设备故障诊断原理技术及应用-第一节课件

1、1设备故障诊断原理技术及应用栾 家 辉Office:为民楼638 Tel：82316441-606北航可靠性与系统工程学院 2本门课程的目标和主要内容绪论（1）1、发展设备诊断技术的目的和意义2、国外设备诊断技术的发展和研究状况3、我国设备诊断技术的发展和研究状况4、我国设备诊断技术的发展前景和政策设备故障诊断技术基础（3）1、故障诊断概念2、设备维修与现代化管理 3、故障机理设备故障诊断技术方法（16） 1、综述 2、智能故障诊断理论方法 3、几种物理诊断方法 设备故障诊断技术应用 （12） 1、常见机械设备故障诊断的应用介绍 2、流程工业典型设备故障诊断技术介绍 3、智能维护系统技术介绍共

2、计32学时31.1 序言 故障诊断技术最重要的意义在于改革设备维修制度，变传统的定期检修为预知维修。不仅节约了大量的维修费用，而且由于减少了许多不必要的维修时间，从而大大增加了设备正常运行的时间，大幅度提高了生产率，产生附加的经济效益。 故障诊断是根据设备和工艺过程中发生的各种信息来识别和诊断的。由于信息的多样性，几乎涉及到自然科学的各个领域，需要广泛的理论基础。为了开发设备故障诊断技术，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需给予高度重视，比如振动测试和信号分析、声发射技术、红外测温技术、热象技术、油液分析技术以及各种无损检测技术。可见，故障诊断是多学科

3、交叉的边缘科学。 第一章：目的、意义，现状及主要研究方向4国别统计内容经济效益与社会效益是否采用设备诊断技术日本对工业设备总的统计1.降低维修费用25%26%2.减少事故发生率75%采用设备诊断技术以后英国对2000个工厂调查表明1.每年节省维修费用3亿英镑2.而用于诊断技术手段的费用仅0.5亿英镑采用设备诊断技术以后美国1980年度维修费用统计1.用于工业设备维修费用2460亿美元2.用于铁路部门维修费用113亿美元未大力开展设备诊断技术之前5现代工业的特点 设备维修的重要性 设备事故的危害性 对设备不解体监测和诊断的要求越来越强烈 维修人员高龄化产生的问题 设备大型化、连续化、高速化和自动

4、化。在提高生产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品，保证生产质量等方面有很大的优势。另一方面，由于设备发生故障而造成的损失成比例增加。 现代化设备技术先进，结构复杂，点检工作量大，一般情况下很难依靠人的感官和经验把故障因素检查出来，且不允许随便解体设备。要求采用先进的仪器和科学的方法，进行监测和诊断。 在许多工业化国家中，一方面经验丰富的“标准眼”，“标准耳”越来越少，另一方面青年维修工人往往缺乏应有的素质丰富的经验。 寻求专家经验的在时间和空间上的延续。1.1 发展设备故障诊断的意义7 1.1 发展设备故障诊断的意义（1）能及时地、正确地对各种异常状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行

5、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。（2）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力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。（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。 总起来说，设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要获得更大的经济效益和社会效益。 8 设备故障诊断的任务是监视设备的状态，判断其是否正常；预测和诊断设备的故障并消除故障；指导设备的管理和维修。 1、状态监测 状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态 手段：采用各种检

6、测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，同时要考虑环境因素。 目的：对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态作出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 1.2 设备故障诊断的任务103、指导设备的管理和维修 设备的管理和维修方式的发展经历了三个阶段， 事后维修方式（Run-to-Breakdown Maintenance） 预防维修方式（Time-based Preventive Maintenance） 视情维修（Condition-based Maintenance

7、） 定期维修制度可以预防事故的发生，但可能出现过剩维修或不足维修的弊病。视情维修是一种更科学、更合理的维修方式。但要能做到视情维修，其条件是有赖于完善的状态监测和故障诊断技术的发展和实施。这也是国内外近年来对故障诊断技术如此重视的一个原因。1.2 设备故障诊断的任务111.3 故障诊断技术发展概况 设备的故障诊断自有工业生产以来就存在，但故障诊断技术作为一门学科是20世纪60年代以后发展起来的，它是适应工程实际需要而形成和发展起来的一门综合学科。纵观其发展过程，故障诊断可依据其技术特点分为以下几个阶段。1原始阶段 诊断始于19世纪末至20世纪初，由于机器设备比较简单，故障诊断主要依靠个体专家或

