机械故障诊断学绪论20160228.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械故障诊断学,任课教师：周丹,办公室：高速列车研究中心北楼,216,电话：,13874807246,邮箱：,zd_lzj,QQ,：,747488929,参考教材,1,李国华,张永忠编著,.,机械故障诊断,北京：化学工业出版社，,2012;,2,张键,.,机械故障诊断技术（第二版）,北京：机械工业出版社，,2014;,3,杨国安,.,机械设备故障诊断实用技术，北京：中国石化出版社，,2013;,4,钟秉林,黄仁,.,机械故障诊断学,(,第,3,版,),北京,:,机械工业出版社,2013;,5,屈梁生,.,机械故障的全息诊断原理,北京,:,科学出版社,2007,。,考核方式及成绩评定,考核方式,考核内容,成绩比例（,%,）,课内互动和回答问题,基本知识，学习主动性,10%,课程考勤,期末开卷考试,20%,期末开卷考试,课程知识和分析能力,70%,画一条线值多少钱？,斯坦门茨,1.,状态监测与故障诊断的定义,2.,机械故障诊断学的研究目的与研究范畴,3.,机械故障诊断理论与技术的意义,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,一、机械故障诊断的意义及发展现状,故障的概念,故障,是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。,简单而言，设备故障是指“设备功能失常”，也就是设备不能达到预期的工作状态，无法满足应有的性能、功能。,功能失效，机械设备基本功能不能保证；,设备偏离正常功能,1.,状态监测与故障诊断的定义,按故障产生的原因分类,先天性故障,使用性故障,按故障发展速度分类,突发性故障,渐进性故障,按故障造成的后果分类,轻微故障,一般故障,严重故障,恶性故障,所谓机械故障诊断,，是识别机器或机组运行状态的科学，它研究机组运行状态的变化在诊断信息中的反映，对机组运行状态进行识别、预测和监视。,简而言之故障诊断就是通过,检测,、,提取、利用机械系统运行中产生的相关信息,，,识别,其技术状态，,确定,故障性质，,分析,故障原因，,寻找,故障部位，,预报,故障趋势，并提出相应,对策,状态检测与故障诊断,检测,缩小故障范围,状态检测,提取征兆,定期检测,故障诊断,原因分析,维修,决策,趋势分析,正常参数,开始,尚可,正常,不可,异常,状态检测与故障诊断过程框图,由此可以看出，机械故障诊断是一个包含运行状态检测、信号分析处理、故障模式识别、未来趋势预测、维修决策形成等内容的完整而系统的技术过程。通俗地说，状态监测或工况监视与故障诊断就是给机器看病。,近代科学技术的各门学科的发展是相互渗透、相互促进的。一方面，某些工程技术，诸如精密机械、电子技术的发展推动了医学的进步；另一方面，某些工程学则从医学中吸取营养而得到发展。,例如，人体内部器官疾病的诊断，不需要对每个病人都做剖腹检查，而只要求医生根据症状或“状态”来做诊断，由局部推测整体，由现象判断本质，由当前预示未来。,将医疗诊断中这样一些基本逻辑思想，推广到工程技术中来，就形成了工程诊断学。,机械与医学诊断测试的比较,医学诊断测试 机械诊断测试,中医：望、闻、问、切 听、摸、看、闻,西医：望、触、扣、听、嗅,目的：,直接观察，通过形貌、声音、温度、颜色、,气味的变化进行判断。,听心音、做心电图 振动、噪声测试,目的：,研究振动、噪声的大小及其变化规律。,医学诊断与故障诊断,机械与医学诊断测试的比较,医学诊断测试 机械诊断测试,量体温 温度测试,目的：,研究分析温度的变化,量血压 应力应变、液压气压测试,目的：,研究分析力、应力、应变的变化,化验（血、尿）油液分析,目的：,研究分析油液中磨粒的化学成分、形貌、,数量，判断机件的磨损情况。,医学诊断与故障诊断,机械与医学诊断测试的比较,医学诊断测试 机械诊断测试,总体体能测试：如耐力 整机性能测试：如能耗,肺活量、摸高、拉力等 生产效率、工作精度等,目的：,对整体性能进行评价,查病历、问病史 查阅机器运行技术挡案,目的：,找规律、查原因、作判断,医学诊断与故障诊断,长客提出高速动车组,CT,扫描机？,状态检测,通过监视和测量设备或部件运行状态信息和特征参数（例如振动、温度、压力等），并以此来判断其状态是否正常。