机械故障诊断学绪论.ppt

1 机械故障诊断学 2011级硕士研究生课程2012年4月梅卫江 2 绪论 一 机械故障诊断的意义及发展现状二 机械故障诊断的基本内容与技术过程三 大机组状态监测与故障诊断常用的方法四 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略 3 1 状态监测与故障诊断的定义2 机械故障诊断学的研究目的与研究范畴3 机械故障诊断理论与技术的意义4 机械故障诊断技术的发展与现状 一 机械故障诊断的意义及发展现状 4 故障的概念故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态 通常把设备在运行中所发生的状态异常 缺陷 性能恶化 以及事故前期的状态统统称为故障 有时也把事故直接归为故障 简单而言 设备故障是指 设备功能失常 也就是设备不能达到预期的工作状态 无法满足应有的性能 功能 功能失效 机械设备基本功能不能保证 设备偏离正常功能 1 状态监测与故障诊断的定义 5 故障诊断的基础是建立在能量耗散原理上的 所有设备的作用都是能量转换与传递 设备状态愈好 转换与传递过程中的附加能量损耗愈小 例如机械设备 其传递的能量是以力 速度两个主要物理参数来表征 附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现 随着设备劣化程度加大 附加能量损耗也增大 因此 监测附加能量损耗的变化 可以了解设备劣化程度 能量参数 电压及电流 压力及流量等 6 机械故障诊断主要是研究某一机械设备在运行过程中动态性能的变化规律及其运行状态的识别方法 中国工程院院士屈梁生 诊断是以机械学和信息论为依托 多学科融合的技术 本质是模式识别 7 近代科学技术的各门学科的发展是相互渗透 相互促进的 一方面 某些工程技术 诸如精密机械 电子技术的发展推动了医学的进步 另一方面 某些工程学则从医学中吸取营养而得到发展 例如 人体内部器官疾病的诊断 不需要对每个病人都做剖腹检查 而只要求医生根据症状或 状态 来做诊断 由局部推测整体 由现象判断本质 由当前预示未来 将医疗诊断中这样一些基本逻辑思想 推广到工程技术中来 就形成了工程诊断学 8 医学诊断与故障诊断 9 按故障性质分类人为故障自然故障 磨合期 正常使用期 耗损期 故障的分类 浴盆曲线 设备维修工程中 根据统计得出的一般机械设备劣化进程规律曲线 由于曲线的形状类似浴盆的剖面线 因此称为浴盆曲线 10 按故障产生的原因分类先天性故障使用性故障 按故障发展速度分类突发性故障渐进性故障 按故障造成的后果分类轻微故障一般故障严重故障恶性故障 11 设备的劣化曲线 绿区 g 包括浴盆曲线的正常使用阶段 即故障率最低的阶段 机器处良好状态 黄区 y 包括浴盆曲线 区的初始阶段 故障率已有抬高的趋势 机器处警戒状态 红区 r 包括浴盆曲线 区故障率已大幅度上升的阶段 机器处严重或危险状态 取浴盆曲线中后两阶段 第 阶段 正常使用期 和第 阶段 耗损期 作为劣化曲线 如下图 12 13 14 所谓技术诊断 从广义而言 就是对系统的运行状态做出判断 也即定量地识别系统的状态 从理论上讲技术诊断就是系统识别 这里系统指机械设备 工艺过程 工程结构或生产系统等 系统的状态是指系统运行中其功能是良好 正常 劣化或发生故障 所谓诊断就是根据机械设备运行过程中产生的各种信息来判别机械设备是正常运转还是发生了异常现象 也就是识别机器是否发生了故障 称为故障诊断 至于机械设备失效后或发生事故之后进行的分析叫做失效分析 这也是故障诊断的一个方面 15 16 所谓机械故障诊断 是识别机器或机组运行状态的科学 它研究机组运行状态的变化在诊断信息中的反映 对机组运行状态进行识别 预测和监视 简而言之故障诊断就是通过检测 提取 利用机械系统运行中产生的相关信息 识别其技术状态 确定故障性质 分析故障原因 寻找故障部位 预报故障趋势 并提出相应对策 17 状态检测与故障诊断 18 从以上定义可以看出 机械故障诊断是一个包含运行状态检测 信号分析处理 故障模式识别 未来趋势预测 维修决策形成等内容的完整而系统的技术过程 通俗地说 状态监测或工况监视与故障诊断就是给机器看病 状态检测与故障诊断 19 人不可能不生病 机器在运行过程中出现故障也是不可避免的 人生了病需要求医就诊 机器出了故障也要找 医生 诊断病因 医生对病人的诊断是基于体征检查 先看体温 再进行验血 x光 心电图 b超 甚至ct等 基础上的分析判断 对机器故障的诊断同样也是基于状态监测 先看总振动值 再求助于频谱 波形 轴心轨迹 趋势图 波德图 全息谱图等 基础上的综合性分析判断 20 