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1、机械故障诊断学机械故障诊断学 崔彦平崔彦平河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院办公室：机械楼办公室：机械楼A508,A508,工程中心北楼工程中心北楼A205A205电话：电话：031103118166866581668665，1373118838013731188380邮箱：邮箱：1第一章 绪 论第二章 信号分析方法及应用第三章 故障诊断的标准第四章 旋转机械的振动监测与诊断第五章 滚动轴承的振动监测和诊断第六章 齿轮箱的振动监测与诊断第七章 油样分析方法第八章 红外检测方法目 录21.1 基本概念l 故障的概念 设备故障是指“设备功能失常”，也就是设备不能达到预期的工作
2、状态，无法满足应有的性能、功能。 功能失效，机械设备基本功能不能保证； 设备偏离正常功能第一章 绪 论3l故障的分类按故障性质分类 人为故障 自然故障故障率% 图图 浴盆曲线浴盆曲线磨合期正常使用期耗损期4按故障产生的原因分类 先天性故障 使用性故障按故障发展速度分类 突发性故障 渐进性故障按故障造成的后果分类 轻微故障 一般故障 严重故障 恶性故障5l状态检测与故障诊断检测缩小故障范围状态检测提取征兆定期检测故障诊断原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚尚可可正常不可异常6 设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程可以归纳为以下四个方面：1、信号采集；2、信
3、号处理（特征提取） ；3、状态识别；4、诊断决策。 7状态检测 通过监视和测量设备或部件运行状态信息和特征参数（例如振动、温度、压力等），并以此来判断其状态是否正常。故障诊断 不仅要检查出设备是否正常，还要对设备发生故障的部位、产生故障的原因、故障的性质和程度给出深入的分析和判断。状态检测与故障诊断关系 没有检测就没有诊断，诊断是目的，检测是手段；检测是诊断的基础和前提，诊断是检测的最终结果。8 机械故障诊断主要是研究某一机械设备在运行过程中动态性能的变化规律及其运行状态的识别方法。 中国工程院院士屈梁生诊断是以机械学和信息论为依托，多学科融合的技术，本质是模式识别。 9转子事故转子事故 预防
4、事故，保防事故，保证人身和人身和设备安全安全1.2 1.2 故障诊断的意义和目的故障诊断的意义和目的l故障诊断的意义故障诊断的意义10现实生活和工业过程中恶性事故时有发生现实生活和工业过程中恶性事故时有发生透平机械事故透平机械事故11现实生活和工业过程中恶性事故时有发生现实生活和工业过程中恶性事故时有发生 水轮机事故水轮机事故12调查委员会在经过个月的调查后，提出长达页的调查报告。报告认为，“挑战者”号爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题。由于航天飞机发射时气温过低，寒冷的天气对火箭垫圈产生影响，最终导致爆炸。1年月日 “挑战者”号爆炸价值亿美元的航天飞机被炸成碎片，名机组人员全部遇难 13现实生
5、活和工业过程中恶性事故时有发生现实生活和工业过程中恶性事故时有发生断裂部位三峡塔带机断裂事故三峡塔带机断裂事故 2002年年9月月3日日14 保保证设备精度，提高精度，提高产品品质量量 15事后维修，故障维修事后维修，故障维修 (Break down) 设备坏了后才去修理。预防维修，定期维修预防维修，定期维修(Preventive) 定期地检查和大修。预知维修，视情维修预知维修，视情维修 (Predictive) 周期或实时的监测，必要时才去维修。推动设备维修制度的改革推动设备维修制度的改革 16事后维修优点：l 不需要安排计划。l 对一些设备，更换比修理更便宜。缺点：l 意外停机引起生产损失
6、。l 可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。17预防维修优点：l 减少意外停机缺点：l 意外停机引起生产损失l 过剩维修导致维修费用增加18预知维修优点：l 减少非计划停机损失l 维修时间间隔可以延长l 维修费用大为减少缺点：l 需要初始投资l 需学习和培训19不同制度的维修成本的比较大型钢铁企业20提高企提高企业的的经济效益效益 日本应用故障诊断技术后，事故发生率减少日本应用故障诊断技术后，事故发生率减少75%75%，维修费用降低，维修费用降低25255050。英国对。英国对20002000个国个国营工厂的调查表明，采用状态监测和故障诊断技营工厂的调查表明，采用状态监测和故障诊断技术后，每
