1、一、机械故障诊断介绍,二、机械故障诊断的应用,三、机械的故障与维护方式,四、机械状态监测与故障诊断,五、机械状态监测和故障诊断的技术地位,六、状态监测和故障诊断的发展趋势,第一章 概 述,一、机械故障诊断介绍,机械设备发展趋势：,由此:,性能指标越来越高；,设备功能越来越多；,机械结构越来越复杂。,(1)大型化,(2)高速化,(3)连续化,(4)自动化,结果：,(1)提高了生产率,(2)改善了产品质量,(3)降低了成本,(4)改善了劳动条件,1）促进了生产的发展,2）潜伏着很大的危机,导致机械出现故障，以致降低或失去其预定功能，造成严重的甚至灾难性事故。,结论:,对机械设备进行故障诊断就显得至
2、关重要。,机械故障诊断:,是一种了解和掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。,及时、正确地对机械各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，提高机械运行的可靠性、安全性和有效性，将机械故障的损失降低到最低水平。2. 保证机械发挥最大的工作能力，制定合理的检测维修制度，充分挖掘机械潜力，延长机械服役期限和使用寿命，降低其全寿命周期费用。3. 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为机械结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供有效的数据和信息。,1)及时、正确地对机械各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除 故障，提高机械运行的可
3、靠性、安全性和有效性，将机械故障的 损失降低到最低水平。,2)保证机械发挥最大的工作能力，制定合理的检测维修制度，充分挖掘机械潜力，延长机械服役期限和使用寿命，降低其全寿命周期费用。,3)通过检测监视、故障分析、性能评估等，为机械结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供有效的数据和信息。,机械故障诊断的目的:,美国西屋公司的三套人工智能诊断软件（汽轮机TurbinAID，发电机GenAID，水化学ChemAID）对其所产机组的安全运行发挥了巨大的作用。美国通用电器公司研究的用于内燃电力机车故障排除的专家系统DELTA；美国NASA研制的用于动力系统诊断的专家系统；Delio Products
4、公司研制的用于汽车发动机冷却系统噪声原因诊断的专家系统ENGING COOLING ADCISOR等。,二、机械障诊断的应用,诊断技术发展几十年来，产生巨大的经济效益，成为各国研究热点。,从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的一些公司，如Bently，HP等的监测产品代表了当今诊断技术的最高水平，具有完善的监测功能和较强的诊断功能，在宇宙、军事、化工等方面具有广泛的应用。,美国:,于70年代初成立了机器保健与状态监测协会，到了80年代初在发展和推广设备诊断技术方面作了大量的工作，起到了积极促进作用。曼彻斯特大学创立的沃森工业维修公司和斯旺西大学的摩擦磨损研究中心在诊断技术研究方面
5、都有很高的声誉。英国原子能研究机构在核发电方面，利用噪声分析对炉体进行监测，以及对锅炉、压力容器、管道得无损检测等，起到了英国故障数据中心的作用。目前英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面仍具有领先的地位。,英国:,在钢铁、化工等民用工业中诊断技术占有优势。东京大学、东京工业大学、京都大学、早稻田大学等高等学校着重基础性理论研究；机械技术研究所、船舶技术研究所等国立研究机构重点研究机械基础件的诊断研究；三菱重工等企业在旋转机械故障诊断方面开展了系统的工作，所研制的“机械保健系统”在汽轮发电机组故障监测和诊断方面已经起到了有效的作用。,一些国家的诊断技术发展各具特色。瑞典SPM公司的轴承
