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1、第第9章设备故障诊断技术章设备故障诊断技术 在设备评估中，掌握设备的劣化、故障状态及造成在设备评估中，掌握设备的劣化、故障状态及造成劣化的原因十分重要。要了解设备的状态，需以先劣化的原因十分重要。要了解设备的状态，需以先进的设备故障诊断技术作为基本手段。进的设备故障诊断技术作为基本手段。 测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要
2、的异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。对策的技术，即设备故障诊断技术。在机器设备的评估中，技术鉴定是确定机器设备成在机器设备的评估中，技术鉴定是确定机器设备成新率的重要手段。新率的重要手段。 第第1节设备故障概述节设备故障概述 一、故障及其分类一、故障及其分类 （一）故障的概念：（一）故障的概念：故障就是故障就是设备因为某种原因丧失规定功能的现象。设备因为某种原因丧失规定功能的现象。 1. 设备包括元件、零件、部件、产品或者系统；设备包括元件、零件、部件、产品或者系统； 2. 丧失规定功能，比破坏的含义要广泛得多。丧失规定功能，比破坏的含义要广泛得多。
3、（二）故障的分类（二）故障的分类 1. 按故障发生、发展的过程分类按故障发生、发展的过程分类( (1) )突发性故障突发性故障故障发生前没有明显的可察征兆，发生比较突然，故障发生前没有明显的可察征兆，发生比较突然，有较大的破坏性。有较大的破坏性。 ( (2) )渐发性故障渐发性故障是由于设备中某些零件的技术指标不断恶化，最终是由于设备中某些零件的技术指标不断恶化，最终超出允许的范围或允许的极限而引发的故障。其发超出允许的范围或允许的极限而引发的故障。其发生一般与磨损、腐蚀、疲劳等密切相关，特点是：生一般与磨损、腐蚀、疲劳等密切相关，特点是：故障一般发生在元器件有效寿命的后期；故障一般发生在元器
4、件有效寿命的后期；有规律，可以预防；有规律，可以预防；发生概率与设备运转时间有关。发生概率与设备运转时间有关。 2.按故障的性质分类按故障的性质分类分为自然故障和人为故障。分为自然故障和人为故障。 ( (1) )自然故障：设备自身原因造成。自然故障：设备自身原因造成。又分正常自然故障和异常自然故障。又分正常自然故障和异常自然故障。正常自然故障正常自然故障 一般具有规律性，一般具有规律性，设备正常工作磨损、设备正常工作磨损、腐蚀引起的故障，腐蚀引起的故障，会对设备的自然寿命产生影响。会对设备的自然寿命产生影响。异常自然故障异常自然故障 因设计或制造不当造成设备中存在因设计或制造不当造成设备中存在
5、某些薄弱环节而引发的故障，带有偶然性，有时又某些薄弱环节而引发的故障，带有偶然性，有时又具有突发性。具有突发性。 ( (2) )人为故障：操作使用不当或意外原因造成。人为故障：操作使用不当或意外原因造成。为避免这类故障发生，设计时应尽量采用避免人为为避免这类故障发生，设计时应尽量采用避免人为故障的结构，将人、机作为一个系统加以考虑，以故障的结构，将人、机作为一个系统加以考虑，以有效地诊断和控制故障。有效地诊断和控制故障。 第第1 1节设备故障概述节设备故障概述可归结为三方面，环境因素、人为因素和时间因素。可归结为三方面，环境因素、人为因素和时间因素。 （一）环境因素（一）环境因素所谓环境因素，
6、就是力、能量、温度、湿度、振动、所谓环境因素，就是力、能量、温度、湿度、振动、污染物这些外界因素，使机件发生磨损、变形、裂污染物这些外界因素，使机件发生磨损、变形、裂纹、腐蚀等各种形式的损伤。纹、腐蚀等各种形式的损伤。表表9-19-1表示了由于机械能、热能、化学能、其他能表示了由于机械能、热能、化学能、其他能量等环境因素引起的故障。量等环境因素引起的故障。 二、引起故障的外因二、引起故障的外因第第1 1节设备故障概述节设备故障概述表表9-1 环境影响及引起的故障环境影响及引起的故障环境因素主要影响典型故障机械能机械能 产生振动、冲击、压力、产生振动、冲击、压力、加速度、机械应力等加速度、机械应
7、力等 机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、过量变形、疲劳破坏、机件断裂过量变形、疲劳破坏、机件断裂热能热能 产生热老化、氧化、软产生热老化、氧化、软化、熔化、粘性变化、固化、化、熔化、粘性变化、固化、脆化、热胀冷缩及热应力等脆化、热胀冷缩及热应力等 电气性能变化、润滑性能降低、机械应力电气性能变化、润滑性能降低、机械应力增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、热疲劳破坏、密封性能破坏热疲劳破坏、密封性能破坏化学能化学能 产生受潮、干燥、脆化、产生受潮、干燥、脆化、腐蚀、电蚀、化学反应及污腐蚀、电蚀、化学反应及污染等染等
