chap1_设备故障诊断-郑水英

第一章概论第一章概论课程内容故障诊断的信号处理方法旋转机械故障诊断齿轮故障诊断滚动轴承故障诊断机械故障诊断的油样分析技术无损检测技术第一章概论本章的主要内容设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断技术的应用与发展设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型及其可能原因设备故障诊断的功能和环节状态监测的技术和方法设备故障状态的识别方法第一章概论基本定义诊断学Diagnostics来自希腊文意指鉴别、确定最早指医疗诊断，后为机器诊断诊断对象大的复杂系统子系统（部件）单个元件技术进展故障排除，用感觉、经验和简单仪器维修机制和可靠性工程，传感器技术和信号分析技术智能诊断，计算机技术、人工智能和数据挖掘等第一章概论从人体疾病诊断学的研究内容来概述机械设备故障诊断学的研究内容第一章概论1.1设备故障诊断的目的和意义机械故障诊断技术设备健康的初级诊断，由现场作业人员进行精密诊断技术简易诊断技术设备状态和精密分析技术，由诊断专家实施设备的护士设备的医生异常第一章概论1.1设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断可预测预报设备未来的状态防止事故和计划外停机设备维修的发展方向第一章概论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机械设备的故障反映设备丧失工作效能的程度，或者指设备丧失了它所要求的规定性能，或出现不正常现象。产生故障的原因：–通常是设备的构造处于不正常状态（劣化状态）各种设备由于制造精度、性能要求以及设计、操作规范不同，判别设备是否存在故障，故障的程度如何，是有不同标准的。–压缩机的振动–压力容器的裂纹–电机温度过高第一章概论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机械设备的故障判断故障的准则：–在给定的工作状态下，设备的功能与约束条件不能满足正常运行或原设计期望的要求。常见的故障：–使设备或系统立即丧失其功能的破坏性故障–由于设计、制造、安装、维护、检修等与设备性能有关的参数不适当造成设备性能降低的故障–设备在给定条件下工作时，由于操作不当引起的故障第一章概论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故障的分类按故障性质：–人为故障：由于操作失误造成的故障–自然故障：设备运行时，由于设备自身的原因（发展规律）发生的故障按可恢复性：临时性故障、永久性故障–临时性故障：通过修复或运行参数的调整，可以恢复到正常功能–永久性故障：全部或部分永久丧失原有功能，除非更换或彻底整修故障零部件，是不能恢复功能的。第一章概论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故障的分类按故障发展的过程（速度）：渐发性故障、突发性故障–渐发性故障：形成过程较长，即使性能指标略有超出允许值，短时间内不会发生严重问题，通过参数的连续监测，可以预测其发展趋势；–突发性故障：故障发生的时间短暂，一般是先无明显征兆（征兆是指用参数表示的故障现象），一旦发生故障，往往造成破坏性或灾难性的后果。因此，对于同样是性能参数超标的故障，永久性的、突发性的并带有破坏性的故障严重程度要大得多。第一章概论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故障的特性：多样性、层次性、多因素和相关性、延时性、不确定性１－多样性–有些设备因工艺参数变化、制造和安装中带来的问题，更会产生许多意想不到的其他故障。这就是故障的多样性。–在化工过程装置中，有各类静设备（如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等）和动设备（如旋转机械、往复机械等），各种设备不仅结构不同，工艺参数各异，而且制造、安装过程的差异和使用环境不同，在运行期间可能会产生各种各样的故障。第一章概论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故障的特性：多样性、层次性、多因素和相关性、延时性、不确定性–例：–离心式、轴流式压缩机压缩的工艺气体中带有粉料，烟气轮机中通过的烟气带有催化剂，容易引起转子的不平衡振动故障，摩擦、磨损故障。–高速旋转机械容易产生轴承油膜不稳定故障，转子不对中故障。高速、高压的旋转机械容易发生流体激振故障，转子的自激振动故障。–往复式压缩机容易发生管道振动故障，机器主要零部件的磨损、变形、断裂故障。–高压容器最担心发生裂纹扩展故障，反应器、塔设备经常会发生内部腐蚀故障，密封泄露故障等。第一章概论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故障的特性２－层次性–设备一旦表现出某种故障现象（或称“征兆”），就需要追查引起故障的原因（或称“症候”、“病症”）。但有些故障原因往往是深层次的，即上一层次故障源于下一层次故障，表现为多层次性。故障现象止推轴承损坏第一层次原因气体轴向力增大第二层次原因机器发生喘振第三层次原因防喘振放空阀坏转子振动轴承工作不稳定热态对中不良基座松动管道振动流体有压力脉动出口压力、流量不均泵设计叶片数有误第一章概论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故障的特性３－多因素和相关性–机械设备的各个元件之间，设备与设备之间是通过机械结构或物料传递来联系的，一个元件或一台设备发生故障，也会引发其他元件或设备故障，这就表现出故障的多因素和相关性。–在查找故障原因时，就要全面考虑一切与之有关的因素–如：高速、高压的涡轮机、离心式和轴流式的压缩机以及离心泵等旋转机械，当发生转子振动时，引发振动的可能原因很多，有来自滑动轴承、转轴、叶轮、联轴节以及流体激振等方面的问题。第一章概论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故障的特性３－多因素和相关性–有些因素是相互关联、互为因果的：–如：在旋转机械中，如果发生转子与静子碰摩，摩擦产生转子热弯曲变形。如果热弯曲的方向与转子原始偏心方向相同，则会造成更大的摩擦碰撞，从而发生转子越摩擦越弯、越弯越摩擦的恶性循环。