机械故障诊断学

1、会计学1机械故障诊断学机械故障诊断学第1页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第2页/共34页1-1 故障诊断的意义、内容、方法1-2 故障诊断技术的发展1-3 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略1-4 故障诊断与机械系统可靠性及维修性的关系中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第3页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第4页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第5页/共34页第6页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第7页/共34页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

2、含义：设备在规定时间、规定条件下丧失规定功能的状况机械系统偏离功能；功能失效。3.状态监测： 对设备的运动状况进行日常的、连续的、规范的工作状态的检查和测量4.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。 1-1 1-1 故障诊断的意义、内容、方法故障诊断的意义、内容、方法中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第8页/共34页5. 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

3、、程度、部位和原因的确定为诊断决策提供依据。中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第9页/共34页6. 故障诊断方法：按诊断环境分类：离线与在线诊断；按监测手段分类：振动监测诊断法、噪声监测诊断法、温度监测诊断法、声发射监测诊断法、压力监测诊断法、油液监测诊断法、金相分析诊断法等；按诊断方法、原理分类：频域诊断法、时域诊断法、统计分析法、信息理论分析法、模式识别法、人工神经网络、专家系统等等； 按诊断对象分类：军械装备，矿山机械、选矿机械、旋转机械等。中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第10页/共34页总体：第二次世界大战中，认识到这种技术的重要性； 第二次世界大战后，因对应技

4、术未发展而发展不快；60年代后，电子技术、计算机技术发展、1965年FFT方法和对应的数字信号处理和分析技术的发展为设备诊断技术奠定了技术基础。1-2 故障诊断技术的发展中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第11页/共34页 美国：1967年成立美国机械故障预防小组MFPG，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年代初成立机器保健与状态监测协会，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-舰船诊断技术。 日本：70年代起步

5、，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。 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第12页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第13页/共34页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：幅值监测不能动态显示过程特征；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：

6、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）三种层次的监测方法：中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第14页/共34页诊断技术应用诊断技术应用中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第15页/共34页故障诊断和状态监控的应用现状 国外国外： 美国最早，1967年美国宇航局倡导成立了机械故障预防小组（MFPG） 70年代英国机械

7、保健中心成立，并用于核发电、钢铁、电力等诊断。 71年日本开始发展自己的TPM（全员生产维修）：钢铁、化工、铁路 欧美许多国家都在重视发展。如瑞典SPM轴承监测、挪威船舶诊断、丹麦B&K的振动与声发射诊断中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第16页/共34页故障诊断和状态监控的应用现状国内国内： 天津大学从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，成果有：1、 设备的智能诊断与预测维修系统2、 设备在线自动报警与保护通用监控系统3、 动态测试与信号分析系统4、 模态分析系统 华中理工大学研究开发的汽轮发电机组诊断专家系统、钢丝绳诊断系统 西安交大：

8、旋转机械故障诊断RB-20，用于炼油行业 国防科大：望远号远洋考察船在线监控与故障诊断系统 哈工大： 20万kW汽轮发电机组诊断中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第17页/共34页状状 态态 监监 测测以组态方式实时显示所监测的数据，能自动识别以组态方式实时显示所监测的数据，能自动识别设备的状态，出现异常时可自动报警设备的状态，出现异常时可自动报警 。第18页/共34页可动态显示当前振动的时域波形、频谱、轴心轨迹，可动态显示当前振动的时域波形、频谱、轴心轨迹，从中可了解机组故障和损坏的原因及程度从中可了解机组故障和损坏的原因及程度第19页/共34页智能火力发电站控制技术智能火力发电站

9、控制技术智能化火电厂智能化火电厂负荷智能调度负荷智能调度硬件支撑设备硬件支撑设备通信通信信息信息统一支撑平台统一支撑平台基本专业应用基本专业应用智能高级应用智能高级应用智智能能评评估估运运行行维维护护资资产产管管理理统一标准接口统一标准接口煤质在线监测煤质在线监测排放在线监测排放在线监测设备状态监控设备状态监控经济优化经济优化第20页/共34页第21页/共34页一些诊断技术及其应用范围：（见下表）类 别 主 要 诊 断 对 象 诊 断 技 术 举 例 机械零件 滑动轴承、滚动轴承、齿轮 振动噪声监测、电阻法、温度监测、油液分析。 传动系统 传动轴系、高速旋转件、轮轴。 振动噪声监测、声发射技术

