1、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、break down）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,2 What ?,1 Why ?,3 How ?,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
2、、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
3、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 3,1979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, 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。, 掌握设备过去和现在的运行状态，预测设备
4、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,2 What ?,1 Why ?,3 How ?,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,什么是设备故障诊断,医生,工程师,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
5、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,2 What ?,1 Why ?,3 How ?,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,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
6、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,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
7、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）,磨合期正常使用期耗损期,早期失效,偶然失效,耗损失效,浴盆曲线中的三个阶段,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。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
8、土污染、维护不当等。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)包括浴盆曲线区故障率已大幅度上升的阶段。机器处严重或危险状态。,取浴盆曲线中后两阶段，第阶段（正常使用期）和第阶段（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
9、；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
10、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
11、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,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(Breakdown Maintenance,
12、 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(Time Based Maintenance, TBM)也称定期维修，第二次世界大战之后预知维修(Predictive Maintenance, 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(Reliability Centered Maintenance, 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
13、：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,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,大型钢铁企业,维修费用花了多少？,
14、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 35。 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
15、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,Thank you for your attention!,谢谢大家,
