机械故障诊断技术与方法.ppt

机械设备故障诊断学机械设备故障诊断学石油大学（北京） 机电学院樊建春石油大学（北京）机电学院Tel: 010-89733861, 010-89734027Mobile: 13501103910E_Mail: fjc688@ 北京昌平中国石油大学（北京）机电学院邮编：102200石油大学（北京）故障诊断研究中心设备故障诊断研究油液分析诊断技术振动分析诊断技术声发射诊断技术油气管道泄漏检测• 油液分析诊断软件开发• 磨损图像分析与自动识别• 直读式旋转铁谱仪开发• X-射线荧光能谱监测仪• 便携式数据采集系统• 振动故障诊断专家系统• 套管磨损监测及预测方法• 现代设备管理理论与方法• 大功率柴油机故障诊断• 车用发动机故障诊断• 输油泵故障诊断• 大型压缩机故障诊断机械故障诊断技术概论第一章 绪论第二章 机械设备故障形式与分析方法第三章 常见设备诊断系统第一章 绪论Ú机械设备故障诊断的意义–机械故障诊断学–机械故障诊断技术的发展–理论与实际意义Ú机械故障诊断的内容和任务–信号获取—特征提取—诊断—维修Ú机械故障诊断理论与方法–机械故障诊断的学科性质Ú机械故障诊断技术发展趋势1-1 机械设备故障诊断的意义Ú机械故障诊断学–通过测取机械设备在运行时或在相对静态条件下的状态信息，对其加以处理和分析，结合诊断对象状态的历史记录，来识别设备的实时技术状态、预知有关异常故障和预测未来技术状态，进而确定必要维护策略的一门学科Ú特点：–实时性与历史性结合–动态特征与静态特性结合–监测与诊断结合Ú机械故障诊断技术的发展历史–第一阶段：19世纪工业革命到20世纪初•低的生产力水平：事后维修方式–第二阶段：20世纪初到20世纪50年代•规模化生产方式—定期维修—设备诊断技术孕育•由听、摸、闻、看到初步的设备诊断仪器–第三阶段：20世纪60—70年代•大规模生产方式—状态维修—设备诊断技术形成–第四阶段：20世纪80—目前•柔性生产方式—风险管理—智能化设备诊断技术•设备诊断相关信息的集成化、智能化、网络化利用现代维修技术发展三阶段的期望值演变第一阶段：故障时即维修 第二阶段：•更高的设施可用度•更长的设备寿命•更低的成本 第三阶段：•更高的设施可用度和可靠性•更高的安全性•更高的产品质量•对环境无危害•更长的设备寿命•更高的成本效益 设备故障观点的变化第一阶段第二阶段第三阶段第一阶段：corrective maintenance 第二阶段：预防性维修 preventive maintenance 第三阶段：•视情（状态）维修 condition based maintenance•TPM：全员维修 total productivity maintenance •RCM：可靠性维修 reliability centred maintenance•Design-out Maintenance 维修制度及观念的变化第一阶段：故障时即维修 第二阶段：•定期大修•工作的计划和控制系统•体积大、速度慢的计算机 第三阶段：•状态监测•可靠性和维修性设计•危害分析•故障模式和影响分析•专家系统•技能的多重化及合作•资源共享•体积小、速度快的计算机 设备维修技术的变化Ú开展机械故障诊断的意义–理论意义•检验相关理论，寻求最佳诊断方法，完善诊断理论•带动相关理论的发展：测试、信号处理、模式识别•推动材料科学、产品设计等相关技术进步–实际意义•实现设备的视情维修，提高设备管理水平•确保设备安全可靠运行，最大限度发挥设备效益•降低设备事故率，提高安全管理水平1-2 机械故障诊断的内容和任务Ú机械设备状态信号的获取–选择合理的测试技术与方法Ú机械设备故障特征的提取–信号处理•滤波、维数压缩、形式变换、信号增强、精化故障特征–信号分析•时域分析、频域分析、幅值域分析、图象特征提取Ú故障诊断Ú维修决策异常信号采集故障诊断建立档案库正常信号采集预 