《机械设备状态监测与故障诊断》课件

机械设备状态监测与故障诊断编制：郝点机械设备状态监测与故障诊断课程简介课程介绍机械状态监测与故障诊断的理论基础知识和工程应用技术阐述典型机械故障类型、机理、特征及防治措施重点介绍旋转机械和往复机械的典型故障机理与诊断防治技术通过机械设备故障诊断的典型事例了解机械设备状态监测与故障诊断技术的工程应用现状和理论技术进展课程内容涉及新兴科技学科和现代先进技术通过学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的基本原理、实施技术和应用现状了解现代故障诊断技术的发展前景具备机械状态监测与故障诊断的基本技能学习本课程应具备工程力学、电工电子学、工程流体力学和化工过程流体机械等理论基础和工程技术了解机械学、力学、电工电子学、计算机技术等方面的理论基础知识和工程应用技术推荐学习机械振动、信号处理等工程技术知识机械设备状态监测与故障诊断课程内容1概论1.1设备故障诊断的目的和意义1.2设备故障的类型和状态监测技术1.3设备故障状态的识别方法2故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识2.2旋转机械常用的振动信号处理图形3旋转机械故障诊断3.1转子不平衡故障诊断3.2转子不对中故障诊断3.3滑动轴承故障诊断3.4转子摩擦故障诊断3.5浮动环密封故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.7高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法4往复式压缩机的故障分析和管道振动4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因4.2示功图及阀片运动规律的测量与故障分析4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动机械设备状态监测与故障诊断参考教材机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.1设备故障诊断的含义和特性1.设备故障诊断的含义应用现代测试技术、诊断理论方法识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度根据诊断结论，确定设备维修方案和防范措施设备故障：设备丧失工作效能程度，设备丧失规定性能状态诊断：用测试分析技术和故障识别方法确定故障性质、程度、类别和部位，研究故障机理的学科诊断内容（三部分）：一、信号采集（状态监测）：利用传感器和监测仪表，获取设备运行信息信号分析处理，提取设备特征信息二、故障诊断：获取特征参数，识别信息特征利用专家知识经验，类似医生诊断疾病诊断设备故障类型、故障部位、故障程度和产生故障的原因三、诊断决策：根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施的决策设备故障诊断包含三部分内容和实施过程机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.1设备故障诊断的含义和特性2.设备故障诊断的特性（1）多样性化工过程装置静设备：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等动设备：如旋转机器和往复机器等设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差异使用环境不同，产生各种故障如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机：工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障高速旋转机器：轴承油膜不稳定，转子不对中高速高压旋转机器：流体激振，转子自激振动往复式压缩机：管道振动故障，零件磨损、变形、断裂高压容器：裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.1设备故障诊断的含义和特性2.设备故障诊断的特性（2）层次性设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性（3）多因素和相关性设备故障因相互关系产生多因素和相关性（4）延时性故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性（5）不确定性（模糊性）故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.2设备故障诊断技术的应用与发展1.应用现代化企业生产水平和经济效益提高，发展规模化和高技术含量生产装置大型化、高速高效化、自动化和连续化设备要求性能好，效率高，少故障。否则故障损失巨大如石油化工大型机组（离心、轴流压缩机，烟气轮机，汽轮机，风机和机泵）单机、满负荷关键设备，故障停机导致停产损失惨重大型炼油装置，化肥装置，乙烯装置停产一天损失数百万电力部门300MW发电机组停机一天少发电720万度损失数千万元中国1977～1987年投产6～7个大化肥厂，机组故障停机两年损失相当一个大化肥厂全年产量（30万吨合成氨，48万吨尿素）高技术大型化设备，故障重大灾难性事故，经济损失惨重，严重政治影响美国三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联切尔诺贝利核电站爆炸印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏美国1986、2003年“挑战者”号和“哥伦比亚”号航天飞机失事中国1980年代200MW汽轮发电机组事故机组剧烈振动，转子断7段，联轴节飞出厂房，机组彻底破坏大化肥合成气压缩机强烈振动，振因复杂，停产2月损失亿元中国20世纪70年代开始应用机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.2设备故障诊断技术的应用与发展2.发展19世纪：事后维修；20世纪初～50年代：定期维修，孕育时期20世纪60～70年代：设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展20世纪80年代以后：诊断智能化。