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机械故障诊断技术主讲:王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院第一章绪论•人有生老病死自然规律和人的生命周期；•机械设备有各种状态（perfect、defect、default、breakdown）和产品的生命周期；•机械故障危害：降低效率——停产——损坏设备——机毁人亡；•机械故障诊断类比于医疗诊断，是一门新兴的学科领域；•故障诊断的目的：性能指标保持完好（预防为主）；故障设备恢复性能（既病防变）。设备故障诊断的概念2What?1Why?3How?什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断为什么要进行故障诊断•设备的一生–规划、设计、制造（前半生）–安装、使用、维修、改造、更新、报废（后半生）–对现场设备管理者来说，使用和维修阶段是最重要的阶段、经历时间最长的阶段、设备充分发挥其功能和创造财富的阶段。•设备的故障会直接影响到设备的使用和维修，甚至会造成巨大的经济损失和严重的安全问题为什么要进行故障诊断2005年1月19日22点20分，某钢铁厂粗轧机齿轮箱轴承损毁，整条生产线被迫停机，事故检修共用了48小时。轴承保持架断&轴承内圈破裂轴承严重损坏直接经济损失3000多万！为什么要进行故障诊断•在航天、化工、核电等领域中，一些设备故障如果不能及时发现和排除，会酿成重大灾难事故–导致巨大经济损失–威胁社会公共安全–造成严重政治影响绪论设备故障诊断的概念为什么要进行故障诊断1986年美国“挑战者”号航天飞机失事，2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，航天飞机直接经济损失24亿美元，飞机上所有的航天员全部罹难。为什么要进行故障诊断1985年12月，印度博帕尔市农药厂发生异氰酸甲酯毒气泄漏事故，造成2000多人死亡，20多万人受害为什么要进行故障诊断实例31979年3月29日，美国三里岛核电站设备发生故障，放射性物质释放，不仅造成几十亿美元的经济损失，而且核辐射极大危害当地居民的身体健康。为什么要进行故障诊断①可以早发现、早预防，保证生产正常运行，减少经济损失，防止安全事故发生。②掌握设备过去和现在的运行状态，预测设备未来的工作状态，可以为设备管理和维修决策提供技术根据设计、制造、安装、使用长期运行中，设备故障难以避免及时发现设备的异常和故障，尽早采取防治措施设备故障诊断的概念2What?1Why?3How?什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断保障设备安全什么是设备故障诊断医生工程师机器人看病设备故障诊断的思想来源于医学诊断什么是设备故障诊断医学诊断方法设备故障诊断方法听、摸、看、闻振动与噪声监测温度测量油液分析应力应变测量无损检测技术（裂纹）望、闻、问、切听心音、做心电图量体温验血验尿量血压X射线、超声检查问病史查阅设备档案资料什么是设备故障诊断•设备故障诊断是一种在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，了解和掌握设备工作状态，确定设备的整体或局部是否工作正常，发现早期故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。•简而言之：设备故障诊断就是给机器看病的技术设备故障诊断的概念2What?1Why?3How?什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断保障设备安全给机器看病如何进行设备故障诊断•三个阶段–状态监测–分析诊断–决策处理信号采集、数据显示设备传感器分析处理、状态识别故障诊断、决策治理防治监护运行停机检修参考图谱状态监测分析诊断决策处理巡回监测状态监测和故障诊断的过程图示如何进行设备故障诊断•状态监测–传感器（物理信号→电压信号）–信号调理（功放、滤波）–数据采集/存储（A/D采样）–状态数据显示电机轴承座压缩机传感器如何进行设备故障诊断•分析诊断–状态信号分析–设备故障判断与定位–设备状态预测报警值危险值停机日期报警日期频谱图趋势预测图如何进行设备故障诊断•决策处理–在确保安全的前提下，将不采用故障诊断技术时的立即停机检修，转化为采用故障诊断技术后的维持运行，延长设备运行周期•巡回监测•监护运行•停机检修–设备管理与维修策略故障诊断的理论基础：能量耗散原理故障诊断是建立在能量耗散原理基础上的。所有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，转换与传递过程中的附加能量损耗愈小（无是生非）。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度（净扯那些没用的）。1.1设备的寿命及劣化曲线•1.浴盆曲线浴盆曲线：即机械设备劣化进程规律曲线。由于类似浴盆的剖面线，故称为浴盆曲线。（人的一生的疾病分布规律又何尝不是一个浴盆曲线呢？！）设备的寿命曲线（浴盆曲线）Ⅰ——磨合期Ⅱ——正常使用期Ⅲ——耗损期故障率%ⅠⅡⅢ图1—1浴盆曲线早期失效偶然失效耗损失效浴盆曲线中的三个阶段•Ⅰ—磨合期，表示新机器的磨合阶段，这时故障率较高（幼儿期）。早期失效：原因如装配误差、加工误差、材料缺陷、设计误差等。•Ⅱ—正常使用期，表示机器经磨合后处于稳定阶段，这时故障率最低（青壮年期）。偶然失效：原因如操作失误、尘土污染、维护不当等。•Ⅲ—耗损期，表示机器由于磨损、疲劳、腐蚀已处于老年阶段，因此故障率又逐步升高（老年期）。