,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。,状态检测与故障诊断关系,没有检测就没有诊断，诊断是目的，检测是手段；检测是诊断的基础和前提，诊断是检测的最终结果。,状态检测与故障诊断关系,状态检测与故障诊断不是等同的概念，而又统一于动态系统之中，状态检测的任务是判别动态系统是否偏离正常功能，监视其发展趋势，一旦偏离正常功能，应迅速作出调整，使工况恢复到正常，预防突发性故障产生。如果系统某个环节存在故障，就要进一步查明故障原因及其部位，这就是诊断。因此，状态检测是故障诊断的基础。,2.,机械故障诊断学的研究目的与研究范畴,学习故障诊断技术目的,就是提高设备效率、运行可靠性，延长使用寿命，降低设备全寿命周期费用；分析故障形成原因，以防患于未然。,“保证可靠地、高效地发挥设备应有的功能”,1,、保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜能，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用；,2,、能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平；,3,、通过检测监视故障分析性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。,故障诊断的目的,尽管人类有关机械故障诊断与设备维修的被动而原始的行为也许可以追溯到自瓦特发明蒸汽机后不久的年代，并通过长期实践逐渐积累了大量的经验，但这些行为与经验，远不能满足现代工业对故障诊断与维修技术的迫切需求，远不能与现代意义上的机械故障诊断理论与技术相提并论。,机械故障诊断学的研究范畴,机械故障诊断学的研究范畴,一个系统或一台机器在运行过程中必然有能量、介质、力、热、及摩擦等各种物理和化学参数的传递和变化，必然会由此而产生各种各样的信息，这些信息的变化直接和间接地反映出系统的运行状态，也即正常运行和异常运行时的信息变化规律是不一样的，技术诊断就是根据机器运行时产生的不同的信息变化规律信息特征来识别机器是处于正常运行状态还是异常运行状态的。,该学科涉及众多的科学与技术领域，具有明显的“积木式”知识结构，其显著特点是理论性与实践性俱强，新理论与新技术密集。,机械故障诊断学就学科性质而言，是属于动态系统辨识的研究范畴；,就工程特点而言，是研究机械设备运行状态的科学。,由于社会生产和科技发展对诊断技术的要求不断提高，以及相关知识领域,(,如计算机科学与技术、信号与系统分析、动力学理论与方法、人工智能等,),的新成果不断涌现，机械故障诊断学科仍处于高速发展之中。,机械故障诊断学的研究范畴,设备故障诊断技术与各学科间的关系,设备故障诊断学科,自动控制学,系统识别理论学,数值计算学,数理统计学,信息论,模糊数学,灰色系统理论,非线性科学,相似理论,现 代 数 学,硬 件,信号,处理,人工,智能,软 件,计算机科学,设计,制造,运行,维护,机 械 学,设备,管理学,测试技术与仪表学,声 学,振 动,力 学,热 学,光 学,电 学,铁谱技术,传感器原理及应用科学,摩擦学,油样分析,光谱技术,其它分析技术,机械故障诊断技术属于一门综合性很强的技术领域，它涉及计算机软硬件、传感器与检测技术、信号分析与数据处理、预测预报、自动控制、系统辨识、人工智能、力学、数学及振动工程和机械工程等领域。是以工程数学、可靠性理论、信息理论、智能论、系统论和控制论为基础，以电子计算机、人工智能为手段，以机械故障为主要研究内容，研究机器故障机理、机械诊断理论、方法和检测诊断技术的一门综合应用学科。,机械故障诊断学的研究范畴,3.,机械故障诊断理论与技术的意义,故障诊断的意义，简单而言就是保障生产安全、改革设备维修制度、提高生产率。,工业固定资产的占有量表征,个国家的工业生产能力，占工业固定资产总值约,60,70,的机械设备拥有量构成了国家经济实力和社会财富的重要组成都分。现代机械设备的功能综合与高技术密集，无疑极大地促进了社会生产力的发展，但另,方面，由于现代生产机械日益高速化、大型化、精密化、自动化，一旦发生故障，将直接导致巨额经济损失和灾难性的人员伤亡。,现代机械设备的功能综合与高技术密集，无疑极大地促进了社会生产力的发展，但也导致设备的组成和结构也相应地变得更为复杂，使得设备的可靠性和可维修性下降，维修保养费用居高不下。