《机械设备状态监测与故障诊断》课件.ppt
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1、课程简介课程简介 课程介绍课程介绍机械状态监测与故障诊断机械状态监测与故障诊断的的理论基础知识和工程应用技术理论基础知识和工程应用技术 阐述典型机械故障阐述典型机械故障类型类型、机理机理、特征特征及及防治措施防治措施 重点介绍重点介绍旋转机械旋转机械和和往复机械往复机械的的典型故障机理典型故障机理与与诊断防治技术诊断防治技术 通过机械设备故障诊断的典型事例通过机械设备故障诊断的典型事例 了解机械设备状态监测与故障诊断技术的了解机械设备状态监测与故障诊断技术的 工程应用现状工程应用现状和和理论技术进展理论技术进展 课程内容涉及课程内容涉及新兴科技学科新兴科技学科和和现代先进技术现代先进技术 通过
2、学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的通过学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的 基本原理基本原理、实施技术实施技术和和应用现状应用现状 了解现代故障诊断技术的了解现代故障诊断技术的发展前景发展前景 具备机械状态监测与故障诊断的具备机械状态监测与故障诊断的基本技能基本技能 学习本课程应具备学习本课程应具备工程力学工程力学、电工电子学电工电子学、工程流体力学工程流体力学和和 化工过程流体机械化工过程流体机械等等理论基础理论基础和和工程技术工程技术 了解了解机械学机械学、力学力学、电工电子学电工电子学、计算机技术计算机技术等方面的等方面的 理论基础知识理论基础知识和和工程应用技术工程应
3、用技术 推荐学习推荐学习机械振动机械振动、信号处理信号处理等工程技术知识等工程技术知识 课程内容课程内容 1 概论概论 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型和状态监测技术 1.3 设备故障状态的识别方法设备故障状态的识别方法2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 3 旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 3.3 滑动
4、轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.4 转子摩擦故障诊断转子摩擦故障诊断 3.5 浮动环密封故障诊断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往复式压缩机的故障分析和管道振动 4.1 往复式压缩机的故障类型与故障原因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压缩机的气流压力脉动与管道振动1 概述概述 1.1 设备故障诊
5、断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性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的含义 应用现代测试技术、诊断理论方法应用现代测试技术、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:设备故障:设备丧失工作效能程度,设备丧失规定性能状态设备丧失工作效能程度,设备丧失规定性能状态 诊诊 断:断:用测试分析技术和故障识别方法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确定
6、故障性质、程度、类别和部位,研究故障机理的学科 诊断内容诊断内容(三部分):(三部分): 一、信号采集一、信号采集(状态监测)(状态监测):利用传感器和监测仪表,获取设备运行信息利用传感器和监测仪表,获取设备运行信息 信号分析处理,提取设备特征信息信号分析处理,提取设备特征信息 二、故障诊断:二、故障诊断:获取特征参数,识别信息特征获取特征参数,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、故障程度诊断设备故障类型、故障部位、故障程度 和产生故障的原因和产生故障的原因 三、诊断决策:三、诊断决策:根据诊断结论,采取控制、治理和预
7、防措施的决策根据诊断结论,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设备故障诊断包含三部分内容和实施过程1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性设备故障诊断的特性(1)多样性)多样性 化工过程装置化工过程装置 静设备静设备:如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等:如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等 动设备动设备:如旋转机器和往复机器等:如旋转机器和往复机器等 设备结构不同,工艺参数各异,制造安装差异设备结构不同,工艺参数各异,制造安装差
8、异 使用环境不同,产生各种故障使用环境不同,产生各种故障 如如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机离心式、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 高速旋转机器高速旋转机器: 轴承油膜不稳定,转子不对中轴承油膜不稳定,转子不对中 高速高压旋转机器高速高压旋转机器: 流体激振,转子自激振动流体激振,转子自激振动 往复式压缩机往复式压缩机: 管道振动故障,零件磨损、变形、断裂管道振动故障,零件磨损、变形、断裂 高压容器高压容器: 裂纹扩展,内部腐蚀,密封泄漏裂纹扩展,内部腐蚀,密封泄漏1 概述概述 1.1