人工智能、专家系统、神经网络发展国内20世纪80年代初开始高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法研究如数据采集，信号处理，故障特征、模式识别及人工智能等诊断涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展如故障机理研究推动转子动力学、结构动力学和模态分析技术的发展故障诊断方法研究推动振动工程应用模式识别，模糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展状态监测技术推动测试技术、信号分析处理技术和网络传输技术的发展故障控制推动振动噪声控制理论研究与发展设备故障评判结合故障诊断技术与可靠性分析技术、失效分析技术机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系定期维修（计划维修）：设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修和项（目）修适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备缺点：①检修量大耗时耗费；②要求精密机械，过多拆卸人为故障③备品备件种类多，检修费用大技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种预防性维修方式即设备运行时进行状态监测，掌握技术状况对将形成或已形成故障分析诊断，判定设备劣化程度和部位故障前制订预知性维修计划，确定设备修理内容和时间即为基于状态监测为基础的维修，最经济合理方式，又称预知性维修预知性维修（状态监测维修）：测知设备状态参数，了解设备现状，判断故障类型、性质和程度推测发展趋势，确定最佳维修时机，依据设备实际状态以设备故障诊断为基础的先进维修方式优点：①减少突发性事故；②减少停机时间；③延长检修周期④延长设备使用寿命；⑤节约维修费用机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系表1-2三种维修制度比较工业发达国家经验90％设备要求预知性维修10％设备需要定期维修维修方式内容比较使用对象事后维修（故障维修）设备出现故障或性能精度下降到合格水平以下，无法继续使用时维修设备结构简单，修理容易，获得修理配件，故障停机不对生产造成损失，一般均设有备机定期维修（计划维修）按磨损规律和故障概率得出维修周期，根据计划定期维修。设备大修解体检查，更换或修理零部件单机连续运行设备，掌握磨损规律和故障概率。关键设备和零部件，分析计算使用周期，确保设备安全运行状态监测维修（预知性维修）根据设备运行状态监测信息，判断设备故障程度和发展趋势，提出最佳维修时间和部位单机连续运行大型机组和重大设备，停机损失巨大，不宜解体检查高精度设备，故障引起公害设备。具备状态监测与故障诊断条件机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系五体制（维修体制）：（主要为带☆号的三种维修体制）☆事后维修BM（Break-downMaintenance）：故障（后）维修。适用于非重点或备用设备维修，传统维修方式☆定期维修TBM（Tim-BasedMaintenance）：属预防维修，即计划维修根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式☆状态维修CBM（Condition-BasedMaintenance）：属预防维修，即预知维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式改善维修CM（CorrectiveMaintenance）：改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式视情维修OM（On-conditionMaintenance）：属预防维修。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限适用于非重要零部件，认为有必要才进行维修的维修方式机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.2设备故障的类型和状态监测技术1.2.1设备故障的类型及其可能原因结构损伤性故障：设备结构内外缺陷和损伤裂纹：能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起磨损：运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等腐蚀：化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀变形：设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因断裂：负荷过大，局部应力集中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳剥落和烧伤：零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大运动状态劣化性故障：（1）机械位置不良：转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定热态变形、零件松动（2）刚性不足：支承基础刚性、转子刚性（3）摩擦：转子定子干摩擦、轴件内摩擦（4）流体激振：压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振（5）非线性的谐波共振：零件松动、流体间隙激励、摩擦等机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.2设备故障的类型和状态监测技术1.2.2设备故障诊断的功能和环节1.功能①检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态②确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势预测设备可靠性程度③确定故障来源，提出整改措施2.环节①信号采集——传感器（人体感觉器官）采集设备运行参数反映设备故障特性②信号处理——分析仪器加工处理采集信息，提取特征信息反映故障状态、性质、类型和程度③故障诊断——人的知识经验或诊断技术方法分析诊断故障原因确定故障类型和发生部位④防治控制——确定故障提出控制方案或预防治理措施机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.2设备故障的类型和状态监测技术1.2.2设备故障诊断的功能和环节2.环节机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.2设备故障的类型和状态监测技术1.2.3状态监测的技术和方法振动信号监测诊断技术：振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析声信号监测诊断技术：噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术温度信号监测诊断技术：温度直接测量技术、热红外分析技术润滑油的分析诊断技术：油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术和光谱分析技术其他无损检测诊断技术：超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术包括磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术机械设备状态监测与故障诊断§1概述§1.3设备故障状态的识别方法1.3.1信息比较诊断法采集存储振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力流量等参数信息，建立数据库，趋势分析比较等1.3.2参数变化诊断法改变操作参数，测量分析参数变化信号特征结合参数门槛值（闭值），观察机器故障有关因素1.3.3模拟试验诊断法模拟试验，研究未知或不确定的故障机理和特征，解答故障原因提出故障特征参数及参数间定量关系等注意模型与对象相似条件1.3.4函数诊断法故障征兆和原因间存在函数关系，计算设备运行参数预测或识别设备故障1.3.5故障树分析诊断法（FaultTreeAnalysis，FTA法）以系统不希望