设备状态监测与故障诊断技术第2章-设备故障诊断基本概念

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1、第二章 设备故障诊断的基本概念,学习目标： 通过本章的学习，了解设备故障诊断的一些基本概念和基本方法，明确设备故障诊断的重要目标状态维修； 掌握设备与设备故障的基本概念，全面、深入了解设备故障的概念、原因、机理、类型、模式、特性、分析及管理； 了解设备故障诊断的基本方法和分类，对设备故障诊断方法有一个框架性的认识； 熟知设备维修方式的发展与状态维修，认识设备故障诊断技术与状态维修的“因果”关系。,2018/9/25,1,第一节 设备与设备故障,一、设备的系统构成从系统论的观点，设备是由有限个“元素”，通过元素之间的“联系”，按照一定的规律聚合而构成的。系统中的“元素”与“元素间的联系”这一总体

2、称为系统的“构造”。 系统的基本性质取决于元素的性质及其间联系的性质； 系统的 行 为 取决于系统的基本性质及系统同外界的关系如输入、客观环境的影响和作用等 系统的功能：设计中所要求实现且能完成一定任务的部分（人们所需要的） 按设备构造与功能可分为3类：简单系统、复合系统、复杂系统,2018/9/25,2,第一节 设备与设备故障,二、故障概念设备的故障，是指系统的构造处于不正常状态，并可导致设备相应的功能失调，致使设备相应行为（输出）超过允许范围，这种不正常状态称为故障状态。,美国政府AD报告工程项目管理人员测试性与诊断性指南(AD-A208917)的故障定义： 造成装置、组件或元件不能按规定

3、方式工作的一种物理状态。 系统的元素及其联系不正常的原因： 系统的输入超过它允许的范围（所在工作环境变化不正常）； 虽在正常环境下工作，但元素及其联系的状态变化超过允许的范围； 上述两者的联合作用。,2018/9/25,3,三、故障原因与故障机理故障原因是指引起故障模式的故障机理。在应力和时间等条件下，导致发生故障的物理、化学、生物或机械过程，称为故障机理。如蠕变、腐蚀、磨损、冲击、疲劳、受热等。,第一节 设备与设备故障,2018/9/25,4,四、故障类型和故障模式设备及其各分系统、各部件、各元器件的故障种类繁多，表现形式多样。其故障类型分法如下： 按故障性质分，工程上有两种不同性质的故障等

4、级： 暂时性故障（间断性故障） ：指在一定条件下，系统所产生的功能上的故障，通过调整系统参数或运行参数，而不需要更换零部件，就可以恢复系统的正常功能。永久性故障：指必须经过更换或修复后才能消除故障。由某些零部件损坏而引起，包含完全性故障和局部性故障。,第一节 设备与设备故障,2018/9/25,5, 按故障与时间的关系和有无发展过程分： 突发性故障 ：一般带有破坏性、发生时间短暂，出现故障前无明显征兆。如轴承突然的断裂、汽车轮毂故障。渐发性故障 ：指在设备使用过程中某些零部件因疲劳、腐蚀、磨损等使性能逐渐下降，最终超出允许值而发生的故障。具有一定的规律性，能够通过早期状态监测和故障预报来预防，

5、故障事件中所占比重较大。联系：渐发性故障可向突发性故障转化。如零部件磨损到一定程度。,第一节 设备与设备故障,2018/9/25,6, 按故障严重程度和危险性分： 破坏性故障（危险性故障） ：突发性、永久性，往往危及设备和人生安全。非破坏性故障（安全性故障）：渐发性、局部性，暂时不会危及设备和人身安全。 按故障原因分： 外因故障 ：操作不当、环境条件恶化而造成的故障。如设备的超速运行、调节系统的误动作。错用性故障应该想方设法杜绝或减少：执行严格设备操作规程 禁止超温、超压、超速、超负荷运行等。内因故障 ：因设计、制造方面存在的潜在隐患而造成的故障。如设计的薄弱环节、制造残余应力和变形、 材料的

