机电设备状态监测与故障诊断课件(-61张).ppt

1、机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断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机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断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机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断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机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断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机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断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

2、程中恶性事故时有发生断裂部位l我国因机械设备事故造成的损失十分严重1985年10月29日山西大同第二电厂20万千瓦2号机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元；1998年2月12日陕西秦岭电厂20万千瓦5号机组轴系发生突发性强烈振动，轴系断裂为十三段，机组严重损毁，直接经济损失达3000万元；对石化引进30万吨合成氨和40万吨尿素化肥厂中的五大透平压缩机组的初步调查结果表明，仅1987年和1998年的两年的不完全统计，机械事故就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断 对关键设备进行状态监测和故障诊断可

3、以提高对关键设备进行状态监测和故障诊断可以提高设备的可靠性，实现设备的可靠性，实现“事后维修事后维修”到到“预知维修预知维修”的转变，提高企业和设备的管理水平，保证产品的的转变，提高企业和设备的管理水平，保证产品的质量，避免重大事故的发生，降低事故危害性，从质量，避免重大事故的发生，降低事故危害性，从而获得潜在的巨大经济效益和社会效益。而获得潜在的巨大经济效益和社会效益。机电设备故障诊断的意义：机电设备故障诊断的意义：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%，维修费用降低，维修费用降低2550。英国对。英国对2000个国营工厂的调查表明，采用状态监测和

4、故障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亿英镑，而故障诊断系统的成本为为0.5亿英镑。亿英镑。机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断国外诊断技术的发展概况：国外诊断技术的发展概况：美国最早，美国最早，1967年美国宇航局倡导成立了机械故障预年美国宇航局倡导成立了机械故障预防小组（防小组（“MFPG”）70年代英国机械保健中心成立，并用于核发电、钢铁、年代英国机械保健中心成立，并用于核发电、钢铁、电力等诊断。电力等诊断。71年日本开始发展自己的年日本开始发展自己的TPM（全员生产维修）：钢

5、（全员生产维修）：钢铁、石油、化工、铁路铁、石油、化工、铁路 进而欧美许多国家都在重视发展。如瑞典进而欧美许多国家都在重视发展。如瑞典SPM轴承监轴承监测、挪威船舶诊断、丹麦测、挪威船舶诊断、丹麦B&K的振动与声发射诊断的振动与声发射诊断电厂情况装机容量：1000MW，电费：US$0.015 元/千瓦时，年产值约：US$1 亿元事故损失按可靠性分析，事故停机 14 次/年，停产损失 US$15万元/天诊断效果能查出 50的事故，其中 50由诊断系统查出，内含虚警 20，修复时间：3 天/每次事故诊断效益(节约费用)B14x0.5x0.5x3x15x(1-0.2)=US$126 万元/年投入经费

6、投资：US$20 万元，年监测费：US$1.5 万元/年诊断成本A(20 万/10 年折旧)+1.5 万/年=US$3.5 万元/年诊断经济效益系数CB/A=36机械量:长度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量,振动;声:声压,噪声磁:磁通,磁场温度:温度,热量,比热机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统状态监测与故障诊断系统:v离线监测与故障诊断离线监测与故障诊断 定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放定期或不定期的巡检的方式采集现场数据，然后回放到计算机，由计算机软件进行监测与诊断分析。到计算机，由计

7、算机软件进行监测与诊断分析。特点：离线分析，对突发故障无能为力，但可精细分特点：离线分析，对突发故障无能为力，但可精细分析析 例如：例如：基于便携式数采仪的故障诊断与预测维修系统基于便携式数采仪的故障诊断与预测维修系统 （天（天 津大学机电科技中心）津大学机电科技中心）机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统：状态监测与故障诊断系统：v离线监测与故障诊断离线监测与故障诊断v在线监测与故障诊断在线监测与故障诊断 由传感器及高速实时数采硬件、控制计算机及监由传感器及高速实时数采硬件、控制计算机及监测分析软件组成。测分析软件组成。特点：在线监测，可以给出设备的当前状

