状态监测与故障诊断技术课件.ppt
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- 状态 监测 故障诊断 技术 课件
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1、第一章 绪 论 设备故障设备故障是指是指“设备功能失常设备功能失常”,也就是设备不能达到预,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。产生故障的期的工作状态,无法满足应有的性能、功能。产生故障的原因通常是设备的构造处于不正常状态(劣化状态)。原因通常是设备的构造处于不正常状态(劣化状态)。判判断故障的准则是:断故障的准则是:在给定的工作状态下,设备的功能与约在给定的工作状态下,设备的功能与约束条件不能满足正常运行或原设计期望的要求。束条件不能满足正常运行或原设计期望的要求。 故障诊断技术故障诊断技术是一门集数理统计、力学、计算机工程、信是一门集数理统计、力学、计算机工程、信号
2、处理、模式识别、人工智能等多学科于一体的、生命力号处理、模式识别、人工智能等多学科于一体的、生命力旺盛的新兴学科。它是一种了解和掌握设备在使用过程中旺盛的新兴学科。它是一种了解和掌握设备在使用过程中的工作状态,确定其整体或者局部是否正常,及时发现故的工作状态,确定其整体或者局部是否正常,及时发现故障及其原因,预报故障发展趋势的技术。故障诊断的目的障及其原因,预报故障发展趋势的技术。故障诊断的目的是保证可靠地、高效地发挥设备的应有功能,其最根本的是保证可靠地、高效地发挥设备的应有功能,其最根本的任务是通过监测设备的信息来识别设备的工作状态。任务是通过监测设备的信息来识别设备的工作状态。 (1 1
3、)故障的危害程度增大。)故障的危害程度增大。一旦某一部件发生故障,就一旦某一部件发生故障,就可能引起可能引起“链式反应链式反应”,导致整个生产系统不能正常运行,导致整个生产系统不能正常运行,从而造成巨大的经济损失,严重的设备故障还会造成灾难从而造成巨大的经济损失,严重的设备故障还会造成灾难性的事故和人员伤亡,产生不良的社会影响。例如,性的事故和人员伤亡,产生不良的社会影响。例如,2020世世纪纪8080年代,对全国年代,对全国1414个省个省4545个矿务局个矿务局112112个矿井抽样调查,个矿井抽样调查,因矿井提升机发生故障引起停工停产,甚至造成人员伤亡因矿井提升机发生故障引起停工停产,甚
4、至造成人员伤亡的事故,共有的事故,共有126126例,伤亡例,伤亡272272人,经济损失达七千万元。人,经济损失达七千万元。 (2 2)设备的成本和维修费用激剧增加。)设备的成本和维修费用激剧增加。美、日两国企业美、日两国企业生产设备的年平均维修费用分别占企业固定资产的生产设备的年平均维修费用分别占企业固定资产的4%4%8.5%8.5%和和2.6%2.6%12%12%,而我国的这个比例为,而我国的这个比例为12%12%25%25%。故障诊断技术的重要意义表现在以下三个方面:故障诊断技术的重要意义表现在以下三个方面:(1 1)从安全生产角度考虑,运用故障诊断技术可以快速、准确、及)从安全生产角
5、度考虑,运用故障诊断技术可以快速、准确、及时地诊断是否出现故障,以及故障的类型、原因和部位,还能够发现时地诊断是否出现故障,以及故障的类型、原因和部位,还能够发现设备的潜在危险,保证设备安全运行。设备的潜在危险,保证设备安全运行。(实例:赵固二矿风机)(实例:赵固二矿风机)(2 2)从经济效益和社会效益角度考虑,尽管设备的故障诊断系统需)从经济效益和社会效益角度考虑,尽管设备的故障诊断系统需要一定的初始投资,但是对于大型设备来说,投资与一次设备故障的要一定的初始投资,但是对于大型设备来说,投资与一次设备故障的损失相比要小得多。同时,故障诊断系统投入使用能够保证安全生产、损失相比要小得多。同时,
6、故障诊断系统投入使用能够保证安全生产、提高生产效率和产品质量,从而降低生产成本和维修费用,给企业带提高生产效率和产品质量,从而降低生产成本和维修费用,给企业带来巨大的经济效益。例如,英国人来巨大的经济效益。例如,英国人19841984年发表文章认为,对大型汽轮年发表文章认为,对大型汽轮发电机组进行振动监视,获利与投资之比为发电机组进行振动监视,获利与投资之比为17:117:1。(实例:梨园矿提(实例:梨园矿提升机)升机)(3 3)从生产管理和维修管理角度考虑,运用故障诊断技术能积累原)从生产管理和维修管理角度考虑,运用故障诊断技术能积累原始资料、预测设备运行的趋势,为生产和维修决策提供强有力的
