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1、冶金机械设备维修教案冶金机械设备维修教案学习情景1：设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数2授课形式引导文法模块一设备状态检测与故障诊断基础知识教学目的1、理解状态监测与故障诊断基本概论及分类。2、掌握故障诊断的基本方法和基本过程。3、了解故障诊断技术的作用及意义。4、培养学生职业责任感及自学能力。教学重点、难点重点：状态监测与故障诊断方法难点：实际运用、设备故障分布规律，典型故障曲线课外作业阅读专业杂志及书籍，多到厂区了解设备相关状态课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教学手段时间分配课程介绍、学习要求：设备的状态监测与故障诊断是

2、指利用现代科学技术和仪器、根据设备外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损失状况，确定故障的性质、程度、类别和部位，预报其发展趋势，并研究故障产生的机理。通过学习，使学生针在一定程度选取恰当的诊断方法对冶金机电设备的状态进行判断，并能熟练使用各种常见检测仪器，处理设备问题。总结1、讲解了设备状态监测与故障诊断相关基础知识。2、阐述了监测与诊断的重要性。布置作业1、故障诊断的基本步骤。演示文档（PPT）、机电设备载体、各类诊断监测仪器、相关技术资料引题5分钟；授课40分钟；实训30分钟；总结5分钟设备状态监测与故障诊断 设备的状态监测与故障诊断是指利用现代科学技术和仪器、根据设备

3、外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损失状况，确定故障的性质、程度、类别和部位，预报其发展趋势，并研究故障产生的机理。状态监测与故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包含的内容比较广泛，诸如机械状态量（力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命估计等等。设备状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之一。一、设备故障的基本知识1 、定义设备故障（Fault）的一般性定义是：设备在规定时间内、规定条件下，丧失规定功能的状况。美国政府

4、工程项目管理人员测试性与诊断性指南(ADA208917)中，则把故障定义为：“造成装置、组件或元件不能按规定方式工作的一种物理状态”。在工程实例中，我们还常常听到另一个词汇：失效（Failure）。国家标准GB318782可靠性基本名词术语及定义中规定，失效是产品丧失规定的功能，对可修复产品通常称为故障。国家军用标准GJB45190可靠性维修性术语指出，故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，对某些产品称为失效。由此可见，“失效”和“故障”均为表示产品不能完成或丧失功能的现象。在实际工程中，对于“失效”和“故障”没有严格的区别，通常对于可修复产品常用“故障”，而对于不可修

5、复产品常用“失效”。对于各种设备系统而言，其包含着大量可修复的零部件，因此常常统一用“故障”来表示各级零部件直至系统不能完成规定功能的事件。2、设备故障分布规律设备故障的发生、发展过程都有其客观规律。研究故障规律对制定维修策略，以及建立更加科学的维修体制都是十分有利的。典型故障曲线浴盆曲线 1-1典型故障曲线浴盆曲线通过大量的实践证明，可维修设备的故障率(t)随着设备使用期的延续，而呈现三个不同趋势的阶段。典型的故障率分布曲线，可参见图1-1所示的浴盆曲线(bathtub curve)，它将使用维修期间的设备故障状态分为三个时间： （1）早期故障期(0tt1)：是指设备安装调试过程至移交生产试

6、用阶段。这一时期的特点是故障率由高到低。造成早期故障的原因主要是由设计、制造上的缺陷，包装、运输中的损伤，安装调试不到位，使用工人操作不习惯或尚未全部熟练掌握其性能等原因所造成的。设备处于早期故障期，其故障率开始往往很高，但通过跑合运行、故障排除和使用维修人员对设备的逐步熟悉，故障率将逐渐降低并趋于稳定，设备进入正常工作阶段。此段时间的长短，随产品、系统的设计与制造质量而异。不过，当设备进行大修理或技术改造后，早期故障期还将再次出现。 早期故障率是影响设备可靠性的一个重要因素，会使设备的平均无故障工作时间减少。从设备的总役龄来看，这段时间虽不长，但必须认真对待，否则影响新设备效能的正常发挥，对