8、态，捕特点：在线监测，可以给出设备的当前状态，捕捉突发故障并进行精细分析。捉突发故障并进行精细分析。例如：例如：在线故障诊断与自动报警系统在线故障诊断与自动报警系统 （天（天 津大学机电科技中心）津大学机电科技中心）机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统：状态监测与故障诊断系统：机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统：状态监测与故障诊断系统：v在线监测与故障诊断在线监测与故障诊断机床电源机床电源计算机计算机监控箱监控箱记录、文件记录、文件机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统：状态监测与

9、故障诊断系统：v在线监测与故障诊断在线监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断系统：状态监测与故障诊断系统：v前瞻性的故障诊断模式：前瞻性的故障诊断模式：以网络技术和计算机技术为基础，开发出主从分布式网络化集以网络技术和计算机技术为基础，开发出主从分布式网络化集成在线监控与诊断系统成在线监控与诊断系统。特点：充分挖掘和发挥网络信息交换、资源共享的优点，充分特点：充分挖掘和发挥网络信息交换、资源共享的优点，充分利用科研院所的专家资源，实现利用科研院所的专家资源，实现“移动的是数据而不是人移动的是数据而不是人”，在网，在网络层面上实现故障信息的挖掘和故障

10、类型的确诊。络层面上实现故障信息的挖掘和故障类型的确诊。例如：例如：中国设备远程诊断网中国设备远程诊断网 http:/ （天津大学机电科技中心）（天津大学机电科技中心）状态监测与故障诊断系统：状态监测与故障诊断系统：。.信号调理信号调理 信号调理信号调理 信号调理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机.信号调理信号调理 信号调理信号调理信号调理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机。.信号调理信号调理 信号调理信号调理信号调理信号调理机组机组机组机组现场工控机现场工控机远程计算机远程计算机局域网局域网机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断机电

11、设备状态监测与故障诊断 设备状态监测与故障诊断主要包括如下几个环节：设备状态监测与故障诊断主要包括如下几个环节：机电机电设备设备状态信息状态信息的获取的获取状态特征状态特征的提取的提取状态判断状态判断与决策与决策l测取的信号应能反映设备的状态与故障信息测取的信号应能反映设备的状态与故障信息，具体包括：振动、，具体包括：振动、声、力、温度、超声、油污染、锈蚀、转速、扭矩、功率、电流、声、力、温度、超声、油污染、锈蚀、转速、扭矩、功率、电流、电压等。其中：电压等。其中：振动信号最常用振动信号最常用，方法成熟，信息量大；声信号，方法成熟，信息量大；声信号采用非接触测量，测取方便，信息量大，但容易受干

12、扰采用非接触测量，测取方便，信息量大，但容易受干扰l方法：方法：以振动测量为例，可以测：加速度、速度、位移。通常采以振动测量为例，可以测：加速度、速度、位移。通常采用加速度传感器。用加速度传感器。机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断一、状态信息的获取一、状态信息的获取 压电加速度传感器压电加速度传感器 加速度传感器输出的电荷量与振动加速度加速度传感器输出的电荷量与振动加速度成正比。传感器必须与前置电压放大器、电荷成正比。传感器必须与前置电压放大器、电荷放大器或测量放大器配用。直接放大可测加速放大器或测量放大器配用。直接放大可测加速度，经过一次积分可测速度，经过二次积分可度，经过

13、一次积分可测速度，经过二次积分可测位移。测位移。加速度传感器一般具有很高的固有频率，加速度传感器一般具有很高的固有频率，适于测量高频振动或设备振动中的高频成分。适于测量高频振动或设备振动中的高频成分。例如齿轮箱的捏合频率、滚动轴承的特征频率例如齿轮箱的捏合频率、滚动轴承的特征频率等。等。加速度传感器测量的是被测物体的绝对振动。加速度传感器测量的是被测物体的绝对振动。机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断一、状态信息的获取一、状态信息的获取 速度传感器速度传感器 速度传感器固定在被测速度传感器固定在被测物体上，物体振动时，传感物体上，物体振动时，传感器输出的电量与振动速度成器输出的