10、、模态分析。 流体机械 水泵、泵油缸、阀、空压机、风机。 振动噪声监测、压力脉冲法、超声波监测、温度监测、效率监测。 动力机械 发动机、涡轮机、液压马达。 振动噪声监测、气流轨迹分析、效率测定、气体分析、压力脉冲法。 加工机械 机床、剪切机、焊接设备。 振动噪声监测、负载电流测定、火花检测法。 静态机械 压力容器、结构件、管道系统。 声发射技术、 X 射线探伤、超声探伤、阻抗法、红外热像技术、腐蚀监测。 电机电器 电机、电缆、变压器。 振动噪声监测、电流分析法，绝缘诊断法、整流监测法、气相分析。 控制系统 电机控制系统、液压控制系统、检测系统。 卡尔曼滤波法、传递函数法、系统辩识法、统计控制理

11、论、可变量解析法。 大型整机 大型机械设备系统 综合上述各种方法 第22页/共34页1-3 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略1. 工况监测与故障诊断系统的主要环节第23页/共34页2. 计算机辅助监测、诊断方案计算机辅助监测、诊断方案第24页/共34页1-4 故障诊断与产品可靠性及维修性的关系1. 产品可靠性与故障诊断的关系n可靠度：产品无故障概率，可靠度函数 R（t）n故障概率：F（t）概率密度函数某一额定时间连续工作时间)()(1)()()()()(0tfTttFtRdttftFTtPtFT中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第25页/共34页 A 时间故障率 B 时间故

12、障率 C 时间故障率浴盆曲线磨合期不明显耗损期不明显 D 时间故障率 E 时间故障率 F 时间故障率随机期约为常数随机期约为常数随机期约为常数A、B-汽缸、连杆机构、齿轮、轴承等汽缸、连杆机构、齿轮、轴承等零部件；零部件；C-航空涡轮发动机；航空涡轮发动机；D、E、F-电子产品。电子产品。机械设备使用全过程：机械设备使用全过程： 磨合期（早期故障期）磨合期（早期故障期） 正常使用期（随机故障期）正常使用期（随机故障期） 耗损期（磨耗故障期）耗损期（磨耗故障期）第26页/共34页wonontttA,可靠性可靠性: 产品是否经久耐用产品是否经久耐用可维修性可维修性: 产品发生故障后是否容易诊断和修

13、复产品发生故障后是否容易诊断和修复利用率利用率: 可修复产品在某一时间内可修复产品在某一时间内,能维持其规定能维持其规定功能的属性功能的属性ont,wt平均无故障正常工作时间平均无故障正常工作时间停机维修时间停机维修时间预知维修的意义预知维修的意义: 状态维修状态维修第27页/共34页用“设备综合工程学设备综合工程学”的观点来确定维修方针、目标、组织人员和管理系统。以寿命周期费用最佳化为目标寿命周期费用最佳化为目标，根据对维修的经济性评价，从维修费、劣化损失、固定资产转移和折旧等因素来确定维修的方针、目标、组织人员和管理系统。 大力发展设备监测和诊断技术发展设备监测和诊断技术，最引人注目的是故

14、障诊断技术，改革维修方式维修方式。 3. 设备维修制度的改革第28页/共34页设备维修制度事后维修制度-POM(Postmortem Maintenance )早期维修制度。特点：不坏不修，应用于小型设备。预防维修制度-PM（Preventive Maintenance）又称以时间为基础的维修制度TBM（Time Based Maintenance）或计划维修制度。特点：静态维修制度。当设备到了计划规定的台小时，或吨公里进行强制维修，大多数工交企业仍采用。预知维修制度-PRM（Predictive Maintenance）又称为以状态为基础的维修制度CBM(Condition Based Ma

15、intenance)。特点：以状态监测为基础，根据设备运行状态的实际优劣程度决定维修时间和维修规模，是动态维修制度，是发展方向。第29页/共34页中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第30页/共34页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：幅值监测不能动态显示过程特征；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

16、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）三种层次的监测方法：中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第31页/共34页诊断技术应用诊断技术应用中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上第32页/共34页1-4 故障诊断与产品可靠性及维修性的关系1. 产品可靠性与故障诊断的关系n可靠度：产品无故障概率，可靠度函数 R（t）n故障概率：F（t）概率密度函数某一额定时间连续工作时间)()(1)()()()()(0t