机器状态监测与故障诊断

作者：高立新

页数：292

出版社：科学出版社

出版日期：2022

ISBN：9787030409003

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内容简介

本教材将围绕着国家教育部”很好工程师教育培养计划”，面向工业界、面向世界、面向未来，着力解决高等工程教育中的实践性和创新性问题。项目展开与实施将参照靠前通行标准、坚持产学研结合，以培养造就创新能力强、适应企业发展需要、高素质的设备监测诊断工程技术人才为目标；与生产实践紧密合作，为高等工程教育从封闭的校内培养走向开放的校企合作培养模式积累经验，并在教育理念、教学内容和学习方式上进行研究与探索。

目录

节选

绪论 1. 设备诊断技术 所谓设备诊断技术，就是在设备运行中或在基本不拆卸全部设备的情况下，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，对设备运行状态进行整治、控制、校正和修复，并预报预测设备未来状态的技术。 应用设备诊断技术的目的： (1) 保障设备安全，防止突发故障； (2) 保障设备精度和工作效率，提高产品质量； (3) 实施状态维修，节约维修费用； (4) 避免设备事故造成的环境污染； (5) 给企业带来大的经济效益； (6) 实现设备闭环管理。 设备诊断技术的实施一般分为两个层次，即简易诊断和精密诊断。工厂的设备故障多数可以通过简易诊断予以确定，因此它是设备诊断工作的基础，只有当简易诊断难以确诊时，才采用精密诊断。 2. 设备维修体制发展的几个阶段 故障维修：故障维修是让设备运行直至出现故障时，才停机进行维修的一种维修方式。其特点是：“不坏不修，坏了再修”。 定期维修：定期维修是按照预定的时间间隔或检修周期，实行计划修理的一种维修方式。其特点是：当设备运行到达计划规定的时间(或是产量等指标时)便进行强制性维修。 预测维修：预测维修是对设备的测试结果进行分析处理后，证明有必要时才安排检修的一种方法。其特点是：在状态监测的基础上，根据设备运行状态实际劣化的程度以决定维修时间和规模。 可靠性维修：是以可靠性为中心来组织维修的一种科学管理策略。其特点是：按照以最小资源消耗保证设备固有的可靠性和安全性的原则，用系统性(逻辑决断)的方法确定设备预防性维修要求的过程，是目前国际通用的确定设备预防性维修方法。 测量是基础性的工作，是掌握设备运行状态第一手资料。测量参数的选择需要与设备监控的参数和内容紧密关联，选择最能反映设备运行状态好坏的指标。选用何种传感器，选择在何处测量取证，选择测量的间隔长短，选择以何种参数来分析、描述与诊断，都关系着分析诊断的清晰程度和准确性，甚至将几种测量分析方法综合起来应用。 分析是对测量获得的信息作某种处理，例如振动的时频域分析，将设备可能出现的故障特性揭露无疑。只有这样才能做出诊断和维修的决策。 第一章 振动原理 第一节 基本运动(Ⅰ级) 各种机器设备在运行中，都不同程度地存在振动，这是运行机械的共性。然而，不同的机器，或同一台机器的不同部位，以及机器在不同的时刻或不同的状态下，其产生的振动形式又往往是有差别的，这又体现了设备振动的特殊性。我们可以从不同的角度来考察振动问题，因此，对振动进行恰当的分类，是进行设备故障诊断很重要的一个步骤，常把机械振动分成以下几种类型。 一、按振动规律分类 这种分类法，能清晰地区分各种振动特征，并能对各种频谱图特点作出理论上的说明。比如，根据频谱谱线是离散型还是连续型的，就能清晰地区分出振动故障是周期性的(如转子不平衡、轴系不对中)还是非周期性的(如启/停车的瞬变过程、冲击、随机干扰等)。再如，原先的线型谱突然变成连续谱(现场称为谱线变胖)，我们就能马上意识到机组正处在暂态过程之中，将指导我们赶紧寻找机组失稳的原因。 二、按振动的动力学特征分类 (1) 自由振动：自由振动是物体受到初始激励(通常是一个脉冲力)所引发的一种振动。若系统无阻尼，则系统维持等幅振动；若系统有阻尼，则系统为衰减振动。这种振动靠初始激励一次性获得振动能量，历程有限，一般不会对设备造成破坏，不是现场设备诊断所需考虑的目标。 (2) 强迫振动：物体在持续的周期变化的外力作用下产生的振动叫强迫振动，如不平衡、不对中和松动所引起的振动。强迫振动的特点： ① 物体在简谐力作用下产生的强迫振动也是简谐振动，其稳态响应频率与激振力频率相等。 ② 振动幅度的大小除与激励力大小成正比，与刚度成反比外，还与频率比、阻尼比有关。 (3) 自激振动：自激振动是在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。自激振动是一种比较危险的振动，设备一旦发生自激振动，会使设备运行失去稳定性。自激振动的特点： ① 随机性，因为能引发自激振动的激励(大于阻尼力的失稳力)一般都是偶然因素引起的，没有一定规律可循。 ② 振动系统非线性特征较强，即系统存在非线性阻尼元件(如油膜的黏温特性，材料内摩擦)、非线性刚度元件(柔性转子、结构松动等)才足以引发自激振动，使振动系统所具有的非周期能量转为系统振动能量。 ③ 自激振动频率与转速不成比例，一般低于转子工作频率，与转子第一临界转速相符合。只是需要注意，由于系统的非线性，系统固有频率会有一些变化。 ④ 转轴存在异步涡动。 ⑤ 振动波形在暂态阶段有较大的随机振动成分，而稳态时，波形是规则的周期振动，这是由于共振频率的振值远大于非线性影响因素所致；与一般强迫振动近似的正弦波(与强迫振动激励源的频率相同)有区别。 (4) 参变振动：由于结构参数周期性变化而引起的振动叫参变振动。参变振动的特点： ① 振动频率与转速有关，构成谐波关系； ② 参数周期性改变，使振动系统的固有频率随之而变； ③ 是当参变振动产生的二次谐波与系统第一临界转速相一致时会产生共振，由于此时机组转速并未真正处于共振位置，故称其为副临界转速。参变振动产生的谐波成分极易与周期性强迫振动等类似频谱相混，增加了故障识别难度。 三、按振动频率分类 机械振动频率是设备振动诊断中一个十分重要的概念。在各种振动诊断中常常要分析频率与故障的关系，要分析不同频段振动的特点，因此了解振动频段的划分对振动诊断的检测参数选择具有实用意义。按照振动频率的高低，通常把振动分为3种类型： 机械振动(按频率分类) 在实际工业应用中，这3种类型都可以用加速度传感器进行测量，也可以根据实际情况需要选择速度和位移传感器进行测量，例如测量每小时20km低速运行的火车振动就可以选择位移传感器测量，或者，用加速度传感器测量，将测量仪器的旋钮调至位移挡来观察其振动波形。 在低频范围，主要测量的振幅是位移量。这是因为在低频范围造成破坏的主要因素是应力的强度，位移量是与应变、应力直接相关的参数。 在中频范围，主要测量的振幅是速度量。这是因为振动部件的疲劳进程与振动速度成正比，振动能量与振动速度的平方成正比。在这个范围内，零件的疲劳破坏为主要表现，如点蚀、剥落等。 在高频范围，主要测量的振幅是加速度。加速度表征振动部件所受冲击力的强度。冲击力的大小与加速度值成正比。许多滚动轴承和齿轮故障都伴随高频冲击振动，用其来监测与分析诊断故障时有优势。 四、根据振动系统的特性分类 按振动系统的特性，振动可分为线性振动和非线性振动两大类。一般情况下，设备振动都按线性振动来分析和诊断，但诊断实践证明，许多疑难故障按线性原理很难获得满意的解释，原因是大型回转机组发生强振时出现了非线性行为。因此，现场诊断人员适当掌握这种分类法也是有必要的。 第二节 定义和术语 振动物体从平衡位置(即未受到干扰时所处的位置)向一个方向运动到极限位置后回到平衡位置，再运动到另一个方向的极限位置，然后再回到平衡位置，这称为一个振动循环。最简单的振动是简谐振动，如图1-1所示。 图1-1 简谐振动 一、周期、频率(Ⅰ级) 周期T是物体完成一个完整振动过程所需要的时间，单位一般是秒(s)。例如，一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间，如图1-2所示。 图1-2 简谐振动的周期T 对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。 实际应用：图1-3、图1-4为某钢厂高线精轧机增速箱某时刻时域图及频谱图，在 图1-3 某钢厂高线精轧机增速箱某时刻时域波形图