(完整版)机械故障诊断学-绪论课件.ppt

1、一、机械故障诊断的意义及发展现状 二、机械故障诊断的基本内容与技术过程 三、大机组状态监测与故障诊断常用的方法 四、计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略 l1.状态监测与故障诊断的定义 l2.机械故障诊断学的研究目的与研究范畴l3.机械故障诊断理论与技术的意义l4.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的概念故障故障 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

2、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状态监测与故障诊断的定义 故障诊断的基础是建立在故障诊断的基础是建立在能量耗散原理能量耗散原理上的。所有设上的。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附加能量损耗愈小。例如机械设备，其传递的能量过程中的附加能量损耗愈小。例如机械设备，其传递的能量是以力、速度两个主要物理参数来表征，附加能量损耗主要是以力、速度两个主要物理参数来表征，附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现。随着设备劣化程度加大，附加能通过温度及振动参数表现。

3、随着设备劣化程度加大，附加能量损耗也增大。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解量损耗也增大。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度设备劣化程度。(能量参数：电压及电流、压力及流量等）机械故障诊断主要是研究某一机械设备在运行过程中动态性能的变化规律及其运行状态的识别方法。中国工程院院士屈梁生诊断是以机械学和信息论为依托，多学科融合的技术，本质是模式识别。近代科学技术的各门学科的发展是相互渗透、相互促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

4、学则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。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人都做剖腹检查，而只要求医生根据症状或“状态状态”来来做诊断，由局部推测整体，由现象判断本质，由当前预做诊断，由局部推测整体，由现象判断本质，由当前预示未来。示未来。将医疗诊断中这样一些基本逻辑思想，推广到工程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。技术中来，就形成了工程诊断学。医学诊断故障诊断原理及特征信息中医：望、闻、问、切西

5、医：望、触、扣、听、嗅听心音、做心电图量体温验血验尿量血压X射线、超声波检测问病史听、摸、看、闻振动与噪声监测温度监测油样分析应力应变测量无损检测查阅技术档案资料通过形貌、声音、温度、颜色、气味的变化来诊断通过振动大小及变化规律观察温度的大小及变化观察化学成分及磨粒形状变化观察压力或应力变化观察内部结构缺陷找规律、查原因、作判断医学诊断与故障诊断医学诊断与故障诊断按故障性质分类 人为故障 自然故障故障率%图图 浴盆曲线浴盆曲线磨合期正常使用期耗损期l故障的分类浴盆曲线：设备维修工程中，根据统计得出的一般机械设备劣化进程规律浴盆曲线：设备维修工程中，根据统计得出的一般机械设备劣化进程规律曲线。由

6、于曲线的形状类似浴盆的剖面线，因此称为浴盆曲线。曲线。由于曲线的形状类似浴盆的剖面线，因此称为浴盆曲线。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。GYR图1-2劣化曲线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：所谓技术诊断

7、所谓技术诊断，从广义而言，就是对系统的运行状态做出判断，也即定量地识别系统的状态。从理论上讲技术诊断就是系统识别。这里系统指机械设备、工艺过程、工程结构或生产系统等；系统的状态是指系统运行中其功能是良好、正常、劣化或发生故障。所谓诊断所谓诊断就是根据机械设备运行过程中产生的各种信息来判别机械设备是正常运转还是发生了异常现象，也就是识别机器是否发生了故障，称为故障诊断。至于机械设备失效后或发生事故之后进行的分析叫做失效分析，这也是故障诊断的一个方面。传感器传感器信号处理系统信号处理系统系统或机器系统或机器标准图和谱标准图和谱状态识别状态识别诊断决策诊断决策停机检修停机检修巡回监视巡回监视重点监视

8、重点监视技 术 诊 断 过 程 框 图所谓机械故障诊断所谓机械故障诊断，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检测、提取、利用机械系统运行提取、利用机械系统运行中产生的相关信息中产生的相关信息，识别识别其技术状态，确定确定故障性质，分析分析故障原因，寻找寻找故障部位，预报预报故障趋势，并提出相应对策对策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尚可正常不可异常l状态检测与故障诊断 从以上定义可以看出，机械故障诊断是一个包含运行状态检测、信号分析处理

