安全工程師教材講義：機械的特性

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第九節 機械的特性

一、機械安全的定義及特性

(一)機械安全定義

機械安全是指機器在按使用説明書規定的預定使用條件下，執行其功能和在對其進行運輸、安裝、調試、運行、維修、拆卸和處理時對操作者不發生損傷或危害其健康的能力。它包括兩個方面的內容：

(1)在機械產品預定使用期間執行預定功能和在可預見的誤用時，不會給人身帶來傷害;

(2)機械產品在整個壽命週期內，發生可預見的非正常情況下任何風險事故時機器是安全的。

(二)機械安全的特性

現代機械安全應具有以下幾方面的特性：

1. 系統性

現代機械的安全應建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環境學、勞動衞生、計算機等科學技術基礎上，並綜合與系統地運用這些科學技術。

2.防護性

通過對機械危險的智能化設計，應使機器在整個壽命週期內發揮預定功能，包括誤操作時，其機器和人身均是安全的，使人對勞動環境、勞動內容和主動地位的提高得到不斷改善。

3.友善性

機械安全設計涉及到人和人所控制的機器，它在人與機器之間建立起一套滿足人的生理特性、心理特性，充分發揮人的功能的'、提高人機系統效率的安全系統，在設計中通過減少操作者的緊張和體力來提高安全性，並以此改善機器的操作性能和提高其可靠性。

4.整體性

現代機械的安全設計必須全面、系統地對導致危險的因素進行定性、定量分析和評價，整體尋求降低風險的最優設計方案。

　二、機械設備故障診斷技術

(一)機械設備狀態監測及故障診斷模型

故障診斷是研究機械設備運行狀態變化的信息，進而識別、預測和監視機械運行狀態的技術方法。

故障診斷的基本模型如圖4—5所示。圖中St(f)是載荷或應力向量，M(f)是故障機理傳遞函數，E(f)是異常模式(模型)向量，x(f)是設備狀態向量，H(f)是E(f)和X(f)之間的傳遞函數。機器或設備在正常工作時[M/(f)=l]其狀態向量X(f)是由外因St(f)和內因H(f)共同決定的，當出現異常或故障[即M(f)不為1或St(f)超過正常值。前者稱為結構異常，後者稱為偏離操作規範]之後，X(f)除與外因St(f)和內因H(f)有關外，還與載荷超差及故障機理傳遞函數M(f)有關。

圖4-3 故障診斷的基本模型

在設備狀態監測和故障診斷中，設備的狀態向量是設備異常或故障信息的重要載體，是設備故障診斷的客觀依據，所以及時而正確地掌握狀態向量是進行診斷的先決條件，為此就要用傳感器或其他檢測手段進行狀態信號的監測。

(二)故障診斷的基本流程及實施步驟

故障診斷的基本工藝流程如圖4—4所示，它包括診斷文檔建立和診斷實施兩大部分。

診斷實施過程是故障診斷的中心工作，它可以細分為4個基本步驟：

(1)信號檢測。按不同診斷目的選擇最能表徵設備狀態的信號，對該類信號進行全面地檢測，並將其彙集在一起，形成一個設備工作狀態信號子集，該子集稱為初始模式向量。

(2)特徵提取(或稱信號處理)。將初始模式向量進行維數變換、形式變換，去掉宂餘信息，提取故障特徵，形成待檢模式。

圖4-4 故障診斷的基本方法

(3)狀態識別。將待檢模式與樣板模式(故障檔案)對比，進行狀態分類。

(4)診斷決策。根據判別結果採取相應的對策。對策主要是指對設備及其工作進行必要的預測和干預。

(三)故障診斷技術

1.振動信號的檢測與分析

振動信號一般用位移、速度或加速度傳感器來測量。

傳感器應儘量安裝在診斷對象的振動敏感點或離核心部位最近的關鍵點。對於低頻振動，一般要從3個互相垂直的方向上進行檢測。對於高頻振動，通常只從一個方向上進行檢測即可。

2.油液分析技術

油液分析中，目前應用較多的有光譜油液分析和鐵譜油液分析兩種。

光譜油液分析方法是利用原子吸收光譜來分析潤滑油中金屬的成分和含量，進而判斷零件磨損程度的方法。物質的原子有其特定的吸收光譜譜線，利用元素的特徵吸收光譜譜線及其強度可以分析潤滑油中特定金屬元素的含量。

鐵譜分析是通過檢查潤滑油或液壓系統的油液中所含磁性金屬磨屑的成分、形態、大小及濃度來判斷和預測機器系統中零件的磨損情況。

3.温度檢測及紅外線監測技術

温度是工業生產中很普遍、很重要的熱工參數之一。一方面許多生產過程中在工藝上要求對温度進行監測和控制，另一方面，機電設備運行是否正常往往在温度上會有所反映，根據温度變化特徵可以瞭解設備的運行狀態。因此，生產中經常會遇到温度測量的問題。

物體表面發射的紅外線與其温度有關。紅外線測温的原理是利用紅外線探測器將紅外線輻射產生的熱效應和光電效應轉換成人們能識別的信號。常用的探測儀器有紅外測温儀、紅外成像儀和紅外攝影機等。

4.超聲探傷技術

超聲波是比聲波振動頻率更高的波，檢測中常用的是1～5MHz的超聲波。與聲波相比，超聲波具有方向性好、波長短、在高密度固體中損失小及在不同密度介質的界面上反射大等特點。因此，利用超聲波可以對所有固體材料進行探傷和檢測。它常用來檢查內部結構的裂紋、搭接、夾雜物、焊接不良的焊縫、鍛造裂紋、腐蝕坑以及加工不適當的塑料壓層等。還可以檢查管道中流體的流量、流速以及泄露等。

5.表面缺陷探傷技術

常見材料缺陷檢測方法包括磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷等幾種。

磁粉探傷的原理是利用鐵磁性試件的導磁性實現的。鐵磁性物質的導磁性要比空氣的導磁性強得多，因此表面缺陷處磁阻大，易產生漏磁場，吸引磁粉，形成磁粉堆積。通過觀察磁粉聚集情況就可以確定被探測工件的表面缺陷或近表面缺陷。

滲透探傷的依據是物理化學中的液體對固體的潤濕能力和毛細現象(滲透和上升)。首先將被探傷工件的表面塗上具有高度滲透能力的滲透液，滲透液由於潤濕作用及毛細現象而進人工件的表面缺陷中，然後將工件表面多餘的滲透液清洗乾淨，再塗一層親和力強的顯像劑，將滲入裂紋中的滲透液吸出來，在顯像劑上便顯現出缺陷的形狀和位置的鮮明圖案。

渦流探傷是當通電線圈接近被測表面時，導電的試件表面層將產生渦電流(簡稱渦流)，渦流又會產生交變磁場，該交變磁場又會在激勵線圈中感應出電流。由於渦流與表面狀態有關，感應電流的大小、方向及相位等就會反映出表面缺陷的信息。渦流探傷就是利用這種信息來檢測表面缺陷的。

【例題】故障診斷實施過程是故障診斷的中心工作，它可以細分為()等基本步驟。

A. 信號檢測

B、特徵提取

C、狀態識別

D、數值比對

E、診斷決策

【答案】ABCE