 不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。对于两个振源，相 位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消， 起到减振的作用。
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2.2 振动监测与诊断技术 2.2.2 机械振动的信号分析
2.2 振动监测与诊断技术
2.2.1 机械振动的基础知识
机械设备状态监测中常遇到的振动有：周期振动、近似周期振动、 窄带随机振动和宽带随机振动，以及其中几种振动的组合。周期振动和 近似周期振动属确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。 1. 简谐振动 简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移x 与时间t的关系可用正弦曲线表示，表达式为：
f s 2 f max
式中： f max ——原信号中最高频率成分的频率。
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2.2 振动监测与诊断技术
2. 振动信号的幅值域分析 3. 振动信号的时域分析
4. 振动信号的频域分析 （1）傅里叶变换（FT） 数学算法把一个复杂的函数分解成一系列（有限 或无限个）简单的正弦和余弦波，时域变换成频域，也就是将一个组合振动 式中： 分解为它的各个频率分量，把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成 A 了频谱。按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信号（不管如何复杂），都 可以分解成若干个谐波分量之和，即:
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2.1
பைடு நூலகம்
概述
表2-1 常见的机械故障分类
分类依据 按故障性质分 故障名称 暂时性故障 永久性故障 突发性故障 渐发性故障 早期故障 使用期故障 后期故障 结构型故障 参数型故障 按故障机理分 磨损 腐蚀 定 义
按引发故障的过程速率分 按故障发生的时期分（设备故障率 如图2-1所示，这种分类方法即按 故障发生的时期分，对设备的维修 工作具有重大意义） 按故障的表现形式分
x(t ) D sin(2 / T )
式中 ： D：振幅，又称峰值（mm或）； T：振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔（s）； φ：振动的初相位（rad）。 返回章目录
2.2 振动监测与诊断技术
2. 实测的机械振动 ：
(1) 振幅 振幅表征机械振动的强度和能量，通常以峰值、平均值和有效 值表征。 1)峰值 Xp表示振幅的单峰值，在实际振动波形中，单峰值表示振动瞬时 冲击的最大幅值。Xp-p表示振幅的双峰值，又称峰-峰值，它反映了振动 波形的最大偏移量。 2)平均值 表示振幅的平均值，是在时间T范围内设备振动的平均水平， 其表达式为：
图2-2 设备诊断过程
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2.2 振动监测与诊断技术
1. 数字信号采集 机械故障诊断与监测所需的各种机械状态量（振动、转速、温度、 压力等）一般用相应的传感器换为电信号再进行深处理。通常传感器获 得的电信号为模拟信号，它是随时间连接变化的。随着计算机技术的飞 速发展和普及，信号分析中一般都将模拟信号转换为数字信号进行各种 计算和处理。 （1）采样 采样是指将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包括 取样和量化两个步骤。 （2）采样间隔及采样定理 根据Shannon采样定理，带限信号（信 号中的频率成分）不丢失信息的最低采样频率为：
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2.1
概述
2.按目的分: （1）功能诊断 （2）运行诊断 对正在运行的设备进行状态诊断，了解其故障的情况。 3.按周期分: （1）定期诊断 每隔一定时间对监测的设备进行测试和分析； （2）连续诊断 利用现代测试手段对设备连续进行监控和诊断。 4.按提取信息的方式分: （1）直接诊断 直接根据主要零件的信息确定设备的状态，如主轴的裂 纹、管道的壁厚等； （2）间接诊断 利用二次诊断信息来判断主要零部件的故障，多数二次 诊断信息属于综合信息； 5.按诊断时所要求的机械运行工况条件分: （1）常规工况诊断 （2）特殊工况诊断 返回章目录
第2章 机械设备状态监测与故障诊断技术
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 振动监测与诊断技术 噪声监测与诊断技术 温度检测技术
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2.1
概述
2.1.1机械故障及其分类 机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设 备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或 全部功能的现象。通常见到发动机发动不起来、机床运转不 平稳、汽车制动不灵、机器运转中出现异常的声音等都是机 械故障的表现形式。 依据不同的分类标准，机械故障可以分为很多种，对机械 故障进行很好的分类后就能更好的针对不同的故障形式采取 相应的对策，常见的故障分类见表2-1
1 X T
T
0
x (t )dt
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2.2 振动监测与诊断技术
3)有效值 表示振幅的有效值，他表示了振动的破坏能力，是衡量振 动能量大小的量。ISO标准规定，振动速度的方均根值即有效值，为 “振动烈度”，作为衡量振动强度的一个标注。其数学表达式为：
X max 1 T 2 x ( t ) dt 0 T
设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。 其具体实施过程可以归纳为以下四个方面。 （1）信息采集；（2）信号处理 ；（3）状态识别；（4）诊断决策
诊断内容如图2-2所示 ：
设备允 许参数
信号 采集
备测设备
获取监 测信号
信号 处理
