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安全工程師教材講義：機(jī)械的特性
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第九節(jié) 機(jī)械的特性
一、機(jī)械安全的定義及特性
(一)機(jī)械安全定義
機(jī)械安全是指機(jī)器在按使用說明書規(guī)定的預(yù)定使用條件下，執(zhí)行其功能和在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維修、拆卸和處理時(shí)對(duì)操作者不發(fā)生損傷或危害其健康的能力。它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：
(1)在機(jī)械產(chǎn)品預(yù)定使用期間執(zhí)行預(yù)定功能和在可預(yù)見的誤用時(shí)，不會(huì)給人身帶來傷害;
(2)機(jī)械產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)，發(fā)生可預(yù)見的非正常情況下任何風(fēng)險(xiǎn)事故時(shí)機(jī)器是安全的。
(二)機(jī)械安全的特性
現(xiàn)代機(jī)械安全應(yīng)具有以下幾方面的特性：
1. 系統(tǒng)性
現(xiàn)代機(jī)械的安全應(yīng)建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學(xué)、勞動(dòng)衛(wèi)生、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，并綜合與系統(tǒng)地運(yùn)用這些科學(xué)技術(shù)。
2.防護(hù)性
通過對(duì)機(jī)械危險(xiǎn)的智能化設(shè)計(jì)，應(yīng)使機(jī)器在整個(gè)壽命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)定功能，包括誤操作時(shí)，其機(jī)器和人身均是安全的，使人對(duì)勞動(dòng)環(huán)境、勞動(dòng)內(nèi)容和主動(dòng)地位的提高得到不斷改善。
3.友善性
機(jī)械安全設(shè)計(jì)涉及到人和人所控制的機(jī)器，它在人與機(jī)器之間建立起一套滿足人的生理特性、心理特性，充分發(fā)揮人的功能的、提高人機(jī)系統(tǒng)效率的安全系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中通過減少操作者的緊張和體力來提高安全性，并以此改善機(jī)器的操作性能和提高其可靠性。
4.整體性
現(xiàn)代機(jī)械的安全設(shè)計(jì)必須全面、系統(tǒng)地對(duì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的因素進(jìn)行定性、定量分析和評(píng)價(jià)，整體尋求降低風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
二、機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)
(一)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模型
故障診斷是研究機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化的信息，進(jìn)而識(shí)別、預(yù)測和監(jiān)視機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)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(yīng)力向量，M(f)是故障機(jī)理傳遞函數(shù)，E(f)是異常模式(模型)向量，x(f)是設(shè)備狀態(tài)向量，H(f)是E(f)和X(f)之間的傳遞函數(shù)。機(jī)器或設(shè)備在正常工作時(shí)[M/(f)=l]其狀態(tài)向量X(f)是由外因St(f)和內(nèi)因H(f)共同決定的，當(dāng)出現(xiàn)異�；蚬收蟍即M(f)不為1或St(f)超過正常值。前者稱為結(jié)構(gòu)異常，后者稱為偏離操作規(guī)范]之后，X(f)除與外因St(f)和內(nèi)因H(f)有關(guān)外，還與載荷超差及故障機(jī)理傳遞函數(shù)M(f)有關(guān)。
圖4-3 故障診斷的基本模型
在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，設(shè)備的狀態(tài)向量是設(shè)備異�；蚬收闲畔⒌闹匾d體，是設(shè)備故障診斷的客觀依據(jù)，所以及時(shí)而正確地掌握狀態(tài)向量是進(jìn)行診斷的先決條件，為此就要用傳感器或其他檢測手段進(jìn)行狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測。
(二)故障診斷的基本流程及實(shí)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(shí)施兩大部分。
診斷實(shí)施過程是故障診斷的中心工作，它可以細(xì)分為4個(gè)基本步驟：
