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1、工程机械故障检测与诊断,在设备运行中或在基本不拆卸的情况下, 通过各种手段,掌握设备运行状态, 判定产生故障的部位和原因, 并预测、预报设备未来的状态。,1、什么是状态监测和故障诊断?,是防止事故和计划外停机的有效手段。 是设备维修的发展方向。,机械故障诊断是一种了解和掌握机器在运行过程的状态,确定其整体或局部正常或异常,早期发现故障及其原因,并能预报故障发展趋势的技术。油液监测、振动监测、噪声监测、性能趋势分析和无损探伤等为其主要的诊断技术方式。,2.1 故障的含义及类型 1 故障的含义 故障机械设备在运行过程中,丧失或降低其规定的功能及不能继续运行的现象。,2、机械故障概论,2 故障的类型
2、 故障可以不同角度分:如 1)临时性故障 2)永久性故障 按故障发生的时间分有以下几种: 1)早发性故障 2)突发性故障 3)渐进性故障 4)复合型故障 按故障表现形式分有: 1)功能故障 2)潜在故障 按故障产生的原因分有: 1)人为故障 2)自然故障,按故障造成 的后果分有: 1)致命故障 2)严重故障 3)一般故障 4)轻度故障 故障通常采取几种分类法复合并用,如突发性的局部故障;磨损性的危险故障等。由此看出故障的复杂性;严重性和起因等情况。,2.2 故障的特点与故障管理 1 故障的特点 1)多样性 2)层次性 3)多因素和相关性 4)延时性 5)不确定性 6)修复性,2 故障管理 故障
3、管理是设备管理的核心内容之一。其目的在于早期发现故障征兆,及时采取措施进行预防和维修。,故障管理的程序和内容包括: 1、宣传教育和技术培训相结合。 2、制定严格的管理制度和维护保养制度。 3、熟悉机械设备结构和工作原理,掌握工作性能。,4、配置先进的检查、检测和监测设备,对重要设备和零部件进行实时监测,定期分析,准确掌握设备故障的信息和征兆。 5、根据故障现象和信息及征兆,进行认真科学地分析,确定故障原因、类型、采取最佳的维修策略和维修方案,及时维修过程进行记录。提供后期统计和借鉴。 6、对常发生或多次重复出现的故障的部位或零件,要重点监测,必要时对其进行系统技术改造。建立故障信息管理流程图。
4、,2.3 影响故障产生的主要因素 (一)制造和修理因素对故障的影响 1、零件材料的选择 2、零件加工质量 3、装配质量 (二)使用因素对故障的影响 1、工作负荷 2、工作环境 3、设备保养和操作技术,返 回,3、简易诊断和精密诊断,状态监测(简易诊断) 内容: 识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析 由设备维修人员在现场进行,故障诊断(精密诊断) 内容: 确定故障部位 确定故障原因 提出维修建议 由设备诊断人员在现场或中心进行,状态监测和故障诊断的过程,状态监测和故障诊断的作用, 监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警,并隔离故障。 分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析
5、故障原因。 处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。,4、设备维修制度的发展,事后维修,故障维修 (Break down) 设备坏了后才去修理。 定期维修,预防维修 (Preventive) 定期地检查和大修。 预测维修,视情维修 (Predictive) 周期的监测,必要时才去维修。,事后维修体制,设备运行到坏了再进行修理。 不需要安排计划。 对一些设备,更换比修理更便宜。 意外停机引起生产损失。 可能引起设备的二次损坏,甚至灾难性事故。 库存备件投资多。,定义 优点 缺点,定期维修体制,按预订的时间间隔或检修周期,对设备作维修、调整和更换备件。 机器寿命较长。 减少意外停机。 备
6、件库存较少。 意外停机引起生产损失。 过剩维修导致维修费用增加。 过剩维修引起人为维修故障。,定义 优点 缺点,预测维修体制,有计划地对设备作检查和测试,以确定其健康状态,必要时才进行维修。 减少非计划停机损失。 维修时间间隔可以延长。 维修费用大为减少。 备件库存最小。 需要初始投资。 需学习和培训。,定义 优点 缺点,不同制度的维修成本的比较,大型钢铁企业,维修费用化了多少?,美国1980年税收总额 $7500亿,维修费为 $2460亿, 估计其中过剩维修费为 $750亿。 我国1987年国营公交企业40万个,固定资产¥7000亿, 维修费约为固定资产的 35。 我国2002年规模以上企业
7、共有固定资产¥8800万亿, 维修费有多少?能节省多少?,停产一天的损失有多大?,300MW发电机组 损失电720万kWh,约¥144万元 30万吨化肥装置 损失化肥1000t, 约¥150万元 三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失¥400万元,先进维修制度的作用, 保证机器精度,提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失 防止事故,杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用(人力和财力) 改善环境,改善企业形象 投资获得最大和最长远的回报,5、监测和诊断的各种手段, 振动:适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度(红外):适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。 声发射:适用于压力容器
8、、往复机械、轴承、齿轮等。 油液(铁谱) :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: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。 电气:适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。,分析技术,可用于机械状态监测与故障诊断的信号有振动诊断、油样分析、温度监测和无损检测探伤为主,其他技术或方法为辅的局面。这其中又以振动诊断涉及的领域最广、理论基础最为雄厚、研究得最为充分。目前,在振动