8、 功能受影响、电气性能下降、机械性能功能受影响、电气性能下降、机械性能降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加剧、机械断裂剧、机械断裂其他能量其他能量 产生脆化、加热、蜕化、产生脆化、加热、蜕化、电离及磁化电离及磁化 表面变质、材料褪色、热老化、氧化、表面变质、材料褪色、热老化、氧化、材料的物理、化学、电气性能发生变化材料的物理、化学、电气性能发生变化注：其他能量包括核能、电磁能及生物因素等。注：其他能量包括核能、电磁能及生物因素等。 第第1 1节设备故障概述节设备故障概述 （二）人为因素（二）人为因素设备在设计、制造、使用和维修过程中，始终包含设备在设计、
9、制造、使用和维修过程中，始终包含着人为因素的作用，特别是早期故障的发生大部分着人为因素的作用，特别是早期故障的发生大部分可以归因于人为因素。可以归因于人为因素。 1. 设计不良设计不良受条件的限制或存在考虑不周、设计差错等。受条件的限制或存在考虑不周、设计差错等。 2. 质量偏差质量偏差由于设备、仪器精度以及技术水平等条件的限制，由于设备、仪器精度以及技术水平等条件的限制，铸造、锻造、热处理、焊接等工艺过程产生各种工铸造、锻造、热处理、焊接等工艺过程产生各种工艺缺陷，或其他加工过程中造成机件在结构和质量艺缺陷，或其他加工过程中造成机件在结构和质量上的偏差。上的偏差。第第1 1节设备故障概述节设
10、备故障概述 3. 使用不当使用不当一台设备，在其整个生存周期内合理的运输和保管一台设备，在其整个生存周期内合理的运输和保管条件、使用条件和使用方法、维护保养和修理制度条件、使用条件和使用方法、维护保养和修理制度以及操作人员的技术水平等，对实际故障率将产生以及操作人员的技术水平等，对实际故障率将产生很大影响。很大影响。这三项人为因素中，这三项人为因素中，对故障率影响最大的人为因素对故障率影响最大的人为因素是使用不当。是使用不当。 第第1 1节设备故障概述节设备故障概述 （三）时间因素（三）时间因素环境因素、人为因素是促使设备发生故障的诱因，环境因素、人为因素是促使设备发生故障的诱因，在考虑环境因
11、素和人为因素时还需考虑时间因素。在考虑环境因素和人为因素时还需考虑时间因素。常见的磨损、腐蚀、疲劳、变形等故障都与时间有常见的磨损、腐蚀、疲劳、变形等故障都与时间有密切的关系。尽管机件中存在着故障隐患及形成故密切的关系。尽管机件中存在着故障隐患及形成故障的其他外因，如果没有时间的延续故障不一定发障的其他外因，如果没有时间的延续故障不一定发生。可见，时间也是形成故障的主要外因之一。生。可见，时间也是形成故障的主要外因之一。 在设备的故障中，除了意外的突发性故障以外，大在设备的故障中，除了意外的突发性故障以外，大多数都属于渐发性故障，而且，也只有这类渐发性多数都属于渐发性故障，而且，也只有这类渐发
12、性故障，才为故障诊断提供了可能。故障，才为故障诊断提供了可能。第第1 1节设备故障概述节设备故障概述 三、描述故障的特征参量三、描述故障的特征参量分两大类，一是直接特征参量，二是间接特征参量。分两大类，一是直接特征参量，二是间接特征参量。 ( (一一) ) 直接特征参量直接特征参量1. 设备或部件的输出参数：设备或部件的输出参数：设备输出与输入的关系设备输出与输入的关系以及输出变量之间的关系可反映设备的运行状态。以及输出变量之间的关系可反映设备的运行状态。2. .设备零部件的损伤量：设备零部件的损伤量：变形量、磨损量、裂纹以变形量、磨损量、裂纹以及腐蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。及腐
13、蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。第第1 1节设备故障概述节设备故障概述 ( (二二) )间接特征参量间接特征参量( (二次效应参数二次效应参数) )主要是主要是设备在运行过程中产生的振动、噪声、温度、设备在运行过程中产生的振动、噪声、温度、电量等。电量等。设备或部件的输出参数和零部件的损伤量都是故障设备或部件的输出参数和零部件的损伤量都是故障的直接特征参量，而二次效应参数是间接特征参量。的直接特征参量，而二次效应参数是间接特征参量。 1. 使用间接特征参量进行故障诊断的使用间接特征参量进行故障诊断的优点：优点：可以在设备运行的时候检测，而不需停止；可以在设备运行的时候检测，而不需停止；
14、 一般无需拆卸。一般无需拆卸。2. 缺点：缺点：间接特征参量与故障之间的关系，不是简单的一一间接特征参量与故障之间的关系，不是简单的一一对应的关系。对应的关系。 第第1 1节设备故障概述节设备故障概述 一、设备故障诊断的实施过程一、设备故障诊断的实施过程测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的异常、故障和预测未来技术状态，从而
