机械故障诊断第一章绪论

第一章 绪论,1设备故障诊断的意义 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故。例如，1986年，前苏联切尔诺贝利核反应堆泄漏，死亡32人，13.5万人被疏散；1986年，美国“挑战者”号航天飞机失事，死亡7人，航天飞机爆炸，损失12亿美元。在我国，1985年大同电厂和1988年秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨大的经济损失。 因此，保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。因设备故障而造成的严重事故，不但会造成巨大的经济损失，而且还可能会造成很大的人员伤亡和环境污染,随着现代设备的日趋大型化、复杂化、 自动化和连续化，设备一旦发生故障，给生 产和质量以至人们的生命财产安全造成的影 响往往大得难以估算。 采煤机 运输设备 提升系统,状态监测及故障诊断的重要意义,现代设备运行的安全性与可靠性取决于 两个方面： 一、设备设计与制造的各项技术指标的实 现； 二、设备安装、运行、管理维修和诊断措 施的实施。【避免故障、失效及损坏,失效与损坏是严重的故障,灾难,机械故障： 指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象,机械故障的分类,1） 按发生的原因分： 磨损性故障：机械系统因使用过程中的正 常磨损而引发的一类故障。 错用性故障：因使用不当而引发的故障。 先天性故障：由于设计或制造不当而造成机械系统中存在某些薄弱环节而引发的故障,危害性故障：故障发生后会对人身、生产和环境造成危险或危害的一类故障。 安全性故障：故障的发生不会对人身、生产和环境造成危害的一类故障,2）按造成的后果分,突发性故障：故障发生前无明显征兆，难以通过早期试验或测试来预测。 渐发性故障：设备在使用过程中零部件因疲劳、腐蚀、磨损等而导致设备性能逐渐下降，最终超出允许值而发生的故障,3）按发生的快慢分,部分性故障：设计功能部分丧失的一类 故障。 完全性故障：设计功能完全丧失的一类 故障,4）按发生的范围分,偶发性故障：发生频率很低的一类故障，即 “意外现象”。 多发性故障：经常发生的一类故障,5）按发生的频次分,永久性故障：必须更换某些零件后，机器才能恢复其功能。 非永久性故障：或称间断性故障，故障使部件丧失某些功能，但不需更换零件就可以排除故障使机器恢复其全部功能,6） 按系统功能丧失的程度分,相关故障：也称为间接故障，这种故障是 由于设备的其他部件所引起的。 非相关故障：也称直接故障，这是因为零 部件本身直接因素引起的,7）按故障相关性划分,早期故障 使用期故障 后期故障,早期,使用,后期,使用期,故障率,8）按故障发生的时期划分,磨合期,空难 2009年6月1日14时，法航空客A330起飞不久后与地面失去联系。机上228人全部遇难,飞机残骸,切尔诺贝利核电站事故 乌克兰北部，1986年4月26日核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突然发生火灾，引起爆炸，其辐射量相当于500颗美国投在日本的原子弹。爆炸使机组被完全损坏，8吨多强辐射物质泄露,2005年一份国际原子能机构的报告认为直到当时有300人丧生，并估计大约4000人最终将会因这次意外所带来的疾病而死亡,1986年1月28日“挑战者”航天飞机失事,价值12亿美元的航天飞机顷刻化为乌有，七名宇航员全部遇难,事故原因 发射时气温过低，发射台上已经结冰，造成固定右副燃料舱的O形环硬化，失效,发射过程,2003年2月13日“哥伦比亚”航天飞机失事,外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，一块泡沫材料脱落击中航天飞机左翼前缘。当航天飞机返回经过大气层时，剧烈摩擦使温度高达1400的空气冲入左翼并融化了内部结构,返航过程,状态监测与故障诊断是识别机器或机组运行状态的科学。 它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。 