机械设备故障诊断技术研究汇总

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题目:机械设备故障诊断技术研究

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2016 年8 月30 日

摘要

故障诊断技术对于机械设备的安全运行有着至关重要作用,一直是工程应用领域的重点和难点, 国内外已经对此问题进行了大量的研究工作。该论文介绍了机械设备故障诊断技术的基本概念,在总结研究各种诊断技术的基础上全面分析了现代故障诊断技术存在的问题, 并针对这些问题提出了故障诊断领域将来的研究方向。故障诊断是一项实用性很强的技术, 对其进行理论上的分析研究具有重要的现实意义。

关键词:机械设备故障;诊断技术;研究

第一章引言

随着现代科学技术在设备上的应用,现代设备的结构越来越复杂,功能越来越齐全,自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素影响,会导致设备出现各种故障,从而降低或失去预定的功能,甚至会造成严重的以至灾难性的事故。国内外接连发生的由设备故障引起的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄漏等恶性事故,造成了极大的经济损失和人员伤亡。生产过程中经常发生的设备故障事故,也会使生产过程不能正常运行或机器设备遭受损坏而造成巨大的经济损失。因此机械设备故障诊断技术在社会中的重要性越来越高,主要体现在[1]:(1)预防事故,保证人员和设备安全。

(2)推动设备维修制度的改革。维修制度从预防制度向预知制度的转变是必然的,而真正实现预知维修的基础是设备故障诊断技术的发展和成熟。

(3)提高经济效益。设备故障诊断的最终目的是避免故障的发生,使零部件的寿命得到充分发挥,延长检修周期,降低维修费用。

因此,机械设备故障诊断技术日益受到广泛重视,对机械设备故障诊断技术的研究也不断深入。但受于机械设备故障成因的复杂性和诊断技术的局限性,目前机械设备故障诊断仍存在一些问题。

第二章机械设备故障诊断技术概述

为了开展对机械设备故障诊断技术的研究,有必要对中外流行使用的有关术语作一些解释。

2.1 故障

在《设备管理维修术语》一书中,将故障定义为“设备丧失规定的功能”[2]。这一概念可包括如下内容:

①引起系统立即丧失其功能的破坏性故障。

②与设备性能降低有关的性能上的故障。

③即使设备当时正在生产规定的产品,而当操作者无意或蓄意使设备脱离正常的运转时。

显然,这里故障不仅仅是一个状态的问题,而且直接与我们的认识方法有关。一个确实处于故障状态的设备,但如果它不是处于工作状态或未经检测,故障就仍然可以潜伏下来,从而,也就不可能被人们发现。

设备故障按技术性原因,可分为四大类:即磨损性故障、腐蚀性故障、断裂性故障及老化性故障。

(1)磨损性故障

由于运动部件磨损,在某一时刻超过极限值所引起的故障。所谓磨损是指机械在工作过程中,互相接触做相互运动的对偶表面,在摩擦作用下发生尺寸、形状和表面质量变化的现象。按其形成机理又分为粘附磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微振磨损等4种类型。

(2)腐蚀性故障

按腐蚀机理不同又可分化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀3类。化学腐蚀是指金属和周围介质直接发生化学反应所造成的腐蚀,反应过程中没有电流产生。电化学腐蚀是指金属与电介质溶液发生电化学反应所造成的腐蚀,反应过程中有电流产生。物理腐蚀是指金属与熔融盐、熔碱、液态金属相接触,使金属某一区域不断熔解,另一区域不断形成的物质转移现象。

(3)断裂性故障

可分脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、塑性断裂等。脆性断裂可由于材料性质不均匀、加工工艺处理不当(如在锻、铸、焊、磨、热处理等工艺过程中处理不当,就容易产生脆性断裂)以及恶劣环境所引起。疲劳断裂可由于热疲劳(如高温疲劳等)、机械疲劳(又分为弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、复合载荷疲劳等)以及复杂环境下的疲劳等各种综合因素共同作用所引起。应力腐蚀断裂是指一个有热应力、焊接应力、残余应力或其他外加拉应力的设备,如果同时存在与金属材料相匹配的腐蚀介质,则将使材料产生裂纹,并以显著速度发展的一种开裂。塑性断裂是由过载断裂和撞击断裂所引起。

(4)老化性故障

上述综合因素作用于设备,使其性能老化所引起的故障。

2.2 诊断技术

机械故障诊断技术是一种了解和掌握机器在运行过程的状态,确定其整体或局部正常或异常,早期发现故障及其原因,并能预报故障发展趋势的技术[3]。机械故障诊断技术属于信息技术范畴,它是利用被诊断对象所提供的一切有用信息,经过分析处理,获得最能识别设备状态的特征参数,最后作出正确的诊断结论。

第三章机械设备故障诊断技术研究现状

20世纪60年代初期,美国、日本和欧洲的一些发达国家相继开展了设备诊断技术的研究,主要应用于航天、核电、电力系统等尖端工业部门,自20世纪80年代以后逐渐扩展到冶金、化工、船舶、铁路等许多领域。

我国设备故障诊断技术在20世纪80年代初期主要应用于石化、冶金及电力等行业,进入20世纪90年代后,迅速渗透到国民经济的各个主要行业,交通、矿山、化工、能源、航空、核工业等行业先后开展了诊断技术的研究、开发与应用工作。特别是在石化、电力、冶金等行业,设备故障诊断技术的应用已经相当普及。仅在电力行业,目前已装配的国产监测与诊断系统已达近百套,其中有些系统的性能已达到或接近国际先进水平。

3.1 机械设备故障诊断技术分类

故障诊断是一门涉及信号处理、模式识别、人工智能、统计学、计算机科学等多个学科的综合性技术[4]。机械设备故障诊断技术概括地讲可以分为3类:基于信号处理的方法、基于解析模型的方法和基于知识的智能故障诊断方法[5]。

3.1.1 基于信号处理的方法[6]

基于信号处理的方法是对设备工作状态下的信号进行诊断,当超出一定的范围即判断出现了故障。信号处理的对象主要包括时域[7]、频域以及峰值等指标。运用相关分析、频域及小波分析等信号分析方法,提取方差、幅值和频率等特征值,从而检测出故障。基于信号处理的方法主要有傅立叶变换、Wigner谱分析、小波变换等。这类新方法引入了一些较为先进的信息分析手段,弥补了传统分析方法存在的不足。缺点是故障分别率不高、信息来源不充分等。

3.1.2 基于解析模型的方法[8]

基于解析模型的方法是以诊断对象的数学模型为基础,按照一定的数学方法对被测信息进行诊断处理。主要有状态估计法、等价方程法和参数估计法等等。其优点是能深入系统本质的动态性质和实现实时诊断,缺点是系统模型未知、不确定或具有非线性时不易实现。

3.1.3 基于知识的智能方法

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