15、确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。对策的技术，即设备故障诊断技术。诊断技术划分为三个阶段：状态监测，分析诊断，诊断技术划分为三个阶段：状态监测，分析诊断，治理预防。治理预防。 第第2节节 设备故障诊断技术设备故障诊断技术 及其实施过程及其实施过程第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 （一）（一） 状态监测状态监测通过传感器，采集设备在运行中的各种信息，把它通过传感器，采集设备在运行中的各种信息，把它转变为电信号或者其他信号，再把这个信号送到信转变为电信号或者其他信号，再把这个信号送到信号处理系统进行处理。号处理系统进行处理。信号处理系统主要就是把有用信号
16、提取出来，而把信号处理系统主要就是把有用信号提取出来，而把无用信号、干扰信号排除。无用信号、干扰信号排除。 （二）（二） 分析诊断分析诊断包括状态识别和诊断决策两个部分，状态识别就是包括状态识别和诊断决策两个部分，状态识别就是把这些参数或者图谱和参考的参量或者参考的图谱把这些参数或者图谱和参考的参量或者参考的图谱进行比较，来识别设备是否存在故障，通过这样状进行比较，来识别设备是否存在故障，通过这样状态识别以后，就可以做出诊断结果，即分析诊断。态识别以后，就可以做出诊断结果，即分析诊断。 （三）（三） 治理预防治理预防根据分析诊断得出的结论，确定治理修正预防的办根据分析诊断得出的结论，确定治理修
17、正预防的办法。包括调度、改变操作、更换停机检修等等。法。包括调度、改变操作、更换停机检修等等。 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 二、状态监测与故障诊断的区别与联系二、状态监测与故障诊断的区别与联系状态监测是故障诊断的基础和前提，没有状态监测状态监测是故障诊断的基础和前提，没有状态监测就谈不上故障诊断。而故障诊断是对监测结果的进就谈不上故障诊断。而故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。一步分析和处理，诊断是目的。 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 三、设备故障诊断技术的分类三、设备故障诊断技术的分类有三种分类
18、方法：有三种分类方法： （一）按照诊断的目的、要求和条件分类（一）按照诊断的目的、要求和条件分类分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、直接诊断和间接诊断、在线诊断和离线诊断、常规直接诊断和间接诊断、在线诊断和离线诊断、常规诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。 1. 功能诊断和运行诊断功能诊断和运行诊断功能诊断功能诊断主要是针对新安装的设备或刚刚维修过的主要是针对新安装的设备或刚刚维修过的设备，而设备，而运行诊断运行诊断更多是起到状态监测的功能。更多是起到状态监测的功能。第第2节节 设备故障诊断技术及其
19、实施过程设备故障诊断技术及其实施过程2. 定期诊断和连续监测定期诊断和连续监测3. 直接诊断和间接诊断直接诊断和间接诊断直接诊断直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定是直接根据关键零部件的状态信息来确定其所处的状态，例如轴承间隙、齿面磨损其所处的状态，例如轴承间隙、齿面磨损.直接诊断直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制而无法实现。而无法实现。间接诊断间接诊断是通过设备运行中的二次效应参数来间接是通过设备运行中的二次效应参数来间接判断关键零部件的状态变化。由于多数二次效应参判断关键零部件的状态变化。由于多数二次效应参数属于综合信息
20、，因此在间接诊断中出现伪警或漏数属于综合信息，因此在间接诊断中出现伪警或漏检的可能性会增加。检的可能性会增加。 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 4. 在线诊断和离线诊断在线诊断和离线诊断在线在线是指对现场正在运行设备的自动实时监测；是指对现场正在运行设备的自动实时监测；而而离线监测离线监测是利用磁带记录仪等将现场的状态信号是利用磁带记录仪等将现场的状态信号记录后，带回实验室后再结合诊断对象的历史档案记录后，带回实验室后再结合诊断对象的历史档案进行进一步的分析诊断或通过网络进行的诊断。进行进一步的分析诊断或通过网络进行的诊断。 第第2节节 设备故障诊断技术及