状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态 包括利用监测与分析仪器 在线的或离线的 采用各种检测 监视 分析和判别方法 对设备当前的运行状态做出评估 属于正常 还是异常 对异常状态及时做出报警 并为进一步进行的故障分析 性能评估等提供信息和数据 状态检测与故障诊断 21 状态检测与故障诊断 故障诊断则是根据状态监测所获得的信息 结合设备的工作原理 结构特点 运行参数 历史状况 对可能发生的故障进行分析 预报 对已经或正在发生的故障进行分析 判断 以确定故障的性质 类别 程度 部位及趋势 对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持 机器故障诊断要求定量地掌握设备的状态 即掌握其性能和强度 了解零件的应力状态 性能的劣化和零部件的损伤等 22 23 24 状态检测与故障诊断不是等同的概念 而又统一于动态系统之中 状态检测的任务是判别动态系统是否偏离正常功能 监视其发展趋势 一旦偏离正常功能 应迅速作出调整 使工况恢复到正常 预防突发性故障产生 如果系统某个环节存在故障 就要进一步查明故障原因及其部位 这就是诊断 因此 状态检测是故障诊断的基础 25 现在国内外流行的有两种术语 机械系统诊断技术 mechanicalfaultdiagnosis 包括机械设备 工程结构和工艺过程的故障诊断技术 机械设备的技术诊断 technicaldiagnosis 也叫技术诊断学 technicaldiagnostics 或工程诊断 engineeringdiagnosis 后者可以从更广泛的角度来理解诊断 26 2 机械故障诊断学的研究目的与研究范畴 研究故障诊断技术目的就是提高设备效率 运行可靠性 延长使用寿命 降低设备全寿命周期费用 分析故障形成原因 以防患于未然 保证可靠地 高效地发挥设备应有的功能 27 1 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能 延长服役期限和使用寿命 降低设备全寿命周期费用 2 能及时地 正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断 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 以期把故障损失降低到最低水平 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数据和信息 故障诊断的目的 28 尽管人类有关机械故障诊断与设备维修的被动而原始的行为也许可以追溯到自瓦特发明蒸汽机后不久的年代 并通过长期实践逐渐积累了大量的经验 但这些行为与经验 远不能满足现代工业对故障诊断与维修技术的迫切需求 远不能与现代意义上的机械故障诊断理论与技术相提并论 机械故障诊断学的研究研究范畴 29 故障诊断的基础是建立在能量耗散原理上的 所有设备的作用都是能量转换与传递 设备状态愈好 转换与传递过程中的附加能量损耗愈小 例如机械设备 其传递的能量是以力 速度两个主要物理参数来表征 附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现 随着设备劣化程度加大 附加能量损耗也增大 因此 监测附加能量损耗的变化 可以了解设备劣化程度 能量参数 电压及电流 压力及流量等 机械故障诊断学的研究研究范畴 30 机械故障诊断学的研究研究范畴 一个系统或一台机器在运行过程中必然有能量 介质 力 热 及摩擦等各种物理和化学参数的传递和变化 必然会由此而产生各种各样的信息 这些信息的变化直接和间接地反映出系统的运行状态 也即正常运行和异常运行时的信息变化规律是不一样的 技术诊断就是根据机器运行时产生的不同的信息变化规律 信息特征来识别机器是处于正常运行状态还是异常运行状态的 31 机械系统是在给定输入下通过运动实现预期功能的人造技术系统 是动力学研究与应用的主要对象 机械故障诊断的基本目的是通过检测机械系统运行中的某些特征参量 经过分析处理 判断运行状态是否正常 识别故障的类型 程度与发生故障的部位 实现这个目的 有赖于建立诊断对象正常状态和各种故障状态下的动力学模型 并基于模型有针对性地研究给定激励产生的响应及其稳定性 建立故障与运动状态之间的对应关系 分析工况参数对运动及其稳定性的影响 开展这些工作的必要基础正是动力学理论与方法 32 从广义上讲 如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化 就可以称这种运动为振动 振动是自然界最普遍的现象之一 