7、年可节省维修费用术后，每年可节省维修费用3 3亿英镑，而故障诊亿英镑，而故障诊断系统的成本为断系统的成本为0.50.5亿英镑。亿英镑。 美国美国19801980年税收总额年税收总额 $7500 $7500亿，维修费为亿，维修费为 $2460$2460亿亿, , 估计其中过剩维修费为估计其中过剩维修费为 $750 $750亿。亿。 我国我国19871987年国营公交企业年国营公交企业4040万个，固定资万个，固定资产￥产￥70007000亿亿, , 维修费约为固定资产的维修费约为固定资产的 3 35 5。21 300MW300MW发电机组发电机组 停产一天损失电停产一天损失电720720万万kW
8、hkWh，约，约￥144144万元万元 30 30万吨化肥装置万吨化肥装置 停产一天损失化肥停产一天损失化肥1000t1000t，约，约￥150150万元万元 三峡三峡2 2号水轮机组号水轮机组700MW 700MW 停机停机4 4小时损失￥小时损失￥400400万元万元22 “保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能” 1、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能，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用； 2、能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高
9、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； 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。 l故障诊断的目的故障诊断的目的231.3 1.3 故障诊断的基本方法故障诊断的基本方法按照诊断模式分 离线分析诊断离线分析诊断 在线分析诊断在线分析诊断 远程检测诊断远程检测诊断24离线分析诊断离线分析诊断 定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放到计定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放到计算机，由计算机软件进行监测与诊断分析。算机，由计算机软件进行监测与诊断分析。 特点：离线分析，对突发故障无能为力，但可精细分析特点：
10、离线分析，对突发故障无能为力，但可精细分析 25计算机计算机监控箱监控箱记录、文件记录、文件在线分析诊断在线分析诊断 由传感器及高速实时数采硬件、控制计算机及监由传感器及高速实时数采硬件、控制计算机及监测分析软件组成。测分析软件组成。 特点：在线监测，可以给出设备的当前状态，捕特点：在线监测，可以给出设备的当前状态，捕捉突发故障并进行及时分析。捉突发故障并进行及时分析。 26。.信号调理信号调理信号调理信号调理 信号调理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机.信号调理信号调理 信号调理信号调理信号调理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机。.信号调理信号调理 信号调理信号调理信号调
11、理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机远程计算机远程计算机局域网局域网实时远程监测实时远程监测 充分挖掘和发挥网络信息交换、资源共享的优点，充分利用充分挖掘和发挥网络信息交换、资源共享的优点，充分利用科研院所的专家资源，实现科研院所的专家资源，实现“移动的是数据而不是人移动的是数据而不是人”，在网络，在网络层面上实现故障信息的挖掘和故障类型的确诊。层面上实现故障信息的挖掘和故障类型的确诊。 27按检测参数分 振动：振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度（红外）：温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。 声发射：声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。