9、、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。l状态检测与故障诊断 人不可能不生病，机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊，机器出了故障也要找“医生”诊断病因。医生对病人的诊断是基于体征检查（先看体温，再进行验血、X光、心电图、B超、甚至CT等）基础上的分析判断，对机器故障的诊断同样也是基于状态监测（先看总振动值，再求助于频谱、波形、轴心轨迹、趋势图、波德图、全息谱图等）基础上的综合性分析判断。状态监测状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪器（在线的或离线的）

10、，采用各种检测、监视、分析和判别方法，对设备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时做出报警，并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。l状态检测与故障诊断l状态检测与故障诊断故障诊断故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数、历史状况，对可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。机器故障诊断要求定量地掌握设备的状态，即机器故障诊断要求定量地掌握设备的状态，即掌握其性能和强度，了解零件的应力状态、性能的掌握其性能和

11、强度，了解零件的应力状态、性能的劣化和零部件的损伤等。劣化和零部件的损伤等。故障档案库各种样板模式故障信号异常模型向量特征提取典型故障故障模拟信号监测设备信号检测状态信号初始模式特征提取故障特征信息待检模式比较状态故障情况状态趋势诊断决策状态及趋势分析输出干预图 设备监测与诊断过程状态检测 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

12、，诊断是检测的最终结果。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。现在国内外流行的有两种术语：l 机械系统诊断技术(Mechanical Fault Diagnosis)包括机械设备、工程结构和工艺过程的故障诊断技术；l机械设备的技术诊断(Technical Diagnosis)也叫技术诊断学(Technical Diagnostics)或工程诊

13、断(Engineering Diagnosis)，后者可以从更广泛的角度来理解诊断。2.机械故障诊断学的研究目的与研究范畴研究故障诊断技术目的 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

14、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。l故障诊断的目的故障诊断的目的 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研究范畴 故障诊断的基础是建立在故障诊断的基础是建立在能量耗散原理能量耗散原理上的。所有设备上的。所有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，转换与传递过的作用都是能量转换与

15、传递，设备状态愈好，转换与传递过程中的附加能量损耗愈小。例如机械设备，其传递的能量是程中的附加能量损耗愈小。例如机械设备，其传递的能量是以力、速度两个主要物理参数来表征，附加能量损耗主要通以力、速度两个主要物理参数来表征，附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现。随着设备劣化程度加大，附加能量过温度及振动参数表现。随着设备劣化程度加大，附加能量损耗也增大。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解设损耗也增大。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度备劣化程度。(能量参数：电压及电流、压力及流量等）机械故障诊断学的研究研究范畴机械故障诊断学的研究研究范畴机械故障诊断学的研究研究范畴 一个系

16、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。机械系统是在给定输入下通过运动实现预期功能的人造机械系统是在给定输入下通过运动实现预期功能的人造技术系统，是动力学研究与应用的主要对象。技术系统，是动力学研究与应用的主要对象。机械故障诊断的基本目的是通过检测机械系统运行中的机械故障诊断的基本目的是通过检测机械系统运行中的某

17、些特征参量，经过分析处理，判断运行状态是否正常，识某些特征参量，经过分析处理，判断运行状态是否正常，识别故障的类型、程度与发生故障的部位。实现这个目的，有别故障的类型、程度与发生故障的部位。实现这个目的，有赖于建立诊断对象正常状态和各种故障状态下的动力学模型，赖于建立诊断对象正常状态和各种故障状态下的动力学模型，并基于模型有针对性地研究给定激励产生的响应及其稳定性，并基于模型有针对性地研究给定激励产生的响应及其稳定性，建立故障与运动状态之间的对应关系，分析工况参数对运动建立故障与运动状态之间的对应关系，分析工况参数对运动及其稳定性的影响，开展这些工作的必要基础正是动力学理及其稳定性的影响，开展

18、这些工作的必要基础正是动力学理论与方法。论与方法。-从广义上讲，如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减从广义上讲，如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化，就可以称这种运动为小的反复变化，就可以称这种运动为振动振动-振动是自然界最普遍的现象之一振动是自然界最普遍的现象之一定义定义（1）心脏的搏动、耳膜和声带的振动，（）心脏的搏动、耳膜和声带的振动，（2）桥梁和建筑物在风和地震）桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动，（作用下的振动，（3）飞机和轮船航行中的振动，（）飞机和轮船航行中的振动，（4）机床和刀具在加）机床和刀具在加工时的振动工时的振动-各种物理现象，诸如声、光、热等都包含振