6、监测技术，AGEMA公司的红外热像技术；挪威的船舶诊断技术；丹麦的B&K公司的振动、噪声监测技术等都是各有千秋。,欧洲:,日本:,诊断技术发展始于70年代末，而真正起步应该从1983年南京首届设备诊断技术专题座谈会开始。虽起步较晚，但经过近些年的努力，加上政府有关部门多次组织外国诊断技术专家来华讲学，已基本跟上了国外在此方面的步伐，在某些理论研究方面已和国外不相上下。,中国:,目前在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品。全国各行业都很重视在关键设备上装备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，在电力系统、石化系统、冶金系统、以及高科技产业中的核动力电站、航空部
7、门和载人航天工程等。,工作比较集中的是大型旋转机械故障诊断系统，已经开发了20种以上的机组故障诊断系统和十余种可用来做现场故障诊断的便携式现场数据采集器。透平发电机、压缩机的诊断技术已列入国家重点攻关项目并受到高度重视。,中国:,西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统”；哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”；东北大学设备诊断工程中心经过多年研究，研制成功了“轧钢机状态监测诊断系统”，“风机工作状态监测诊断系统”，均取得了可喜的成果。,三、机械的故障与维护方式,机械的故障：,指机械功能的失常。,指机械的各项技术指标偏离了它的正常状态。,简单地说：,具体地说：,例如
8、：,机械零件损坏，丧失了它的工作能力；,发动机功率降低，传动系统失去平稳，噪声增大；,工作机构工作能力降低，燃料、润滑油消耗增加等统称为故障。,1、机械故障的分类,1）按部件损坏程度分类,2）按故障持续时间分类,3）按故障是否发生分类,4）按故障发生时间分类,随研究的角度不同，机械故障的分类方法也不同。通常有以下分类方法：,1）按部件损坏程度分类,（1）功能停止型故障,零件或机器损坏，丧失了工作能力。 如机器不能启动，无法运转；汽车发动机不能发动、无法开车等。,（2）功能降低型故障,机械虽能工作，但运行工程中机械功率降低或油耗增加。 如发动机工作中功率降低，燃油、滑油油耗增加。,（3）商品质量
9、降低型故障,机械虽能工作，但在工作中出现漏水、漏油、漏电、异常噪声、 喘振、不规则跳动、传动系失稳等。,2）按故障持续时间分类,（1）临时性故障,机械在很短时间内发生的机械丧失某些局部功能的故障。这种故障发生后不需要修复或更换零部件，只需对故障部位进行调整即可恢复其丧失的功能。,（2）持久性故障,造成机械功能的丧失一直持续到更换或修复故障零部件后，才能恢复机械工作能力的故障。,3）按故障是否发生分类,（1）实际故障,机械已经发生的故障。,（2）潜在故障,机械自身可能存在故障的隐患。在生产过程中，如果严格执行机械的使用和维修规程，采取有效的故障诊断措施，将能防止潜在故障发展成为实际故障。,4）按
10、故障发生时间分类,（1）突发性故障,故障的发生与机械的状态变化及机械已使用过多长时间无关，一般是在无明显故障预兆的情况下突然发生。因此，故障的发生具有偶然性和突发性。这类故障一般在实际工作中难以预测-不可监测故障。,（2）渐进性故障,是由于机械质量的劣化，如磨损、腐蚀、疲劳、老化等逐渐发展而成，故障发生的概率与机械使用时间有关。这类故障是可预测的-可监测故障。对于这类故障，可用定期维修或预知维修方式来预防。,对于这类故障，如果故障发生后易于排除，则可采用事后维修；如果不易排除，则需采用连续监测的方式来发现故障。,2、故障维修方式,很多年来一直没有进行状态监测和预知维修的概念，如果机器出现故障，