21、其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 5. 常规诊断和特殊诊断常规诊断和特殊诊断常规诊断常规诊断是在设备正常服役条件下进行的诊断，大是在设备正常服役条件下进行的诊断，大多数诊断属于这一类型诊断。多数诊断属于这一类型诊断。但在个别情况下，需要创造特殊的服役条件来采集但在个别情况下，需要创造特殊的服役条件来采集信号，例如，动力机组的起动和停机过程要通过转信号，例如，动力机组的起动和停机过程要通过转子的扭振和弯曲振动的几个临界转速采集起动和停子的扭振和弯曲振动的几个临界转速采集起动和停机过程中的振动信号，停车对诊断其故障是必须的，机过程中的振动信号，停车对诊断其故障是必须的，所要求的振动信号在常规
22、诊断中是采集不到的，因所要求的振动信号在常规诊断中是采集不到的，因而需要而需要采用特殊诊断采用特殊诊断。 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 6. 简易诊断和精密诊断简易诊断和精密诊断简易诊断简易诊断一般由现场作业人员进行。凭着听、摸、一般由现场作业人员进行。凭着听、摸、看、闻来检查。也可通过便携式简单诊断仪器，如看、闻来检查。也可通过便携式简单诊断仪器，如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外测温仪等对设测振仪、声级计、工业内窥镜、红外测温仪等对设备进行人工监测，根据设定的标准或凭人的经验确备进行人工监测，根据设定的标准或凭人的经验确定设备是否处于正常状态。定设备
23、是否处于正常状态。精密诊断精密诊断一般要由专业人员来实施。采用先进的传一般要由专业人员来实施。采用先进的传感器采集现场信号，然后采用精密诊断仪器和各种感器采集现场信号，然后采用精密诊断仪器和各种先进分析手段（包括计算机辅助方法、人工智能技先进分析手段（包括计算机辅助方法、人工智能技术等）进行综合分析，确定故障类型、程度、部位术等）进行综合分析，确定故障类型、程度、部位和产生故障的原因，了解故障的发展趋势。和产生故障的原因，了解故障的发展趋势。 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 （二）按诊断的物理参数分类（二）按诊断的物理参数分类振动、声学、温度、污染、无损诊
24、断、压力诊断等，振动、声学、温度、污染、无损诊断、压力诊断等，都是按物理参数分类。都是按物理参数分类。 诊断技术名称状态检测参数振动诊断技术平衡振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数声学诊断技术噪声、声阻、超声以及发射等温度诊断技术温度、温差、温度场以及热象等污染诊断技术气、液、固体的成分变化，泄漏及残留物等无损诊断技术裂纹、变形、斑点及色泽等压力诊断技术压差、压力及压力脉动等强度诊断技术力、扭矩、应力及应变等电参数诊断技术电信号、功率及磁特性等 趋向诊断技术 设备的各种技术性能指标综合诊断技术 各种物理参数的组合与交叉表9-2 按诊断的物理参数分类 第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故
25、障诊断技术及其实施过程 （三）按照按诊断的直接对象分类（三）按照按诊断的直接对象分类各种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的各种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的设备都有很大区别，按照机械零件、液压系统、旋设备都有很大区别，按照机械零件、液压系统、旋转机械、往复机械、工程结构等来进行区分。转机械、往复机械、工程结构等来进行区分。表9-3 按直接诊断对象分类诊断技术名称直接诊断对象机械零件诊断技术齿轮、轴承、转轴、钢丝绳、连接件等液压系统诊断技术泵、阀、液压元件及液压系统等旋转机械诊断技术转子、轴承、叶轮、风机、泵、离心机、汽轮发电机组及水轮发电机组等往复机械诊断技术内燃机、压气机、活
26、塞及曲柄连杆机构等工程结构诊断技术金属结构、框架、桥梁、容器、建筑物、静止电气设备等工艺流程诊断技术各种生产工艺过程生产系统诊断技术各种生产系统、生产线电器设备诊断技术 发电机、电动机、变压器、开关电器第第2节节 设备故障诊断技术及其实施过程设备故障诊断技术及其实施过程 【多选题】设备故障诊断通常分为状态监测、分析诊断和治理预防设备故障诊断通常分为状态监测、分析诊断和治理预防三个阶段，其中分析诊断包括状态识别和诊断决策。下三个阶段，其中分析诊断包括状态识别和诊断决策。下列各项中，属于分析诊断阶段工作内容的包括列各项中，属于分析诊断阶段工作内容的包括 （ ）。）。A.获得诊断决策的可靠依据获得诊