8、维修人员通过感官、经验和简单仪表进行。 122基于传感器与计算机技术的诊断阶段 基于传感器与计算机技术的诊断始于20世纪60年代的美国。在这一阶段，诊断技术融合吸收了大量的现代科技成果：由于传感器技术的发展，使得对各种诊断信号和数据的测量变得容易；计算机的使用弥补了人类在数据处理上的低效率和不足，从而使各种诊断方法应运而生。3智能化诊断阶段 智能化诊断技术始于20世纪80年代初期。这一阶段的特点是将人工智能的研究成果应用到故障诊断领域中，以常规诊断技术为基础，以人工智能技术为核心。虽然智能诊断技术还远远没有达到成熟阶段，但智能诊断的开展大大提高了诊断的效率和可靠性。 1.3 故障诊断技术发展概

9、况 14 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 进而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1.3 故障诊断技术发展概况 15部门研究单位研究内容国家标准局机械故障预防小组故障的机理检测,诊断和预测技术可靠性设计材料耐久性评价俄亥俄州立大学齿轮动力学及噪声试验室监测技术诊断技术齿轮噪声机理与振动传递国家锅炉及高压容器检测局锅炉及压力容器监测中心美国机械工程师学会规范的推广检查员

10、的培训检查员的资格授予机械工艺技术公司(MTI)赛格研究所回转机械的诊断齿轮的诊断轴承的诊断停机时间控制系统的研究(DTC)美国1.3 故障诊断技术发展概况 17主管部门研究单位研究内容曼彻斯特大学沃福森工业维修公司维修中的仿真技术可靠性分析状态监测南安普顿大学沃蒂沃-休斯公司诊断技术规划诊断装置的研究培训教育米歇尼尔公司CDT研究小组咨询诊断技术的调查规划评价技术设备监测公司英国钢铁公司研制仪器装置无损检测技术振动分析声发射技术英国1.3 故障诊断技术发展概况 18国家研究单位研究内容瑞典SPM仪器公司脉冲冲击法轴承监测装置电子听音棒丹麦B&K公司振动传感器振动分析仪器回转机械监测仪声发射技

11、术挪威船舶研究所,海军技术中心TSAR船舶监测程序维修管理程序德国ALLIANATECHNIC研究所振动分析仪回转机械监测装置故障原因分析欧洲1.3 故障诊断技术发展概况 19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：旋转机械故障诊断RB-20，用于炼油行业 国防科大：望远号远洋考察船的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

12、1.3 故障诊断技术发展概况 20故障诊断技术的发展呈现出以下3方面的趋势 （1）诊断系统智能化。专家系统、模型推理、神经网络、故障树、模式识别和模糊诊断等方法及不确定性理论正走向成熟，并将在故障诊断系统中得到广泛的应用。 （2）诊断系统的集成化。诊断系统的开发转向现有技术的组合和集成，软件更加规范化、模块化，硬件更加标准化、专业化。 （3）诊断系统的综合化。由过去单纯的监测和诊断，向今后的集监测、诊断、管理、咨询和训练于一体化的综合化方向发展。 故障诊断技术发展趋势 21故障诊断技术主要研究方向 故障结构的分析、老化机理的研究，研究同设备的异常和老化有关的故障机理。监测传感器的开发，从此得到

13、对应于被测设备的合适的状态量。诊断装置的改进，包括简易诊断的系统、联机监视系统。对诊断方法的知识工程学的利用，应用知识工程学的知识信息处理，研究开发诊断的知识化。诊断必须依靠故障原因的检索、未来的预测和预知等人类的思考，并加以知识化。 222.1 设备故障诊断问题的基本概念和特点故障设备功能失常诊断诊-状态检查 断-故障确定（确症，包 括产生原因说明）第二章：设备故障诊断基本原理和技术基础24故障治理 1、调整 参数的调整、控制率的调整2、维修 位置固定，辅助材料3、更换 LRU、SRU4、排除 异物、润滑5、预报 早期、中期、紧急报告6、寿命预估2.1.1 设备故障诊断的基本概念25设备的系

14、统构成 工程中的设备种类繁多，繁简不一，但基于其构造与功能，可分为三类：1、简单系统 在构造上，此系统由若干物理元件组成，元件间的联系是确定的；在功能上，系统的输出与输入之间存在着由构造所决定的定量的或逻辑的因果关系。2、复合系统 在构造上，此系统由多个简单系统作为元素组合而成，这种组合可以是多层次的，层次之间的联系都是确定的，因而在功能上，复合系统的特点与简单系统的特点是相同的。3、复杂系统 在构造上，此系统由多个子系统作为元素组合而成，这种组合是多层次的，在子系统内、层次之间的联系可能是不确定的；在功能上，系统的输出与输入之间存在着由构造所决定的一般并非严格的定量的或逻辑的因果关系。2.1