耗损失效：原因如疲劳断裂、老化、点蚀等。2.设备的劣化曲线绿区(G)——包括浴盆曲线的正常使用阶段，即故障率最低的阶段。机器处良好状态。黄区(Y)——包括浴盆曲线Ⅲ区的初始阶段，故障率已有抬高的趋势。机器处警戒状态。红区(R)——包括浴盆曲线Ⅲ区故障率已大幅度上升的阶段。机器处严重或危险状态。GYR图1-2劣化曲线取浴盆曲线中后两阶段，第Ⅱ阶段（正常使用期）和第Ⅲ阶段（耗损期）作为劣化曲线。如下图：1.2故障诊断的内容•1）运行状态的监测——判断设备是否运行正常；——判断•2）设备运行状态的趋势预报——对设备运行状态的发展趋势进行预测；——预测•3）故障类型、程度、部位、原因的确定——确诊1.3故障诊断的基本方法•按诊断难易程度分类：–1)简易诊断法；–2)精密诊断法。•按机械故障诊断的测试手段来分类：–3)直接观察法、–4)振动噪声测定法、–5)无损检测法、–6)磨损物测定法、–7)机器性能参数测定法。•比较有效比较成熟的是本门课程侧重的振动噪声测定法。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国内外发展情况•国外情况–美国最早（1961，阿波罗号航天飞机失事）–日本、英国、瑞典、挪威、丹麦等紧随其后–1967年4月，召开美国机械故障预防小组(MFPG)成立大会–美国飞行器数据综合系统(AIDS)的研制（B747）–日本于1971年提出了“TPM”全员生产维修国内外发展情况•国内情况–1979年以前，一些大专院校和科研单位开始理论研究–1979年到1983年，从初步认识进入到初步实践阶段–1984年7月在北京成立中国设备管理协会–1985年11月在上海召开了设备诊断技术应用推广会议–1986年6月在沈阳召开第一届中国机械设备诊断技术学会年会–目前石化、冶金、电力等行业都有相应的诊断中心–冶金企业的主要大厂都有专门的诊断部门，如武钢、鞍钢、宝钢、马钢等国内外发展情况•在各行业中的应用–航空航天领域–交通行业–冶金行业–石化行业–核反应堆–电力部门国内外发展情况•总体发展趋势–诊断对象多样化–诊断技术多元化–故障诊断实时化–诊断方法智能化–诊断系统网络化–诊断系统数据库化–诊断技术实用化MALMOVISYS-2S'tellDiagnosticALBYMSCAALXBYMAMPV-BGALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAPV-BGALBYMSCA故障诊断与状态监测•状态监测–通过监视和测量设备的运行状态信息和特征参数，并根据测定值与规定的正常值来做比较，从而判断设备的工作状态是否正常•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。•二者的关系–监测是手段，诊断是目的–监测是诊断的前提，诊断是监测的最终结果故障诊断与设备维修•设备维修方式的变革–事后维修(BreakdownMaintenance,BM)•第二次世界大战之前•也称被动维修，那时的机器小、简单、易修，损失也不大（我国解放前就是这种状况）–计划维修(TimeBasedMaintenance,TBM)•也称定期维修，第二次世界大战之后–预知维修(PredictiveMaintenance,PM)•国际上20世纪60年代中期开始，我国80年代才开始。•20世纪90年开始，以可靠性为中心的维修(ReliabilityCenteredMaintenance,RCM)•我国目前情况：以设备技术状态为基础与计划修理相结合的预防维修计划制度事后维修•定义–设备运行到坏了才进行修理。•优点：–不需要安排计划；–对一些设备，更换比修理更便宜。•缺点：–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。计划维修•定义–按预定的时间间隔或检修周期对设备做维修、调整和更换备件•优点：–机器运行寿命相对较长–减少意外停机–备件库存较少•缺点：–不能防止计划之外的突发事故–过剩维修导致维修费用增加–过剩维修引起人为维修故障–不足维修引起设备二次损坏1年20年突发性损坏过剩损失瑞典SKF公司轴承实验预知维修•定义：–有计划地对设备做检查和测试，以确定其健康状况，决定维修时间。–主动维修、精确维修•优点：–减少非计划停机损失–延长维修时间间隔–大大减少库存备件–减少维修费用–过剩维修减到最少•缺点：–需要初始投资–需要学习培训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。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主要研究内容•当前故障诊断技术的研究内容主要集中在：–故障机理的研究•揭示故障的形成发展的规律•主要通过构建系统的物理仿真模型再加实验验证–信号处理与特征提取方法的研究•对信号的消噪、滤波以及对各类信号的分离•特征提取：描述信号特性的表征方法，以展现事物发展的内在规律，进行趋势预测和状态评估等。–智能诊断方法和诊断策略的研究–智能仪器与故障诊断体系结构的研究如何开展设备故障诊断•理论与实践相结合–多了解设备结构、工艺流程、检修方法、仪表知识等–机电一体化•工欲善其事，必先利其器。–要注意仪器使用的要求和设备的工况•哲学思考–唯物主义、主要矛盾/次要矛盾、量变到质变、否定之否定、事物的两面性•相关资源–书、期刊、论坛、公开数据源学习方法•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。1-1，1-2，1-3，1-4,1-6.习题Thankyouforyourattention!谢谢大家