27、断决策的可靠依据征兆征兆B.将反映设备运行状态的征兆与故障状态参数进行比较，将反映设备运行状态的征兆与故障状态参数进行比较，来识别设备是否存在故障来识别设备是否存在故障C.找出故障产生的原因及发生的部位找出故障产生的原因及发生的部位D.预测设备的性能和故障发展的趋势预测设备的性能和故障发展的趋势E.确定治理修正的办法确定治理修正的办法答案：BCD第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 一、振动测量法一、振动测量法组成设备的零、部件以及用于安装设备的基础可认组成设备的零、部件以及用于安装设备的基础可认为是弹性系统。在一定条件下，弹性系统会在其平为是弹性系统。在一定条件下，弹性系统
28、会在其平衡位置附近作往复直线、旋转运动。这种每隔一定衡位置附近作往复直线、旋转运动。这种每隔一定时间的往复性微小运动称为机械振动。机械振动在时间的往复性微小运动称为机械振动。机械振动在不同程度上反映出设备所处的工作状态。不同程度上反映出设备所处的工作状态。利用振动测量及其对测量结果的分析来识别设备故利用振动测量及其对测量结果的分析来识别设备故障是一种常用且有效的故障诊断方法。障是一种常用且有效的故障诊断方法。 这节是本章的重点和核心。振动、噪声和温度的测量又是这节的重点。 （一）振动的分类（一）振动的分类按能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为：按能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为：确
29、定性振动确定性振动和和随机振动。随机振动。 1. 随机振动随机振动 不能用精确的数学关系式来描述，例不能用精确的数学关系式来描述，例如地震。如地震。 2. 确定性振动确定性振动又分为周期振动和非周期振动，周期又分为周期振动和非周期振动，周期振动又进一步分为简谐周期振动和复杂周期振动。振动又进一步分为简谐周期振动和复杂周期振动。图图9-2是振动分类的图。是振动分类的图。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法确定性振动确定性振动就是振动和时间的关系如果能用确定的就是振动和时间的关系如果能用确定的函数来描述，如果振动和时间的关系如果不能用一函数来描述，如果振动和时间的关系如果不能用一
30、个确定的数学函数来描述，那就是叫随机振动。如个确定的数学函数来描述，那就是叫随机振动。如汽车在一条凹凸不平的道路上行驶，它的振动就是汽车在一条凹凸不平的道路上行驶，它的振动就是随机的。随机的。简谐周期振动简谐周期振动，就是振动只含有一种频率。而复杂，就是振动只含有一种频率。而复杂周期振动是这种振动中，含有多种频率的振动，其周期振动是这种振动中，含有多种频率的振动，其中任意两个振动频率之比都是有理数。有理数，就中任意两个振动频率之比都是有理数。有理数，就是说任意两个振动的周期，都有一个最小公倍数。是说任意两个振动的周期，都有一个最小公倍数。比如第一个是比如第一个是33为周期，另一个是为周期，另一
31、个是44为周期，那为周期，那么最小公倍数就是么最小公倍数就是1212，因此每经过，因此每经过1212，两个振，两个振动都又回到原来的起点。那就是有一个公共的周期，动都又回到原来的起点。那就是有一个公共的周期，这就是复杂周期振动。这就是复杂周期振动。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法非周期振动非周期振动，包括准周期振动和瞬态振动。，包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动准周期振动是包含多种频率的振动，其中至少两个是包含多种频率的振动，其中至少两个的振动频率之比为无理数，除不尽，找不到公共周的振动频率之比为无理数，除不尽，找不到公共周期。期。瞬态振动，瞬态振动，是可用脉冲函数或衰
32、减函数描述的振动。是可用脉冲函数或衰减函数描述的振动。如爆炸产生的冲击振动就是瞬态振动。如爆炸产生的冲击振动就是瞬态振动。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （二）振动的基本参数（二）振动的基本参数振幅、频率和相位振幅、频率和相位是振动的基本参数是振动的基本参数( (振动三要素振动三要素) )。振动完全可以通过这三个参数加以描述。振动完全可以通过这三个参数加以描述。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法式中：式中： x( (t) )振动位移振动位移 t 时间时间 A 位移的最大值，即振幅位移的最大值，即振幅 T 振动周期振动周期 f 振动频率振动频率 角