,所以也同时派生出人们必须直接面对的问题：,维护管理难度和运行维修费用剧增；,故障分析难度和故障危害程度剧增。,血泪教训促使人们清醒地认识到，技术系统的故障已成为现代工业乃至整个人类的心腹大患，机械设备的可靠性、维修性、安全性日显重要。,现实生活和工业过程中恶性事故时有发生,透平机械事故,调查委员会在经过个月的调查后，提出长达页的调查报告。报告认为，“挑战者”号爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题。由于航天飞机发射时气温过低，寒冷的天气对火箭垫圈产生影响，最终导致爆炸。,断裂部位,三峡塔带机断裂事故,2000,年,9,月,3,日,1998,年德国高速列车脱轨,101,人死亡，,88,人重伤,轴箱处断裂：翻车,!,轴箱,断轴,开裂,设备维修费在生产成本中所占的比重很大，对于工业发达的国家来说，任何一家公司的维修费都是一个可观的数字。国外研究表明，维修费随设备技术含量的提高而增加，并且与维修体制密切相关。,不同制度的维修成本的比较,大型钢铁企业,在日本，由于较为重视状态监测与故障诊断工作，上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的,6,10,，加上库存的备品备件，总维修费达销售额的,25,；,在美国，根据美国国家统计局发布的资料：,1980,年美国工业设备的维修费达,2460,亿美元，几乎占了中央和地方税收总额（,7500,亿美元）的三分之一，而其中的,750,亿美元是因不当维修，包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了；,在我国的石化行业，伴随着维修体制的逐步改进、以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展和提高，维修费所占的比重呈逐步下降趋势，上世纪八十年代为年产值的,20,左右，九十年代为,15,左右，近年来为,10,左右、甚至略低。,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,25,50,。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。,提高企业的经济效益,300MW,发电机组 停产一天损失电,720,万,kWh,，约￥,144,万元,30,万吨化肥装置 停产一天损失化肥,1000t,，约￥,150,万元,三峡,2,号水轮机组,700MW,停机,4,小时损失￥,400,万元,另外，机器一旦出现故障，即使是局部失灵都有可能造成整台机器停机甚至整条流水线或整个自动化车间停产，所造成的经济损失是十分巨大的，人员伤亡也是不可避免的，给企业、国家造成不可挽回的巨大的经济损失。,现实迫使工业技术领域进行两种根本性的变革：,(1),设计观念的变革,长期以来，机械产品设计人员始终把优良的功能作为设计的最终,(,有时甚至是唯一,),目标，而忽视可靠性、稳定性和维修性等方面的问题。这一传统的设计观念已经给人类带来过许多损失和灾难。从单纯追求优良的功能到自始至终计及产品寿命周期内所有因素的并行工程的设计观念的变革已成为势在必行。,(2),维修体制的变革,设备维修体制是与一定的社会生产发展阶段相适应的。对于大型、精密、稀贵设备和流程工业中连续运转、利用率高的关键设备，传统的事后维修制,(Breakdown Maintenance),和定期预防维修制,(Time-based Preventive Maintenance),因不能及时维修和过剩维修而酿成重大事故和大幅度增加生产成本，无法适应现代工业的发展，必将逐步地被一种新的维修体制，即视情维修制,(Condition-based Maintenance),所取代。,维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修三个阶段。,推动设备维修制度的改革,故障维修,(Breakdown Maintenance),又称为事后维修,POM(Postmortem Maintenance),，属早期维修制度。其特点为：不坏不修，“小车不倒只管推”，设备什么时候坏了、什么时候修，盲目、无计划、设备损坏程度大、维修费用高。适应于小型设备。,优点：,不需要安排计划。,对一些设备，更换比修理更便宜。,缺点：,意外停机引起生产损失。