7、资金回收不利。对于已定型的成批生产的设备和熟练的操作人员来说，早期故障期相对较短。工程实例：攀钢二期工程新建的深井泵站在投产初期，水泵运行台时时常只有数百小时，甚至只有几十小时就必须检修，且检修1台水泵耗时近半个月。当时只能出动车间绝大部分的检修力量，不分黑天白夜的加班加点组织抢修。 （2）偶发故障期 (t1tt2)：经过第一阶段的调试、试用后，设备的各部分机件进人正常磨损阶段，操作人员逐步掌握了设备的性能、原理和机构调整的特点。设备进入偶发故障期。在此期间故障率大致处于稳定状态，趋于定值。在此期间，故障的发生是随机的。在偶发故障期内，设备的故障率最低，而且稳定。因而可以说，这是设备的最佳状态

8、期或称正常工作期。这个区段称为有效寿命。 偶发故障期的故障，一般是由于设备使用不当，维修不力，工作条件（负荷、环境等）变化，或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造上存在的问题所致。故通过提高设计质量、改进使用管理、加强监视诊断与维护保养等工作，可使故障率降低到最低。对于偶发期故障，一般需要进行统计分析。为此，必须健全设备运行、故障动态和维修保养的记录，建立设备检查与生产日志等制度，对故障进行登记与分析。工程实例：上述的深井泵站在投产23年后，随着对设备的逐步熟悉，检修维护水平的逐步提高，设备便进入偶发故障期，这一时期水泵的大修台时普遍提高到7000h，部分甚至可到12000h以上。

9、一般每年大修台数为23台，大修台时60工。相对早期故障期，工作量极大减少，目前只配备数个钳工就可完全胜任设备检修工作。 （3）耗损故障期 (t2t)：这段时期的特点是设备故障率急剧升高。此时设备经过上述稳定阶段，大多数零部件由于长期的运转，其机械磨损、疲劳、老化、腐蚀逐步加剧而丧失机能，使设备故障率开始上升，进人耗损故障期。这说明设备的一些零部件已经达到了其使用寿命。因此，应在这一时期出现前不久，进行针对性的预防维修，或在这一时期刚出现时，进行设备修理，便可防止故障大量涌现，降低故障率和维修工作量，延长设备的使用寿命。但如果坚持继续使用，就可能造成设备事故。归纳来说，这三个阶段对应着故障分布的

10、三种基本类型：早期为故障递减型；偶发期为故障恒定型；耗损期为故障递增型。3、故障分类故障的分类方法有多种，它们可分别从不同的角度，如经济性、安全性、复杂性、故障发展速度、起因等方面，观察设备丧失工作效能的程度。不同的分类方法反映了设备故障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策。常见的故障分类如下所述：（1）按故障的性质分类：间断性故障和永久性故障（2）按故障形成的速度（即发生的快慢）分类：突发性故障和渐发性故障（3）按故障的原因分类：外因故障和内因故障（4）按故障危害性分类：危险性故障和安全性故障（5）按功能丧失程度分类：局部性故障和完全性故障（6）按

11、故障的相关性分类：相关故障和非相关故障（7）按功能分类：潜在故障和功能故障（8）按故障影响的程度分：轻微故障、一般故障、严重故障和恶性故障二、故障诊断及其分类故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分析其产生的原因和部位，并预报其发展趋势。在设备故障诊断技术中，诊断方法的分类问题是一个比较重要的问题，它不仅是建立一个学科所必需的条件，给人以明确的科学体系，而且更能启迪人们，改进已有的诊断方法，寻求新的突破。因此，了解设备故障诊断的分类，对我们今后更好地理解和运用诊断技术，具有积极的意义。下面，简要介绍一些常见的故障分类方法。1、 按目的分：分成功能诊断和运行诊断

12、2、 按方式分：分成巡回检测和在线监测3、 按提取信息的方式分：分成直接诊断和间接诊断4、 按诊断时所要求的机械运行工况条件分：分成常规工况诊断和特殊工况诊断5、 按功能分：分成简易诊断和精密诊断三、设备故障诊断技术的发展与展望 故障诊断技术是现代科学技术与生产高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促进的产物。除了故障机理的研究得益于数学、物理学、力学、机械学、声学、化学等基础学科之外，还特别地从自动控制、信号处理、人工智能、计算机技术的发展中得到支持。 追溯设备故障诊断的历史，实际上自有工业生产以来就已存在。早期的人们主要是依据五官感觉，如对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，同时凭

