《机械设备故障诊断技术》(设备故障诊断)课件.ppt
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1、,机械设备故障诊断技术,课程简介,简要介绍机械设备故障诊断技术的工程理论基础,振动测试技术和现代应用技术,重点介绍流体机械典型故障机理与诊断技术,通过流体机械故障诊断实例介绍机械设备故障诊断技术的,工业现状和技术进展,课程内容涉及新兴科技学科和现代工业技术,通过学习可以熟悉现代机械设备状态监测与故障诊断技术的,基本原理、实施技术和应用现状,了解现代设备故障诊断技术的发展前景具备机械设备故障诊断技术的基本技能,学习本课程前应先学习工程力学、电工电子学、工程流体力学和,化工过程流体机械等技术基础和专业基础课程,具备机械学、力学、电工电子学、计算机技术和流体机械,等方面的理论基础知识和一定的实践能力
2、推荐学习机械振动、信号处理等选修课程,机械设备故障诊断技术,课程内容(教材内容),1 概论,1.2 设备故障的类型和状态监测技术,1.1 设备故障诊断的目的和意义;1.3 设备故障状态的识别方法2 故障诊断的信号处理方法,2.1 信号处理基础知识;,2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形;,2.3 信号的时频分析,3 旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断;3.2 转子不对中故障诊断;3.3 滑动轴承故障诊断,3.4 转子摩擦故障诊断;,3.5 浮动环密封故障诊断;3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断,3.7 高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法4 往复式压缩机的故障分析和管道振动4.
3、1 往复式压缩机的故障类型与故障原因;4.2 示功图及阀片运动规律的测量与故障分析4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动5 齿轮故障诊断,5.2 齿轮故障振动的诊断;,5.3 齿轮故障噪声的诊断,5.1 齿轮常见故障;6 滚动轴承故障诊断,6.2 滚动轴承故障的检测方法7.2 声发射检测技术在设备诊断中的应用8.2 模糊数学在故障诊断中的应用;,6.1 滚动轴承的故障形式与故障原因;6.3 滚动轴承故障振动的诊断7 无损检测技术在设备诊断中的应用7.1 油样分析技术在设备诊断中的应用;8 现代智能诊断技术的应用8.1 故障诊断专家系统;8.3 神经网络在故障诊断中的应用,机械设备故障诊断技术,
4、课程内容,(教材内容)1 概论2 故障诊断的信号处理方法3 旋转机械故障诊断4 往复式压缩机的故障分析和管道振动5 齿轮故障诊断6 滚动轴承故障诊断7 无损检测技术在设备诊断中的应用8 现代智能诊断技术的应用,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断的含义和特性1.设备故障诊断的含义应用现代测试技术、诊断理论方法识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度根据诊断结论,确定设备维修方案和防范措施设备故障:设备丧失工作效能程度,设备丧失规定性能状态,诊,断:用测试分析技术和故障识别方法,确定故障性质、程度、类别和部位,研究故障机理的学科诊断内容(三部分):一、信号
5、采集(状态监测):利用传感器和监测仪表,获取设备运行信息信号分析处理,提取设备特征信息二、故障诊断:获取特征参数,识别信息特征利用专家知识经验,类似医生诊断疾病诊断设备故障类型、故障部位、故障程度和产生故障的原因三、诊断决策:根据诊断结论,采取控制、治理和预防措施的决策设备故障诊断包含三部分内容和实施过程,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断的含义和特性1.设备故障诊断的含义设备故障诊断所包含的三部分内容和实施过程如图所示一、状态监测(信号采集)二、故障诊断(寿命估计)三、诊断决策(防治控制),机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的
6、和意义 设备故障诊断的含义和特性2.设备故障诊断的特性(1)多样性化工过程装置静设备:如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等动设备:如旋转机器和往复机器等设备结构不同,工艺参数各异,制造安装差异使用环境不同,产生各种故障如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机:工艺气体粉料(催化剂),转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障高速旋转机器:轴承油膜不稳定,转子不对中高速高压旋转机器:流体激振,转子自激振动往复式压缩机:管道振动故障,零件磨损、变形、断裂高压容器:裂纹扩展,内部腐蚀,密封泄漏,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断的含义和特性2.设备故障诊断的特性(2