定义 1 心脏的搏动 耳膜和声带的振动 2 桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动 3 飞机和轮船航行中的振动 4 机床和刀具在加工时的振动 各种物理现象 诸如声 光 热等都包含振动 如果变化的物理量是一些机械量或力学量 例如物体的位移 速度 加速度 应力及应变等等 这种振动便称为机械振动 绪论 33 各个不同领域中的现象虽然各具特色 但往往有着相似的数学力学描述 正是在这个共性基础上 有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题 振动力学 借助数学 物理 实验和计算技术 探讨各种振动现象 阐明振动的基本规律 以便克服振动的消极因素 利用其积极因素 为合理解决各种振动问题提供理论依据 绪论 34 振动问题的提法 通常的研究对象被称作系统 它可以是一个零部件 一台机器或者一个完整的工程结构等 外部激振力等因素称为激励 输入 系统发生的振动称为响应 输出 绪论 35 第一类 已知激励和系统 求响应第二类 已知激励和响应 求系统第三类 已知系统和响应 求激励 振动问题按这三个环节可分为三类问题 绪论 36 第一类 已知激励和系统 求响应 动力响应分析 主要任务在于验算结构 产品等在工作时的动力响应 如变形 位移 应力等 是否满足预定的安全要求和其它要求 在产品设计阶段 对具体设计方案进行动力响应验算 若不符合要求再作修改 直到达到要求而最终确定设计方案 这一过程就是所谓的振动设计 正问题 绪论 37 第二类 已知激励和响应 求系统 系统识别 系统辨识 求系统 主要是指获得对于系统的物理参数 如质量 刚度和阻尼系数等 和系统关于振动的固有特性 如固有频率 主振型等 的认识 以估计物理参数为任务的叫做物理参数辨识 以估计系统振动固有特性为任务的叫做模态参数辨识或者试验模态分析 第一个逆问题 绪论 38 第三类 已知系统和响应 求激励 环境预测 例如 为了避免产品在公路运输中的损坏 需要通过实地行车记录汽车振动和产品振动 以估计运输过程中是怎样的一种振动环境 运输过程对于产品是怎样的一种激励 这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装 第二个逆问题 绪论 39 振动诊断涉及两类基本问题 即故障分析与故障诊断 前者是已知故障的类型 位置与程度 通过分析 计算或实验的途径确定在既定故障激励下诊断对象的响应特性 可以称之为正问题求解 故障分析的目的是在故障集与振动状态集之间建立确定的映射关系 进而形成诊断知识库 后者是根据异常响应的特征 推知故障的类型 位置与程度 可以称之为逆问题求解 故障诊断的目的是通过解读实测图谱和数据 辨别异常响应特性 依据业已建立的故障集与振动状态集之间的映射关系 作出诊断结论 显然 无论是故障分析还是故障诊断 都必须依据一定的动力学原理 正是在这个意义上 可以认为线性振动理论 非线性振动理论 运动稳定性与分岔理论是振动诊断方法的科学基础 40 振动测试包括两种方式 一是测量机械或结构在工作状态下的振动 如振动位移 速度 加速度 频率和相位等 了解被测对象的振动状态 评定等级和寻找振源 对设备进行监测 分析 诊断和预测 二是对机械设备或结构施加某种激励 测量其受迫振动 以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能 如固有频率 阻尼 刚度 频率响应和模态等 41 由传感器或人的感官所获得的信息往往不明显 不直观 很难直接进行故障诊断 信号分析处理可以将获得的信息通过一定的方法进行变换处理 从不同的角度提取最直观 最敏感的特征信息 一般情况下要从多重分析域 多个角度来分析观察这些信息 分析处理方法的选择 处理过程的准确性以及表达的直观性都会对诊断结果产生较大影响 随着科学技术的进步 逐步开发了一些检测方法和监测手段 特别是现代的数字信号处理技术的应用 使振动诊断及分析技术更加完善 42 该学科涉及众多的科学与技术领域 具有明显的 积木式 知识结构 其显著特点是理论性与实践性俱强 新理论与新技术密集 机械故障诊断学就学科性质而言 是属于动态系统辨识的研究范畴 就工程特点而言 是研究机械设备运行状态的科学 由于社会生产和科技发展对诊断技术的要求不断提高 以及相关知识领域 如计算机科学与技术 信号与系统分析 动力学理论与方法 人工智能等 的新成果不断涌现 机械故障诊断学科仍处于高速发展之中 机械故障诊断学的研究研究范畴 43 设备故障诊断技术与各学科间的关系 44 现代诊断工程学的共同基础是信息论 智能论 系统论和控制论 