13、借工匠的经验，以此来判断某些故障的存在，并提出修复的措施，例如，有经验的工人常利用听棒来判断旋转设备轴承及转子的状态等。这一阶段我们估且称之为感性阶段，即利用人的五官来感受各种设备故障信息。 之后，随着振动、温度、压力、流量等传感器的广泛应用，设备故障诊断的历史发生了第一次革命性的转变，进入了量化阶段。但是故障诊断技术真正作为一门学科，则是20世纪60年代以后才发展起来的，这也是设备故障诊断历史上第二次革命性的转变。近年来，人工智能和网络化已逐步成为故障诊断的主要发展方向，这必将推动设备故障诊断第三次革命性的转变。简而言之，设备故障诊断技术是现代科学技术与生产高度发展，各学科相互渗透、相互交叉

14、、相互促进的产物，其真正发展成为一门学科的时期大约在20世纪60年代，是在设备管理与维修模式发展的基础上成长起来的。 故障诊断技术经过40多年的研究与发展，已应用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程、飞机、汽车、冶金、矿山设备等领域。但同时我们也应该看到，尽管设备故障诊断技术已取得了长足的进步，但它作为一门正在发展的新型学科，目前还远未达到完善的水平，主要表现在：理论与实际结合力度不够，故障诊断是一门实践性极强的技术，目前从事设备故障诊断研究的人员多为高校或研究单位，他们对现场设备缺乏深入了解，而现场技术人员通常又没有足够的时间和技术基础，将所

15、观察、检测到的现象上升到理论加以分析、归纳、总结；诊断技术发展不平衡，虽然旋转机械的故障诊断理论和实践都取得了较成熟的效果，但是往复机械的诊断理论和实践还有待提高；诊断仪器的性能与现场设备的实际需求存在差距；现场设备诊断系统的实际效果表现欠佳，智能化水平较低，简易诊断的仪器功能较为单一，精度不高，而精密诊断的仪器价格较为昂贵，且对使用人员的专业技术水平要求很高，在易用性方面还存在较大不足等。相信随着现代科学技术的不断发展，这些问题都将逐步得以缓解，并最终得到有效解决。四、诊断技术基本方法简介对设备的诊断有不同的技术手段，较为常用的有振动监测与诊断、温度监测与诊断、噪声监测、油液诊断、无损探伤技

16、术等。设备诊断技术尽管很多，但基本上离不开信息的采集，信息的分析处理，状况的识别、诊断、预测和决策三个环节。设备状态监测与诊断技术的主要工作内容是：（1） 保证机器运行状态在设计的范围内（2） 随时报告运行状态的变化情况和恶化趋势（3） 提供机器状态的准确描述（4） 故障报警五、故障诊断技术作用及意义现今社会，设备诊断技术日益获得重视和发展，一方面是随着科学技术和生产发展，设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各部分间的关联更加密切，往往微小的故障就可能引发连锁反应，从而导致整个设备系统或与设备有关的环境遭受灾难性的破坏。这不仅会造成巨大经济损失，而且会危及人身

17、安全，导致环境事故等，后果不堪设想。例如：1973年美国三里岛核电站堆芯损坏事故；1985年美国“挑战者”号航天飞机坠毁；1984年印度博帕尔市农药厂异氰酸甲酯毒气外泄事故；1986年前苏联切尔若贝利核电站泄漏事故；1986年欧洲莱茵河瑞士化学工业污染事故等，这些都是由设备故障造成的震惊世界的恶性事故。据统计，重要设备因事故停机造成的损失极为严重：一个乙烯球罐停产一天，损失产值500万元，利润200万元；一台大型化纤设备停产一小时，损失产值80万元。有国外研究标明，对大型汽轮发电机组进行振动监视，获利与投资之比为17：1。这表明采用设备诊断技术，保证设备可靠而有效地运行是极为重要的。另一个不可

18、忽视的重要因素是维修体制的变革，尤其是状态维修的推行，迫切需要提升设备综合效率，降低设备寿命周期费用。过去国内外对设备主要采用计划维修或事后维修。在许多场合下，这是非常不合理的，致使不该修的修了（即过维修），不仅浪费人力、物力、财力，甚至还会降低设备工作性能；而该修的可能又没修（即欠维修），不仅降低设备寿命，而且还将导致事故发生。例如：英国曾对2000家工厂调查，结果表明采用诊断技术后，每年设备维修费可节约3亿英镑。日本有资料指出，采用诊断技术后，每年设备维修费减少2050%，故障停机减少75%。我国冶金企业的维修费用一般占到生产成本的810，许多大型钢厂，每年设备维修费达数亿万元以上。对此，