19、动各种物理现象，诸如声、光、热等都包含振动-如果变化的物理量是一些机械量或力学量，例如物体的位移如果变化的物理量是一些机械量或力学量，例如物体的位移、速度、加速度、应力及应变等等，这种振动便称为、速度、加速度、应力及应变等等，这种振动便称为机械振机械振动动 绪论绪论-各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着相似的数各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着相似的数学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种统一学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题的理论来处理各种振动问题振动力学振动力学-借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐借助数

20、学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据绪论绪论q 振动问题的提法振动问题的提法 -通常的研究对象被称作通常的研究对象被称作系统系统系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应它可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等它可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等-外部激振力等因素称为外部激振力等因素称为激励（输入）激励（输入）-系统发生的振动称为系统发生的振动称为响应（输出）响

21、应（输出）绪论绪论第一类：已知激励和系统，求响应第一类：已知激励和系统，求响应 第二类：已知激励和响应，求系统第二类：已知激励和响应，求系统 第三类：已知系统和响应，求激励第三类：已知系统和响应，求激励 系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应振动问题按这三个环节可分为三类问题振动问题按这三个环节可分为三类问题绪论绪论第一类：已知激励和系统，求响应第一类：已知激励和系统，求响应 动力响应分析动力响应分析 主要任务主要任务在于验算结构、产品等在工作时的动力响应（如变形在于验算结构、产品等在工作时的动力响应（如变形、位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要求、位移、应力等）是否

22、满足预定的安全要求和其它要求在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验算，若不符在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验算，若不符合要求再作修改，直到达到要求而最终确定设计方案，这一过合要求再作修改，直到达到要求而最终确定设计方案，这一过程就是所谓的程就是所谓的振动设计振动设计 正问题正问题系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应第二类：已知激励和响应，求系统第二类：已知激励和响应，求系统系统识别，系统辨识系统识别，系统辨识 求系统求系统，主要是指获得对于系统的物理参数（如质量、刚度和，主要是指获得对于系统的

23、物理参数（如质量、刚度和阻尼系数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振阻尼系数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振型等）的认识型等）的认识 以估计物理参数为任务的叫做以估计物理参数为任务的叫做物理参数辨识物理参数辨识，以估计系统振动，以估计系统振动固有特性为任务的叫做固有特性为任务的叫做模态参数辨识模态参数辨识或者或者试验模态分析试验模态分析第一个逆问题第一个逆问题 系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论第三类：已知系统和响应，求激励第三类：已知系统和响应，求激励环境预测环境预测 例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要通过实地行车例如：为了避免产

24、品在公路运输中的损坏，需要通过实地行车记录汽车振动和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振记录汽车振动和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振动环境，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根动环境，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装据地为产品设计可靠的减震包装 第二个逆问题第二个逆问题 系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论 振动诊断涉及两类基本问题，即故障分析与故障诊断。振动诊断涉及两类基本问题，即故障分析与故障诊断。前者是已知故障的类型、位置与程度，通过分析、计算或前者是已知故障的类型、位置与程度，通过分析、计算或

25、实验的途径确定在既定故障激励下诊断对象的响应特性，可实验的途径确定在既定故障激励下诊断对象的响应特性，可以称之为正问题求解。以称之为正问题求解。故障分析的目的故障分析的目的是在故障集与振动状态集之间建立确定的映射关系，是在故障集与振动状态集之间建立确定的映射关系，进而形成诊断知识库。进而形成诊断知识库。后者是根据异常响应的特征，推知故障的类型、位置与程后者是根据异常响应的特征，推知故障的类型、位置与程度，可以称之为逆问题求解。度，可以称之为逆问题求解。故障诊断的目的故障诊断的目的是通过解读实测图谱和数据，辨别异常响应特性，依是通过解读实测图谱和数据，辨别异常响应特性，依据业已建立的故障集与振动

26、状态集之间的映射关系，作出诊断结论。据业已建立的故障集与振动状态集之间的映射关系，作出诊断结论。显然，无论是故障分析还是故障诊断，都必须依据一定的显然，无论是故障分析还是故障诊断，都必须依据一定的动力学原理，正是在这个意义上，可以认为线性振动理论、动力学原理，正是在这个意义上，可以认为线性振动理论、非线性振动理论、运动稳定性与分岔理论是振动诊断方法的非线性振动理论、运动稳定性与分岔理论是振动诊断方法的科学基础。科学基础。振动测试包括两种方式：振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解