–如：转子工作时存在动态不对中，不对中产生转子振动，较大的振幅引起轴承摩擦磨损，磨损后的轴承使转子运转的稳定性更差，彼此相互影响，转子振动愈益严重。不能只注意处理一个方面，必须同时进行合理的对中和更换新的轴承轴瓦，才能最终解决问题。第一章概论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故障的特性４－延时性–机械设备在运行中，零部件不断受到冲击、应力、摩擦、磨损和腐蚀等因素作用，发生振动、位移、变形、疲劳和裂纹扩展，促使设备状态不断劣化，劣化状态发展到一定程度就会表现出机械功能失常或者完全丧失功能。–故障的形成是由一个缺陷不断累积，状态不断劣化，从量变到质变的过程。–故障形成过程中的延时性，促使人们应尽早发现隐患，采取预防措施，减少故障严重时所带来的损失。第一章概论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故障的特性５－不确定性（模糊性）–机械设备运转时的状态，受到多种环境条件的影响，状态劣化趋势表现各不相同。–即使在相同的生产工艺过程和相同的机械装备中，也可能因制造、安装、操作状态和管理水平不同，它们的故障发生频度、故障表现的形式和特征是不相同的。–有些复杂的机械系统，故障形成的机理还不太清楚，而有些机械系统，即使机械故障机理清楚，但是有哪些因素形成故障，各种因素影响的程度有多少，有时亦往往难以确定。–在设备故障诊断过程中，还存在故障征兆和故障原因关系之间的不确定性：–一种故障征兆可能来自多种故障原因；–一种故障原因也会表现出多种故障征兆。这种表象和成因之间的模糊性，给设备诊断工作带来一定难度。需要人们不断探索，积累经验，寻求新的诊断理论和方法。第一章概论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诊断：指采用各种测试、分析手段和故障状态的识别方法来确定故障的性质、程度、类别和故障部位，并研究故障产生机理的一门学科。设备故障诊断的含义：模拟医学界的疾病诊断思路而提出来的。指应用现代测试分析手段和诊断理论方法，对运行中的机械设备出现故障的机理、原因、部位和故障程度进行识别和诊断，并且根据诊断结论，确定设备的维修方案和防范措施。设备故障诊断包含的内容信号采集和状态监测–利用各种传感器和监测仪表获取设备运行状态的信息，并对信号进行分析处理。第一章概论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故障诊断–如果发现设备工作状态不正常或存在故障，则需要对能够反映故障状态的特征参数和信息进行识别，利用专家的知识和经验，像医生诊断疾病那样，诊断出设备存在的故障类型、故障部位、故障程度和产生故障的原因。诊断决策–根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施的决策。在故障的预防措施中还包括对设备或关键零部件的可靠性分析和剩余寿命估计。设备诊断技术所包含的内容比较广泛，诸如设备状态参数（力、位移、振动、噪声、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机器发生振动和机械损伤时的原因分析，故障的控制与防治，机械零部件的可靠性分析和剩余寿命估计等，都属于设备故障诊断的范畴。第一章概论1.1设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断包含的内容设备传感器信号采集、数据显示分析处理、状态识别故障诊断、决策巡回监测监护运行停机检修治理、预防参考图谱状态监测诊断决策故障诊断第一章概论1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.2设备故障诊断的应用与发展现代化生产企业为了极大限度地提高工业生产水平和经济效益，不断地向规模化和高技术含量发展，因此生产装置趋向大型化、高速高效化、自动化和连续化，人们对设备的要求不仅是性能好，效率高，还要求在运行过程中少出故障，否则因故障停机带来的损失是十分巨大的。故障诊断技术在企业内的推广应用，使企业收到明显的经济效益，一些大型的流程工业，大修间隔时间大大延长，而设备的故障率却明显下降。已有不少企业的关键设备能力够达到长周期、满负荷运行。例：美国某电厂故障诊断效益分析电厂情况装机容量：1000MW，电费：$0.015元/千瓦时，产值约：$1亿元/年事故损失按可靠性分析，事故停机14次/年，停产损失$15万元/天诊断效果能查出50%事故，其中50%由诊断系统查出（含虚警20%），修复：3天/每事故诊断效益（节约费用）B=14×0.5×0.5×3×15×(1-0.2)=$126万元/年投入经费投资，$20万元；年监测费：$1.5万元/年诊断成本A=(20万/10年折旧)+1.5万/年=$3.5万元/年第一章概论1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.2设备故障诊断的应用与发展大型机组发生故障的危害大型炼油装置，化肥装置，乙烯装置停产一天，损失数百万。电力部门一台30万千瓦发电机组故障停机一天，少发电720万度，直接经济损失数百万，简接经济损失将是数千万。80年代初，某大化肥厂的合成气压缩机发生强烈振动，由于振因复杂，一时找不到应对措施，全厂被迫停产二个月，仅化肥产值损失上亿元。20世纪内发生美国三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联乌克兰境内的切尔诺贝利核电站爆炸，印度博帕尔市农药厂的异氰酸甲酯毒气泄漏。第一章概论1.1.3设备故障诊断和维修方式的关系维修的目的：排除故障或故障隐患，恢复设备的功能和精度。主要的维修方式：事后维修、定期维修、状态监测维修事后维修（故障维修POM）：–当设备性能、精度下降到合格水平以下或发生故障而不能再继续使用时才进行的修理1.1设备故障诊断的目的和意义第一章概论1.1.3设备故障诊断和维修方式的关系预防维修–定期维修(计划维修PM)–以设备运行时间为基础的维修方式。即根据设备的磨损规律、故障率出现规律，实现制定计划，确定修理类别、修理间隔期、修理内容及技术要求。–状态监测维修（预知性维修PRM）–在设备运行时，对它的各个主要部位产生的物理、化学信号进行状态监测，掌握设备的技术状况，对将要形成或已经形成的故障进行分析诊断，判定