7、支持。始资料、预测设备运行的趋势,为生产和维修决策提供强有力的支持。第一节第一节 故障诊断的基础知识故障诊断的基础知识(掌握)(掌握) 一、故障的分类一、故障的分类 1按故障的性质分类 (1)人为故障 (2)自然故障 2按故障产生的原因分类 (1)先天性故障 (2)使用性故障 3按故障发展速度分类 (1)突发性故障 (2)渐进性故障 4按故障持续时间分类 (1)间断性故障 (2)持续性故障 5按故障的程度分类 (1)局部故障 (2)完全故障 6按故障造成的后果分类 (1)一般故障 (2)轻微故障 (3)严重故障 (4)恶性故障二、状态监测与故障诊断技术二、状态监测与故障诊断技术 状态监测与故障
8、诊断的三个阶段:状态监测、分析诊断、治理预防。 (1 1)状态监测。)状态监测。状态监测是在设备运行中,对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示、记录,是对设备进行故障诊断的基础工作。 (2 2)分析诊断。)分析诊断。分析诊断实际上包括两方面的内容:信号分析处理、故障诊断。 信号分析处理的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处理,从不同的角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息。分析处理可用专门的分析仪器或计算机进行。图谱识别巡回检测设 备传感器信号采集、数据显示分析处理、状态识别故障诊断、决策运行维护停机检修治理预防 故障诊断是在状态监测与信号分析处理的基础上进行的。故障诊断
9、需要根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况,有时还需要进一步与某些故障特征参数(模式)进行比较,以识别设备是运转正常还是存在故障。若存在故障,则要诊断故障的性质和程度、产生原因或发生部位,并预测设备的性能和故障发展趋势。 (3 3)治理预防。)治理预防。根据设备故障情况,治理预防措施行巡回监测、监护运行、立即停机检修三种。 (4 4)设备状态监测与故障诊断的区别与联系。)设备状态监测与故障诊断的区别与联系。设备状态监测与故障诊断既有区别又有联系,在生产实际中,有时又将二者统称为设备故障设备故障诊断诊断。实际上,没有监测就没有诊断,诊断是目的,监测是手段;
10、监测是诊断的基础和前提,诊断是监测的最终结果。 (5 5)故障诊断方法的分类)故障诊断方法的分类 诊断对象:旋转、往复、电气设备、机械零件、工程结构。 诊断目的和要求:在线和离线、功能和运行、定期和连续、间接和直接、常规和特殊。 诊断手段:振动、声学、温度、强度 压力等。 诊断的完善程度:简易、精密、系统综合。 辨识故障模式:统计识别、函数识别、逻辑识别、模糊识别、灰色识别、神经网络。表表1-1 故障诊断方法分类故障诊断方法分类分类依据分类依据分分 类类 内内 容容诊断对象诊断对象旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断往复机械故障诊断往复机械故障诊断机械零件故障诊断机械零件故障诊断工程结构故障诊断工
11、程结构故障诊断电气设备故障诊断电气设备故障诊断诊断目的和要求诊断目的和要求在线诊断和离线诊断在线诊断和离线诊断功能诊断和运行诊断功能诊断和运行诊断定期诊断和连续诊断定期诊断和连续诊断直接诊断和间接诊断直接诊断和间接诊断 常规诊断和特殊诊断常规诊断和特殊诊断诊断手段(信号物理特性)诊断手段(信号物理特性)振动诊断振动诊断声学诊断声学诊断温度诊断温度诊断强度诊断强度诊断污染诊断污染诊断诊断手段(信号物理特性)诊断手段(信号物理特性)光学诊断光学诊断电参数诊断电参数诊断压力诊断压力诊断金相诊断金相诊断诊断方法的完善程度诊断方法的完善程度简易诊断简易诊断精密诊断精密诊断系统综合诊断系统综合诊断识别故障