12、 油液（铁谱）：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：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：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：强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 表面：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：工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。 电气：电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。28医学诊断与故障诊断医学诊断与故障诊断医学诊断故障诊断原理及特征信息中医：望、闻、问、切西医：望、触、扣、听、嗅听心音、做心电图量体温验血验尿量血压X射线、超声波检测问病
13、史听、摸、看、闻振动与噪声监测温度监测油样分析应力应变测量无损检测查阅技术档案资料通过形貌、声音、温度、颜色、气味的变化来诊断通过振动大小及变化规律观察温度的大小及变化观察化学成分及磨粒形状变化观察压力或应力变化观察内部结构缺陷找规律、查原因、作判断29仪器分类仪器分类：便携式测振表数据采集器计算机化监测系统1.4 监测和诊断仪器的分类和选用仪器选用原则：仪器选用原则： 被监测对象在生产中的地位 生产的规模和产量 预计的投资 设备管理人员的水平和素质30测振表的外形和原理框图阻抗变换前置放大指示选频网络微积分检波主放大电池灵敏度调节传感器输入交流输出 直流输出31计算机存贮器打印机屏 幕软件放
14、大接口存贮显示时钟电池管理环节传感器数据采集器计算机及外部设备数据采集器外形和工作框图32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水泵的监测系统系统33典型的表盘式监测系统前置器双通道轴位表推力瓦温表键相信号双通道轴振表径向瓦温表键相传感器90度布置的两涡流传感器推力瓦温传感器径向瓦温传感器轴向位置传感器报警信号输出离心压缩机离心压缩机监测系统监测系统34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。存贮器打印机屏 幕软件适调放大切换装置A/D变换器来自传感器监测仪表计算机35监测和诊断仪器的分类和选用361.5 故障
15、诊断技术的发展概况故障诊断技术的发展概况 美国最早，美国最早，19671967年美国宇航局倡导成立了机年美国宇航局倡导成立了机械故障预防小组（械故障预防小组（“MFPG”“MFPG”） 70 70年代英国机械保健中心成立，并用于核发年代英国机械保健中心成立，并用于核发电、钢铁、电力等诊断电、钢铁、电力等诊断 71 71年日本开始发展自己的年日本开始发展自己的TPMTPM（全员生产维修）（全员生产维修）：钢铁、石油、化工、铁路：钢铁、石油、化工、铁路 进而欧美许多国家都在重视发展。如瑞典进而欧美许多国家都在重视发展。如瑞典SPMSPM轴承监测、挪威船舶诊断、丹麦轴承监测、挪威船舶诊断、丹麦B&K
16、B&K的振动与的振动与声发射诊断声发射诊断3719791979年机械工业部在长春举办设备科长学习班年机械工业部在长春举办设备科长学习班19831983年在南京举办首届设备诊断技术专题座谈会年在南京举办首届设备诊断技术专题座谈会 天津大学：天津大学：19821982年起研究齿轮传动、轴承、齿轮箱、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切削过程等方面的诊断与监控技术 华中理工大学：华中理工大学：汽轮发电机组诊断专家系统、钢丝绳汽轮发电机组诊断专家系统、钢丝绳诊断系统诊断系统 西安交通大学：西安交通大学：旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断RB20RB20，用于炼油，用于炼油行业
17、行业 国防科技大学：国防科技大学：望远号远洋考察船的在线监控与故障望远号远洋考察船的在线监控与故障诊断系统诊断系统 哈尔滨工业大学：哈尔滨工业大学： 20 20万万KWKW汽轮发电机组诊断汽轮发电机组诊断38分布式、网络化监测代替集中监测。实时的在线监测替代定期监测和巡回监测。以多参数、大容量替代单参数监测。平稳运行监测到非平稳的状态监测发展。基于信息集成、融合、信息分解、提纯等技术取代单参数的阈值比较。故障诊断发展趋势39诊断技术发展的特点：诊断技术发展的特点： 技术研究和积累较多技术研究和积累较多 在石化、电力等方面的应用较多，效益好、易在石化、电力等方面的应用较多，效益好、易诊断诊断 传统机械制造业应用少，主要原因是传动结构传统机械制造业应用少，主要原因是传动结构复杂、企业效益普遍不好复杂、企业效益普遍不好 汽车制造业已经逐步重视，如：玉柴、吉普、汽车制造业已经逐步重视，如：玉柴、吉普、桑塔纳、一汽、重庆长安、桑塔纳、一汽、重庆长安、“九五九五”攻关项目攻关项目等等40
