状态监测和故障诊断(绪论)

工程机械故障检测与诊断,在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。,1、什么是状态监测和故障诊断？,是防止事故和计划外停机的有效手段。是设备维修的发展方向。,机械故障诊断是一种了解和掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。油液监测、振动监测、噪声监测、性能趋势分析和无损探伤等为其主要的诊断技术方式。,2.1故障的含义及类型1故障的含义故障机械设备在运行过程中，丧失或降低其规定的功能及不能继续运行的现象。,2、机械故障概论,2故障的类型故障可以不同角度分：如1）临时性故障2）永久性故障按故障发生的时间分有以下几种：1）早发性故障2）突发性故障3）渐进性故障4）复合型故障按故障表现形式分有：1）功能故障2）潜在故障按故障产生的原因分有：1）人为故障2）自然故障,按故障造成的后果分有：1）致命故障2）严重故障3）一般故障4）轻度故障故障通常采取几种分类法复合并用，如突发性的局部故障；磨损性的危险故障等。由此看出故障的复杂性；严重性和起因等情况。,2.2故障的特点与故障管理1故障的特点1）多样性2）层次性3）多因素和相关性4）延时性5）不确定性6）修复性,2故障管理故障管理是设备管理的核心内容之一。其目的在于早期发现故障征兆，及时采取措施进行预防和维修。,故障管理的程序和内容包括：1、宣传教育和技术培训相结合。2、制定严格的管理制度和维护保养制度。3、熟悉机械设备结构和工作原理，掌握工作性能。,4、配置先进的检查、检测和监测设备，对重要设备和零部件进行实时监测，定期分析，准确掌握设备故障的信息和征兆。5、根据故障现象和信息及征兆，进行认真科学地分析，确定故障原因、类型、采取最佳的维修策略和维修方案，及时维修过程进行记录。提供后期统计和借鉴。6、对常发生或多次重复出现的故障的部位或零件，要重点监测，必要时对其进行系统技术改造。建立故障信息管理流程图。,2.3影响故障产生的主要因素（一）制造和修理因素对故障的影响1、零件材料的选择2、零件加工质量3、装配质量（二）使用因素对故障的影响1、工作负荷2、工作环境3、设备保养和操作技术,返回,3、简易诊断和精密诊断,状态监测（简易诊断）内容：识别有无故障明确故障严重程度作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行,故障诊断（精密诊断）内容：确定故障部位确定故障原因提出维修建议由设备诊断人员在现场或中心进行,状态监测和故障诊断的过程,状态监测和故障诊断的作用,监测与保护监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。处理与预防给出消除故障的措施。防止发生同类故障。,4、设备维修制度的发展,事后维修，故障维修(Breakdown)设备坏了后才去修理。定期维修，预防维修(Preventive)定期地检查和大修。预测维修，视情维修(Predictive)周期的监测，必要时才去维修。,事后维修体制,设备运行到坏了再进行修理。不需要安排计划。对一些设备，更换比修理更便宜。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。库存备件投资多。,定义优点缺点,定期维修体制,按预订的时间间隔或检修周期，对设备作维修、调整和更换备件。机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。,定义优点缺点,预测维修体制,有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态，必要时才进行维修。减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。维修费用大为减少。备件库存最小。需要初始投资。需学习和培训。,定义优点缺点,不同制度的维修成本的比较,大型钢铁企业,维修费用化了多少？,美国1980年税收总额$7500亿，维修费为$2460亿,估计其中过剩维修费为$750亿。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35。我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，维修费有多少？能节省多少？,停产一天的损失有多大？,300MW发电机组损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW停机4小时损失￥400万元,先进维修制度的作用,保证机器精度，提高产品质量减少意外停车引起的生产损失防止事故，杜绝灾难性故障减少维修时间和维修费用（人力和财力）改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报,5、监测和诊断的各种手段,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、内燃机和液力耦合器等。强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。