机械设备状态监测和故障诊断技术讲义

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1、机械设备故障诊断技术,振动、冲击、噪声国家重点实验室(上海交通大学) 2005年5月18日,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,2,提纲,引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础 监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语,引言,引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础,监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,4,引言,现代工业生产对机械设备的要求: 可靠性 可用性 维修性 经济性 安全性 进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度 机械设备状态监测

2、与故障诊断技术在满足上述这些要求中，扮演着越来越重要的角色,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,5,引言,机械设备是现代化工业生产的物质技术基础，设备管理则是企业管理中的重要领域 也就是说，企业管理的现代化必然要以设备管理的现代化作为其重要组成部分 机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要的地位,我国已将设备诊断技术、修复技术和润滑技术列为设备管理和维修工作的三项基础技术,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,6,引言,维修方式归纳起来有三大类，共五种形式： 事后维修(BM) 改善维修(CM)

3、预防维修(PM)视情维修(COM)、状态维修(CBM)和计划(定期)维修(TBM),2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,7,引言,状态监测与故障诊断技术是预防(状态)维修的必要条件 推广和应用设备状态监测与故障诊断技术可以达到如下目的： 保障设备运行安全，防止突发事故 保证设备工作精度，提高产品质量 实施状态维修(或预防维修)，节约维修费用 避免设备事故带来的环境污染及其它危害 给企业部门带来较大的间接经济效益,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,8,引言,实践证明，机械设备状态监测与故障诊断技术 正在改变着我国传

4、统维修管理的被动局面 正在向预防(状态)维修的新方式推进 促使设备寿命周期费用最经济和综合效率最高 可见，状态监测与故障诊断技术是开展预防(状态)维修的重要支撑,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,9,引言,机械设备状态监测与故障诊断 是一门正在不断完善和发展的交叉型学科 是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术 是机械学科领域的研究热点之一 故障诊断学科需解决的重要问题 故障特征信息提取和故障分类、识别的新理 论及新方法研究 复杂故障产生机理及模型的深入研究 故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和网络化远程诊断系统,学科范畴,引 言 学科范畴 学科发展

5、意义 监测与诊断技术基础,监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,11,学科范畴,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,12,定义,机械设备状态监测与故障诊断 是识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行状态的变化在诊断信息中的反映 通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断(识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需要采取的必要对策的一门技术 主

6、要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,13,定义 技术结构关系,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,14,定义 监测与诊断的关系,机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系，同一学科的两个层次：简易/精密 状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备的状态 如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。通常这就

7、叫做趋势分析 故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断,学科发展意义,引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础,监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,16,故障诊断的目的,目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行 主要目的： 及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性 制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力,

8、同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用 通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,17,故障诊断的任务,状态监测： 了解和掌握设备的运行状态。包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，考虑环境因素，对运行状态作出评估，并为进一步分析提供信息 故障诊断： 根据状态监测所得信息，结合已知的结构特性和参数、环境条件及运行历史，对故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展

9、的趋势及其后果,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,18,故障诊断的任务,指导设备管理和维修： 根据故障诊断的结果，提出控制故障继续发展和消除故障的对策或措施(调整、维修、治理)；为推进视情维修体制提供依据,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,19,开展故障诊断工作的意义,有利于提高设备管理水平 “ 管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推动国民经济持续、稳定、协调地发展 机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水平的一个重要组成部分,2019年10月18日星期五,上海交通

10、大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,20,开展故障诊断工作的意义,避免重大事故发生，减少事故危害性 现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。但是，当设备出现故障时所带来的影响程度也明显增大，有时不仅仅是造成巨大的经济损失，往往还会带来灾难性的事故 发展机械设备状态监测与故障诊断技术，并进行有效、合理的实施，可以掌握设备的状态变化规律及发展趋势，防止事故于未然，将事故消灭在萌芽,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,21,开展故障诊断工作的意义,可以获得潜在的巨大经济和社会效益 生产设备停机、停工带来的单位损失越来越大 最大限度降低设

11、备寿命周期费用，最大限度提高以生产经济性为目标的管理 寿命周期费用(LCC) 研制费用生产费用使用、维修费用 购置费用使用、维修费用 推行设备诊断技术和现代维修技术，有助于减少使用、维修费用，从而从整体上降低设备的寿命周期费用,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,22,开展故障诊断工作的意义 举例,我国因机械设备事故造成的损失十分严重 1985年10月29日山西大同第二电厂20万千瓦2号机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元； 1988年2月12日陕西秦岭电厂20万千瓦5号机组轴系发生突发性强烈振动，轴系断裂

12、为十三段，机组严重损毁，直接经济损失达3000万元； 对石化引进30万吨合成氨和40万吨尿素化肥厂中的五大透平压缩机组的初步调查结果表明，仅1977年和1978年的两年的不完全统计，机械事故就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,23,开展故障诊断工作的意义 举例,宏观上实施故障诊断能带来经济效益 1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元，其中有将近1/3 (约750亿美元)属于维修方法采用不当(包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技术)而浪费掉的 我国1987年国营工业和交通企业有40万个以上，总固定资产约为7

13、000亿元，每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的35%。因此，采用状态监测和故障诊断技术改善设备维修方式和方法后，一年就有可能取得数百亿元的经济效益,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,24,开展故障诊断工作的意义 举例,对生产单位有很高的收益/投资比 日本资料报道，实施故障诊断后，事故率减少75%，维修费用降低25-50% 英国2000家大型工厂采用诊断技术后每年节省维修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系统和技术手段的费用为0.5亿英镑，从而净获益达2.5亿英镑/年 美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效益达到其本

14、身投入的36倍,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,25,美国Pekrul电厂故障诊断效益分析,监测与诊断技术基础,引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础,监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,27,管理体制,监测与诊断工作是一个系统工程 首先要有设备 其次要有懂专业的技术人员 更重要的是还必须有系统完善的管理体制,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,28,基于振动(噪声)测量与分析,在这里所提及的状态监测与故障诊断，

15、均是指基于振动测量与分析方面的技术 事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、涉及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术 除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析、红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多种不同技术,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,29,基于振动(噪声)测量与分析,振动是自然界中的一种很普遍的运动 机械振动信号中包含了丰富的机器状态信息，它是机械设备故障特征信息的良好载体 利用振动信号来获取机械设备的运行状态并进行故障诊断具有如下优点： 方便性：利用各种振动传感器及分析仪器，可以很方便地获得振动信号 在线性：振动监测可在现场不停机的

16、情况下进行 无损性：在振动监测过程中，不会对被测对象造成损伤,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,30,信号处理技术,信号处理技术是进行故障诊断的基础，是特征提取必不可少的工具 信号处理技术分为传统和现代两大类，其中： 传统的信号处理技术是指以FFT为核心的信号分析技术，在实际运用中发挥着重要的作用 而近年来发展起来的现代信号处理技术在故障特征提取方面正崭露出头角,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,31,(传统)信号处理技术,Transfer Function,FFT (Fast Fourier Transform),Correlation,PSD,特征提取技术,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,32,(传统)信号处理结果示例,2019年10月18日星期五,上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室,33,现代信号处理技术,现代信号处理的本质可用七个“ 非”字来高度概括，即研究： 非线