6、缺陷等。磨损性故障、固有薄弱性故障,2018/9/25,7,第一节 设备与设备故障, 按故障相关性分： 相关故障（间接故障）：由设备其他部件（非本部件）引起。如油路系统供油故障，造成轴承断油而烧瓦故障。非相关故障（直接故障）：因零部件的自身因素引起。 按故障发生的时期分： 早期故障 ：由设计、加工或材料的缺陷，在设备投入运行的初期经常性的出现故障，故障率较高。经过磨合、暴露、处理、完善后，得到改善，如齿轮、轴承、摩擦副等的“跑合”，振动值下降。使用期故障：在设备有效寿命期内，由外部原因（运行环境、条件等）和内部原因（系统特性、零部件故障）等因素造成。振动值恒定、故障率基本恒定，且设备大部分时间

7、处于这种状态。后期故障（耗散期故障）：因设备长期使用，出现零部件逐渐磨损、疲劳、老化等现象，而使系统功能退化，引起突发性、危险性、全局性的故障。此阶段故障率呈上身趋势，应及时更换失效零部件，避免事故。,2018/9/25,8,第一节 设备与设备故障,“浴盆”曲线（Bath-tub Curve）,设备故障率曲线,该分类方法，按故障发生的时期分类，对设备的维修工作 具有重大意义。,使用时期,2018/9/25,9, 按故障的发生、发展规律性分 随机故障 有规则故障 按故障的表现形式分 结构型故障（如裂纹、磨损、腐蚀、配合松动等） 参数型故障（如共振、流体涡动、过热等） 对故障进行分类的目的是为了弄

8、清不同的故障性质，从而采取相应的诊断方法。当然，人们特别关心的是破坏性的或危险性的、突发性的、全局性的故障，以便及早采取措施，防止灾难性事故的发生。,2018/9/25,10,第一节 设备与设备故障,故障模式： 故障模式是故障现象的一种表征，相当于医学上的疾病症状。如断裂、磨损、腐蚀、黏合、剥离、松弛；泄露、堵塞、溶融、蒸发；间隙、变形、表面粗糙、性能变化；失真、杂音、异常振动；油质劣质、材料老化变质；积炭、击穿、开路、短路；不稳定、污染等，故障模式是由某种故障机理引起的结果现象。按故障机理来分，常见的故障模式有：磨损（如摩擦磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀和气体蚀及接触疲劳磨损等），腐蚀（如气

9、液腐蚀、化学腐蚀、应力腐蚀等），老化（如变脆、变软或软化发黏等），结构失效（如失稳、断裂、疲劳、变形过大等），系统失效（如机械装备中的松、堵、挤、漏、不平衡、不对中等），电气系统中失灵、失控、接触不良，以及污染（如燃烧剂、毒气）等。,2018/9/25,11,第一节 设备与设备故障,五、设备故障的基本特性,设备故障多种多样，少数行为和特征较明显，可用某种物理方法直接检测，而多数故障情况比较复杂，特别是复杂系统，其故障与征兆之间不存在一一对应的简单关系，更使问题复杂化。一般地，设备故障具有如下特性： 层次性对于复杂系统/设备，其结构可划分为系统、子系统、部件、元件等各层次，功能也可划分为若干层次

10、。根据故障、征兆的不同层次，在故障诊断中可以采取层次诊断模型和层次诊断策略。 传播性两种传播方式 横向传播：零件、元件的故障引起层内其他零部件的功能失常； 纵向传播：零件、元件的故障相继引起部件、子系统、系统的故障。,2018/9/25,12,放射性某部件的故障可能引起其他部件出现异常，如转子轴系某轴承的故障，引起其他轴承的振动增大，但是该轴承本身的振动变化反而不明显。 相关性 一故障可能对应若干征兆，而某一征兆可能对应若干故障，导致故障与征兆之间出现错综复杂的关系，它加大了故障诊断的困难。 延时性 故障的发生、发展以及故障的传播，表现出一定的时间过程。由故障的传播时间可以判断故障的性质和位置

