设备状态监测和设备故障诊断技术

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1、 1设备状态监测与设备故障诊断技术设备状态监测与设备故障诊断技术 第一章：绪论第一章：绪论 第一节：什么是设备诊断技术第一节：什么是设备诊断技术 机械设备状态监测与故障诊断机械设备状态监测与故障诊断是同一学科的两个不同层次， 它们既有联系又有区别，为了方便起见统称为机械设备故障诊断。机械设备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。具体来说，就是通过测取设备运行的状态信号，并结合其历史状况对所测取的信号进行处理、分析、提取特征，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） ，再进一步预测设备

2、未来的运行状态， 最终确定需要采取何种必要的措施来保证机械设备取得最优的运行效果。 主要内容包括对机械设备运行状态的监测监测、诊断（识别）和预测诊断（识别）和预测三个方面。其中，状态监测也被称为简易诊断简易诊断，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）来检查设备运行状态，再根据特征参数值与门限值之间的关系来确定设备当前是处于正常、异常还是故障状态。如果对设备进行定期或连续的状态监测，就可以获得设备运行状态变化的趋势和规律，据此就可以预报设备的未来运行发展趋势，也就是人们常说的趋势分析趋势分析。 诊断（识别）则不仅要掌握设备的运行状态和发展趋势，更重要的是查找产生故障

3、的原因，识别、判断故障的严重程度，为科学检修指明方向，这就是人们常说的精密诊断精密诊断，设备状态监测与设备故障诊断可以从以下两个方面来理解。 1. 设备状态监测设备状态监测 以监测监测设备振动发展趋势发展趋势为手段的设备运行状态预报状态预报技术。 2. 设备故障诊断设备故障诊断 以分析分析设备振动主要特征主要特征为手段的设备运行故障诊断故障诊断技术。 设备故障诊断技术是以设备为对象， 采用多种现代化科学成果而形成的一门综合性学科。它涉及了传感器技术、信息采集技术、信息处理技术、识别理论、预报决策、计算机诊断技术及有关机械设备的专业技术与理论。 第二节：故障诊断的目的第二节：故障诊断的目的 机械

4、设备故障诊断的根本目的就是要保证设备的安全、可靠和高效、经济地运行，具体来说就是： 21及时、正确、有效地对设备的各种异常状态和故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保设备在运行中的可靠性、安全性和有效性。 2制定合理的检（监）测维修制度，保证设备工作时发挥最大的设计能力，在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长设备的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，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程工艺参数控制提供必要的依据。 第三节：故障诊断的任务第三节：故障诊断的任务 机械设备故障诊断的基本任务包括三大方面：监视

5、设备运行状态，判断其是否正常； 诊断设备的故障， 预测将来的发展趋势， 并提出消除异常或故障的思路；指导设备的管理和维修。 机械设备故障诊断的作用可以理解为： 1.判断设备的运行状况； 2.分析设备的故障原因； 3.提供科学检修的依据； 4.降低设备维修和维护成本； 5.提供决策信息，保证生产安全提供决策信息，保证生产安全 第四节：开展设备故障诊断工作的意义第四节：开展设备故障诊断工作的意义 1有利于提高设备的管理水平。 2避免重大设备事故发生，减少事故的危害程度。 3可以获得潜在的巨大经济效益和社会效益。 第五节：故障诊断的主要步骤第五节：故障诊断的主要步骤 1信号采集信号采集：设备劣化或发

6、生故障后，会伴随各种状态信号出现，它们是故障 信息的载体。所以，采集包含异常或故障信息的状态信号是设备诊断技术的首要环节。采用合适的传感器和测量方法来采集信号十分重要。 2信息处理信息处理：在采集设备有用信息的时候，很多干扰信号也会被采集，会使那 些有用信号变的不明显或杂乱无章。如何去除干扰，使有用信号突出表现出来，这就是信息处理的任务。 3故障识别故障识别：得到了有用的设备信息后，需要经过与标准或样板模式进行对比， 3才能确定或判断设备处于何种状态。 这一过程需要以识别技术作为理论基础。在简易诊断中可以参照某些标准（如：ISO2373、GB10068-2000） ，加上运用已有的知识和经验，