11、就对它进行维修或启用备用设备, 导致了维修部门的巨大经费开支。,介绍几种常用的机械故障维修方式：,1）事后维修,2）定期维修,3）预知维修,1）事后维修,即故障发生后再维修-最早、最常用的维修方式。维修费用高：零件坏了无法再用。要承担一定的风险：若某些重要机械的关键零部件坏了会产生重大事故；会导致管理失控,其维修理念:,任其损坏（坏了再修）。,1）优点,不必将资金投入到状态监测和预防性维修上； 设备不会出现过度维修。,2）缺点,无法预测的故障停工；继发损坏以及灾难性的故障； 会导致生产损失； 将产生高额维修费用； 缺乏有效管理。,2）定期维修,指按企业的维修计划，一定的时间间隔进行的维修。,维
12、修理念:,维修观点:,机器的寿命是有限的，它发生故障的机率与其使用的时间成正比，如图示，,停工前进行检修。,在实际生产中，由于润滑不良、零部件安装不当、以及不平衡和不对中等其它大量的原因导致大修后仍然有较高的故障概率。,现在对曲线进行调整以反映“概率寿命”与“估计寿命”的关系。在估计的故障“应该”发生的位置之前其故障概率已经开始增加，因此不得不缩短平直段的长度。,然而不幸的是，我们对于该周期以及进入磨损阶段后的故障发展速度都无法进行准确的估计。,几年前联合航空公司曾经做了一项研究，实际调查了故障概率随时间的变化情况。,经研究发现了两个重要的规律。,(1)符合浴盆曲线形状的仅占所调查机器的6。在
13、大多数情下（68）经过“磨合期”后曲线一直是保持平直。,(2)只有11的故障与设备的年龄相关，而其余的89都是随机产生的。,维修以可控制的方式在方便的时间进行； 减少机械故障的意外发生； 能有效的避免灾难性故障和生产中断； 可以更好的控制贮存的配件，节省资金。,定期维修的优缺点：,优点：,缺点：,状态良好的设备也会被频繁的检修（过剩维修）； 维修引起的损伤可能比益处更多； 仍然存在计划外故障停工； 所有设备都采用相同的维修计划，没有针对每个机器单独进行优化和寿命分析。,3）预知性维修,对机械进行监测，根据有无故障及机械性能的恶化程度决定是否需要维修。也称为视情维修。,如果没有出现故障，就不检修
14、。,维修理念:,机械在故障前通常会有一些特殊的征兆，如果能够通过这些征兆对机器进行监测，当机器故障概率达到一定水平时才进行维修，这样，机器的使用寿命就能得到最大的保证，同时减少了维修费用。,然而，事实上对所有的机器进行监测是非常困难和昂贵的。并且机器并不一定能在故障前为你提供足够的警告信息。,避免过剩维修，防止因不必要拆卸使机械精度降低； 减少意外停工； 降低费用； 减少和避免重大事故；,预知维修的优缺点：,优点：,缺点：,监测花费大。,四、机械状态监测与故障诊断,机械在不拆卸情况下，用仪器获取有关输出参数和信息，并据此判断机械运行状态的一种技术手段。,1、过程,2、机械状态监测与故障诊断内容
15、,3、机械诊断信息及获取方法,4、机械故障诊断的类型,主要内容,1、过程,与看病过程相似，通过它来了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。,1）状态信号采集,2）故障特征提取,3）故障识别,2、机械状态监测与故障诊断的内容,4）状态预测,1）状态信号采集,对运行中机械的状态进行正确的测试，获取合理的信号-状态信号。,状态信号是设备故障信息的载体，能够真实、充分地采集到足够数量，客观反映诊断对象-机械的状态信号，是故障诊断成功的关键。,2）故障特征提取,采集的信号是表征机械运行过程中的原始状态信号。,一般故障信息混杂在大量背景噪声、干扰中，为提高故障诊断的灵敏度和可靠性，必须采用信
16、号处理技术。排除噪声、干扰影响，提取有用故障信息，以突出故障特征。,3）故障识别,对提取反映机械故障特征的信息进行分析、比较、识别，判断机械运行中有无异常征兆，进行早期诊断。,若发现故障，则判明故障位置和故障原因。,4）状态预测,识别出故障后，要进一步对故障原因、部位、危险程度进行评估。即根据所得信息，预测机械运行状态和发展趋势。,3、机械诊断信息及获取方法,1）机械的状态信息和诊断信息,以发动机为例，它有3种信息参数：输入信息、输出信息、二次效应信息。,输入信息：,燃油量、空燃比等。,输出信息：,输出扭矩、转速、废气成分等。,二次效应信息：,二次效应信息-机械振动、温升、磨损物、声响等。,状
