1、设备故障诊断 （Machine Fault Diagnosis) 崔玲丽,机电设备故障诊断,西区机电楼310房间,010-67391750-803, fault-,13691178029,99411433,北京市先进制造技术重点实验室,机电设备故障诊断,理论,实践,能够独立分 析解决问题(文章),学会看诊断 领域的文章,实验台检 测数据,真实设备 采集信号,实验大纲诊 断分析报告,能够独立 分析数据,在读文献的基 础上开展自己 的研究,使用现有的诊 断分析软件,通过自己编程来 实现诊断分析,设备诊断课程体系,写文章、发表 论文的要求,机电设备故障诊断,理 论,振动及信号处 理的基本知识,绪 论
2、,滚动轴承 诊断实例,方法创新：写 一篇相关论文,独立阅读、分 析、仿真文献 （matlab编程）,齿轮箱 诊断实例,阅读及讨论 中文文献,阅读及讨论 外文文献,考 试,作业1：翻译一 篇相关英文文献,作业3：小组 文献汇报,作业2：撰写 一份诊断报告,机电设备故障诊断,课程内容：,本课程主要介绍石油、石化、冶金、机械制造、电力、航空航天、铁路、烟草、供水、建材等行业中广泛存在的机电设备常见故障的诊断原理和工程应用。,振 动 诊 断 基 础,数 据 采 集 技 术,轴 承 故 障 诊 断,齿 轮 故 障 诊 断,外 文 文 献,内容如下,机电设备故障诊断,传 感 器 知 识,中 文 文 献,绪
3、 论,课程实验安排,滚动轴承实验系统,实验内容： 应用Matlab软件编制信号处理程 序，进行轴承模拟故障实验。,机电设备故障诊断,7,课程安排：,教学：32学时； 考试时间：第17-18周,参考资料：,理论： 滚动轴承振动监测与诊断.梅宏斌.机械工业出版社； 齿轮箱故障诊断.丁康.机械工业出版社； 简易振动诊断现场实用技术.易良榘.机械工业出版社； 机械故障诊断学. 钟秉林. 机械工业出版社; 编程： 精通Matlab7：浏览，翻阅，查找命令； Matlab在数字信号处理中的应用，薛年喜，清华大学出版社 飞思科技的Matlab书；,机电设备故障诊断,第一章 绪论,本章内容：,机电设备故障诊断
4、,诊断从哪里来？ 故障诊断有什么意义？ 诊断与维修之间的关系？ 诊断有哪些手段？ 看几个诊断案例？ 诊断技术发展如何？,1.1 诊断从哪里来？,人,抽血,血液化验,这人有病么？,有！治病！,设备,抽油样,油品检测,设备正常吗？,有故障！维修！,故障诊断为设备“体检”！,1.1 诊断从哪里来？,1.1 诊断从哪里来？,1.2 故障诊断有什么意义？,设备诊断：即“设备医生”用一定的仪器、手段定性、定量描述设备状态分析故障发生原因并根据运行状态的变化预测故障的发展最终实现对故障的控制,如心电图，就是利用仪器从人体上获得的心脏跳动的数据，通常显示在仪器上供医生诊断之用，或记录在纸上作为病人病例记录。,
5、故障（事故）：美国“哥伦比亚”号航天飞机解体诊断原因：航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，最终导致“哥伦比亚”号于返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。损失：七名宇航员全部遇难。,1.2 故障诊断有什么意义？,1.2 故障诊断有什么意义？,断裂部位,三峡塔带机断裂事故 2002年9月3日,1.2 故障诊断有什么意义？,故障（事故）：武钢高炉炉顶传动齿轮箱旋转电流升高，噪声异常（故障早期）。当晚20时，传动齿轮箱已根本无法运行（晚期）。诊断原因：箱体内部的大型回转支承轴承被压溃。,损失：高炉停产5天，直接经济损失达5000万以
6、上。,故障（事故）： 首钢3#转炉北侧二次输入轴减速机鼓型齿接手齿全部打光，转炉失去控制，钢水溢出造成两台渣罐车和部分钢轨烧损。诊断原因：联轴器有多处损坏（掉牙、裂纹等），且3#转炉大齿轮已压溃。,1.2 故障诊断有什么意义？,损失：直接经济损失高达7000万以上。,现代设备的大型化、复杂化、自动化、连续化发展趋势； 突发故障损失巨大； 对于连续生产系统（如汽轮发电机组、冶金过程及化工过程的关键设备），意义重大。,1.2 故障诊断有什么意义？,1.2 故障诊断有什么意义？, 保障设备安全，防止突发故障； 保障设备精度，提高产品质量； 实施状态维修，节约维修费用； 避免设备事故造成的环境污染；