7、即可做出判断。在精密诊断中，必须通过计算机技术和各种分析技术，提取故障特征信号特征信号来对设备状态做出判断。 4预报技术预报技术：主要是对设备故障的发展趋势和剩余寿命进行预报。这对避免设 备事故和减少损失是非常有意义的。 目前可以使用的方法主要有线性回归、主观概率法等。 第六节：设备状态监测和故障诊断技术概述第六节：设备状态监测和故障诊断技术概述 1监测方式 1）连续监测：也称在线监测，以数据采集和计算机分析技术，包括远程故 障诊断系统为手段的精密诊断。优点：信息收集比较全面，分析手段丰富，准确性较高。缺点：设备投资较高，操作人员需要较高的理论基础。 2）定期监测：按照确定的时间间隔，进行定期

8、监测，一般以简单小型便携 式检测仪器为手段，属于简易诊断。优点：设备简单、投资较小，操作简便、易行。缺点：信息收集和分析相对简单。 3）故障监测：故障监测：以人员巡回检查为基础，感官发现设备运行异常时，对设备进 行测试和分析，查找故障原因为手段。由于检测仪器的硬件技术的发展，基本抛弃了传统的定期状态监测方法，目前较为常用的技术手段，介于精密诊断和简易诊断之间，适合于小型机组的诊断分析，对大型机组，尤其是滑动轴承的机组存在明显的不足。 2监测技术 1） 振动分析技术振动分析技术 2）噪声监测技术 3）声发射监测技术 4）超声监测技术 5）温度监测技术 6）油液磨粒分析技术 7）腐蚀监测技术 48

9、）应力应变监测技术 3设备的维修方式 1）事后维修： （十九世纪以前）设备发生故障后再进行维修。 2）预防维修：即定期维修（二十世纪后） ，也就是计划维修，无论设备有无故障都按照计划进行维修。 3）预知维修：即状态维修。它是以采用设备诊断技术为基础，根据设备的 实际运行状态来安排维修。 4预知维修的经济性 1）减少突发事故，延长生产时间。 2）节约维修费用，包括缩小故障的规模；缩短检修时间；延长零部件使用寿命；降低配件库存数量等。 第七节：预备知识 第七节：预备知识 1基本术语 1基本术语 1.1 学科概念 ? 故障机械设备运行功能的失常（不是破坏或事故） 。 ? 诊断包括“诊”和“断”二个侧

10、面，既在查找故障特征信息的基础上，判断设备故障的原因。 “诊”对设备运行状态的了解，即运行监测（不停机、不解体） 。 “断”对故障性质、程度、类别、部位、原因、对策做出判断和决定。 1.2 技术方面的基础术语 ? 应力引起故障的原因 ? 参数应力定量化表达 ? 征兆故障表现的现象 ? 模式征兆的特点分类 ? 激励在振动理论中引起振动的外力 ? 响应在激励作用下引起的振动 ? 振动量指振动位移、振动速度、振动加速度等物理量 ? 振动三要素振幅、频率、相位 A. 振幅振动量偏离平衡位置的最大值。 “量”的大小则有单峰值、峰-峰值（双峰值） 、平均值、有效值等。 B. 频率每秒钟往复振动的次数、振动

11、一周所需的时间则为周期。 5C. 相位振动历程相对于所选基准点的相应位置。基准点（常取振动零点）对时间零点的历程之间的位置则为初相位。 ? 自由度确定振动体位置所需的独立座标的个数 练习与思考：练习与思考： 1）态监测与故障诊断的区别主要区别是什么？ 2）振动的三要素是什么？ 第二章：设备故障及分类第二章：设备故障及分类 第一节：设备故障第一节：设备故障 1定义：机械设备运行功能的失常（不是破坏或事故） 。 1）设备在规定的条件下，不能完成规定的功能。 2）设备在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的上下值间。 3）设备在规定的应力范围内工作时，导致设备不能完成其功能的机械零件、结构