17、态信息：,其中，输入信息、输出信息、二次效应信息都反映了机械的运行状态，统称为状态信息。,诊断信息：,能反映机械某种故障特征的状态参数又称为诊断信息。,2）机械诊断信息的获取,在机械状态检测和故障诊断中，可通过直接观察、振动和噪声测量、磨损残余物测量和机械性能指标测量等，获取机械机械运行过程中的诊断信息。,(1)振动和噪声诊断技术,常用的几种诊断技术,(2)油样分析,(3)温度检测与诊断技术,(4)超声波和声发射诊断技术,(1)振动和噪声诊断技术,机械设备，如泵、风扇、涡轮和压缩机等在运行过程中都会发生振动。可以根据振动和噪声的检测分析，了解机械的运行情况并寻找故障源。,(2)油样分析,通过分
18、析油液中磨损微粒和其它污染物质，了解系统内部的磨损状态，判断机械内部故障的一种方法。,(3)温度检测与诊断技术,温度与机械运行状态密切相关，用于机械设备的故障诊断。,(4)超声波和声发射诊断技术,利用超声波对机械构件进行探伤或测厚达到诊断机械故障的目的。,指固体受力时，由于微观结构的不均匀或内部缺陷的存在，导致局部应力集中，塑性变形加大或裂纹形成与扩展过程中释放出弹性波的现象。,可用于连续监控材料或工件、构件中裂纹的产生与发展，了解物体的摩擦与磨损，研究固体的塑性形变、金属的微观组织变化等。声发射技术是一种快速、动态、整体性的无损检测手段，可在设备运行过程中实行监测。,超声波诊断：,声发射现象
19、：,声发射技术：,1）功能诊断和运行诊断,2）定期诊断和连续诊断,3）直接诊断和间接诊断,4、机械故障诊断的类型,4）简易诊断和精密诊断,5）在线诊断和离线诊断,6）常规诊断和特殊诊断,按诊断目的、要求对故障诊断的方法进行分类：,1）功能诊断和运行诊断,功能诊断：,针对新安装或刚维修后的机械、检查它们的运行状况和功能是否正常，并根据检测和判断的结果对其进行调整。,主要目的是观察机械能否达到规定的功能。,运行诊断：,针对正常运行中的机械，监视其故障的发生和发展而进行的诊断。,主要目的是为了发现正常工作中的机械是否发生异常现象，以便及早发现和排除故障。,2）定期诊断和连续诊断,定期诊断：,每隔一定
20、时间间隔对工作状态下的机械进行常规检查和测量诊断。,定期诊断不同于定期维修，它是若诊断中发现故障时才进行修理。,连续诊断：,采用仪器及计算机信号处理系统对机械的运行状态进行连续的监视或检测，因此，连续诊断又称连续监测、实时监测、实时诊断。,直接诊断：,直接确定关键零部件的状态，如轴承间隙、齿轮齿面磨损、轴或叶片的裂纹、腐蚀环境下管道的壁厚等。,3）直接诊断和间接诊断,直接诊断迅速可靠，但往往受机械结构和工作条件限制而无法实现。,一般仅用于易于测量的部位。,间接诊断：,利用机械产生的二次信息来间接判断机械中关键零部件的状态，如用润滑油的温升反映主轴承的磨损状态，用振动、噪声反映机械的工作状态等。
21、二次信息属于综合诊断信息，可能出现伪警或漏检。,4）简易诊断和精密诊断,简易诊断：,用较简单的仪器、方法对机械总的运行状态进行诊断，给出正常或异常的判断，相当于人的初级健康诊断。,简单易行、方法较成熟，目前较为普及。,主要由于机械性能的监测、故障劣化趋势分析及早期发现故障。,精密诊断：,针对简易诊断中判断大概有异常的机械进行专门的诊断，以进一步了解机械故障发生的部位、程度、原因、预测发展趋势。,需要较精密的仪器才能进行。,目的：分析机械异常的类型、原因、危险程度，预测其今后发展。,5）在线诊断和离线诊断,在线诊断：,对现场正在运行中的机械进行的自动实时诊断。,离线诊断：,通过记录仪或计算机将现
22、场测量的状态信号记下，带回实验室再结合诊断对象的历史档案作进一步分析和诊断。,机械的转轴在起动和停机过程需通过转轴的几个临界转速，采集机械转轴在起动和制动过程中的振动信号是诊断故障所必须的，而这些信号在机械的常规诊断中是采集不到的，因此需要进行特殊诊断。,6）常规诊断和特殊诊断,常规诊断：,在机械正常工作条件下采集信息进行的诊断。,特殊诊断：,创造特殊的工作条件采集信号进行的诊断。,例如：,某些测试能够告诉我们是否存在可能导致机器故障的状态。 例如：共振本身并不是故障，所有设备上都有共振。但是如果共振频率与机器运转速度频率相等时，就会导致轴承损坏，从而成为了故障。,值得注意：,必须应用多种监测