7、给企业带来显著的经济效益和社会效益。,日本应用故障诊断技术后，事故发生率减少75%，维修费用降低2550。英国对2000个国营工厂的调查表明，采用状态监测和故障诊断技术后，每年可节省维修费用3亿英镑，而故障诊断系统的成本为0.5亿英镑。,1.3.1 设备的寿命及劣化曲线,1.3 诊断与维修之间的关系？,89%,No Age Related Failure,1.3 诊断与维修之间的关系？,正常状态：指设备没有任何缺陷，或者虽有缺陷但也在允许的范围之内。 异常状态：指缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生变化，设备性能开始劣化但能维持正常工作。 故障状态：设备性能指标严重降低，已无法维持正常工
8、作。,1.3 诊断与维修之间的关系？,事后维修-发生故障后进行（RM/BM）Reactive（breakdown）Manitenance 计划维修-以一定时间为间隔，定期维修（TBM）Preventive Manitenance 预知维修-以设备状态监测（CM）为基础Predictive Maintenance （PdM） 主动维修-以故障根源分析为基础，基于可靠性的维护Proactive Maintenance (PAM),23,事后维修RM/BMReactive(Break-Down) Manitenance“任其损坏” 定义：设备运行损坏才进行修理； 优点：不需要安排计划，不必投资在状态
9、监测上不会出现过度维修，适用于少数非重点设备对一些设备更换比修理更便宜(Why?) 缺点：意外停机引起生产损失灾难性的设备事故引起设备二次损坏库存备件投资多高额维修费用 管理失控,机电设备故障诊断,24,计划维修PM/TBM Preventive Manitenance “定期体检” 定义：按预定的时间间隔或检修周期对设备进行维修、 维护和更换部件 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：意外停机引起生产损失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故障,机电设备故障诊断,25,预知维修PdM Predictive Maintenance “没有故障
10、就不修” 定义：有计划地对设备做检查和测试，以决定其健康状况，决定维修时间。 优点：减少非计划性停机损失（意外）延长维修时间间隔大大减少库存备件（仅在需要时购买和使用所需备件）过剩维修减到最少（只需在适当时候进行维修） 缺点：需要初始投资，监测仪器、系统、服务、人员花费、需要学习培训不能延长设备寿命,机电设备故障诊断,26,主动维修PAMProactive Mantenance“查明根源，精确维修，一切基于可靠性”优点：设备寿命延长设备可靠性增加更少的故障及二次损坏总的维护费用降低缺点：监测仪器、系统、服务、人员花费要求特殊技能需要更多时间进行分析全体员工改变观念,机电设备故障诊断,事后维修（
11、BM）,计划维修（TBM）,预知维修（CBM）,维修方式和工作量之比较,1.3 诊断与维修之间的关系？,1.4 诊断有哪些手段？,常见诊断技术：振动检测技术（点检、离线、在线）油品检测技术（光谱分析、铁谱分析）温度检测技术（接触式测温、非接触式测温）无损检测技术（射线、超声、磁力、渗透）噪声检测技术（简易现场检测、 ISO近场测试法）金相检测技术（金相检测显微镜、扫描电镜 ）红外检测技术（红外测温、红外摄像）,1.4 诊断有哪些手段？,红外检测技术,1.4 诊断有哪些手段？,超声检测技术,1.4 诊断有哪些手段？,人工、离线和在线监测系统发现故障隐患的能力,振动检测技术,基于振动的检测技术：人
12、工、离线检测、在线监测,“大振动”现象,坐汽车、火车、轮船时的振动，有时会使人颠簸得难受,家里的冰箱电扇空调因振动而产生的噪音使人心烦意乱,振动检测技术?,“大振动”现象,可怕的地震、海啸、飓风使人民生命财产受到巨大损失,唐山地震遗址,汶川大地震,印尼海啸,美国新奥尔良飓风,振动检测技术?,“大振动”现象,振动会使许多机器损坏，飞机和导弹失灵。因大风引起的桥梁振动和骑兵正步过桥引起的振动会使大桥震垮。剧烈的振动会加速设备疲劳破坏，固体和气体的振动会产生噪声等等。总之，振动现象以往主要是作为不好的现象来加以研究的，它经常是以我们人类的“敌人”的面貌出现的。,振动又是人类最亲密的朋友,振动检测技术