7、)层次性设备故障现象(征兆)原因(症候、病症)深层次、多层次性(3)多因素和相关性设备故障因相互关系产生多因素和相关性(4)延时性故障形成,缺陷累积,状态劣化,量变转质变。故障过程延时性(5)不确定性(模糊性)故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义,设备故障诊断技术的应用与发展,1.应用现代化企业生产水平和经济效益提高,发展规模化和高技术含量生产装置大型化、高速高效化、自动化和连续化设备要求性能好,效率高,少故障。否则故障损失巨大如石油化工大型机组(离心、轴流压缩机,烟气轮机,汽轮机,风机和机泵)单机、满负荷关键设备,故障停机导
8、致停产损失惨重大型炼油装置,化肥装置,乙烯装置停产一天损失数百万电力部门 300 MW发电机组停机一天少发电 720 万度损失数千万元中国 19771987 年投产 67 个大化肥厂,机组故障停机两年损失相当一个大化肥厂全年产量(30 万吨合成氨,48 万吨尿素)高技术大型化设备,故障重大灾难性事故,经济损失惨重,严重政治影响美国三里岛核电站放射性物质外逸,前苏联切尔诺贝利核电站爆炸印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏美国 1986、2003 年“挑战者”号和“哥伦比亚”号航天飞机失事中国 1980 年代 200 MW 汽轮发电机组事故机组剧烈振动,转子断 7 段,联轴节飞出厂房,机组彻底破坏
9、大化肥合成气压缩机强烈振动,振因复杂,停产 2 月损失亿元中国 20 世纪 70 年代开始应用,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断技术的应用与发展2.发展19 世纪:事后维修;20 世纪初 50 年代:定期维修,孕育时期20 世纪 6070 年代:设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展20 世纪 80 年代以后:诊断智能化。人工智能、专家系统、神经网络发展国内 20 世纪 80 年代初开始高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用大型企业建组织机构,技术应用发展,推动理论与方法研究如数据采集,信号处理,故障特征、模式识别及人工智能等诊断涉及多项学
10、科知识,推动边缘学科相互交叉、渗透和发展如故障机理研究推动转子动力学、结构动力学和模态分析技术的发展故障诊断方法研究推动振动工程应用模式识别,模糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展状态监测技术推动测试技术、信号分析处理技术和网络传输技术的发展故障控制推动振动噪声控制理论研究与发展设备故障评判结合故障诊断技术与可靠性分析技术、失效分析技术,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断技术与维修方式的关系定期维修(计划维修):设备运行时间为基础,根据设备磨损和故障规律,事先制定计划确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修和项(目)修适用掌握故障规律的流程工业生产
11、设备、自动化生产线和连续运行设备缺点:检修量大耗时耗费;要求精密机械,过多拆卸人为故障备品备件种类多,检修费用大技术发展和设备管理现代化,认识到采用一种预防性维修方式即设备运行时进行状态监测,掌握技术状况对将形成或已形成故障分析诊断,判定设备劣化程度和部位故障前制订预知性维修计划,确定设备修理内容和时间即为基于状态监测为基础的维修,最经济合理方式,又称预知性维修预知性维修(状态监测维修):测知设备状态参数,了解设备现状,判断故障类型、性质和程度推测发展趋势,确定最佳维修时机,依据设备实际状态以设备故障诊断为基础的先进维修方式优点:减少突发性事故;减少停机时间;延长检修周期延长设备使用寿命;节约
12、维修费用,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断技术与维修方式的关系,表 1-2,三种维修制度比较,工业发达国家经验 90 设备要求预知性维修10 设备需要定期维修,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.1 设备故障诊断的目的和意义 设备故障诊断技术与维修方式的关系五体制(维修体制):(主要为带 号的三种维修体制)事后维修 BM(Break-down Maintenance):故障(后)维修。适用于非重点或备用设备维修,传统维修方式 定期维修 TBM(Tim-Based Maintenance):属预防维修,即计划维修根据设备规律,固定维修周期,确定维修内
13、容,制定维修计划适用主要生产设备,成本高,经济差,传统典型维修方式 状态维修 CBM(Condition-Based Maintenance):属预防维修,即预知维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修适用于重点或通用设备,经济合理,值得提倡的维修方式改善维修 CM(Corrective Maintenance):改进结构,消除缺陷。值得提倡的维修方式视情维修 OM(On-condition Maintenance):属预防维修。定期检测,安全检查,发现问题,确定界限适用于非重要零部件,认为有必要才进行维修的维修方式,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.2 设备故障的类型