23、方法和技术，才能得到设备健康状态的全面信息，以及不同的监测信息之间的相关关系。仅仅采用某一种监测方法所得到的结果可能会引起误导，或者只能提供部分状态信息。,必须与历史数据以及参考数据 的比较，才能得到最佳的诊断结果。,五、机械状态监测和故障诊断的技术地位,1、提高经济效益和社会效益，生产者追求的根本目标。,故障诊断与预知维修技术研究的目的就是更准确、更及时地发现故障，使零部件的寿命得到充分的应用，延长检测周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获得最佳经济效益。,对英国2000个工厂的调查表明，采用设备故障诊断技术后维修费用每年节约3亿英镑。,我国铁路系统内燃机车采用故障诊断技术后，每年运行
24、事故大幅度下降，增加运输收入数亿元人民币。,2、预防机械设备运行事故，保证参与者及设备安全，提高机械设备使用的社会效益。,防患于未然是生产者安全生产的根本保证，尤其在一些比较重要的部门或企业中，如航空、航天、航海及核工业等，机械动力设备一旦发生故障不仅会造成巨大的经济损失，而且会带来严重的社会公害和人员伤亡。,为了避免这些恶性事故的发生，仅靠提高其设计的可靠性是远远不够的，必须辅以有效的故障诊断。,3、推动机械设备维修制度的变革。,预知维修方式是一种动态维修制度，是一种理想的维修模式，是维修制度变革的最终结果。不过真正意义上的预知维修应该建立在设备故障诊断技术成熟和完备的基础上，即在不拆卸、破
25、坏设备的条件下，能对设备的工作性能、状态变化及故障趋势进行定量的描述与掌握，并且能正确的预测机械设备的寿命和可靠性，同时能决定对其修复的方法和手段。,因此，设备故障诊断技术的发展状况决定着预知维修制度实现程度，它的研究、推广和应用，改变了机械设备原有的维修制度，也是生产者提高设备综合管理水平的标志之一。,六、状态监测和故障诊断的发展趋势,诊断技术与诊断系统紧密结合；,机器状态监测和工业过程监测将融为一体；,自动诊断和在线系统的应用将日趋增加,最新的IT技术、Internet技术将更广泛地应用在该领域。,1.技术整合,大多数商用状态监测系统都能对不同监测技术所得数据进行处理。磨损颗粒计数数据、轴
26、承的温度数据和振动数据都能够以图形的形式显示出来，这是近几十年来技术上的重大进步。然而，由于各仪器厂家间的商业竞争，数据的共享受到人为限制。,MIMOSA（设备信息管理开放式系统联盟）以及其它组织和设备生产商正在努力进行数据和信息共享标准平台的建设工作，但现在仍然还有许多工作需要完成。,。,2.维护和过程监测的合并,很多年前，一些从事过程监测和控制工业的大公司就已经注意到维护的市场前景，并开始涉足状态监测领域。结果导致一些较大的振动分析公司先后易主或兼并。,因此，可以确信在将来机器的状态监测与工业过程控制监测会逐步融合为一体。,由于工业过程控制监测公司的介入，以及远程维护的发展，在线监测系统会
27、得到更加广泛的应用和发展，自动诊断系统也变得越来越重要。,3.过程自动化及在线监测,在线监测系统可用于设备的远程监测；结果报告直接返回到监控中心处理。甚至，该系统还能对设备的任何部件进行监测，并将报告返回给维修部门和设备制造商，制造商可根据报告进行售后服务。,在线监测系统将会更加成熟和完善，但价格更加低廉。同时这些系统还需更加智能化。最好的情况是，只需传送诊断结果到监测控中心，而不是数以兆计的数据。,4.在线监测和自动诊断,将来所有的事情都会与互联网相关联。如果设备上有一个具有检测能力的在线自动监测系统，并且诊断出有故障存在，但由于维修和制造部门与设备的所在地相距较远，如何相互通讯就变得非常重要了。这时，非常需要互联网的帮助。,现在，许多系统都具备自动生成和发送电子邮件的能力，有的甚至能自动生成网站；用户只需要用普通的浏览器就能访问到所有的信息。通过电子邮件、网页和掌上电脑（PDA）能使需要的人及时获得相关数据，而网页浏览器能帮助我们进一步研究分析。,5.网络化,THE END,