15、.1 设备故障诊断的基本概念272、设备的故障诊断 是指在一定工作环境下查明导致设备规定功能失调的、所指定层次的子系统或联系的不正常状态（潜在的或出现的）。 3、系统的特征信号 指系统的某部分输出，而这部分输出是同所关心的系统功能与约束条件紧密相关的。4、系统的征兆 指对特征信号加以处理而提取出的、直接用于故障诊断的信息，显然，特征信号本身有时也可以作为征兆。5、故障的传播过程 是指系统中异常输出与异常特征信号的传播过程。 2.1.1 设备故障诊断的基 本概念28故障模式是按故障状态进行的分类，是故障现象的综合表征，与设备本身的特性和运行环境都有一定的关系。故障机理是导致设备发生故障的物理过程

16、，化学过程和故障的因果关系。 设备常见故障模式 运动设备部件的磨损、声音异常、振动异常、晃动、温升异常、泄漏等； 静止设备部件的松动、变形、断裂、龟裂、腐蚀、材质变化等； 电气设备的绝缘击穿、温度异常、绝缘裂化或烧损、短路、断线等。 2.1.1 设备故障诊断的基 本概念29 设备故障模式30 上述故障模式发生的机理有多种多样，可概括为不同的故障模型（Fault Model）。 如果已知某种故障模式的故障模型，就可对设备在给定层次上的子系统的故障进行预测。 常用的故障模型可列举如下： 界限模型与耐久模型 应力强度模型 反应论模型 故障率模型 最弱环模型与串联模型 2.1.1 设备故障诊断的基 本

17、概念指数分布与正态分布模型极值分布与威布尔分布模型绳子模型与伽玛分布模型比例效应模型与对数正态分布模型退化模型与损伤积累模型312.1.2 系统故障的特性 1、层次性 这是系统故障最基本的特点，是系统故障的“纵向性”，它是系统自身的层次性所决定的。2、传播性 有两种传播方式：横向传播，例如某一元件的故障引起层内其他元件的功能失常，纵向传播，即元件的故障相继引起部件子系统系统的故障。3、放射性 某一部位的故障可能引起其他部件出现异常，例如转子轴系某轴承的故障有时会导致其他轴承的振动增大，而该轴承本身的振动变化反而不明显。4、相关性 这是系统故障的“横向性”，它是由系统各元素所决定的。关联故障的产

18、生325、延时性 故障的传播机理表明，从原发性故障到系统级故障的发生、发展与形成，是一个由量变到质变的过程，这表明，故障具有时间性。故障可预测性。6、不确定性 这是复杂系统故障的一个重要特性，是研究热点，引起不确定性的因素： a、系统的元素特性与联系特性的不确定性。不同时间、不同的工作环境。 b、故障检测与分析装置特性的不确定性。检测装置本身也是一个系统。 c、系统、元素及联系的状态描述方法与工作环境的不确定性。2.1.2 系统故障的特性 332.1.3 设备故障诊断的多维层次模型 从系统论的观点，设备是由有限个“元素”通过各种“联系”构成的多层次系统。“联系”可以分成四大类：（1）结构类层次

19、子网络 按结构的组成关系，按设备级、分系统级、部件级、元件级的层次，组成一个层次子网络；（2）功能类层次子网络 按设备功能级、分系统功能级、部件功能级、元件功能级的层次，按它们间正常工作的技术指标、技术条件、参数、工作过程、输入输出及工作性能等关系组成一个层次子网络；（3）故障类层次子网络 按设备故障级、分系统故障级、部件故障级、元件故障级的层次，按各自故障模式组成一个层次子网络；（4）传感器测点层次子网络 传感器测点分布在整个设备的各部位，监测其振动、温度、压力、应力等参数，分别对应设备的结构上各部位，也对应不同层次的各种故障。 342.2 设备故障诊断的知识构成35设备故障诊断的知识构成 在设备故障的智能诊断方法中，知识的构成及故障诊断的求解策略起着核心和关键的作用。我们将诊断知识具体划分为： 1故障征兆 故障征兆属于事实性知识，它是对故障各种特征同性质表现为异常时的一种定性或定量描述。2背景知识 背景知识分为两类：（1）第I类背景知识主要是指来自