14、和状态监测技术 设备故障的类型及其可能原因结构损伤性故障:设备结构内外缺陷和损伤裂纹:能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起磨损:运动部件相对摩擦,摩擦副间缺润滑,颗粒物料对叶片冲刷等腐蚀:化学反应现象。化学腐蚀,应力腐蚀、电化腐蚀变形:设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因断裂:负荷过大,局部应力集中,振动激烈,循环载荷下产生金属疲劳剥落和烧伤:零件摩擦副润滑不良或断油,表面接触应力过大运动状态劣化性故障:(1)机械位置不良:转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定热态变形、零件松动(2)刚性不足:支承基础刚性、转子刚性(3)摩擦:
15、转子定子干摩擦、轴件内摩擦(4)流体激振:压力脉动和声学共振;旋转失速、喘振、汽蚀滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振(5)非线性的谐波共振:零件松动、流体间隙激励、摩擦等,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.2 设备故障的类型和状态监测技术 设备故障诊断的功能和环节1.功能 检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态 确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势预测设备可靠性程度 确定故障来源,提出整改措施2.环节 信号采集 传感器(人体感觉器官)采集设备运行参数反映设备故障特性 信号处理 分析仪器加工处理采集信息,提取特征信息反映故障状态、性质、类型和程度 故障诊断 人的知识经验或
16、诊断技术方法分析诊断故障原因确定故障类型和发生部位 防治控制 确定故障提出控制方案或预防治理措施,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障诊断的功能和环节2.环节,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.2 设备故障的类型和状态监测技术 状态监测的技术和方法振动信号监测诊断技术:振动主要故障原因,信号包含状态信息,转换电信号便于处理分析声信号监测诊断技术:噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术温度信号监测诊断技术:温度直接测量技术、热红外分析技术润滑油的分析诊断技术:油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术和光谱分析技术其他无损检测诊断技术:超声波检测
17、技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术包括磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术,机械设备故障诊断技术,1,概述,1.3 设备故障状态的识别方法 信息比较诊断法采集存储振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力流量等参数信息,建立数据库,趋势分析比较等 参数变化诊断法改变操作参数,测量分析参数变化信号特征结合参数门槛值(闭值),观察机器故障有关因素 模拟试验诊断法模拟试验,研究未知或不确定的故障机理和特征,解答故障原因提出故障特征参数及参数间定量关系等注意模型与对象相似条件 函数诊断法故障征兆和原因间存在函数关系,计算设备运行参数预测或识别设备故障
18、 故障树分析诊断法(Fault Tree Analysis,FTA法)以系统不希望故障状态出发(顶事件)按照逻辑关系总体到部件逐级细化,推理分析故障原因确定故障最初原因、影响程度和发生概率(底事件),机械设备故障诊断技术,1,概述,1.3 设备故障状态的识别方法 模糊诊断法确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度建立模糊关系矩阵、模糊综合评判 神经网络诊断法基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用人工神经网络基本组成:神经元、神经元间连接、神经网络结构神经网络诊断方法:自学习功能、结合模糊诊断 结论设备故障诊断技术成功条件(1)足够有用的信息诊断决策依据(2)多方面诊断知识设备工作原理、结构