27、被测对象的振动状态，速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。阻尼、刚度、频率响应和模态等。由传感器或人的感官所获得的信息往往不明显、不直观，由传感器或人的感官所获得的信息往往不明显、不直观，很难直接进行故障诊断。很难直接进行故障诊断。信号分析

28、处理可以将获得的信息通过一定的方法进行变信号分析处理可以将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、最敏感的特征信息。一换处理，从不同的角度提取最直观、最敏感的特征信息。一般情况下要从多重分析域、多个角度来分析观察这些信息。般情况下要从多重分析域、多个角度来分析观察这些信息。分析处理方法的选择、处理过程的准确性以及表达的直观性分析处理方法的选择、处理过程的准确性以及表达的直观性都会对诊断结果产生较大影响。都会对诊断结果产生较大影响。随着科学技术的进步，逐步开发了一些检测方法和监测随着科学技术的进步，逐步开发了一些检测方法和监测手段，特别是现代的数字信号处理技术的应用，使振动

29、诊断手段，特别是现代的数字信号处理技术的应用，使振动诊断及分析技术更加完善。及分析技术更加完善。该学科涉及众多的科学与技术领域，具有明显的该学科涉及众多的科学与技术领域，具有明显的“积积木式木式”知识结构，其显著特点是理论性与实践性俱强，新知识结构，其显著特点是理论性与实践性俱强，新理论与新技术密集。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；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。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，由于社会生产和科技发

30、展对诊断技术的要求不断提高，以及相关知识领域以及相关知识领域(如计算机科学与技术、信号与系统分析、如计算机科学与技术、信号与系统分析、动力学理论与方法、人工智能等动力学理论与方法、人工智能等)的新成果不断涌现，机械的新成果不断涌现，机械故障诊断学科仍处于高速发展之中。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

31、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设备故障诊断工机械设备故障诊断工程程信息论信息论智能论智能论系统论系统论控制论控制论现代诊断工程学的共同基础是信息论、智能论、系统论和控制论，机械设备诊断技术的机理正是建立在这四论的基础上。设备诊断的构成基础设备诊断的构成基础 机械故障诊断理论与技术是近40多年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速发展而发展起来的一项新技术，像技术科学所有新兴学科一样，机械故障诊断理论与技术的形成和发展有其鲜明的社会生产和科学技术背景，是社会生产和科学技术发展到一定阶段的必然产物。机械故

32、障诊断学是一门近四十年年来发展起来的新学科，是现代化设备维修技术的重要组成部分，并且正在日益成为设备维修管理工作现代化的一个重要标志。自20世纪60年代末至今，机械故障诊断理论与技术在世界范围内受到政府、学术界和工业界日益广泛的关注，一直是技术科学中研究与应用的热点。特别是在进入20世纪90年代以后，以前所未有的势头在国内得到了十分迅速的发展，并在机械、冶金、电力等行业得到了十分广泛的应用。机械故障诊断理论与技术已经从对机械零部件的诊断发展到对整台机器、一个机组、甚至是对一条生产线进行诊断，进而融入企业管理的计算机网络系统，已形成一门发展迅速的、新兴的综合性交叉学科。设备诊断的工程性设备诊断的

33、工程性 机械故障诊断技术来自工程实际，为生产实践服务，又回到工程实践中，已发展成为综合性的工程系统，随着机械故障诊断工程的形成，它的理论和技术基础，也就是机械故障诊断学科也已形成，这是一门多学科交叉的新型学科，它充分应用了计算机最新技术和前沿科学。机械设备故障诊断工程概念图解机械设备故障诊断工程概念图解机械设备故障诊断工程机械设备故障诊断工程生产工艺状态检测及故障诊断生产工艺状态检测及故障诊断机械设备状态监测及故障诊断机械设备状态监测及故障诊断机械设机械设备故障备故障预报及预报及停车控停车控制制机械设机械设备合理备合理维修的维修的计划控计划控制制机械设备机械设备的科学管的科学管理及备件理及备件