19、上海宝钢提出并实施了从“以周期检修为基础，以预防维修为主线”的维修模式向“以设备状态受控管理为基础，以状态维修为主线”的综合维修模式转变的战略决策，从而使其维修费用持续下降，公司年吨钢维修费用均降5%左右，创效上亿元，而且近几年来公司各条主作业线设备状态逐年趋于稳定，重(特)大设备事故为零，主要生产设备事故故障停机率持续降低，领先国内同行企业。根据世界发达国家的先进经验和中国企业的多年实践探索，设备诊断技术在现代设备工程中的作用，大致可归纳为以下几方面：1. 能及时科学地对设备各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期

20、把故障损失降低到最低水平。2. 保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。3. 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供反馈信息和理论依据。4. 通过实施设备故障诊断，带动与故障诊断有关的一系列相关理论，如信号采集、信号分析、模式识别等相关学科的发展，同时可检验相关理论的完善程度，寻找最佳故障诊断方法，完善设备故障诊断学。我国的设备故障诊断事业正在蓬勃发展，必将在我国经济建设中发挥越来越大的作用。面向21世纪，我们将面临更加严峻的考验，尤其是在充分强调“管理

21、创新、科技创新”的今天，状态监测与故障诊断已成为设备管理水平提升的迫切需要，而一个脱颖而出的设备故障诊断新事业，也必将顺应和推动现代企业制度进步的潮流，并以其强大的生命力展现在现代企业管理之林。冶金机械设备维修教案学习情景1：设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数4授课形式项目教学法模块二振动监测与诊断教学目的1、了解振动基本知识。2、掌握振动诊断技术的原理和振动监测方法。3、了解振动诊断的作用及意义。4、培养学生职业责任感及自学能力。教学重点、难点重点：振动诊断技术的原理和监测方法难点：振动监测的实际运用课外作业阅读专业杂志及书籍，多参加实际锻炼课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发

22、思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教学手段时间分配课程介绍、学习要求： 振动诊断是设备状态监测与故障诊断常用技术之一。通过学习，训练学生针对冶金机电设备的常用旋转零件进行振动诊断，能合理确定诊断策略，选取恰当的诊断方法，并能熟练使用各种常见检测仪器。总结 1、讲解了振动相关基础知识及振动诊断方法。2、结合实际讲解振动诊断的应用。布置作业1、振动诊断实施要点演示文档（PPT）、机电设备载体、各类维修技术工器具和材料、技术资料引题5分钟；授课40分钟；实训30分钟；总结5分钟 振动监测与诊断机械振动是工程中普遍存在的现象，机械设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往

23、往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一种物理现象。据统计，有60%以上的机械故障都是通过振动反映出来的。因此，不用停机和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。研究振动问题时，一般将研究对象（如一部机器、一种结构）称为系统；把外界对系统的作用或机器自身运动产

24、生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的动态行为，称为响应或输出。振动分析（理论或实验分析）就是研究这三者间的相互关系。所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析处理，然后将结果与事先制订的某种标准进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消除故障、保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统的参数（质量、刚度、阻尼等）来确定系统的输入，以判断系统环境的特性，如寻找振源等问题的研究。一、振动诊断基本知识 图 2-1 重物随时间的运动图1、什么是振动

25、振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。例如图2-1所示的弹簧质量系统中重物的运动就是振动的一个典型例子。重物从平衡位置移动到上极限位置，再返回经过静平衡位置移动到下极限位置，又返回移动到静平衡位置，为一个运动循环，即往复振动一次。这个运动循环连续不断重复就是该重物的振动。图右面是重物振动位移随时间变化的运动图，它是一条正弦（或余弦）曲线。这种正弦振动，称之为“简谐振动”，它是一种最简单的振动。各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些都可认为是一个弹性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动，这种每隔一定时间的往复性机械运