机械设备诊断技术的机理正是建立在这四论的基础上 设备诊断的构成基础 45 机械故障诊断理论与技术是近40多年来国际上随着电子计算机技术 现代测量技术和信号处理技术的迅速发展而发展起来的一项新技术 像技术科学所有新兴学科一样 机械故障诊断理论与技术的形成和发展有其鲜明的社会生产和科学技术背景 是社会生产和科学技术发展到一定阶段的必然产物 机械故障诊断学是一门近四十年年来发展起来的新学科 是现代化设备维修技术的重要组成部分 并且正在日益成为设备维修管理工作现代化的一个重要标志 46 自20世纪60年代末至今 机械故障诊断理论与技术在世界范围内受到政府 学术界和工业界日益广泛的关注 一直是技术科学中研究与应用的热点 特别是在进入20世纪90年代以后 以前所未有的势头在国内得到了十分迅速的发展 并在机械 冶金 电力等行业得到了十分广泛的应用 机械故障诊断理论与技术已经从对机械零部件的诊断发展到对整台机器 一个机组 甚至是对一条生产线进行诊断 进而融入企业管理的计算机网络系统 已形成一门发展迅速的 新兴的综合性交叉学科 47 设备诊断的工程性 机械故障诊断技术来自工程实际 为生产实践服务 又回到工程实践中 已发展成为综合性的工程系统 随着机械故障诊断工程的形成 它的理论和技术基础 也就是机械故障诊断学科也已形成 这是一门多学科交叉的新型学科 它充分应用了计算机最新技术和前沿科学 48 机械设备故障诊断工程概念图解 设备诊断的工程性 49 设备诊断的工程性 由于机械设备和工况条件的复杂性和多样性 某种诊断技术在某一工厂应用效果显著 而在另一工厂并不一定就很合适 或者在实验室是成功的 而在生产现场就行不通 由于信息的多样性 为了开发机械设备故障诊断技术 就必须对于别的领域中的诊断方法 别的学科中的理论 方法以及各种现代化仪器的最新成就给予高度重视 如振动测试和信号分析 现代结构动力学方法 声发射技术 红外测温技术 热像技术 油液分析技术及各种无损检测技术等都被用于机械设备故障诊断技术中 这几乎涉及到自然科学的各个领域 所以需要广泛的理论基础 50 机械故障诊断技术属于一门综合性很强的技术领域 它涉及计算机软硬件 传感器与检测技术 信号分析与数据处理 预测预报 自动控制 系统辨识 人工智能 力学 数学及振动工程和机械工程等领域 是以工程数学 可靠性理论 信息理论 智能论 系统论和控制论为基础 以电子计算机 人工智能为手段 以机械故障为主要研究内容 研究机器故障机理 机械诊断理论 方法和检测诊断技术的一门综合应用学科 机械故障诊断学的研究研究范畴 51 3 机械故障诊断理论与技术的意义 故障诊断的意义 简单而言就是保障生产安全 改革设备维修制度 提高生产率 工业固定资产的占有量表征 个国家的工业生产能力 占工业固定资产总值约60 70 的机械设备拥有量构成了国家经济实力和社会财富的重要组成都分 现代机械设备的功能综合与高技术密集 无疑极大地促进了社会生产力的发展 但另 方面 由于现代生产机械日益高速化 大型化 精密化 自动化 一旦发生故障 将直接导致巨额经济损失和灾难性的人员伤亡 52 现代机械设备的功能综合与高技术密集 无疑极大地促进了社会生产力的发展 但也导致设备的组成和结构也相应地变得更为复杂 使得设备的可靠性和可维修性下降 维修保养费用居高不下 所以也同时派生出人们必须直接面对的问题 维护管理难度和运行维修费用剧增 故障分析难度和故障危害程度剧增 血泪教训促使人们清醒地认识到 技术系统的故障已成为现代工业乃至整个人类的心腹大患 机械设备的可靠性 维修性 安全性日显重要 53 故障诊断的意义 预防事故 保证人身和设备安全 转子事故 54 现实生活和工业过程中恶性事故时有发生 透平机械事故 55 水轮机事故 56 调查委员会在经过 个月的调查后 提出长达 页的调查报告 报告认为 挑战者 号爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题 由于航天飞机发射时气温过低 寒冷的天气对火箭垫圈产生影响 最终导致爆炸 57 58 设备维修费在生产成本中所占的比重很大 对于工业发达的国家来说 任何一家公司的维修费都是一个可观的数字 国外研究表明 维修费随设备技术含量的提高而增加 并且与维修体制密切相关 不同制度的维修成本的比较 大型钢铁企业 59 在日本 由于较为重视状态监测与故障诊断工作 上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的6 10 加上库存的备品备件 总维修费达销售额的25 在美国 根据美国国家统计局发布的资料 1980年美国工业设备的维修费达2460亿美元 几乎占了中央和地方税收总额 7500亿美元 的三分之一 