13、?,“大振动”现象,振动检测技术?,“大振动”现象,振动检测技术?,中国振动工程学会,中国振动工程学会成立及第一次全国代表大会于1987年5月3日至7日于南京召开。中国振动工程学会已由国家学科委于1986年10月14日批准,经过近半年来的充分酝酿和协商,这次代表大会的235位代表来自全国23个省、市、自治区和香港的134个单位,代表力学、数学、机械、车辆、船舶、航空、航天、水利、化工、电力、冶金、核工程、地质勘探和海洋工程等各个领域,从事振动工程研究、教学和应用的各部门、各单位。,“振动”从三级专业学组上升到一级学会,振动检测技术?,1.4.1 网络点巡检,可以及时采取对策，将故障消灭在萌芽阶
14、段，提高设备的工作效率，延长设备寿命。 它强调的是设备的动态管理。点检作为设备预知维修的基本手段受到管理者的重视。,点检人员借用一定的手段，按照制定的标准，定期、定点地对设备进行检查，准确掌握设备技术状态、设备故障的初期信息和劣化趋势。,结构简单，灵活，构造成本低。 不受设备空间分布的限制， 不受设备状态信息类型限制，覆盖面广。,含义：,特点：,作用：,1.4 诊断有哪些手段？,设备运行状态点巡检与企业运营的逻辑,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.1 网络点巡检系统构架,Net.Inspect设备状态网络点巡检系统结构,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.1 网络点巡检系统构架,点检数据采集,数
15、据上传,设备状态点检管理,诊断分析,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.1 网络点巡检系统功能,实时、动态监测设备振动情况，便于及时掌握该设备的运行状况，及早发现其异常状况，为合理地制订设备的维护计划提供技术依据，防止由于易损件（例如滚动轴承、连接螺栓、齿轮等）的突然失效而造成的重大设备事故。 可以实现自动监测，也可以在人工干预下进行多种数据分析和处理，其中包括大量的数据采集、存贮和故障特征分析、趋势分析，系统具有图形显示、数据处理、结果打印和故障自动报警等功能。,主要优势：多测点的日常监测，其效率和工作质量也是人工逐点测试所不能比拟的。,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统,在线
16、监测系统流程图,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统组成,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统总体功能,LeadMeasure-GX2设备运行状态监测平台,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统功能简介主界面,信号采集服务器软件,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统功能简介数据采集,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统功能简介参数设置,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统功能简介自动计算特征频率,振动指标监测,时域波形分析,频域特征诊断,1.4 诊断有哪些手段？,1.4.2 在线监测系统功能简介诊断流程,图3 高
17、线轧机时域报警图1,高线精轧机齿轮箱传动链图,1.5 看几个诊断案例？,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,高线精轧机齿轮箱结构简图,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,（1） 宣钢20#精轧机（2005.01.04）,宣化高线20#精轧机损坏轴承照片,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,（1）宣钢20#精轧机（2005.01.04）,监测系统提取的故障特征,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,（2）宣钢26#精轧机（2005.01.30 ）,轴三个轴承并列处，轴承滚珠剥落，提前7天报警,1.