(1)信號(hào)檢測。按不同診斷目的選擇最能表征設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)，對(duì)該類信號(hào)進(jìn)行全面地檢測，并將其匯集在一起，形成一個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)子集，該子集稱為初始模式向量。
(2)特征提取(或稱信號(hào)處理)。將初始模式向量進(jìn)行維數(shù)變換、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。
圖4-4 故障診斷的基本方法
(3)狀態(tài)識(shí)別。將待檢模式與樣板模式(故障檔案)對(duì)比，進(jìn)行狀態(tài)分類。
(4)診斷決策。根據(jù)判別結(jié)果采取相應(yīng)的對(duì)策。對(duì)策主要是指對(duì)設(shè)備及其工作進(jìn)行必要的預(yù)測和干預(yù)。
(三)故障診斷技術(shù)
1.振動(dòng)信號(hào)的檢測與分析
振動(dòng)信號(hào)一般用位移、速度或加速度傳感器來測量。
傳感器應(yīng)盡量安裝在診斷對(duì)象的振動(dòng)敏感點(diǎn)或離核心部位最近的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于低頻振動(dòng)，一般要從3個(gè)互相垂直的方向上進(jìn)行檢測。對(duì)于高頻振動(dòng)，通常只從一個(gè)方向上進(jìn)行檢測即可。
2.油液分析技術(shù)
油液分析中，目前應(yīng)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(jìn)而判斷零件磨損程度的方法。物質(zhì)的原子有其特定的吸收光譜譜線，利用元素的特征吸收光譜譜線及其強(qiáng)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(tǒng)的油液中所含磁性金屬磨屑的成分、形態(tài)、大小及濃度來判斷和預(yù)測機(jī)器系統(tǒng)中零件的磨損情況。
3.溫度檢測及紅外線監(jiān)測技術(shù)
溫度是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的熱工參數(shù)之一。一方面許多生產(chǎn)過程中在工藝上要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制，另一方面，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行是否正常往往在溫度上會(huì)有所反映，根據(jù)溫度變化特征可以了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到溫度測量的問題。
物體表面發(fā)射的紅外線與其溫度有關(guān)。紅外線測溫的原理是利用紅外線探測器將紅外線輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)和光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成人們能識(shí)別的信號(hào)。常用的探測儀器有紅外測溫儀、紅外成像儀和紅外攝影機(jī)等。
4.超聲探傷技術(shù)
超聲波是比聲波振動(dòng)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(zhì)的界面上反射大等特點(diǎn)。因此，利用超聲波可以對(duì)所有固體材料進(jìn)行探傷和檢測。它常用來檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)乃芰蠅簩拥取＿�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(shù)
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(dǎo)磁性實(shí)現(xiàn)的。鐵磁性物質(zhì)的導(dǎo)磁性要比空氣的導(dǎo)磁性強(qiáng)得多，因此表面缺陷處磁阻大，易產(chǎn)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(jù)是物理化學(xué)中的液體對(duì)固體的潤濕能力和毛細(xì)現(xiàn)象(滲透和上升)。首先將被探傷工件的表面涂上具有高度滲透能力的滲透液，滲透液由于潤濕作用及毛細(xì)現(xiàn)象而進(jìn)人工件的表面缺陷中，然后將工件表面多余的滲透液清洗干凈，再涂一層親和力強(qiáng)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(xiàn)出缺陷的形狀和位置的鮮明圖案。
渦流探傷是當(dāng)通電線圈接近被測表面時(shí)，導(dǎo)電的試件表面層將產(chǎn)生渦電流(簡稱渦流)，渦流又會(huì)產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場又會(huì)在激勵(lì)線圈中感應(yīng)出電流。由于渦流與表面狀態(tài)有關(guān)，感應(yīng)電流的大小、方向及相位等就會(huì)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(shí)施過程是故障診斷的中心工作，它可以細(xì)分為()等基本步驟。
A. 信號(hào)檢測
B、特征提取
C、狀態(tài)識(shí)別
D、數(shù)值比對(duì)
E、診斷決策
【答案】ABCE
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