而其中的750亿美元是因不当维修 包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了 在我国的石化行业 伴随着维修体制的逐步改进 以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展和提高 维修费所占的比重呈逐步下降趋势 上世纪八十年代为年产值的20 左右 九十年代为15 左右 近年来为10 左右 甚至略低 60 日本应用故障诊断技术后 事故发生率减少75 维修费用降低25 50 英国对2000个国营工厂的调查表明 采用状态监测和故障诊断技术后 每年可节省维修费用3亿英镑 而故障诊断系统的成本为0 5亿英镑 我国1987年国营公交企业40万个 固定资产 7000亿 维修费约为固定资产的3 5 提高企业的经济效益 61 300mw发电机组停产一天损失电720万kwh 约 144万元30万吨化肥装置停产一天损失化肥1000t 约 150万元三峡2号水轮机组700mw停机4小时损失 400万元 另外 机器一旦出现故障 即使是局部失灵都有可能造成整台机器停机甚至整条流水线或整个自动化车间停产 所造成的经济损失是十分巨大的 人员伤亡也是不可避免的 给企业 国家造成不可挽回的巨大的经济损失 62 现实迫使工业技术领域进行两种根本性的变革 1 设计观念的变革 长期以来 机械产品设计人员始终把优良的功能作为设计的最终 有时甚至是唯一 目标 而忽视可靠性 稳定性和维修性等方面的问题 这一传统的设计观念已经给人类带来过许多损失和灾难 从单纯追求优良的功能到自始至终计及产品寿命周期内所有因素的并行工程的设计观念的变革已成为势在必行 2 维修体制的变革 设备维修体制是与一定的社会生产发展阶段相适应的 对于大型 精密 稀贵设备和流程工业中连续运转 利用率高的关键设备 传统的事后维修制 breakdownmaintenance 和定期预防维修制 time basedpreventivemaintenance 因不能及时维修和过剩维修而酿成重大事故和大幅度增加生产成本 无法适应现代工业的发展 必将逐步地被一种新的维修体制 即视情维修制 condition basedmaintenance 所取代 63 维修体制的变革经历了故障维修 预防性维修和预知性维修三个阶段 推动设备维修制度的改革 故障维修 breakdownmaintenance 又称为事后维修pom postmortemmaintenance 属早期维修制度 其特点为 不坏不修 小车不倒只管推 设备什么时候坏了 什么时候修 盲目 无计划 设备损坏程度大 维修费用高 适应于小型设备 优点 不需要安排计划 对一些设备 更换比修理更便宜 缺点 意外停机引起生产损失 可能引起设备的二次损坏 甚至灾难性事故 64 预防性维修体制pm preventivemaintenance 又称以时间为基础的维修制度tbm timebasedmaintenance 或计划维修制度 其特点为 静态维修制度 它是根据生产计划和经验 规定在设备运行一确定时间后停下 进行解体 检查 修理 更换零部件 优点 减少意外停机缺点 意外停机引起生产损失过剩维修导致维修费用增加 65 视情维修制或预知性维修prm predictivemaintenance 又称为以状态为基础的维修制度cbm conditionbasedmaintenance 其特点为 以状态监测与故障诊断技术为基础 根据设备运行状态的实际优劣程度为依据 根据生产需要决定维修时间和维修规模 是动态维修制度 是发展方向 预知性维修要求 不断地测知表征设备实际状态的参数 对测得参数进行分析 判断 做出是否发生故障以及故障类型 故障程度的评价 推测机器状态的发展趋势 估算出最佳的维修时机 预知性维修的目标是 需要停车时才停车 需要换件时才换件 需要维修什么项目 如某处轴承 某根转子 某处对中 某个齿轮 才维修什么项目 66 顺利地完成这两种变革的必要基础正是机械故障诊断理论与技术 社会一旦有技术上的需要 则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进 马克思恩格斯选集 到20世纪60年代 航天技术的兴起 核能工业的发展 高技术密集型大型工程和机组的出现 又给发展机械故障诊断理论与技术施加了强大的推动力 可以讲对故障诊断技术是社会生产的迫切需求 67 设备诊断技术的意义 机械诊断技术是改革维修制度 实行视情维修的必要手段 是提高维修效率 监督维修质量的迫切需要 是提高运行安全可靠性 保证机器安全的有效手段 提高设备效率 降低全寿命周期费用 68 保证设备精度 提高产品质量 69 4 