33、频率角频率 初始相位角初始相位角 tAftAtTAtxsin2sin2sin第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 1. 1.振幅振幅：振动体：振动体( (或质点或质点) )距离平衡位置的幅度。它距离平衡位置的幅度。它是振动强度的标志，可用不同的方法表示，如峰值、是振动强度的标志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。有效值、平均值等。 2.2.频率频率f f：每秒振动的次数，用：每秒振动的次数，用HZ表示。表示。 周期周期(T(T）：振动体每振动一次所需要的时间：振动体每振动一次所需要的时间(s)(s)。 振动频率与振动周期互为倒数。振动频率与振动周期互为倒数。只要确
34、定出振动只要确定出振动所包含的主要频率成分及其幅值的大小，就可以找所包含的主要频率成分及其幅值的大小，就可以找出振源。可见该量对查找产生振动的原因具有重要出振源。可见该量对查找产生振动的原因具有重要意义。意义。 3.3.相位相位：表示振动部分相对与其他振动部分或固定：表示振动部分相对与其他振动部分或固定部分所处的位置。也可理解为：振动波峰到达某一部分所处的位置。也可理解为：振动波峰到达某一位置的时刻。位置的时刻。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法相同相位的振动可能引起合拍共振，产生严重后果。相同相位的振动可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵消，起到
35、减振作如果相位相反，则可能引起振动抵消，起到减振作用。用。因此，相位也是振动特征的重要信息，在查找因此，相位也是振动特征的重要信息，在查找发生异常的位置方面具有重要意义。发生异常的位置方面具有重要意义。振动位移对时间的一阶导数是速度、速度对时间的振动位移对时间的一阶导数是速度、速度对时间的一阶导数是加速度。加速度对时间积分得速度、速一阶导数是加速度。加速度对时间积分得速度、速度对时间积分得位移。度对时间积分得位移。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法振动的运动规律除了可用位移的时间历程描述外，振动的运动规律除了可用位移的时间历程描述外，还可用速度和加速度的时间历程来描述。还可
36、用速度和加速度的时间历程来描述。以简谐周期振动为例，如以以简谐周期振动为例，如以v v和和a a分别表示简谐周期分别表示简谐周期振动的速度和加速度，那么：振动的速度和加速度，那么：位移、速度、加速度三者，只要测得其中之一，即位移、速度、加速度三者，只要测得其中之一，即可通过微分、积分的关系求出另外的两个物理量。可通过微分、积分的关系求出另外的两个物理量。 ftAdttdxv2cos txftAdxdva222cos第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （三）常用的测振传感器（三）常用的测振传感器 振动测量有：机械方法、光学方法和电测方法。振动测量有：机械方法、光学方法和电测方
37、法。机械方法机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度不高的常用于振动频率低、振幅大、精度不高的场合。场合。光学方法光学方法主要用于精密测量和测振传感器的标定。主要用于精密测量和测振传感器的标定。电测方法电测方法是应用范围最广的一种。是应用范围最广的一种。 不管采用哪种测量方法都要采用相应的测振传感器。不管采用哪种测量方法都要采用相应的测振传感器。采用电测法测量振动，传感器的作用是感受被测振采用电测法测量振动，传感器的作用是感受被测振动参数，将其转换为电量。主要有三种测振传感器：动参数，将其转换为电量。主要有三种测振传感器：压电式加速度计、磁电式速度传感器和电涡流位移压电式加速度计、磁电式速度传感
38、器和电涡流位移传感器。传感器。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 1. 压电式加速度计压电式加速度计 （1）工作原理：有些晶体能够产生压电效应，压）工作原理：有些晶体能够产生压电效应，压电效应就是说这种晶体在一定方向上受力，产生变电效应就是说这种晶体在一定方向上受力，产生变形时候，内部就会产生极化现象，在它的两个表面形时候，内部就会产生极化现象，在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除以后，又恢复上产生符号相反的电荷；当外力去除以后，又恢复到不带电状态，这种现象称为到不带电状态，这种现象称为“压电效应压电效应”。压电。压电式加速度计是基于压电效应工作的。式加速度计是