12、件或元器件的破裂、断裂、卡死等状态。 第二节：故障的分类第二节：故障的分类 故障可以从不同角度观察，可以按照丧失效能的程度、经济性、故障发展的快慢，故障的起因等进行多种类、多角度的分类。 1按照故障的性质分类 1）暂时性故障 2）永久性故障 2按照故障的影响程度划分 1）完全性故障 2）局部性故障 3按故障发生、发展速度划分 1）突发性故障 2）渐发性故障 4按故障严重程度划分 1）破坏性故障 2）非破坏性故障 5按故障发生原因划分 1）先天性故障 2）耗损性故障 63）错用性故障 6按故障相关性划分 1）相关故障（间接故障） 2）非相关故障（直接故障） 7按故障发生的时期划分 1）早期故障（

13、设计、制造） 2）使用期故障（安装、调试、操作） 3）后期故障（磨损、老化） 8. 从设备故障诊断角度分析，可以划分为从设备故障诊断角度分析，可以划分为 内源性故障：内源性故障：设备自身零、部件故障导致机组振动异常。 外源性故障：外源性故障：设备外部条件、参数导致机组振动异常。 第三章：振动的基础知识第三章：振动的基础知识 第一节：振动第一节：振动 1定义：振动是指物质或物体的一种运动形式。即物体（质点）或某种状态随时间往复变化的现象。 （如：钟摆、交变电流） 2振动的分类 机械振动可以分为确定性振动（稳态振动）和随机性振动。前者可以时间 t 为函数表示出来任意时间的振幅 d，即： d=D(t

14、) 其中还可以分为周期振动和非周期振动。对于随机性振动，波形与时间的关系呈不规则变化，不能以上边的函数关系表示，要用概率统计的方法来描述。 3机械振动的描述 1）时域描述：指随时间变化的物理量（时间作为独立变量，横坐标为 t） 。它只能反应信号幅值及相位随时间变化的特征。不能指示频率组成成分。 2）频域描述：把时域信号通过频谱分析变成频域信号（频率作为独立变量，横坐标为频率，纵坐标为幅值或相位） 。有了频域的描述，就可以知道信号频率结构和各种频率成分的幅值大小。这就是设备故障诊断中的频谱分析。频谱分析。 提示：提示：工程上测量（传感器测量）得到的信号一般为时域信号（波形） ，然而由于故障的发生

15、、发展，往往引起信号频率结构的变化，这些变化、7产生的频率中，往往蕴涵着特定的故障信息。频谱分析的目的就是对复杂的或不易观察分析的时域波形， 通过傅立叶变换分解为单一的谐波 （基频为，n称为基频的 n 次谐波）分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。 第二节：简谐振动第二节：简谐振动 简谐振动是故障诊断技术中最基本的概念之一。了解其表示方法，特别是物理意义和几何意义，对掌握故障诊断技术是非常重要的。 1简谐振动的数学表达式： Y(t)=Asin(t+) 式中：A-振幅；-角频率（圆频率） ；-初始相位 当=0 时，方程式可以写成：Y(t)=Asin(t) 2简谐振动具有周期性

16、：即其函数具有下列特征。 sin(t)= sin(t+ T)=sin(t+T) T=2/；f= 1/T =/2；=2f 其中 T 为振动周期；f 为振动的频率。 提示：简谐振动一定是周期运动；但周期振动未必都是简谐振动。简谐振动还有其它两种数学表达方式，即矢量表示法和复数表示法。提示：简谐振动一定是周期运动；但周期振动未必都是简谐振动。简谐振动还有其它两种数学表达方式，即矢量表示法和复数表示法。 3简谐振动的主要参数： 1）峰值：指波形上与其零线的最大偏离值。以Yp表示。 8对于简谐振动Yp=Ap (Ap 振幅就是其峰值) 提示：提示：测量峰值的物理意义在于，当考核一台机器的结构强度（刚性）时，尤其在低频段，结构的破坏直接与峰值有关。所以，在低频转速机械中，要特别注意测量振动位移的峰值。 2）有效值： =TTrmsdttyTy 02)(1lim对于周期振动：Y(t)=Y