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机械故障诊断学MechanicalFaultDiagnosis2011年4月研究生课程中国石油大学（北京）机械与储运工程学院段礼祥2联系方式•单位：中国石油大学(北京)机械与储运学院机械故障诊断研究室•地址：北京市昌平区府学路18号•电话：010-89733406(o)13521353803•Email:duanlx@sohu.com3一、课程的目的•掌握常见的机械故障诊断方法与技术。•培养计算机编程、课题设计的实际能力。•完成由学习阶段向课题研究的过渡，掌握必要的研究方法与思路，为开题、课题研究做准备。4二、主要内容•机械诊断的意义、主要方法、现状及趋势•振动诊断的各种方法及实现技术•典型机械（往复机械、旋转机械)诊断方法•管线泄漏诊断方法•用C++、X#或VB语言编制信号分析处理程序5三、学习方法•理论与实际相结合，多看一些机械故障诊断方面的案例，并进行总结、分析。•课内与课外相结合，通过查找文献，了解国内外最新成果，如最新的诊断技术和方法。•学与用相结合，设想一下自己将来要对某一台设备进行诊断，如何将所学知识应用于实际。6三、教材及主要参考书•张来斌·王朝晖·张喜廷·樊建春·《机械设备故障诊断技术及方法》·石油工业出版社，2000•李国华,张永忠《机械故障诊断》，化学工业出版社，1999•王江萍，机械设备故障诊断技术及应用，西安-西北工业大学出版社，2001•盛兆顺,尹琦岭，设备状态监测与故障诊断技术及应用，北京-化学工业出版社，20037振动诊断系统介绍13设备主要诊断方法24绪论振动诊断的主要方法四、课程内容5轴承故障诊断6离心泵故障诊断7发动机故障诊断8压缩机设备故障诊断9管道泄漏诊断方法10程序编制8•现阶段，人类对安全事故的辨识、评价、预测、控制等使用的主要方法有：本质安全化方法、人机匹配方法、生产安全管理一体化方法等。而采取本质安全化是最根本的方法，它主要从物的方面考虑，包括降低事故发生概率和降低事故严重程度。五、引言：开展机械设备故障诊断的意义？9降低事故发生概率的措施•要控制事故发生的概率，就要提高设备的可靠性，可采取的方法：•1）提高元件的可靠性——设备的可靠性取决于元件的可靠性。•①选用结构性能好、可靠性高的元器件。•②严格检修、合理规定元件的使用周期、定期更换元器件。10•2）加强预防性维修预防性维修是排除事故和潜在性隐患、提高设备可靠性的主要手段。•所以，提高元件的可靠性、加强预防性维修是降低事故发生概率的重要措施。11设备维修制度的发展•事后维修，故障维修(Breakdown)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。12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13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14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15不同制度的维修成本的比较0102030405060708090100事后维修定期维修预测维修大型钢铁企业16维修费用花了多少？•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年国营工交企业40万个，固定资产￥7000亿,维修费约为固定资产的3～5％。•我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，维修费有多少？能节省多少？规模以上企业是指全部国有企业及年产品销售收入500万元以上的非国有工业企业。17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￥400万元中石化每年设备停机损失：19亿元/年18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19•机械设备状态监测与故障诊断，就是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，是设备维修的发展方向。通过状态监测和故障诊断，就能有针对性进行预防性维修，从而提高元件和设备的可靠性，降低事故发生概率，是防止事故和计划外停机的有效手段。20第1章绪论•机械故障诊断的意义•故障诊断的全过程•机械诊断技术的发展过程•机械故障诊断现状•机械故障诊断发展趋势21一、机械故障诊断的意义1、避免恶性事故的发生，保证安全生产大型压缩机价值数百万元以上，一个缸盖10万元以上；管线发生较大泄漏损失几百万以上。2、降低能耗PZ12V190发动机有12个缸，经常有1—2个缸熄火，燃油多消耗1/12—2/12，若通过诊断进行及时调整，则可节约燃油10%。22•某企业两台压缩机的二级缸和缸座损坏，造成企业停产5天，损失巨大。•菲律宾某金矿一台压缩机爆炸，造成至少十八名矿工死亡。•河北正元化工厂压缩机在加压过程中三段缸体发生爆裂，巨大的气压致使机器起火，压缩机报废。•重庆市江津禾丰化工公司第四车间1号压缩机突然爆炸，一名女工重伤不治身亡。23•2004年长庆输油管线发生特大原油泄漏事故，直接经济损失400万元。•2003年兰成渝输油管线发生油品严重泄漏。