39、基于压电效应工作的。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （2）压电晶体输出的电荷与振动的加速度成正比。）压电晶体输出的电荷与振动的加速度成正比。压电式加速度计常见的结构形式为中心压缩式，分压电式加速度计常见的结构形式为中心压缩式，分为正置压缩型、倒置压缩型、环形剪切型、三角形为正置压缩型、倒置压缩型、环形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一种，都包括压紧弹簧、质量剪切型等，不管是哪一种，都包括压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座等基本部分。其中，压电晶片块、压电晶片和基座等基本部分。其中，压电晶片是加速度计的核心。是加速度计的核心。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断
40、常用方法 （3）压电式加速度计属于能量转换型传感器。电荷）压电式加速度计属于能量转换型传感器。电荷产生不需要外接电源，灵敏度高而且稳定，有比较产生不需要外接电源，灵敏度高而且稳定，有比较理想的线性。理想的线性。突出的优点：因为没有移动元件，所以不会因为磨突出的优点：因为没有移动元件，所以不会因为磨损而造成寿命降低的现象。损而造成寿命降低的现象。此外，压电式加速度计使用的上限频率随其固定方此外，压电式加速度计使用的上限频率随其固定方式而变。最佳的固定方式是采用钢螺栓固定，只有式而变。最佳的固定方式是采用钢螺栓固定，只有这种固定方式能达到出厂标示的上限使用频率。这种固定方式能达到出厂标示的上限使用
41、频率。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （4）小结：）小结： 第一，是利用压电效应工作的；第一，是利用压电效应工作的；第二，输出电荷和振动加速度成正比；第二，输出电荷和振动加速度成正比；第三，组成都包括了压紧弹簧、质量块、压电晶片第三，组成都包括了压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座，其中压电晶片是加速度计的核心；和基座，其中压电晶片是加速度计的核心；第四，属于能量转换型，不需要外接电源；第四，属于能量转换型，不需要外接电源；第五，内部没有移动元件，所以不容易发生磨损；第五，内部没有移动元件，所以不容易发生磨损；第六，与上限频率和固定的方法有关。第六，与上限频率和固定的方法
42、有关。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法2. 磁电式速度传感器磁电式速度传感器属于能量转换型传感器。属于能量转换型传感器。惯性式磁电速度传感惯性式磁电速度传感器也不需要外电源。器也不需要外电源。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （1）原理：利用电磁感应原理，把振动速度转换为）原理：利用电磁感应原理，把振动速度转换为线圈中的感应电动势。线圈中的感应电动势。测振时，将传感器固定或紧压在被测设备的指定位测振时，将传感器固定或紧压在被测设备的指定位置，磁钢与壳体一起随被测系统的振动而振动，线置，磁钢与壳体一起随被测系统的振动而振动，线圈和磁场之间产生相对运
43、动，切割磁力线而产生感圈和磁场之间产生相对运动，切割磁力线而产生感应电动势，从而输出与振动速度成正比的电压。它应电动势，从而输出与振动速度成正比的电压。它的工作也不需要外加电源，而是直接从被测对象吸的工作也不需要外加电源，而是直接从被测对象吸取机械能量，并将其转换成电量输出。因此，它也取机械能量，并将其转换成电量输出。因此，它也是一种典型的能量转换型传感器。是一种典型的能量转换型传感器。 （2）特点：输出功率大，性能比较稳定；）特点：输出功率大，性能比较稳定；不足就是传感器中存在着机械运动的部件，所以寿不足就是传感器中存在着机械运动的部件，所以寿命比较短。命比较短。 第三节第三节 设备故障诊断
44、常用方法设备故障诊断常用方法 3. 电涡流位移传感器。电涡流位移传感器。属于能量控制型传感器。这种传感器不仅能测量一属于能量控制型传感器。这种传感器不仅能测量一些旋转轴系的振动、轴向位移，还能测量转数。些旋转轴系的振动、轴向位移，还能测量转数。 涡流位移传感器属于涡流位移传感器属于非接触式测量，但需非接触式测量，但需要外电源。要外电源。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （1）原理：基于金属体在交变磁场中的电涡流效应）原理：基于金属体在交变磁场中的电涡流效应工作，属于能量控制型传感器。测量时，工作，属于能量控制型传感器。测量时， 将传感器将传感器顶端与被测对象表面之间的距