机械故障诊断技术的发展与现状 故障诊断技术是近四十年来国内外发展较快的一门新兴学科 是现代化生产的产物 第二次世界大战中 由于缺乏先进的故障诊断技术和相应的维修手段 以及设计时片面追求优良性能而忽视可靠性 稳定性和维修性 以致盟军的不少武器装备未能实现预期的效能 尽管此时人们对于诊断技术的重要性已经有所认识 但发展这项先进技术的科学技术条件并不成熟 直至20世纪60年代中期和末期 与故障诊断技术密切相关的科学理论与技术才获得突破性的进展 70 4 机械故障诊断技术的发展与现状 1 数学 力学相关分支 如模糊数学 断裂力学 损伤力学 计算力学等 的创立和发展 以及模式识别 非线性科学的兴起 深化了人们对于故障的生成与演化 机械动力学过程与现象的认识 并为分析故障机理 识别故障模式 预报故障趋势提供了有效的理论与方法 2 振动测试 红外热像 声发射 油样分析等技术和传感技术的发展 丰富了信号检测与分析的手段 方法和应用范围 为故障诊断提供了各具特色的有效技术途径 3 计算机和电子技术的进步 快速傅里叶变换的出现 把信号处理与分析技术推到了前所未有的高度 从而使得机械设备的在线监测与实时诊断成为可能 4 动力系统辨识和建模理论与方法的新发展 使得人们有可能在状态集与故障集之间确立较为可靠的映射关系 井以此为基础进行故障诊断和趋势预报 71 4 机械故障诊断技术的发展与现状 科学技术的上述进步 为机械故障诊断理论与技术的形成和发展奠定了坚实的知识基础和技术基础 到20世纪60年代末期 由于具备了来自现代社会生产的必要性和科学技术提供的可能性 机械故障诊断理论与技术使应运而生了 72 故障诊断技术的发展概况 美国 1967年美国国家宇航局 nasn 创立机械故障预防小组mfpg machineryfaultpreventiongroup 在航空 航天 军事 核能等尖端部门目前处于领先地位 英国 70年代初成立成立机械保健中心 uk mechanicalhealthmonitoringcenter 与状态监测协会 在摩擦 磨损 汽车 飞机发动机监测与诊断具有领先地位 欧洲一些国家 瑞典spm公司 轴承监测技术 agema公司 红外热像技术 丹麦b k公司 振动 噪声监测技术 挪威 船舰诊断技术 日本 70年代起步 在民用工业 钢铁 化工 铁道等 有优势 中国 1979年第一次办学习班 80年代初开始 目前在石化 冶金 电力等行业应用较好 在其它领域逐步展开 73 4 机械故障诊断技术的发展与现状 1979年机械工业部在长春举办设备科长学习班 1983年在南京举办首届设备诊断技术专题座谈会天津大学 1982年起研究齿轮传动 轴承 齿轮箱 切削过程等方面的诊断与监控技术华中理工大学 汽轮发电机组诊断专家系统 钢丝绳诊断系统西安交通大学 旋转机械故障诊断rb 20 用于炼油行业国防科技大学 望远号远洋考察船的在线监控与故障诊断系统哈尔滨工业大学 20万kw汽轮发电机组诊断 74 4 机械故障诊断技术的发展与现状 状态监测与故障诊断技术自身的发展过程 大致可归纳为以下三个阶段 离线的fft分析仪阶段 上世纪八十年代初 中期 通过磁带记录仪到现场记录振动信号 然后回实验室输入fft 快速傅里叶变换 分析仪回放 进行频谱分析 只有功率谱 幅值谱 及波形 少数配置双通道时才能看到轴心轨迹 分析方法单一 基本上只能查幅值 频率 离线或在线的计算机辅助监测 诊断阶段 上世纪八十年代末期至九十年代中期 通过计算机完成信息采集 信号分析 数据库管理 甚至给出诊断结论 有各种图谱 分析方法多样 更加注重幅值 频率 相位信息的全面 综合利用 还涌现出专家辅助诊断系统 网络化监测 诊断阶段 上世纪九十年代末以来 充分利用企业内部局域网和internet网络 做到资源共享 节省投资 远程诊断 所监测的参数不再局限于振动 轴位移 转速 进一步扩展到流量 压力 温度等工艺过程量 对设备运行状态的把握更加全面 准确 实现了真正意义上的专家远程诊断 75 监视诊断技术的现状 各个工程领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同 目前监视诊断技术主要用于连续生产系统或与产品质量有直接关系的关键设备 如汽轮机 高速离心压缩机等 这一领域所采用的监视诊断技术可以概括为三类或三种层次的监测方法 1 以监测仪表为主体的监测装置 如bently序列 philips序列等 由传感器和指示仪表构成 主要用于监测振动 缺点 幅值监测不能动态过程特征 强烈振动前 故障征兆不明显 仪表无分析功能 靠人工经验判断 2 监测仪表配备软硬件装置 由传感器 频谱分析仪构成 具有频谱分析 谱阵图 波特图 轴心轨迹图等功能 缺点 