11、。故障时间，与包括横向传播和纵向传播的故障空间，一起构成故障域。 不确定性故障和征兆信息具有随机性、模糊性，加上某些信息的不确知性，组成了信息的不确定性。,2018/9/25,13,第一节 设备与设备故障,六、故障管理,做好宣传教育工作，调动全员参加故障管理工作。 从基础工作抓起，紧密结合生产要求和设备现状，确定设备故障管理的重点。 作好设备的故障记录，填好原始凭证，以保证信息的及时性、准确性。 进行故障的统计、整理和分析。 采用监测仪器和诊断技术，对重点设备的重点部位进行有计划的监督活动，以发现故障的征兆和信息。 针对故障的原因、类型，不同设备的特点采取不同的对策，建立适合本企业的设备维修管

12、理制度。 建立故障查找逻辑程序。,故障分析，指为了确认与鉴定潜在故障与实际故障，探索故障发生的原因与机理、故障的发生概率与判断故障的后果，研究故障预防对策而对设备进行逻辑分析与系统调查的技术活动与管理活动。故障分析是故障管理的重要内，通过分析，来预防、消除故障，提高设备的可靠性、安全性。,2018/9/25,14,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,一、设备故障诊断的基本方法设备故障的复杂性和设备故障与征兆间关系的复杂性，使得故障诊断成为了一个探索性的过程。如前所述，故障诊断是一门交叉学科，须从多学科中广泛探求有利于故障诊断的原理、方法和手段。1传统的故障诊断方法首先是利用各种物理的和化学的

13、原理和手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接检测故障。可以利用振动、声、光、热、电、磁、射线、化学等多种手段，观测器变化规律和特征，直接检测和诊断故障。特点：形象、快速，十分有效，只能检测部分故障。,2018/9/25,15,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,其次，利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法。以旋转机械为例(振动、频谱特性信息)：在诊断过程中， 首先分析从设备运转中获取的各种信息，提取信号中的各种特征信息，从中获取与故障相关的征兆，利用征兆进行故障诊断。 特点：利用征兆进行故障诊断往往是一个反复探索和求解的过程。,2018/9/25,16,第二节 设备故

14、障诊断的基本方法和分类,2故障的智能诊断方法在传统诊断方法的基础上，将人工智能的理论和方法用于故障诊断，形成了故障智能诊断方法。它是设备故障诊断的主要方向。人工智能：使计算机完成原先由人才能做的智能任务，如推理、理解、规划、决策、抽象、学习等；专家系统：是实现人工智能的重要形式，被广泛用于诊断、解释、设计、规划、决策等各个领域。,2018/9/25,17,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,3故障诊断的数学方法利用各学科的最新科技成就，各种有效的数学工具来进行设备故障诊断的技术。 诸如基于模式识别的诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法

15、，以及神经网络、小波变换、分形几何等。,2018/9/25,18,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,3故障诊断的数学方法利用各学科的最新科技成就，各种有效的数学工具来进行设备故障诊断的技术。 诸如基于模式识别的诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及神经网络、小波变换、分形几何等。,2018/9/25,19,二、设备故障诊断的分类,1按诊断对象分类 旋转机械诊断技术 ：汽轮发电机、燃气轮机组、压缩机组、水轮机组、风机及泵等； 往复机械诊断技术：内燃机、往复式压缩机、泵等； 工程结构诊断技术：海洋平台、金属结构、框架、桥梁等；,20

16、18/9/25,20,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,按照设备故障诊断对象、参数、目的等有不同的分类方法。, 运载器和装置诊断技术：飞机、火箭、航天器、舰艇、火车、汽车、坦克、火炮、装甲车等； 通迅系统诊断技术：雷达、电子工程等； 工艺流程诊断技术：生产流程、传动装置、冶金压延等设备。,2018/9/25,21,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,2018/9/25,22,第二节 设备故障诊断的基本方法和分类,2按诊断参数分类, 振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。振动诊断是所有故障诊断技术中应用最广泛的诊断方法，由振动产生的机器故障约有60%。 温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。 声学：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。 光学：适用于探测腔室和管道内部的缺陷。如光学探伤法。 油液（污染） ：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。 表面形貌：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。 电参数：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。,