故障确定 设备特 征信息
状态 识别
对比 趋势分析
诊断决策
结构失效
系统失效
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2.1
概述
故 障 率
早期
使用期
后期
使用时期
图2-1 设备故障率曲线
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概述
2.1.2 机械故障诊断的基本方法及分类
机械故障诊断可以如下分类: 1.按诊断参数分类 振动诊断 适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度诊断 适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。如红外测温 监控技术 声学诊断 适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。如管壁测 厚、声发射诊断技术。 光学诊断 适用于探测腔室和管道内部的缺陷。如光学探伤法。 油液分析、污染诊断 适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。 如铁谱分析技术。 压力诊断 适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 强度诊断 适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 电参数诊断 适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。
(2) 频率 频率是振动的重要特征之一。不同的结构、不同的零部件、不同 的故障源，则产生不同频率的机械振动。 (3)相位 不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。对于两个振源，相 位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消， 起到减振的作用。
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2.2 振动监测与诊断技术 2.2.2 机械振动的信号分析
2.2 振动监测与诊断技术
2.2.1 机械振动的基础知识
机械设备状态监测中常遇到的振动有：周期振动、近似周期振动、 窄带随机振动和宽带随机振动，以及其中几种振动的组合。周期振动和 近似周期振动属确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。 1. 简谐振动 简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移x 与时间t的关系可用正弦曲线表示，表达式为：
f s 2 f max
式中： f max ——原信号中最高频率成分的频率。
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2.2 振动监测与诊断技术
2. 振动信号的幅值域分析 3. 振动信号的时域分析
4. 振动信号的频域分析 （1）傅里叶变换（FT） 数学算法把一个复杂的函数分解成一系列（有限 或无限个）简单的正弦和余弦波，时域变换成频域，也就是将一个组合振动 式中： 分解为它的各个频率分量，把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成 A 了频谱。按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信号（不管如何复杂），都 可以分解成若干个谐波分量之和，即:
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2.1
பைடு நூலகம்
概述
表2-1 常见的机械故障分类
分类依据 按故障性质分 故障名称 暂时性故障 永久性故障 突发性故障 渐发性故障 早期故障 使用期故障 后期故障 结构型故障 参数型故障 按故障机理分 磨损 腐蚀 定 义
按引发故障的过程速率分 按故障发生的时期分（设备故障率 如图2-1所示，这种分类方法即按 故障发生的时期分，对设备的维修 工作具有重大意义） 按故障的表现形式分
x(t ) D sin(2 / T )
式中 ： D：振幅，又称峰值（mm或）； T：振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔（s）； φ：振动的初相位（rad）。 返回章目录
2.2 振动监测与诊断技术
2. 实测的机械振动 ：
(1) 振幅 振幅表征机械振动的强度和能量，通常以峰值、平均值和有效 值表征。 1)峰值 Xp表示振幅的单峰值，在实际振动波形中，单峰值表示振动瞬时 冲击的最大幅值。Xp-p表示振幅的双峰值，又称峰-峰值，它反映了振动 波形的最大偏移量。 2)平均值 表示振幅的平均值，是在时间T范围内设备振动的平均水平， 其表达式为：
图2-2 设备诊断过程
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2.2 振动监测与诊断技术
1. 数字信号采集 机械故障诊断与监测所需的各种机械状态量（振动、转速、温度、 压力等）一般用相应的传感器换为电信号再进行深处理。通常传感器获 得的电信号为模拟信号，它是随时间连接变化的。随着计算机技术的飞 速发展和普及，信号分析中一般都将模拟信号转换为数字信号进行各种 计算和处理。 （1）采样 采样是指将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包括 取样和量化两个步骤。 （2）采样间隔及采样定理 根据Shannon采样定理，带限信号（信 号中的频率成分）不丢失信息的最低采样频率为：
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2.1
概述
2.按目的分: （1）功能诊断 （2）运行诊断 对正在运行的设备进行状态诊断，了解其故障的情况。 3.按周期分: （1）定期诊断 每隔一定时间对监测的设备进行测试和分析； （2）连续诊断 利用现代测试手段对设备连续进行监控和诊断。 4.按提取信息的方式分: （1）直接诊断 直接根据主要零件的信息确定设备的状态，如主轴的裂 纹、管道的壁厚等； （2）间接诊断 利用二次诊断信息来判断主要零部件的故障，多数二次 诊断信息属于综合信息； 5.按诊断时所要求的机械运行工况条件分: （1）常规工况诊断 （2）特殊工况诊断 返回章目录