34、的计划控的计划控制制新产品新产品试制的试制的科学控科学控制制提高生提高生产率的产率的安全控安全控制制保证产保证产品质量品质量的反馈的反馈控制控制设备诊断的工程性设备诊断的工程性设备诊断的工程性设备诊断的工程性 由于机械设备和工况条件的复杂性和多样性，某种诊断技术在某一工厂应用效果显著，而在另一工厂并不一定就很合适；或者在实验室是成功的，而在生产现场就行不通。由于信息的多样性，为了开发机械设备故障诊断技术，就必须对于别的领域中的诊断方法，别的学科中的理论、方法以及各种现代化仪器的最新成就给予高度重视，如振动测试和信号分析、现代结构动力学方法、声发射技术、红外测温技术、热像技术、油液分析技术及各种

35、无损检测技术等都被用于机械设备故障诊断技术中，这几乎涉及到自然科学的各个领域，所以需要广泛的理论基础。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研究范畴3.机械故障诊断理论与技术的意义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

36、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6070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；

37、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。l故障诊断的意义故障诊断的意义 预防事故，保证人身和设备安全预防事故，保证人身和设备安全转子事故转子事故现实生活和工业过程中恶性事故时有发生现实生活和工业过程中恶性事故时有发生透平机械事故透平机械事故 水轮机事故水轮机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三峡塔带机断裂事

38、故 2002年年9月月3日日 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610，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

39、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，事故发生率减少日本应用故障诊断技术后，事故发生率减少75%75%，维修费用降低，维修费用降低25255050。英国对。英国对20002000个国个国营工厂的调查表明，采用状态监测和故障诊断技营工厂的调查表明，采用状态监测和故障诊断技术后，每年可节省维修费用术后，每年可节省维修费用3 3亿英镑，而故障诊亿英镑，而故障诊断系统的成本为断系统的成本为0.5

40、0.5亿英镑。亿英镑。我国我国19871987年国营公交企业年国营公交企业4040万个，固定资产万个，固定资产￥70007000亿亿,维修费约为固定资产的维修费约为固定资产的 3 35 5。提高企业的经济效益提高企业的经济效益 300MW300MW发电机组发电机组 停产一天损失电停产一天损失电720720万万kWhkWh，约￥约￥144144万元万元 3030万吨化肥装置万吨化肥装置 停产一天损失化肥停产一天损失化肥1000t1000t，约￥，约￥150150万万元元 三峡三峡2 2号水轮机组号水轮机组700MW 700MW 停机停机4 4小时损失￥小时损失￥400400万元万元 另外，机器一

41、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)维修体制的变革维修体制的变革 设备维修体制是与一定的社会生产发展

42、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推动设备维修制度的改革故障维修故障维修(Breakdown Maintenance)又称为事后维

43、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、

44、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)。l其特点特点为：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，是发展方向动态维修制度，是发展方向。l预知性维修要求：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

45、的发展趋势，估算出最佳的维修时机。l预知性维修的目标是：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。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。设备诊断技术

46、的意义：机械诊断技术是改革维修制度、实行视情维修的必要手段；是提高维修效率、监督维修质量的迫切需要；是提高运行安全可靠性、保证机器安全的有效手段；提高设备效率、降低全寿命周期费用。保证设备精度，提高产品质量保证设备精度，提高产品质量4.机械故障诊断技术的发展与现状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

47、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

48、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，井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故障诊断技术的发展概况美国：美国：19671967年美国国家宇航局（年美

49、国国家宇航局（NASNNASN）创立机械故障预防小组创立机械故障预防小组MFPGMFPG（Machinery Fault prevention groupMachinery Fault prevention group），），在航空、航天、军事、在航空、航天、军事、核能等尖端部门目前处于领先地位。核能等尖端部门目前处于领先地位。英国：英国：7070年代初成立年代初成立成立机械保健中心成立机械保健中心(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。机监

50、测与诊断具有领先地位。欧洲一些国家：欧洲一些国家：n瑞典瑞典SPMSPM公司公司-轴承监测技术，轴承监测技术，AGEMAAGEMA公司公司-红外热像技术；红外热像技术；n丹麦丹麦B&KB&K公司公司-振动、噪声监测技术；挪威振动、噪声监测技术；挪威-船舰诊断技术。船舰诊断技术。日本：日本：7070年代起步，在民用工业（钢铁、化工、铁道等）有优势。年代起步，在民用工业（钢铁、化工、铁道等）有优势。中国：中国：19791979年第一次办学习班，年第一次办学习班，8080年代初开始，目前在石化、冶金、电年代初开始，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。力等行业应用较好，在其它领域