9、设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性设备故障诊断的特性(2)层次性)层次性 设备故障现象(征兆)原因(症候、病症)深层次、多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)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设备故障因相互关系产生多因素和相关性(4)延时性)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)不确定性(模糊性)(模糊性) 故障频度、表现形式、特征差
10、异、机理复杂故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展设备故障诊断技术的应用与发展 1. 应用应用 现代化企业现代化企业生产水平生产水平和和经济效益经济效益提高,提高,发展规模发展规模化和高化和高技术技术含量含量 生产装置生产装置大型化大型化、高速、高速高效化高效化、自动化自动化和和连续化连续化 设备要求设备要求性能好性能好,效率高效率高,少故障少故障。否则故障。否则故障损失巨大损失巨大 如如石油化工大型机组石油化工大型机组(离心离心、轴流压缩机轴流压缩机,烟气轮机烟气轮机,汽轮机汽轮机
11、,风机风机和和机泵机泵) 单机单机、满负荷满负荷关键设备,故障停机导致停产损失惨重关键设备,故障停机导致停产损失惨重 大型炼油装置大型炼油装置,化肥装置化肥装置,乙烯装置乙烯装置停产一天损失数百万停产一天损失数百万 电力部门电力部门 300 MW发电机组发电机组停机一天少发电停机一天少发电 720 万度损失数千万元万度损失数千万元 中国中国 19771987 年投产年投产 67 个个大化肥厂大化肥厂,机组故障停机,机组故障停机 两年损失相当一个两年损失相当一个大化肥厂大化肥厂全年产量(全年产量(30 万吨万吨合成氨合成氨,48 万吨万吨尿素尿素) 高技术大型化高技术大型化设备,故障重大设备,故
12、障重大灾难性事故灾难性事故,经济损失经济损失惨重,严重惨重,严重政治影响政治影响 美国美国三里岛核电站三里岛核电站放射性物质外逸,前苏联放射性物质外逸,前苏联切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站爆炸爆炸 印度印度博帕尔市农药厂博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏异氰酸甲醋毒气泄漏 美国美国 1986、2003 年年 “挑战者挑战者” 号和号和 “哥伦比亚哥伦比亚” 号号航天飞机航天飞机失事失事 中国中国 1980 年代年代 200 MW 汽轮发电机组汽轮发电机组事故事故 机组剧烈机组剧烈振动振动,转子断,转子断 7 段,段,联轴节联轴节飞出厂房,机组彻底破坏飞出厂房,机组彻底破坏 大化肥大化肥合成气压
13、缩机合成气压缩机强烈振动,振因复杂,停产强烈振动,振因复杂,停产 2 月损失亿元月损失亿元 中国中国 20 世纪世纪 70 年代开始应用年代开始应用1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展设备故障诊断技术的应用与发展 2. 发展发展 19 世纪:世纪:事后维修事后维修;20 世纪初世纪初 50 年代:年代:定期维修定期维修,孕育时期,孕育时期 20 世纪世纪 6070 年代:年代:设备设备状态维修状态维修。计算机技术、数据处理技术发展。计算机技术、数据处理技术发展 20 世纪世纪 80 年代以后:年代以后:诊断智能诊断智能
14、化。人工智能、专家系统、神经网络发展化。人工智能、专家系统、神经网络发展 国内国内 20 世纪世纪 80 年代初开始年代初开始 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 如如数据采集数据采集,信号处理信号处理,故障特征故障特征、模式识别模式识别及及人工智能人工智能等等 诊断诊断涉及多项学科知识,推动边缘学科相互交叉、渗透和发展涉及多项学科知识,推动边缘学科相互交叉、渗透和发展 如如故障机理研究故障机理研究推动推动转子动力学转子动力学、结构动力学结
15、构动力学和和模态分析技术模态分析技术的发展的发展 故障诊断方法研究故障诊断方法研究推动推动振动工程振动工程应用应用 模式识别模式识别,模糊数学模糊数学、人工智能人工智能等数学物理方法应用和发展等数学物理方法应用和发展 状态监测技术状态监测技术推动推动测试技术测试技术、信号分析处理技术信号分析处理技术 和和网络传输技术网络传输技术的发展的发展 故障控制故障控制推动推动振动噪声控制振动噪声控制理论研究与发展理论研究与发展 设备故障评判设备故障评判结合结合故障诊断技术故障诊断技术 与与可靠性分析技术可靠性分析技术、失效分析技术失效分析技术1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目
16、的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系 定期维修定期维修(计划维修):(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。分确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修大修和和项项(目)(目)修修 适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备 缺点:缺点:检修量大检修量大耗时耗费;要求耗时耗费;要求精密机械精密机械,过多,过多拆卸拆卸人为故障人为故障 备品备品备件备
17、件种类多,检修种类多,检修费用费用大大 技术发展和设备管理现代化,认识到采用一种技术发展和设备管理现代化,认识到采用一种预防性维修预防性维修方式方式 即设备运行时进行即设备运行时进行状态监测状态监测,掌握技术状况,掌握技术状况 对将形成或已形成对将形成或已形成故障分析故障分析诊断,判定设备诊断,判定设备劣化程度劣化程度和和部位部位 故障前制订故障前制订预知性维修预知性维修计划,确定设备修理计划,确定设备修理内容内容和和时间时间 即为基于即为基于状态监测状态监测为基础的维修,最为基础的维修,最经济合理经济合理方式,又称方式,又称预知性维修预知性维修 预知性维修预知性维修(状态监测维修):(状态监