,分析技术,可用于机械状态监测与故障诊断的信号有振动诊断、油样分析、温度监测和无损检测探伤为主，其他技术或方法为辅的局面。这其中又以振动诊断涉及的领域最广、理论基础最为雄厚、研究得最为充分。目前，在振动信号的分析处理方面，除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数辨识外，近来又发展了频率细化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨迹分析以及基于非平稳信号假设的短时傅里叶变换、Winger分布和小波变换等。而当代人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了新的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展，且己有成功的应用实例，作为人工智能的一个重要分支，人工神经网络的研究己成为机械故障诊断领域的一个最新研究热点。,仪器分类：便携式测振表数据采集器表盘式的监测系统计算机化监测系统,监测和诊断仪器的分类和选用,仪器选用原则：被监测对象在生产中的地位生产的规模和产量预计的投资设备管理人员的水平和素质,监测和诊断仪器的分类和选用,测振表的外形和原理框图,测振表,传感器,数据采集器,计算机及外部设备,数据采集器的外形和工作框图,数据采集器,数据采集器的工作流程,典型的表盘式监测系统,双通道振动表,推力瓦位和瓦温表,振动传感器在瓦盖上,水泵的监测系统,典型的表盘式监测系统,离心压缩机监测系统,计算机化的监测系统框图,最简单的计算机化监测系统。单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话等功能。,汽轮发电机组的监测系统框图,故障诊断的专家系统框图,专家系统是一个故障诊断的专用程序。用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。,专家系统,6、精密诊断的方法,频谱分析法趋势分析法通频值趋势分析、频谱趋势分析时域分析法波形分析、相关函数分析倒频谱分析法模态分析法随机减量法,其他数学方法模式识别法模糊诊断法故障树诊断法神经网络法小波分析法灰色系统法分形几何法,精密诊断最常用的方法,频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。,转动机械常见故障的频率特征,强迫振动类故障,自激振动类故障,R:转动频率,转子不平衡故障的频谱,波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。过临界转速有共振峰。,转子不平衡的类型,转子不对中故障的频谱,出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。轴向振动一般较大。本例中，出现叶片通过频率。,转子不对中的类型,正确对中e=0,=0,平行不对中e0,=0,角度不对中e=0,0,综合不对中e0,0,不同联轴节的情况,联轴节类型不对中形式振动特征刚性联轴节平行不对中有2X成分角度不对中轴向振动1X成分大轴向振动大，有2X及高次谐波齿式联轴节径向振动可能有2X、3X、4X联轴节两侧振动的相位常相反膜片联轴节有nX成分（n为螺钉数）,转子系统松动故障的频谱,波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确的倍频2X，3X等成分。松动结合面两边，振幅有明显差别。,松动故障引起的间入谐量,未松动时的频谱松动时的频谱出现0.5X，1.5X，2.5X，3.5X.等频率成分,D节圆直径d滚珠直径接触角z滚珠数R轴的转速频率,滚动轴承故障的特征频率,外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环,滚动轴承故障的频谱,轴承每一种零件有其特殊的故障频率。随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。还可用非频率域的诊断方法，如共振解调。,电机,离心泵,带滚动轴承的机械的频谱特点,带滑动轴承的机械的频谱特点,齿轮故障的频谱,齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。可用倒频谱作进一步分析。,齿轮箱,上辊,下辊,输入轴,趋势分析法的理论根据,监视机器的劣化过程预测机器的失效时间,“浴盆曲线”,趋势分析法,通频值趋势分析简单易行不易发现早期故障,频谱趋势分析能早期发现齿轮、轴承等早期故障能较快判定故障的部位,通频值趋势分析,确定报警值和危险值的方法,绝对法根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等，如：ISO，GB，API等。相对法以机器正常状态的振动值作为基数，自己和自己比。类比法与同类机器的振动值作比较。,转机振动标准举例(轴承振动)ISO2372，ISO3945,振动烈度：振动速度的有效值测量频率范围101000Hz,I级：小型机械例15kW以下电机II级：中型机械例1575kW以下电机