不能自动判断 诊断依赖于领域专家 不能预防突发性故障 大型设备结构复杂 故障与征兆无一一对应关系 难免误诊断 3 计算机辅助监测与诊断系统 由传感器 接口装置 计算机 含人工智能技术 组成 可实时监测和自动诊断 是机械工况监测与故障诊断的主要发展领域 目前无商品供应 但国内外有这种系统的开发与应用 76 故障诊断发展趋势 分布式 网络化监测代替集中监测 实时的在线监测替代定期监测和巡回监测 以多参数 大容量替代单参数监测 平稳运行监测到非平稳的状态监测发展 基于信息集成 融合 信息分解 提纯等技术取代单参数的阈值比较 77 4 机械故障诊断技术的发展与现状 计算机辅助监视与诊断系统今后发展方向主要是减少人工干预 提高自动化及自适应能力的多层次的人工智能诊断系统发展 诊断技术的自动化 智能化水平将进一步提高 故障诊断将向多参数综合发展 故障诊断的速度更快 诊断的准确度将进一步提高 互联网将为故障诊断提供源源不断不断的信息 78 4 机械故障诊断技术的发展与现状 回顾工程诊断技术的发展 从20世纪60年代开始实现单机监测 70年代形成机组在线监测系统及工艺参数在线监测系统 到80年代出现机械设备故障诊断专家系统 进入90年代在开发新的信号处理技术 如小波分析法等 和把人工神经网络 遗传算法引入诊断方法的同时 机械故障诊断系统正向着工程化的方向发展 专家们愈来愈重视机械故障诊断的工程性 把故障诊断和工程控制结合起来 形成了状态监测 故障诊断 工程控制 科学管理综合连接的机械设备故障诊断工程 它包括了机械设备的监测诊断管理维修和生产工艺的最优控制 79 1 故障诊断的意义 保障生产安全 改革设备维修制度 提高生产率 2 故障的含义 机械系统偏离功能 功能失效 3 故障诊断技术 是了解 掌握设备在使用中的状态 确定其整体或局部是否正常 早期发现故障及其原因 并预报故障发展趋势的技术 4 故障诊断基本内容 设备运行状态的监测 利用监测信息 判断是否正常 发现故障苗头 设备运行状态的趋势预报 利用运行状态的发展趋势 预知设备的劣化速度 为生产安排 维修计划做准备 故障类型 程度 部位和原因的确定 为诊断决策提供依据 故障诊断的意义 内容 方法 80 绪论 一 机械故障诊断的意义及发展现状二 机械故障诊断的基本内容与技术过程三 大机组状态监测与故障诊断常用的方法四 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略 81 诊断对象 故障诊断技术已经从对机械零部件的诊断发展到对整台机器 一个机组 甚至是对一条生产线进行诊断 进而融入企业管理的计算机网络系统 采用由计算机网络形成的dcs diagnosticcommunicationsystem 诊断通信系统 对复杂的加工中心进行监视 a机械零部件的技术诊断包括对工程结构的损伤诊断 如齿轮 轴 轴承 梁 柱 板 壳等等的损伤诊断 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 一 故障诊断基本内容 82 b机器的技术诊断包括对机器的性能和强度的诊断和评价 性能评价方面 要诊断功能的正常和异常 故障和劣化 要分析其产生的原因 强度评价方面 要分析其主要零部件的可靠性 预测其寿命 在机械设备的性能和强度的检测评价的基础上确定出修复和改善的方法 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 83 机械设备在安装完成投入运行后就很难对它的关键零件直接测试取得信息 所以在绝大多数情况下都采用间接测量的方法 间接测取的信息叫做机器的 二次信息 由于二次信息带有一定程度的 不确定性 因此根据二次信息进行的间接诊断就不象直接诊断那样准确 为了避免误诊断 就需要研究识别理论 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 84 在识别理论中首先要求明确提出所需诊断的对象 也就是要明确区分所要识别的状态 其次要选定检测和诊断用的特征及确定这些特征参数和所要诊断的机械设备状态之间的关系 第三还要提出决策的规则 诊断的原则 必须在着三方面都正确处理后才能对机械设备进行正确的诊断 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 85 c系统的技术诊断 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 故障诊断是根据机械设备和工艺过程种发生的各种信息来识别和诊断的 是一个包含运行状态检测 信号外析处理 故障模式识别 未来趋势预测 维修决策形成等内容的完整而系统的技术过程 