45、离变化转换成与之成顶端与被测对象表面之间的距离变化转换成与之成正比的电信号。正比的电信号。必须借助电源才能将振动位移转变为电信号，属于必须借助电源才能将振动位移转变为电信号，属于能量控制型传感器。能量控制型传感器。（2）特点：涡流位移传感器属于非接触式测量。）特点：涡流位移传感器属于非接触式测量。这种传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围这种传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。电涡流位移传感器被广泛用来测量触测量等特点。电涡流位移传感器被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电动机等旋转轴系的振动
46、、轴向汽轮机、压缩机、电动机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等。位移、转速等。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法小结：小结：三种传感器的主要特点对比：三种传感器的主要特点对比： 1. 压电式加速度传感器和磁电式的速度传感器，都压电式加速度传感器和磁电式的速度传感器，都是能量转换型，而电涡流位移传感器，是能量控制是能量转换型，而电涡流位移传感器，是能量控制型，需要外接电源，这是这三种振动传感器最大的型，需要外接电源，这是这三种振动传感器最大的不同。不同。 2. 就是在磁电式速度传感器中有运动元件，所以寿就是在磁电式速度传感器中有运动元件，所以寿命受到影响。命受到影响。 3.
47、 电涡流位移传感器是非接触式测量，所以它可以电涡流位移传感器是非接触式测量，所以它可以适用于高温或者受污染的对象。适用于高温或者受污染的对象。 第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 （四）异常振动分析方法（四）异常振动分析方法分析方法有三种：分析方法有三种：振动总值法，频谱分析法、振动振动总值法，频谱分析法、振动脉冲测量法。脉冲测量法。 1. 振动总值法：振动总值法：通过传感器直接测量，以表格或图通过传感器直接测量，以表格或图形表示趋向，并对照形表示趋向，并对照“异常振动判断基准异常振动判断基准”判别设备判别设备工作是否正常。工作是否正常。振动值可用加速度、速度或位移来表示，
48、通常都用振动值可用加速度、速度或位移来表示，通常都用振动速度这个参数。表振动速度这个参数。表9-4就是国际标准化组织就是国际标准化组织ISO制定的一个异常振动判断基准。制定的一个异常振动判断基准。可以用振动总值法判别整机或者部件的异常振动，可以用振动总值法判别整机或者部件的异常振动，如果要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动如果要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动信号进行频谱分析。信号进行频谱分析。第三节第三节 设备故障诊断常用方法设备故障诊断常用方法 2. 通过频谱分析诊断异常振动通过频谱分析诊断异常振动可以用振动总值法判别整机或者部件的异常振动，可以用振动总值法判别整机或者部件的异常
49、振动，如果要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动如果要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动信号进行频谱分析。信号进行频谱分析。频谱分析就是将时域信号变换为频域信号频谱分析就是将时域信号变换为频域信号( (在在时域时域信号中，横坐标是时间；而在频域信号中，横坐标信号中，横坐标是时间；而在频域信号中，横坐标是频率或圆频率是频率或圆频率。) )，得到频谱图，从而获得信号，得到频谱图，从而获得信号的频率的频率结构结构( (组成信号的各个频率分量及振动能量组成信号的各个频率分量及振动能量在各频率分量上的分布在各频率分量上的分布) )。 频谱分析通常由专用的频谱分析仪来完成，图频谱分析通常由专用的频谱
50、分析仪来完成，图9-7是一个数字式频谱分析仪方框图。是一个数字式频谱分析仪方框图。具体过程：通常先采用测振仪，进行振动总值的检具体过程：通常先采用测振仪，进行振动总值的检测，如果发现振动总值超出最大允许值，或者增长测，如果发现振动总值超出最大允许值，或者增长速度比较快，就要对它进行频谱分析。在频谱分析速度比较快，就要对它进行频谱分析。在频谱分析过程中，放大器的作用，是把输入信号放大到所需过程中，放大器的作用，是把输入信号放大到所需要的这种幅度。而滤波器，则是用于滤去高频成分，要的这种幅度。而滤波器，则是用于滤去高频成分，防止高频成分产生干扰。防止高频成分产生干扰。A/D转化就是把模拟量转转化就