•2004年长庆油田输油管道因老化导致破裂。•2004年锦州原油泄漏事故。•2004年河南中（原）洛（阳）输油管线发生原油泄漏事故。24253、开展视情维修，节约维修费用1台大型压缩机大修一次50万元左右，若根据情况将维修周期延长1/10，则节维5万元。开展设备故障诊断工作，平均可节约维修费用25%。4、科学化管理的要求大型企业评选设备使用先进单位时，故障诊断工作占10%的比重。资金紧张时，需要依托诊断技术对设备进行精细管理，在冶金、煤炭等行业已成为必须的设备管理手段。26•2003年，陕西秦岭水泥(集团)股份有限公司投资130万元，对湿法线4号窑电收尘器进行大修。•石家庄石化公司对主要装置的检修费就达6000多万元，加上停产及开停工损失的经济效益近1亿元。•据证券时报2007.04.11，川化股份一季度业绩出人意料亏损约1500万元，原因主要是生产设备大修引起较长时间的停产。•在国内，一大批石化生产装置仍处于“一年一修”的低水平。27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二、故障诊断的全过程28故障诊断的全过程信号采集—预处理—特征提取—建立标准库—与标准库比较—诊断故障—修正标准库—故障预测1.预处理方法去除噪声，多段平均、滤波、小波分析等。2.特征提取获取故障特征，不平衡、不对中、磨损等，利用各种时、频域方法。3.建立标准库建立标准故障模式。最基本单位是故障向量，组成故障矩阵。291)标准库形式(1)模糊库：通过隶属函数，建立模糊向量库。(2)神经网络库：通过隐含矩阵，记忆故障模式。(3)知识库：基于规则、语义网络、框架等，各向量可非定长。2)建库方法(1)根据理论建模：主要针对确定性故障，具有成熟的时、频故障特征。(2)通过聚类分析建模：划分正常、异常态设备。(3)样本记忆建模：实例记忆，多为非确定性故障。304.与标准库比较故障的模式识别。1)概率推理法；2)模糊贴近度法；3)神经网络识别法。31状态监测和故障诊断的过程图示32三、机械诊断技术的发展过程国外，美国陆军研究所于1945年开展了军用设备的故障诊断工作；国内，1982年机械工业部在南京召开了全国范围内的维修与诊断会议，正式开展故障诊断研究工作。国内机械工程学会下设机械维修分会，专门负责开展故障诊断工作；目前已召开了第十四届故障诊断工作会议；石油系统召开了四届故障诊断会议。众多科研院所、学校开展了故障诊断研究。各石油单位都开展了相应的工作，有的设置了诊断中心。33四、机械故障诊断现状1.国外美国：声发射：PAC公司；振动：Bentele公司及ENTAK公司；丹麦：振动：BK公司；日本：齿轮、轴承；德国：发动机诊断，Shenck公司；英国：管线泄漏诊断，ATMOS公司。342.国内(排名不分前后)华中理工大学(杨叔子：钢丝绳、智能诊断)西安交大(曲梁生：旋转机械诊断)重庆大学(车辆诊断)北京化工大学(高金吉：化工设备诊断)清华大学(褚福磊：电厂诊断、管线泄漏)天津大学(靳世久：管线泄漏)北京科技大学(高澜庆：油液分析、发动机；徐金梧：旋转机械)北京机械工程学院(徐小力：旋转机械)353.中国石油大学（北京）现状1)研究方向(1)往复机械：发动机、压缩机、往复泵诊断。华北第三钻井公司：1995-1997塔里木第六勘探公司：1997-1998天津大港钻井公司：1998-1999大庆采油十厂：1998-2000江苏钻井公司：1999-2004南海西部船舶公司：2000-2001塔里木油田：2002-2010大庆采油一厂：2004-2005克拉玛依炼厂：2005-2007兰州石化：2008-201036(2)离心机械：注水泵、齿轮箱胜利输油局：1998-2000新疆采油二厂：2000-2001辽河油田曙光采油厂：2001辽河油田欢喜岭采油厂：2001江苏采油一厂：2002-2004中国管道局：2004-2006大庆采油研究院：2004-2005新疆风能公司：2004-2005塔里木油田：2005-2010中石油北京天然气管道公司：2010-2012372)已获得的重要基金(1)国家自然科学基金：3项发动机诊断:2002-2004西部油田设备诊断:2004-2006套管磨损诊断:2005-2007(2)北京市自然科学基金：2项车用发动机污染排放诊断:1999-2001城市输水管线泄漏诊断:2001-2003(3)北京市科技新星基金:1项城市天然气管线诊断系统研究:2004-200638(4)教育部霍英东青年教师基金：1项输油管线小泄漏诊断研究,2004-2006(5)教育部新世纪优秀人才支持计划：1项过程信息融合方法研究,2006-2008(6)石油总公司创新基金：6项油液诊断:1999-2001输油泄漏诊断:2001-2004输气泄漏诊断:2001-2004安全事故分析:2005-2007管线过程信息融合诊断：2006-2008往复压缩机故障诊断：2007-200939五、机械故障诊断发展趋势1、网络、远程化；2、与控制系统结合，实现自愈；3、与生产工艺结合，实现优化、节能、降噪。40布置课后学习任务：1、自学C#、C++或其它编程语言。实现振动信号的读取，时域、频域分析，特征指标计算。2、学习轴承、齿轮、离心泵、压缩机的结构、工作原理及故障形式。3、查找国内外故障诊断的新方法(近5年文献)。并总结。查阅地址：图书馆网页→快速服务通道→Elsevier全文电子期刊41本章的内容您掌握了吗？