,可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。,预防性维修体制,PM,（,Preventive Maintenance,）,又称以时间为基础的维修制度,TBM,（,Time Based Maintenance,）或计划维修制度。其特点为：静态维修制度。它是根据生产计划和经验，规定在设备运行一确定时间后停下，进行解体、检查、修理、更换零部件。,优点：,减少意外停机,缺点：,意外停机引起生产损失,过剩维修导致维修费用增加,视情维修制或预知性维修,PRM,（,Predictive Maintenance,）,又称为以状态为基础的维修制度,CBM(Condition Based Maintenance),。,其,特点,为：,以状态监测与故障诊断技术为基础、根据设备运行状态的实际优劣程度为依据、根据生产需要决定维修时间和维修规模，是,动态维修制度，是发展方向,。,预知性维修要求：,不断地测知表征设备实际状态的参数；,对测得参数进行分析、判断，做出是否发生故障以及故障类型、故障程度的评价；,推测机器状态的发展趋势，估算出最佳的维修时机。,预知性维修的目标是：,需要停车时才停车；需要换件时才换件；需要维修什么项目（如某处轴承、某根转子、某处对中、某个齿轮、,）才维修什么项目。,顺利地完成这两种变革的必要基础正是机械故障诊断理论与技术。,“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”,(,马克思恩格斯选集,),。,到,20,世纪,60,年代，航天技术的兴起、核能工业的发展、高技术密集型大型工程和机组的出现，又给发展机械故障诊断理论与技术施加了强大的推动力。可以讲对故障诊断技术是社会生产的迫切需求。,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,故障诊断技术是近四十年来国内外发展较快的一门新兴学科，是现代化生产的产物。,第二次世界大战中，由于缺乏先进的故障诊断技术和相应的维修手段，以及设计时片面追求优良性能而忽视可靠性、稳定性和维修性，以致盟军的不少武器装备未能实现预期的效能。尽管此时人们对于诊断技术的重要性已经有所认识，但发展这项先进技术的科学技术条件并不成熟。直至,20,世纪,60,年代中期和末期，与故障诊断技术密切相关的科学理论与技术才获得突破性的进展。,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,(1),数学、力学相关分支,(,如模糊数学、断裂力学、损伤力学、计算力学等,),的创立和发展，以及模式识别、非线性科学的兴起，深化了人们对于故障的生成与演化、机械动力学过程与现象的认识，并为分析故障机理、识别故障模式、预报故障趋势提供了有效的理论与方法。,(2),振动测试、红外热像、声发射、油样分析等技术和传感技术的发展，丰富了信号检测与分析的手段、方法和应用范围，为故障诊断提供了各具特色的有效技术途径。,(3),计算机和电子技术的进步，快速傅里叶变换的出现，把信号处理与分析技术推到了前所未有的高度，从而使得机械设备的在线监测与实时诊断成为可能。,(4),动力系统辨识和建模理论与方法的新发展，使得人们有可能在状态集与故障集之间确立较为可靠的映射关系，并以此为基础进行故障诊断和趋势预报。,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,科学技术的上述进步，为机械故障诊断理论与技术的形成和发展奠定了坚实的知识基础和技术基础。到,20,世纪,60,年代末期，由于具备了来自现代社会生产的必要性和科学技术提供的可能性，机械故障诊断理论与技术使应运而生了。,故障诊断技术的发展概况,美国：,1967年美国国家宇航局（,NASN）,创立机械故障预防小组,MFPG（Machinery Fault prevention group），,在航空、航天、军事、核能等尖端部门目前处于领先地位。,英国：,70年代初成立,成立机械保健中心(,UK,Mechanical Health Monitoring Center）,与状态监测协会，在摩擦、磨损、汽车、飞机发动机监测与诊断具有领先地位。,欧洲一些国家：,瑞典,SPM,公司-轴承监测技术，,AGEMA,公司-红外热像技术；,丹麦,B&K,公司-振动、噪声监测技术；挪威-船舰诊断技术。,日本：,70年代起步，在民用工业（钢铁、化工、铁道等）有优势。