其研究内容包括： 对机器运行现状的识别诊断 对其运行过程的监测 对其运行发展趋势的预测,设备诊断技术的目的是“保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能”。这包含了三点： 一、保证设备无故障，工作可靠； 二、保证物尽其用，设备要发挥其最大的效益； 三、保证设备在将有故障或已有故障时，能及 时诊断出来，正确地加以维修，以减少维修时间、 提高维修质量，节约维修费用，应使重要的设备能按其状态进行维修（即视情维修或预知维修)，改革目前按时维修的体制,设备诊断技术的最根本的任务： 通过测取设备的信息来识别设备的状态 正如对人体诊断一样，一是预防与保健，二是看病与处置。 对于设备的诊断，一是防患于末然，早期诊断【状态监测】；二是诊断故障，采取措施,1按目的分： (1)功能诊断 即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功能是否正常，也就是投入运行前的诊断。 (2)运行诊断 即对服役中的机械系统进行的诊断,机械故障诊断可以分类如下,1)巡回检测 就是每隔一定的时间对服役中的机械系统进行检查和诊断。 (2)在线监测 就是连续地对服役中的机械系统进行监测,2按方式分,1)直接诊断 诊断对象与诊断信息来源直接对应的一种诊断方法，即一次信息诊断。 (2)间接诊断 诊断对象与诊断信息来源不直接对应的一种诊断方法,3按提取信息的方式分,1)常规工况诊断 在机械的正常运行条件下进行的一种故障诊断方式。 (2)特殊工况诊断 对某些机械，需为其创造特殊的工作条件才能对其进行诊断,4按诊断时所要求的机械运行工况条件分,1)简易诊断 对机械系统的状态作出相对粗略的判断。 一般利用简易测量仪器对设备进行监测，根据测得的数据，分析设备的工作状态。 (2)精密诊断 是在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程。 利用较完善的分析仪器或诊断装置，对设备进行诊断，这种装置配有较完善的分析、诊断软件,5按功能分,机械故障诊断还可根据所采用的技术手段不同而分为： 振动诊断 油样分析 温度监测 无损检测 等,1. 正确选择与测取设备有关状态的特征信号 所测取的信号应该包含设备有关状态的信息。 例如，诊断起重机桁架有无裂纹决不能靠测取桁架各点温度来判定，因温度信号中不包含裂纹有无的信息，而测取桁架的振动信号则可达到目的，因为振动信号中包含了结构有无裂纹的信息。这种信号可称为特征信号,设备诊断技术应包括五方面内容,2. 正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信息 一般来讲，从特征信号来直接判明设备状态的有关情况，查明故障的有无，是比较难的。例如，一般难于从结构的振动信号直接判明结构有无裂纹，还需要根据振动理论、信号分析理论、控制理论等提供的理论与方法，加上试验研究，对特征信号加以处理，提取有用的信息(称为征兆)，才有可能判明设备的有关状态,例如，理论分析与试验研究表明，从振动信号中计算出的固有频率这一征兆固然可用，但对结构有无裂纹产生并不敏感。 而计算出的频率特性(或称频响函数)却存在着十分敏感的频带，因此，以频率特性作为征兆则更为合适。 所谓敏感的强弱，是指征兆的相对变化与有关状态相对变化之比的大小,征兆，可以是结构的物理参数(如质量、 刚度等)、结构的模态参数(如固有频率、模态 阻尼、模型等)，可以是设备的工作特征(如耗 油率、工作转速、功率等)，可以是信号的统 计特性(如均值、方差、自功率谱等)，也可 以是由信号中得出的其他特征量(如自回归模 型参数等,由此应指出，征兆既用于由外表现象推断内部状态，此时可称为症侯；又用于由现在现象推断未来状态，此时可称为预兆。状态诊断既包括诊断设备是否将发生什么故障，此即早期诊断，也包括诊断设备已发生什么故障，此即故障诊断,3. 根据征兆正确地进行设备的状态诊断 不能直接采用征兆来进行设备的故降诊断、识别设备的状态。这时，可以采用多种的模式识别理论与方法，对征兆加以处理，构成判别准则，进行状态的识别与分类。 