19、特点、故障机理结构动力学、转子动力学和流体力学知识测试技术和信号分析处理方法,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断旋 转 机 械:转子旋转运动工作机器,转子、轴承等部件典型旋转机械:离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等生产关键设备:大型化工、石化、电力和钢铁等行业大型旋转机械炼油厂催化三机组或四机组大化肥装置四大机组或五大机组乙烯装置三大机组电力行业汽轮发电机组、泵和水轮机组钢铁行业高炉风机和轧钢机组 转子不平衡概念转子不平衡:转子受材料质量、加工、装配以及运行多因素影响质量中心和旋转中心之间存在偏心距转子工作时周期性
20、离心力干扰轴承产生动载荷引起机器振动不平衡原因:旋转体质量沿旋转中心线不均匀分布,G 2n,2n,2 6000,机械设备故障诊断技术,(N),圆盘质量 10 kg,偏心距 0.2 mm,转速 6000 r/min,离心力,离心力在轴承上每转变化一次,引起转子轴承系统振动,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 转子不平衡概念带薄圆盘刚性转子两轴承支承跨度 l转子质量 m质心 M 距旋转中心 O 偏心距 e旋转角速度假定转子系统无阻尼转子产生离心力,Gen2900,2e g 60,F=me 2=,2,2,60,=102104=789(N),F=me 60,机械设备故障诊断技术,3,旋转
21、机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 转子不平衡概念,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 临界转速对不平衡振动的影响(1)临界转速的动力特性临界转速现象:不平衡离心力引起共振现象,临界转速时转子很大弯曲变形弓状回旋运动(“涡动”或“进动”),转子质量中心远离轴承中心线离心力大增,转子更大变形,离心力放大,机器剧烈振动临界转速:一阶临界转速 ncr1,多阶临界转速 ncri(阶数 i)设计要求:工作转速 n 避开临界转速 ncr一般规定:工作转速 n 一阶临界转速 ncr1,n 0.75 ncr1工作转速 n 一阶临界转速 ncr1,1.4 ncri n
22、0.7ncr(i+1)(i 阶)转子运动力学模型:最简单两端刚性轴承对称支承转子轴中点圆盘质量 m,刚度系数 k,动挠度转子无阻尼横向振动固有频率n=K/mn 时,理论 无限大角速度 即临界转速转速频率 横向固频n,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 临界转速对不平衡振动的影响(2)阻尼对临界转速下转子振动的影响阻尼:介质黏性轴承油膜黏性滑动面间摩擦轴材料内摩擦阻尼以及转子轴承系变形能耗结构阻尼等线性系统:阻尼力与速度成正比力方向与速度方向相反转子放大因子 振幅 A/静挠度 Xst反映转子共振振幅高低 值与频率比/n 和阻尼比 有关,机械设备故障诊断技术,不
23、平衡振动故障特征:转子或轴承径向振动,频谱图转速频率成分突出峰值 转子单纯不平衡振动转速频率高次谐波幅值低时域波形为正弦波 转子轴心轨迹形状为圆或椭圆同截面垂直两探头信号相位差 90 转子进动方向为同步正进动 普通两端支承转子轴向振幅不明显 转子振幅对转速变化敏感转速下降振幅明显下降,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动:周期性离心力干扰产生强迫振动,转子旋转一周离心力经某点产生一次扰动,测点一次振动响应转子振动频率 f 转速频率 n/60,转子角频率2f工频(工作频率):转速频率,工频成分,3.1 转子不平衡故障诊断 不平衡振动的故障原因和
24、防治措施1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡,与操作运行无关原因:设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,机械设备故障诊断技术,1 固有质量不平衡,转子原始状态存在不平衡,与操作运行无关,原因:设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 不平衡振动的故障原因和防治措施,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡,与操作运行无关原因:设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平
25、衡方法不正确等,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡,操作运行无关原因:设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等,机械设备故障诊断技术,3,旋转机械故障诊断,3.1 转子不平衡故障诊断 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡动平衡技术(解决措施):标准:ISO 1940刚性转子平衡精度11 等级,转子平衡精度等级 G 0.16 4000 mm/sG(e)/1000式中:e 转子不平衡度,gmm/kg;转子旋转角速度,1/sG 转子平衡精度等级,mm/s刚性转子平衡:
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