12、模式识别故障模式统计识别诊断统计识别诊断 函数识别诊断函数识别诊断 逻辑识别诊断逻辑识别诊断 模糊识别诊断模糊识别诊断 灰色识别诊断灰色识别诊断 神经网络识别诊断神经网络识别诊断第二节第二节 故障诊断技术的发展与应用故障诊断技术的发展与应用(掌握)(掌握)一、故障诊断的发展与应用概况一、故障诊断的发展与应用概况 1.1.国外故障诊断发展概况国外故障诊断发展概况 设备的故障诊断自有工业生产以来就已经存在,不同的时期故障诊断具有不同的特点。 在19世纪,设备的技术水平和复杂程度都很低,这一时期主要采用事后维修方式; 进入20世纪后,设备的技术复杂程度有了提高,设备故障或事故对 生产的影响显著增加,
13、这样就出现了定期预防维修方式,故障诊断技术处于孕育时期。故障诊断主要依靠人工经验判断,缺乏自动监测技术。 在20世纪60年以后,故障诊断技术真正作为一门学科发展起来。美国自1961年开始执行阿波罗计划后,出现了一系列因设备故障而造成的事故,导致1967年在美国国家宇航局(NASA)倡导下,创立了美国机械故障预防小组(MEPG),从事故障诊断技术的研究;英国在20世纪6070年代,以 Collacott为首的英国机器保健和状态监测协会最先开始研究故障诊断技术;日本的新日铁自1971年开始研究故障诊断技术,1976年达到实用化程度。 目前,美国的诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门处于世界领
14、先地位;英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面处于领先地位;日本的诊断技术在钢铁、化工和铁路等部门处于领先地位。正是由于诊断技术能够产生的巨大经济效益,因此故障诊断技术得到了迅速的发展,各种监测和故障诊断的商业化产品不断推出,如日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”、美国西屋公司的“可移动诊断中心”、美国中心发电部的“透平监视设备”和“试验设备监测”、美国Scientific Atlanta公司的CHAMMP6000监测系统、美国Bently公司的7200、3300及3000系列和CSI公司的系列监测仪器等设备状态监测和故障诊断设备等。 2. 2.国内故障诊断发展概况国内故障诊断发展概
15、况 我国在故障诊断技术方面起步较晚,1979年才初步接触设备诊断技术,目前诊断技术在化工、冶金、电力等行业应用较好。例如,哈尔滨工业大学研制的“微计算机机组状态监测及故障诊断系统MMD-III”,西安交通大学开发的“大型旋转机械设备监测及诊断系统”,东南大学研制的“MFD系列型高速离心压缩机组工况监测与故障诊断系统”,重庆大学汽车学院故障诊断研究室研制开发的“DAS动态信号分析及故障诊断系统”,东北大学设备诊断工程中心研制的“轧钢机状态监测诊断系统”、“风机工作状态监测诊断系统”等,为企业成功地解决了许多工程实际问题。故障诊断技术经过30多年的研究与发展,已应用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞
16、机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工、飞机和船舶发动机、汽车、冶金设备、矿山设备和机床等领域。 从故障诊断系统和装置的角度来看,故障诊断技术的发展可概括为以下4个阶段: (1)以检测仪表为主体的监视诊断装置。以检测仪表为主体的监视诊断装置。该类故障诊断装置主要由传感器和指示仪表箱组成,装置本身没有分析功能,主要依靠人工经验判断。 (2)检测仪表配备软、硬件分析系统或装置。检测仪表配备软、硬件分析系统或装置。该类故障诊断装置增加了频谱分析仪等分析装置,有时配备有计算机软件分析系统。它虽然有助于诊断的准确性,但不能连续地自动分析和判断,诊断决策仍需依赖于领域专家。 (3)计算机辅助监
17、测诊断系统。计算机辅助监测诊断系统。该类故障诊断装置主要由传感器、接口装置和计算机组成,通过对被测对象的实时监测,根据专家系统自动诊断,从而提高了故障诊断的速度,在一定程度上可以实现无人值守,有利于预防突发性故障,是故障诊断技术的主要发展方向。 (4)人工智能诊断系统。人工智能诊断系统。随着神经网络等人工智能技术的应用,出现了人工智能诊断系统,它使计算机能够模拟人的学习行为,通过长期对被测对象的监测和自学习,增强对设备工况的预测能力,提高决策的准确性。这将使故障诊断技术达到一个新境界。二、故障诊断的主要内容及环节二、故障诊断的主要内容及环节 故障诊断技术的环节和流程故障诊断技术的环节和流程特征
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