,中国：,1979年第一次办学习班，80年代初开始，目前在石化、冶金、电力等行业应用较好，在其它领域逐步展开。,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,1979,年机械工业部在长春举办设备科长学习班,1983,年在南京举办首届设备诊断技术专题座谈会,天津大学：,1982,年起研究齿轮传动、轴承、齿轮箱、切削过程等方面的诊断与监控技术,华中理工大学：,汽轮发电机组诊断专家系统、钢丝绳诊断系统,西安交通大学：,旋转机械故障诊断,RB,20,，用于炼油行业,国防科技大学：,望远号远洋考察船的在线监控与故障诊断系统,哈尔滨工业大学：,20,万,KW,汽轮发电机组诊断,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,状态监测与故障诊断技术自身的发展过程，大致可归纳为以下三个阶段：,离线的,FFT,分析仪阶段,上世纪八十年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回实验室输入,FFT,（快速傅里叶变换）分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱（幅值谱）及波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方法单一，基本上只能查幅值、频率。,离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段,上世纪八十年代末期至九十年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分析、数据库管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，还涌现出专家辅助诊断系统。,网络化监测、诊断阶段,上世纪九十年代末以来，充分利用企业内部局域网和,Internet,网络，做到资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。,故障诊断发展趋势,分布式、网络化监测代替集中监测。,实时的在线监测替代定期监测和巡回监测。,以多参数、大容量替代单参数监测。,平稳运行监测到非平稳的状态监测发展。,基于信息集成、融合、信息分解、提纯等技术取代单参数的阈值比较。,4.,机械故障诊断技术的发展与现状,计算机辅助监视与诊断系统今后发展方向主要是减少人工干预、提高自动化及自适应能力的多层次的人工智能诊断系统发展。,诊断技术的自动化、智能化水平将进一步提高；,故障诊断将向多参数综合发展；,故障诊断的速度更快，诊断的准确度将进一步提高；,互联网将为故障诊断提供源源不断的信息。,国内外诊断技术方面的研究热点,1,、信号分析与处理,从传统的谱分析、时序分析、时域分析，开始研究先进的短时傅立叶分析、经验模态分解、小波变换等分析方法。,2,、传感器技术,国内目前使用的许多类型的传感器在可靠性、稳定性等方面需进一步提高。,3,、人工智能和专家系统,近来这方面的研究和应用几乎成了诊断技术发展的主流，但在工程应用上远未达到人们所期望的。,4,、神经网络,1,由于人工智能和专家系统技术的工程应用遇到了一系列的困难，人们转向研究人工神经网络，但进展缓慢，主要问题是网络训练的事例不足，与专家系统所遇到的困难类似。,5,、诊断系统的开发研究,这是目前人们最致力的一个方向。从,80,年代的单机巡检与诊断到上、下位机式的主从结构，直到今天以网络为基础的分布式结构，在系统开发上出现了离线诊断系统、在线诊断系统和便携式诊断系统，但国内的诊断系统的可靠性远不如国外系统，需化大力气加以解决。,1,神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。,故障诊断的专家系统框图,结果及解释,征兆事实库,知识获取,征兆获取,推理机,诊断知识库,设备参数库,工作存贮器,人机对话,故障对策,传感器信号,领域专家,用 户,国内外诊断技术方面的研究热点,第,1,章 绪论,第,2,章 故障诊断的信号分析与处理技术,第,3,章,机械故障的振动诊断技术,第,4,章,机械故障诊断的油样分析技术,第,5,章,机械故障诊断的温度检测方法,第,6,章,无损检测技术,及其在轨道交通中,的应用,课程内容介绍,本章结束,