18、测维修): 测知设备测知设备状态参数状态参数,了解,了解设备现状设备现状,判断,判断故障类型故障类型、性质和程度性质和程度 推测推测发展趋势发展趋势,确定最佳,确定最佳维修时机维修时机,依据设备,依据设备实际状态实际状态 以以设备故障诊断设备故障诊断为基础的先进维修方式为基础的先进维修方式 优点:优点:减少减少突发性事故突发性事故;减少;减少停机时间停机时间;延长;延长检修周期检修周期 延长设备延长设备使用寿命使用寿命;节约;节约维修费用维修费用1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系表
19、表 1-2 三种维修制度比较三种维修制度比较 工业发达国家经验工业发达国家经验 90 设备要求设备要求预知性维修预知性维修 10 设备需要设备需要定期维修定期维修维修方式维修方式内容比较内容比较使用对象使用对象事后维修事后维修(故障维修)(故障维修) 设备出现故障或性能精度下降到设备出现故障或性能精度下降到合格水平以下,无法继续使用时维修合格水平以下,无法继续使用时维修 设备结构简单,修理容易,获得修设备结构简单,修理容易,获得修理配件,故障停机不对生产造成损失,理配件,故障停机不对生产造成损失,一般均设有备机一般均设有备机定期维修定期维修(计划维修)(计划维修) 按磨损规律和故障概率得出维修
20、按磨损规律和故障概率得出维修周期,根据计划定期维修。设备大修周期,根据计划定期维修。设备大修解体检查,更换或修理零部件解体检查,更换或修理零部件 单机连续运行设备,掌握磨损规律单机连续运行设备,掌握磨损规律和故障概率。关键设备和零部件,分析和故障概率。关键设备和零部件,分析计算使用周期,确保设备安全运行计算使用周期,确保设备安全运行状态监测维修状态监测维修(预知性维修)(预知性维修) 根据设备运行状态监测信息,判根据设备运行状态监测信息,判断设备故障程度和发展趋势,提出最断设备故障程度和发展趋势,提出最佳维修时间和部位佳维修时间和部位 单机连续运行大型机组和重大设备,单机连续运行大型机组和重大
21、设备,停机损失巨大,不宜解体检查高精度设停机损失巨大,不宜解体检查高精度设备,故障引起公害设备。具备状态监测备,故障引起公害设备。具备状态监测与故障诊断条件与故障诊断条件1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系 五体制五体制(维修体制):(主要为带(维修体制):(主要为带 号的三种维修体制)号的三种维修体制) 事后维修事后维修 BM(Break-down Maintenance):): 故障故障(后)(后)维修维修。适用于非重点或备用设备维修,传统维修方式。适用于非重点或备用设备维修,传
22、统维修方式 定期维修定期维修 TBM(Tim-Based Maintenance):): 属属预防维修预防维修,即,即计划维修计划维修 根据设备规律,固定维修周期,确定维修内容,制定维修计划根据设备规律,固定维修周期,确定维修内容,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 状态维修状态维修 CBM(Condition-Based Maintenance):): 属属预防维修预防维修,即,即预知维修预知维修 日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修
23、 适用于重点或通用设备,经济合理,值得提倡的维修方式适用于重点或通用设备,经济合理,值得提倡的维修方式 改善维修改善维修 CM(Corrective Maintenance):): 改进结构,消除缺陷。值得提倡的维修方式改进结构,消除缺陷。值得提倡的维修方式 视情维修视情维修 OM(On-condition Maintenance):): 属属预防维修预防维修。定期检测,安全检查,发现问题,确定界限。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适用于非重要零部件,认为有必要才进行维修的维修方式1 概述概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故
24、障的类型和状态监测技术 1.2.1 设备故障的类型及其可能原因设备故障的类型及其可能原因 结构损伤性故障:结构损伤性故障:设备结构内外缺陷和损伤设备结构内外缺陷和损伤 裂纹:裂纹:能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起 磨损: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:腐蚀:化学反应现象。化学腐蚀,应力腐蚀、电化腐蚀化学反应现象。化学腐蚀,应力腐蚀、电化腐蚀 变形:变形:设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力
25、流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因 断裂: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: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:运动状态劣化性故障: (1)机械位置不良:)机械位置不良:转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定 热态变形、零件松动热态变形、零件松动 (2)刚性不足:)刚性不足:支承基础刚性、转子刚性支承基础刚性、转子刚性 (
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