设备状态监测与故障诊断技术及应用

中国运载火箭技术研究院北京京航公司设备状态监测与故障诊断技术及应用（诊断技术与产品介绍专题）主讲人：贾元立中国运载火箭技术研究院北京京航公司（介绍）一、设备故障诊断的概况二、设备状态监测知识树三、中国运载火箭技术研究院北京京航公司（产品）四、全国客户群谢谢！中国运载火箭技术研究院北京京航公司•北京京航公司是隶属于中国运载火箭技术研究院的航天高科技企业；•同时是中国设备管理协会于2000年批准成立的设备诊断工程技术中心；•公司于2003年通过ISO-9001国际质量体系认证。•2004年被中国质量协会全国用户委员会评为“全国用户满意单位”。•2006年与丹麦PCH公司成为战略合作伙伴关系。•公司充分发挥航天技术优势，长期致力于各类旋转机械故障诊断系统的研发、生产和经营，已有近30年的历史，已成为国内机械故障诊断行业中知名的科、工、贸一体化企业，同时产品批量出口。•公司离在线产品以可靠的质量，完善的售后服务及优越的性能价格比赢得了国内外用户的信赖。公司产品已广泛应用于石油、化工、钢铁、电力、铁路、烟草、供水等大、中型企业的设备管理、检测及维修。ISO9001质量体系认证证书2002、2003、2004年度被评为全国用户满意产品技术部在火箭院的荣誉国家科技进步二等奖中国计量器具许可证（CMC）返回一.设备故障诊断的概况（一）.设备故障诊断的意义、目的、任务（二）.设备故障诊断发展的历史（三）.设备故障诊断的适用性与应用返回•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。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。返回2020/8/21a.设备故障诊断的意义•1989年美国挑战者号航天飞机失事•前苏联切尔诺贝利核电站的爆炸•1985年大同电厂1988年秦岭电厂20万KW发电机组断轴毁机事故………………..•据统计，中国在1977年和1987年已投产的6-7个大化肥厂中，由于大机组的故障停机，仅这两年内损失的化肥产量，相当于一个大型化肥厂的全年产量（30万吨合成氨，48万吨尿素）。2020/8/21b.设备故障诊断的目的•及时预防、诊断、消除设备故障，对设备运行进行必要指导。•制订合理的监测维修制度，延长设备寿命，降低维护费用。•为设备优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。2020/8/21c.设备故障诊断的任务•设备状态监测•设备故障诊断•指导设备的管理维修返回（二）、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，需要时才去维修。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。•灾难性的设备事故。•库存备件投资多。•引起设备的二次损坏。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。定义优点缺点美国宇航局（NASA）经过调查后认为，70%的设备进行定期维修不仅是无效的，而且是反而有害的，因为每维修一次，故障率相应升高，故障多数发生在维修后的一周之内。日本维修人员的经验是，定期维修后一周出现的故障率60%，一月之内的故障率总计可达80%左右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。•减少非计划停机损失。•维修时间间隔可以延长。•非必要维修减到最少。•备件库存最小。•需要初始投资。•需学习和培训。定义优点缺点预测维修体制与十一五规划•《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出，到2010年单位GDP能耗比2005年下降20%。降低能耗不仅仅体现在生产过程中，而是生产的全过程，降低维修能耗更是未来发展的方向。•预测维修，是节约企业人力、物力、精力，实现循环经济有效维修途径，是符合国策的先进维修理念。定期预防维修统计规律经验感观化个体差异不利于学习维修不足维修过剩预知维修设备状态数据客观、量化仪器差异利于学习经济维修返回（三）、设备状态监测的适用性1、能适用的机械比例大（约90%）2、对复杂的机械设备效果特别大3、对劣化发展型和随机型故障的（过去预防维修无能为力）设备效果特别大设备故障诊断在国内外企业的应用日本：事故率降低75%，维修费用降低25%~50%。英国：对2000个大型工厂进行调查表明：节省费用3亿英镑，而诊断成本为0.5亿英镑，净获利2.5亿英镑。中国：按1997年我国国营工业企业有50万个，总固定资产15000亿元，每年用于设备大修、小修及其处理故障的费用一般占固定资产原值的3~5%，采用诊断技术后一年的经济效益可达数百亿元。返回设备状态监测与故障诊断知识树被测设备设备特征信息获取检测信号设备允许参数故障确定趋势分析诊断决策信号采集信号处理状态识别对比返回识别重要设备要看设备出现故障时是否：会威胁安全或破坏环保标准会有重大经济损失后果根据设备的重要程度以及减少对工作效率的影响等来决定排除故障的投资决策。返回振动监测系统的分类和选择设备类型损坏后果推荐监测手段主要功能大约价格关键设备完全停产~100%计算机化固定式的监测系统振动幅值、频谱的连续监测数据存储、数据比较，数据文件管理趋势分析、谱趋势分析启、停车等瞬态过程数据收集超限报警、保护，事故记忆故障诊断，人工智能，联网，远程等数十万元以上重要设备部分停产50~100%一般的固定式的监测系统振动幅值的连续监测超限报警、保护数据存储、比较，趋势分析几万～数十万元一般设备部分停产或不停产0~50%周期性的监测系统振动幅值、频谱的周期采集数据存储和管理数据比较，趋势分析几万元便携式的测振仪表振动幅值的采集简单的频率分析几千元振动监测手段的分类和选用信号采集￭选测点原则：近距、刚性、安全￭定测点、定时间、定人员、定仪器、定参数、定工况、定路线返回涡流式位移传感器磁电式速度传感器压电加速度传感器涡流位移传感器不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。相移很小。