9、信号的分析处理方面,除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数辨识外,近来又发展了频率细化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨迹分析以及基于非平稳信号假设的短时傅里叶变换、Winger分布和小波变换等。而当代人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了新的活力,故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展,且己有成功的应用实例,作为人工智能的一个重要分支,人工神经网络的研究己成为机械故障诊断领域的一个最新研究热点。,仪器分类: 便携式测振表 数据采集器 表盘式的监测系统 计算机化监测系统,监测和诊断仪器的分类和选用,仪器选用原则: 被监测对象在生产中的地位 生产的规模和产
10、量 预计的投资 设备管理人员的水平和素质,监测和诊断仪器的分类和选用,测振表的外形和原理框图,测振表,传感器,数据采集器,计算机及外部设备,数据采集器的外形和工作框图,数据采集器,数据采集器的工作流程,典型的表盘式监测系统,双通道振动表,推力瓦位和瓦温表,振动传感器在瓦盖上,水泵的监测系统,典型的表盘式监测系统,离心压缩机 监测系统,计算机化的监测系统框图,最简单的计算机化监测系统。 单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话等功能。,汽轮发电机组的监测系统框图,故障诊断的专家系统框图,专家系统是一个故障诊断的专用程序。 用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。,专家系统,6、精
11、密诊断的方法,频谱分析法 趋势分析法 通频值趋势分析、频谱趋势分析 时域分析法 波形分析、相关函数分析 倒频谱分析法 模态分析法 随机减量法,其他数学方法 模式识别法 模糊诊断法 故障树诊断法 神经网络法 小波分析法 灰色系统法 分形几何法,精密诊断最常用的方法,频谱分析法 每种故障有其对应的特征频率。 据此确定机器的故障性质和严重程度。 趋势分析法、频谱趋势分析法 根据劣化曲线,振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。 据此监视机器的健康状态,并推测其寿命。,转动机械常见故障的频率特征,强迫振动类故障,自激振动类故障,R: 转动频率,转子不平衡故障的频谱,波形为简谐波,少毛刺。 轴
12、心轨迹为圆或椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。 过临界转速有共振峰。,转子不平衡的类型,转子不对中故障的频谱,出现 2X 频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8字形。 轴向振动一般较大。 本例中,出现叶片通过频率。,转子不对中的类型,正确对中 e = 0, = 0,平行不对中 e 0, = 0,角度不对中 e = 0, 0,综合不对中 e 0, 0,不同联轴节的情况,联轴节类型 不对中形式 振 动 特 征 刚性联轴节 平行不对中 有2X成分 角度不对中 轴向振动1X成分大 轴向振动大,有2X及高次谐波 齿式联轴节 径向振动可能有2X、3X、4X 联轴节两侧振动的相位常相反
13、 膜片联轴节 有nX 成分(n为螺钉数),转子系统松动故障的频谱,波形出现许多毛刺。 谱图中噪声水平高。 出现精确的倍频2X,3X等成分。 松动结合面两边,振幅有明显差别。,松动故障引起的间入谐量,未松动时的频谱 松动时的频谱 出现0.5X,1.5X,2.5X,3.5X.等频率成分,D 节圆直径 d 滚珠直径 接触角 z 滚珠数 R 轴的转速频率,滚动轴承故障的特征频率,外环故障频率 内环故障频率 滚珠故障频率 保持架碰外环 保持架碰内环,滚动轴承故障的频谱,轴承每一种零件有其特殊的故障频率。 随着故障发展,它的幅值增加,并有谐波;谐波两边产生边频。 还可用非频率域的诊断方法,如共振解调。,电
14、机,离心泵,带滚动轴承的机械的频谱特点,带滑动轴承的机械的频谱特点,齿轮故障的频谱,齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。 齿轮啮合频率两边有边频,间距为1X。 随着齿轮故障发展,边频越来越丰富,幅值增加。 可用倒频谱作进一步分析。,齿轮箱,上辊,下辊,输入轴,趋势分析法的理论根据,监视机器的劣化过程 预测机器的失效时间,“浴盆曲线”,趋势分析法,通频值趋势分析 简单易行 不易发现早期故障,频谱趋势分析 能早期发现齿轮、轴承等早期故障 能较快判定故障的部位,通频值趋势分析,确定报警值和危险值的方法,绝对法 根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等, 如: ISO, GB, API 等。
15、相对法 以机器正常状态的振动值作为基数,自己和自己比。 类比法 与同类机器的振动值作比较。,转机振动标准举例(轴承振动) ISO2372,ISO3945,振动烈度: 振动速度的有效值 测量频率范围 101000Hz,I 级:小型机械 例15kW以下电机 II级:中型机械 例1575kW以下电机 和300kW以下机械 III级:大型机械,刚性基础 60012000r/min IV 级:大型机械,柔性基础 60012000r/min,(轴振动) 转机振动标准举例,VDI德国工程师协会 IEC 国际电工协会 API 美国石油协会 NEMA MITI/JEAC ,相对法确定振动限值,滚动轴承 齿 轮,旋转机械 滑动轴承,类比法确定振动限值,C泵的振动超过同类诸泵的 振动一倍,C泵应定为有故障,频谱趋势分析,滚动轴承机械的 报警参考值,滑动轴承机械的 报警参考值,