18、5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,监测系统提取的故障特征,（2）宣钢26#精轧机（2005.01.30 ）,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,宣化高线吐丝机滚动体剥落（2005.03.17）,（3）宣钢吐丝机（2005.03.17 ）,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,监测系统提取的故障特征,（3）宣钢吐丝机（2005.03.17 ）,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,宣化高线27#精轧机轴损坏轴承照片（2005.11.27）,（4）宣钢27#精轧机（2005.1
19、1.27 ）,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,宣化高线23#精轧机轴承内圈断裂照片,（5）宣钢23#精轧机（2005.12.02 ）,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,精轧机齿轮箱伞齿轮固定键承接面压溃故障（2000.02.01 武钢）,精轧机齿轮箱小伞齿轴键磨损故障（2000.02.01 武钢）,（6）武钢高线精轧机,1.5.1 在线监测系统成功案例高速轻载,1.5 看几个诊断案例？,粗轧机V6 轴轴承损坏（2005.03.18 武钢）,A 白色物体为轴承磨损金属粉末,B 24056轴承内环一侧滚道损坏,（2）高线粗轧机,
20、1.5.2 在线监测系统成功案例低速重载,1.5 看几个诊断案例？,1.5 看几个诊断案例？,B 旋转体下部多处有较明显的擦痕,A 滚动体碾碎后回转支承卡死,（3）4#高炉大型回转支承故障,回转支承损坏实物,1.5.2 在线监测系统成功案例低速重载,1.5 看几个诊断案例？,2003年1月9日，频谱图中133Hz的幅值为0.19 m/s2，2003年4月20日0时振动幅值达到最高点1.08m/s2，为1月9日的5倍多，此后开始下滑，至4月20日12点，振动幅值达到最低点。此时齿轮箱已无法运行。在100天左右时间里，整个振动幅值发生激变。,此图是旋转大齿圈齿轮对B4/B10（24/180）啮合频
21、率133.7Hz 的振动幅值趋势图，由此图可以看到回转支承损坏的全过程。,2003年1月9日2003年4月20日133Hz振动幅值趋势图,1.5.2 在线监测系统成功案例低速重载,（3）4#高炉大型回转支承故障,1.5 看几个诊断案例？,(1) 16架精轧机（2005.12.16）,时域指标报警,时域、频域诊断,1.5.2 在线监测系统成功案例唐钢,1.5 看几个诊断案例？,(2) 增速机（2005.12.16）,时域指标报警,时域波形,频谱分析,1.5.2 在线监测系统成功案例唐钢,1.5 看几个诊断案例？,1.6 诊断技术发展？,一、从时间进程看： 起步阶段 (20世纪80年代前) 成熟和
22、实用的阶段(20世纪80年代后 ）,二、从技术发展历史看： 以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规技术阶段 以知识处理为核心代替数据处理为核心所代表的智能化阶段,1.6.1 设备诊断技术发展历程,19791986：推广期 19861995：熟悉提高期 1995目前：稳定发展期,1.6 诊断技术发展？,1.6.2 设备诊断技术在中国,1.6 诊断技术发展？,1.6.2 设备诊断技术在中国,屈 梁 生,高 金 吉,应 怀 樵,杨 叔 子,何 正 嘉,1.6 诊断技术发展？,1.6.2 设备诊断技术在中国,黄 文 虎,史 铁 林,徐 金 梧,张 优 云,徐 光 华,闻 帮 椿,孟光,陈进,韩捷,1.6 诊断技术发展？,1.6.2 设备诊断技术在中国,褚 福 磊,1.6 诊断技术发展？,1.6.3 机电设备远程故障诊断,设备诊断的发展变化趋势: 离线定期监测与诊断方式 在线监测、离线分析 自动在线监测与故障诊断 远程设备监测与故障诊断,实现故障的远程诊断 知识资源的共享 提高管理水平 为特殊设备提供诊断,1.6 诊断技术发展？,1.6.3 机电设备远程故障诊断,中国设备远程诊断网主页,1.6 诊断技术发展？,1.6.3 机电设备远程故障诊断,高线轧机齿轮箱远程故障诊断系统,1.6 诊断技术发展？,1.6.3 机电设备远程故障诊断,