26、动，称为机械振动。由于各种系统的结构、参数不同，系统所受的激励不同，系统所产生的振动规律也各不相同。根据振动规律的性质及其研究方法，振动可分为确定性振动和随机振动两大类。确定性振动的规律可以用某个确定的数学表达式来描述，其振动的波形具有确定的形状。其振动位移是时间t的函数，可用简单的数学解析式来表示，为：x=x(t)。随机振动不能用确定的数学表达式来描述，其振动波形呈不规则的变化，只能用概率统计的方法来描述。在机械设备的状态监测和故障诊断中，常遇到的振动多为周期振动、准周期振动、窄频带随机振动和宽频带随机振动等，以及其中几种振动的组合。周期振动和准周期振动属确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动

27、的叠加构成。2、 振动的表示方法（1）确定性振动1）简谐振动简谐振动是机械振动中最简单最基本的振动形式，了解它的特性，对了解其它振动的特性和掌握振动监测诊断技术都十分重要。若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正弦（或余弦）函数表示，则这种周期振动就称为简谐振动。其数学表达式为 （21）式中 物体相对平衡位置的位移； 振幅（又称峰值），表示物体偏离平衡位置的最大距离（2A称为峰-峰值）；单位为毫米（）； 振动的角频率，表示秒内的振动次数或称圆频率； 振动的初相位角，用以表示振动物体的初始位置，单位为弧度（） 。振幅A表示振动的大小，而角频率表示振动的快慢。如果已知某物体作简谐振动，且已知（或测

28、出）、及，就可以完全确定该物体在任何瞬时的位移X。简谐振动是确定性振动，其特性取决于、三个参数，这三个参数在设备诊断中有着重要的意义，因此，、及称为简谐振动的三要素。2）周期振动若振动波形按周期T重复出现，也就是 （22）成立时，称为周期振动，相对简谐振动而言，一般它是一个复杂的周期振动，是由一个静态分量和无限个谐波余弦分量（振幅为，相角为）组成，实践中产生复杂周期振动的情况远多于产生简谐振动的情况。事实上，简谐振动往往是复杂周期振动的一种近似表示。3）准周期振动所谓准周期振动，也是由一些不同周期的简谐振动合成的振动。这一点与复杂周期振动相类似。但是，准周期振动没有周期性，组成它的简谐分量中总

29、会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数。而复杂周期振动的各简谐分量中任何两个分量的频率之比是有理数。准周期振动是一种非周期振动，可用如下的函数描述： （23）（2）随机振动随机振动是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式描述。随机振动过程虽不能预知，也不能重复，但随机振动具有一定的统计规律，因此可以用概率统计的方法来研究随机振动，用统计特征参数来描述随机振动的特性，用随机信号来描述随机振动。二、振动监测参数与标准1、振动参数及其选择如前所述，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。为了提高振动测试的灵敏度，在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的参数（或传感器）。从测量的灵

30、敏度和动态范围考虑，低频时的振动强度用位移值度量；中频时的振动强度用速度值度量；高频时的振动强度用加速度值度量。从异常的种类考虑，冲击是主要问题时应测量加速度；振动能量和疲劳是主要问题时应测量速度；振动的幅度和位移是主要问题时，应测量位移。对大多数机器来说，速度是最佳参数，这也是许多标准采用该系数的原因之一。但是另外一些标准都采用相对位移参数进行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的最多。对于轴承和齿轮部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。2、 测量位置的选定首先应确定是测量轴振动还是轴承振动。一般说来，监测轴比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上

31、振动的变化比轴承座或机壳要敏感得多。不过，监测轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术，其中最基本的条件是能够合理地安装传感器。测量转子振动的非接触式涡流传感器安装前一般需要加工设备外壳，保证传感器与轴颈之间没有其他物体。在高速大型旋转设备上，传感器的安装位置常常是在制造时就留下的，目的是对设备实行连续在线监测。而对低中速、小设备来说，常常不具备这种条件，在此情况下，可以选择在轴承座或机壳上放置传感器进行测试。测量轴承振动可以检测机械的各种振动，因受环境影响较小而易于测量，而且所有仪器价格低，装卸方便，但测量的灵敏度和精度较低。其次应确定测点位置。一般情况下，测点位置选择的原则是：能对设备振动状态做出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。一般测点应选在接触良好、表面光滑、局部刚度较大的部位。值得注意的是，测点一经确定之后，就要经常在同一点进行测量。特别是高频振动，测点对测定值的影响更大。为此，确定测点后必须做出记号，并且每次都要在固定位置测量。如机座、轴承座，一般都选为典型测点。通常对于大型设备，必须在机器的前中