状态诊断是设备诊断重点之所在,4. 根据征兆与状态正确地进行设备状态分析 当状态为有故障时，则应采用有关方法进一步分 析故障位置、类型、性质、原因与趋势等。 例如，故障树分析是分析故障原因的一种有效方法。 当状态为无故障时，则可用Kalman滤波、时 序模型等方法进一步分析状态趋势，预计未来情 况,5. 根据状态分析正确地作出决策 干预设备及其工作进程，以保证设备可靠、高效地发挥其应有功能，达到设备诊断的目的。所谓干预包括人为干预和自动干预，即包括调整、修理、控制、自诊断等等。 实际上往往不能直接识别设备的状态，因此事先要建立同状态一一对应的基准模式，由征兆作出的判别准则。 状态监测是故障诊断的基础。设备诊断过程可以说是设备的状态监测、分析与干预过程,现代工业对技术诊断的要求,B 机械设备事故的危害性,C 对机械设备不解体监测和诊断的强烈要求,A 机械设备维修的重要性,1、现代工业的特点,2、技术诊断与维修制度改革的关系,1）事后维修(Breakdown maintenance,2）定期预防维修(Preventive maintenance,3）状态维修或预知维修(Condition maintenance or Preditive Maintenance,2设备故障诊断的目的 （1）能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 （2）保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 （3）通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。 总起来说，设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要获取更大的经济效益和社会效益,3故障增加的原因，以及设备故障诊断所要解决的问题 （1）现代生产设备向大型化、连续化、快速化和自动化方向发展，一方面提高了生产率，降低了成本，节约了能源和人力；但另一方面，由于设备故障率的增加和因设备故障停工而造成的损失却成十倍，甚至成百倍地增大。维修费用也大幅度增加。 （2）高技术的采用对现代化设备，特别是航空、航海、核工业等部门对安全性、可靠性提出了越来越高的要求。 （3）现有大量生产设备的老化要求加强安全监测和故障诊断，许多老设备，老机组，服役已接近其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率增多，有的甚至超期服役，全部更新经济负担很重，此时如有完善的故障诊断系统，将能延长设备的使用期,4故障诊断带来的经济效益 （1）能减少事故停机率，具有很高的收益/投资比 （2）能延长设备检修周期，缩短维修时间，为制定合理的检测维修制度提供基础，极大地提高经济效益。 （3）宏观上，从全社会生产的角度看，花费的设备维修费用是一笔巨大的数目，而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的,5设备故障诊断的任务 设备故障诊断的任务是监视设备的状态，判断其是否正常；预测和诊断设备的故障并消除故障；指导设备的管理和维修。 （1）状态监测 （2）故障诊断 （3）指导设备的维修管理,6 技术诊断的发展概况 机械设备故障诊断技术的历史悠久，从人类学会利用机械设备进行生产的时候起，就有了眼看、手摸、耳听、鼻嗅等简单的监测手段和凭靠经验的判别准则。随着生产技术的不断发展，诊断技术也在不断进步。到20世纪60年代，一方面，生产机械化、自动化的发展对机械设备运行的连续性、可靠性提出了更高的要求，极大地促进了诊断技术的发展；另一方面，电子技术和微型计算机的迅速发展，为诊断技术的发展提供了极大的技术支持，因而出现了各种精密的电子监测和故障诊断仪器，使故障诊断技术在20世纪70年代就发展成为一门新的综合性学科，出现了划时代的变化,故障诊断发展最早的国家是美国，在20世纪60 年代对诊断技术就开始了有组织的研究工作，目前 在航天、航空、军事、核能等尖端部门仍处于领先 地位。英国从20世纪70年代初开始起步，目前在摩 擦、磨