简而言之 技术诊断的基本内容包括状态监测 识别诊断和预测三个方面 图机械故障诊断过程 86 故障诊断基本内容 设备运行状态的监测 利用监测信息 判断是否正常 发现故障苗头 设备运行状态的趋势预报 利用运行状态的发展趋势 预知设备的劣化速度 为生产安排 维修计划做准备 故障类型 程度 部位和原因的确定 为诊断决策提供依据 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 87 包括 机械故障机理 诊断数学和检测技术等三方面的内容 故障机理 又称失效理论 是研究机器元件 部件失效机理 即失去功能的物理化学过程和失效模式 诊断数学 是研究诊断信息的选择 采集 处理和判断的数学原理与方法 检测诊断技术 是诊断理论与方法的一种工程实现 包括检测仪器的研制 无损检测技术 寿命估计与预报技术和诊断系统等 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 88 二 机械故障诊断的基本内容与技术过程 二 机械故障诊断技术过程 89 设备故障诊断的内容包括状态监测 分析诊断和故障预测三个方面 其具体实施过程可以归纳为以下四个方面 1 信号采集 2 信号处理 特征提取 3 状态识别 4 诊断决策 二 机械故障诊断技术过程 90 故障诊断技术的环节 二 机械故障诊断技术过程 1 诊断信号的采集 获取 诊断信息的获取方法 直接观察 性能测定 残余物测定 温度测定 压力测定 声发射检测等 信号检测 传感器 采样与予处理 a d 数字信号予处理 2 特征信号分析 提取 1 时域分析法 1 概率密度涵数 2 随即过程的数字特征 均值 方差 有效值 3 自相关函数 2 頻域诊断法 自功率谱密度函数3 状态识别及趋势分析以模式识别为理论基础 有两种 1 统计模式识别2 结构模式识别基于模糊数学的模糊诊断 基于灰色理论的灰色诊断 91 基于信息论的信号采集和信号处理技术是诊断过程的第一和第二个环节 机械设备的工作状态通过其运行时产生的各种信息反映出来 所以诊断过程的第一步就是用传感器把能表征机械设备状态的信号采集出来 每一种传感器采集到的信号中都包含有对诊断有用的信号和与诊断无关的噪声信号 诊断过程的第二步就是从采集到的信号中提取有用的信号并把它加工成能 二 机械故障诊断技术过程 92 三 监测与诊断系统硬件构成 目前所采用的检测诊断技术 其系统硬件主要由传感器 接口装置及磁带记录仪或示波器或谱分析仪等指示仪表箱或计算机构成 93 三 监测与诊断系统硬件构成 图测量系统示意 图轴承振动信号测量 94 三 监测与诊断系统硬件构成 图计算机辅助振动信号测试系统 95 绪论 一 机械故障诊断的意义及发展现状二 机械故障诊断的基本内容与技术过程三 大机组状态监测与故障诊断常用的方法四 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略 96 三 大机组状态监测与故障诊断常用的方法 对研究的对象进行分类实际上是一种分析问题的方法 从各种不同的角度进行分类就是从不同的侧面和深度来研究问题 可作为机械设备状态监测与故障诊断的信息是多种多样的 主要有 振动 声音 变形 应力 裂纹 磨损 腐蚀 温度 压力 流量 电流 转速 扭矩 功率 等等 因此其方法也有多种 一 故障诊断技术的方法与分类 二 监测与故障诊断常用的方法 97 按照诊断模式分 离线分析诊断 在线分析诊断 远程检测诊断 故障诊断技术的方法与分类 98 离线分析诊断 定期或不定期的巡检的方式采集现场数据 然后回放到计算机 由计算机软件进行监测与诊断分析 特点 离线分析 对突发故障无能为力 但可精细分析 99 计算机 监控箱 记录 文件 在线分析诊断 由传感器及高速实时数采硬件 控制计算机及监测分析软件组成 特点 在线监测 可以给出设备的当前状态 捕捉突发故障并进行及时分析 100 信号调理 信号调理 信号调理 机组 机组 现场工控机 信号调理 信号调理 信号调理 机组 机组 现场工控机 信号调理 信号调理 信号调理 机组 机组 现场工控机 远程计算机 局域网 实时远程监测 充分挖掘和发挥网络信息交换 资源共享的优点 充分利用科研院所的专家资源 实现 移动的是数据而不是人 在网络层面上实现故障信息的挖掘和故障类型的确诊 101 按检测参数分 振动 适用于旋转机械 往复机械 轴承 齿轮等 温度 红外 适用于工业炉窑 热力机械 电机 电器等 声发射 适用于压力容器 往复机械 轴承 齿轮等 油液 铁谱 适用于齿轮箱 设备润滑系统 电力变压器等 无损检测 采用物理化学方法 用于关键零部件的故障检测 压力 适用于液压系统 流体机械 内燃