处 理信号处理模式识别标准诊断库建立辅助诊断、维修决策预 处 理信号处理模式识别机械设备设备故障诊断的内容和任务1-3 机械故障诊断理论与方法Ú基于故障机理的诊断方法Ú基于故障树分析的诊断方法Ú基于信号分析和处理的诊断方法Ú基于模式识别的诊断理论Ú基于模糊数学的诊断理论Ú基于灰色系统的诊断理论Ú基于神经网络的诊断理论和方法Ú基于专家系统的智能诊断方法Ú油液分析诊断方法Ú红外热成像诊断、超声波诊断、放射线同位素诊断Ú无损探伤诊断、热工参数诊断、电工参数诊断机械故障诊断学的学科性质 机械故障诊断学故障机理： 力学 机械学 摩擦学 材料学 制造工程 维修工程 工艺学 设备运用测试与信号：传感器原理电子电工测控技术组网技术信号处理信号分析图象处理图象分析信息与人工智能技术：模式识别专家系统神经网络模糊数学灰色理论计算机应用数据库技术网络技术管理工程： 行为科学 系统工程 维修管理 决策技术 风险管理 安全工程 ……跨学科技术1-4 机械故障诊断技术发展趋势Ú现状与存在的问题–旋转机械与往复机械的诊断–管理与资源利用–诊断仪器•测试与诊断脱节、功能单一、对操作人员要求较高Ú研究与发展方向–虚拟仪器—诊断装置集成化、系统化、网络化–考虑监控的设计–诊断中心：专家诊断、数据共享、资源节约–诊断理论Ú总体发展趋势–不解体、高精度、集成化、智能化、网络化温 度传感器压力传感器速 度传感器加速度传感器位 移传感器油液分析仪 …润滑系统回油管路信号调理、采集与转换控制模块信号处理数据分析与特征提取多源诊断信息融合故障模式分类判断诊断结论维修决策系统知识库诊断数据库控制系统多源诊断信息检测标准化数据接口网络化信息集成数据通讯协议智能化诊断软件系统远程通讯第二章 机械设备主要故障 形式及其分析方法Ú机械设备的主要故障形式机械设备的主要故障形式–机械设备故障分类机械设备故障分类–机械设备的故障形式及其产生机理机械设备的故障形式及其产生机理Ú利用故障树分析法分析故障利用故障树分析法分析故障–故障树分析的基本概念故障树分析的基本概念–故障树建立、定性与定量分析故障树建立、定性与定量分析Ú机械设备的故障诊断参数机械设备的故障诊断参数–故障的征兆故障的征兆–故障诊断参数故障诊断参数Ú机械设备故障状态的确定及其方法机械设备故障状态的确定及其方法–确定故障状态的指标、原则和方法确定故障状态的指标、原则和方法2-1 机械设备的主要故障形式Ú机械设备的故障分类–按故障发生的原因分•劣化故障：t—零件—设备功能—故障发生•人为故障：由人为原因导致的故障–按故障持续时间分•临时性故障：短时内设备丧失某些局部功能，经调整可恢复•持久性故障：造成设备功能丧失直至更换或修复故障零件–按故障形成速度分•突发性故障：由设备本身的因素和偶然的外界因素共同作用而导致的无明显征兆的迅速发生的故障，不可监测•渐发性故障：由各种老化原因导致故障，有一个渐变过程，与时间有关，可监测–按故障性质分•功能故障：使设备不能继续完成其预定功能的故障•参数故障：设备规定的性能参数超出允许极限–按故障危害性分•灾难性故障：导致设备毁损或人员伤亡的严重后果•一般性故障：非危险性故障–按故障存在形式分•实际故障：设备已经发生的故障•潜在故障：设备自身存在的可能发生的故障，其存在可以被检测到、但尚未影响到设备功能或性能的实现，通过维修预防性措施可避免其成为实际故障Ú机械设备的主要故障形式–磨损•机理：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损•应力：机械应力•抗力指标：耐磨性、接触疲劳应力–变形•机理：弹性变形、塑性变形•应力：机械应力•抗力指标：弹性模量、弹性极限和屈服点–断裂：•机理：疲劳断裂、静载断裂、环境断裂–裂纹•机理：工艺裂纹、使用裂纹–腐蚀•机理：化学腐蚀、电化学腐蚀2-2 