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz~1000Hz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：20mV/mm/s测量非转动部件的绝对振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。抗干扰力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。在传感器输出阻抗固有频率附近有较大的相移。压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz~10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。返回信号处理波形分析：时域分析、幅值谱分析、功率谱分析、平均谱分析、概率谱分析、倒频谱分析、三维谱分析、包络分析。趋势分析信号处理就是，把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。周期信号在时域及频域的分解从数学的角度来说，所谓周期信号的分解，就是将一个周期函数展开成傅立叶级数，亦即展开成一系列简谐函数之和，称为谐波分析。假定)(tx是周期为T的周期振动函数，则可展开成如下的三角傅立叶级数形式：)sin(22sinsin2coscos2)(1021210tnbtconsaatbtbtataatxnnnT/2dttxTaT)(200,3,2,1)(20ntdtconstxTaTntntxTbTnsin)(20,3,2,1nnanb2/0a)(tx（2-4）式中：其中和称为傅立叶系数。是的平均值，即直流分量。快速傅立叶变换（FFT）)()()()()(jXReFjFj)()()(22XRF)()()(RXarctg称为的幅值谱函数，称为的相位谱函数)(jF)(jF)(F)(周期信号的幅值谱和相位谱简谐振动波形和频谱图（例）)232sin(fAxT返回转动机械常见故障的频率特征故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1×R同步正进动油膜涡动(0.4~0.49)×R正进动热弯曲1×R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2×R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2N×RN为磁极对数正进动内腔积液失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动松动1×R,2×R等也有1.5×R,2.5×R等转子内阻失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数×R，边带频率…径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障…内环故障…滚珠故障…轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率二、振动、频谱分析的基本理论（一）.振动与简谐振动（二）.简谐振动的要素（三）.频谱分析的基础及作用（四）.频谱分析中的常用概念与波形振动定义：物体在平衡位置附近所做的往复运动称为振动简谐定义:物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比,并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动,叫做简谐振动。简谐振动三要素•振幅(Amplitude)偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。•圆频率(Angularfrequency)描述振动的快慢，记作,单位为弧度/秒。频率f=/2为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。周期T=1/f=2/为每振动一次所需的时间，单位为秒。•初相角(Initialphase)描述振动在起始瞬间的状态，记作。2、频谱分析基础•对于现场设备的周期振动，不论其振动波形有多复杂，都可以用傅立叶级数表示为许多频率成简谐关系的简谐振动组成：01122()cos()cos(2)cos()nnxtAAtAtAnt...()xt频谱分析的常用概念•工频（也称基频、转频、1X（1倍频）等）•谐波（倍频）、次谐波•谐波（倍频）是指某一频率的整倍数频率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。•次谐波是指某一频率的分数倍频率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……60转速工频频域表示与时域表示的关系•返回频谱分析的作用•频率变换以直角坐标形式表示得到的图形就是谱图。•频谱是一个总称，按照频率成分的内容可分为幅值谱、相位、功率谱、能量谱、倒频谱等类型。•最常用为幅值谱。•设备故障发生、发展会引起信号频率结构的变化，对频率信息进行分析，可对设备故障原因进行解释。•频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频谱分析的常用概念•工频（也称基频、转频、1X（1倍频）等）•谐波（倍频）、次谐波•谐波（倍频）是指某一频率的整倍数频率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。•次谐波是指某一频率的分数倍频率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……60转速工频常用的振动时域参数•位移信号峰峰值。单位为微米（m，mm）•速度信号有效值。单位为毫米/秒（mm/s,cm/s）•加速度信号峰值。单位为米/秒平方（m/s2）3、常见波形的频谱名称波形频谱名称波形频谱•返回•返回设备故障的识别（一）转子不平衡的故障识别（二）转子不对中的故障识别（三）转子松动的故障诊识别（四）滚动轴承的故障诊识别（五）齿轮箱的故障识别