故障树分析方法（FTA)Ú基本概念–故障事件：•系统的各种故障、失效和不正常–顶事件•故障树分析的目标事件，位于故障树的顶部–底事件•导致其它事件发生的原因、顶事件发生的根本原因事件–中间事件•位于顶事件和底事件之间的中间结果事件–故障树：•用于分析某一顶事件发生形成的自顶而下的倒立树状逻辑图Ú故障树分析使用的主要符号AB1BnB1BnA与门当输入事件B1…Bn都发生时输出事件A才发生或门当输入事件B1…Bn有任一发生输出事件A就发生结果事件：中间事件顶事件底事件省略事件：未探明事件条件事件：指定一定条件才发生的事件X1X2X3顶事件中间事件X1X2X3Ú故障树分析法的主要内容–建立故障树–建立故障树的数学模型–进行系统可靠性的定性分析–进行系统可靠性的定量分析Ú故障树的建立–确定顶事件•任何需要分析的系统故障，只要可分解且有明确定义的，都可作为顶事件。

通常为最不希望发生的故障–逐级确定中间事件、逻辑分析Ú故障树的定量分析–寻找导致顶事件发生的所有故障模式，即找出故障树的全部最小割集或最小路集–割集：能使顶事件发生的一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时顶事件必然发生–最小割集：包含了最小数量且为最必须的底事件的割集–路集：一些底事件的集合，当这些底事件同时不发生时，顶事件必然不发生–最小路集：若路集中所含的底事件任意去掉一个就不再是路集，代表系统的一种正常模式–最小割集的求解方法•Fussell-Vesely方法: 下行法•Semanderes方法：上行法Ú故障树的定量分析–以故障树为计算模型，在已知底事件发生概率的情况下，求顶事件的发生概率–与门结构的输出事件发生概率 •P(X)=∩P(xi)=∏P(xi)–或门结构输出事件的发生概率•P(X)=∪P(xi)=1-∏[1-P(xi)]2-3 机械设备的故障诊断参数 Ú故障的征兆（故障症状）–总体性能变化–振动异常–声响异常–过热现象–磨损产物激增–裂纹扩展Ú故障诊断参数–诊断参数的分类•直接诊断参数：直接反映设备故障状态的参数•间接诊断参数：间接反映设备故障的参数–诊断参数的选择原则•信息性：能确实包含故障信息•经济性：保证测试仪器有高的性能价格比•稳定性：具有较好的重现性•灵敏性：•单值性：最好与一种或少数几种故障对应•方便性：•安全性：•不解体性：2-4 机械设备故障状态的确定Ú确定故障状态的四种指标–损伤程度的极限值•依据机械类型及其可靠性要求或对机件强度削弱程度来具体确定–输出参数的极限值•与机械设备性能密切相关的一些机械参数–整机的极限状态•机械设备不宜继续进行工作的极限状态•设备操纵性/工作质量明显下降、故障迹象加剧–经济损失的极限值液压系统故障的不同衡量标准安全员：已发生故障工程师：已发生故障生管：已发生故障积油油耗较高设备停运时间状态开始泄漏Ú机械故障状态的确定原则–技术的先进性•输出参数极限值的确定应充分体现技术的先进性–继续使用的危险性•状态参数极限的确定必须考虑故障后果–对周围环境的影响•状态参数的限制必须考虑对环境的影响–修复的劳动量及费用•状态参数的限制应考虑维修费用–参数变化的可能性–输出参数极限值的随机性Ú故障状态标准的确定方法–生产经验法–生产试验法–类比分析法–实验室研究–计算分析法•建立在理论分析基础上，将各种因素之间的关系用数学公式表示，依据该公式计算结果，确定故障状态标准第三章 机械设备故障诊断的 主要传感器及其系统Ú3-1 振动诊断传感器及其系统Ú3-2 温度传感器Ú3-3 压力传感器Ú3-4 声发射诊断仪器及其系统Ú3-5 转速传感器Ú3-6 油液分析的常用仪器Ei (～)sI(f♂)金属板线圈振动传感器（1）—— 位移传感器 用途：测量旋转轴轴向和径向位移量原理图结构图 当加有高频电流的线圈与导电金属片接近时，由于线圈磁力线的作用，在金属片上产生电涡流，致使线圈的电感量减小通过测量线圈特性变化，即可测量振动位移。

传感器提供一个与位移量成正比的电压输出应用特点：1、安装于轴承座上，测量轴相对运动；2、旋转轴表面缺陷可导致误差3、安装需钻孔4、一般设计信号输出：200mv/um,8mv/um5、高精度测量，需采用交流偶合电路振动传感器（2）—— 速度传感器 用途：测量振动速度 当线圈做切割磁力线运动时，将产生感应电动势，这一感应电动势的大小与切割磁力线的速度成比例振动引起传感器线圈中磁铁运动，从而切割磁力线并产生感应电动势，将机器振动转换为电信号，这一信号与振动速度成比例阻尼环线圈磁钢弹簧芯轴应用特点：1、10-1000Hz内可满足大多数机器工作，在该频率范围外，主要用于测量齿轮转动和高速涡轮机叶片振动；2、结构简单、使用方便；3、机械电子结构，需考虑使用范围改变、失效和高温条件引起标定值变化振动传感器（3）—— 加速度传感器 用途：测量振动加速度m输出压电片基座 通过弹簧质量系统将被测加速度变换成力或位移，然后由转换元件转换为电信号对压电式传感器，当传感器承受振动时，压电片将受到质量块产生的加速度力作用（F=ma），而压电片产生的电荷q与外力F成正比，故传感器输出的电荷q与被测振动加速度成正比，即 q=ka. 压电传感器的性能，与压电元件的性能有很大关系压电式传感器应用特点：1、频率范围宽，上限：10-60kHz, 下限：0.3*10-8-2*10-8 Hz(用电荷放大器）2、相移小（对压电传感器，阻尼因素小）3、重量轻，安装简单4、动态范围大，灵敏度高，用于低加速度的振动测量及高加速度冲击测量5、在低频域，只能产生较低信号电平，较难判断较低频率的故障Ú振动传感器的选择–正确选择所需参数•位移传感器通常用于测旋转机械轴向和径向位移–机械阻抗选择•轴不能直接测量或刚性转子，用速度或加速度–频率选择•频率>1000Hz：加速度;10-1000Hz, 推荐速度•速度和加速度的应用场合–速度：低速率（<1200rpm)、故障诊断、动平衡校正–加速度：高频域叶片、齿轮故障（1000Hz)、结构频率响应，寿命要大于2年，高温使用》振动传感器的安装方法Ú振动放大器–工作原理：•系统输出电压:• U= - Q/Ct•电荷偶合放大器的输出电压，仅由加速度传感器两端所产生的电荷和反馈电容决定。

而与压电传感器的固有电容和电缆电容无关–电荷放大器基本电路：Ú以计算机为中心的诊断系统传感器放大器AD转换计算机分析系统1、硬件组成： AD主频： 330K AD精度：12bit 缓存：128K 测速范围：0—3,600,00(r/min) 、光隔离 测速精度：测速周期为10ms时，误差<1% 通 道 数：16 触发方式：6种 通讯速率：300K/s 输入量程：-5—+5V 传感器：振动（压电）、温度、压力，转速2、软件系统： 1）时域、频域、倒频谱、相关、包络、细化分析 数字滤波、传递函数、AR建模、概率分布 2）动态图形回放、CIP静态图形分析、多通道数据管理 数据平滑、数据插值 3）自动处理系统 4）推理系统：模糊、神经网络、复合 5）知识库开发工具 2-2 温度诊断传感器Ú热电偶–一般热电偶–特殊热电偶Ú热电阻–半导体温度传感器–电阻温度传感器–薄膜热电阻传感器Ú红外测温传感器Ú红外热像仪Ú红外测温基本原理–斯蒂芬—彼尔兹曼定律•物质温度与辐射能量之关系• E = T4•E——辐射功率，W/m*m•——比辐射率•——斯蒂芬—彼尔兹曼常数•T——物体的绝对温度2-3 压力诊断传感器 Ú应变式压力传感器–板式压力传感器–筒式压力传感器Ú固态压阻式传感器2-4 声发射诊断仪Ú原理–声发射：物体受力时，其内部组织因变形而释放出应变能并以弹性波的方式向外辐射Ú声发射传感器–谐振式传感器–差动式传感器–宽带传感器Ú声发射诊断仪2-5 转速传感器 Ú磁阻式转速传感器–开磁路磁阻转速传感器–闭磁路磁阻转速传感器Ú光电式转速传感器。