14、电量与振动速度成正比。经过一次积分可测位正比。经过一次积分可测位移，经过一次微分可测加速移，经过一次微分可测加速度。度。速度传感器测量的是被速度传感器测量的是被测物体的绝对振动。测物体的绝对振动。速度传感器的频响范围速度传感器的频响范围较加速度低一些，不适合测较加速度低一些，不适合测量太高频率的振动。量太高频率的振动。l振幅：MM速度：mm/S加速度：M/S2具体采用哪个档位要根据频率来选择。5000HZ以上的建议选用加速度。1KHZ左右选用速度振幅100以下的选用。这样才能测量的比较准确。l机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断一、状态信息的获取一、状态信息的获取 电涡流式位移

15、传感器电涡流式位移传感器 涡流传感器属于非接触式涡流传感器属于非接触式传感器一类，在旋转机械中应传感器一类，在旋转机械中应用最多。可以用来监测转子系用最多。可以用来监测转子系统的运动状态，例如转子的径统的运动状态，例如转子的径向振动、轴向振动、轴心轨迹、向振动、轴向振动、轴心轨迹、轴心位置、油膜厚度、转子转轴心位置、油膜厚度、转子转速等信息。速等信息。涡流传感器测量的是被测涡流传感器测量的是被测物体与传感器探头端面之间的物体与传感器探头端面之间的距离。距离。l原理原理:涡流效应。块状金属置于变化着的磁场中或者在固定磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属体内是闭合的所以叫做

16、涡流。（5.19电涡流作用原理图）（5.20电涡流传感器结构图）（5.21电涡流传感器系统）（5.22稳频调幅检波式线路原理图）一、状态信息的获取一、状态信息的获取机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断)(txat0t)(txa0)(txat0模拟信号模拟信号离散离散量化量化 传感器输出的信号一般都是诸如电压、电荷、电阻变化值、电容传感器输出的信号一般都是诸如电压、电荷、电阻变化值、电容变化值等模拟信号，在利用计算机对其进行处理之前必须对其进行离变化值等模拟信号，在利用计算机对其进行处理之前必须对其进行离散量化成数字信号。模拟信号到数字信号转换的过程如下图所示。散量化成数字信号。

17、模拟信号到数字信号转换的过程如下图所示。模拟信号的采集模拟信号的采集机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断二、状态特征的提取（信号处理）二、状态特征的提取（信号处理）信号处理的方法信号处理的方法：时域分析、幅值域分析、频域：时域分析、幅值域分析、频域分析、时频分析等分析、时频分析等 信号处理的目的信号处理的目的：采用各种技术和手段挖掘信号中：采用各种技术和手段挖掘信号中内含的本质，即信息。具体到机电设备状态监测和故障内含的本质，即信息。具体到机电设备状态监测和故障诊断中就是提取设备相关信号（包括振动、声音、温度、诊断中就是提取设备相关信号（包括振动、声音、温度、压力等）的特征，对

18、设备当前状态作出准确的评价和预压力等）的特征，对设备当前状态作出准确的评价和预测，对已发生的故障进行确诊，提出正确的维修建议。测，对已发生的故障进行确诊，提出正确的维修建议。机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断三、机电设备故障诊断方法三、机电设备故障诊断方法v转轴组件的故障诊断转轴组件的故障诊断 转轴组件是机器中主要的装配单元。它的振动类型可分为转轴组件是机器中主要的装配单元。它的振动类型可分为径向振径向振动、轴向振动和扭转振动动、轴向振动和扭转振动三类。其中径向振动对机器运转的影响最三类。其中径向振动对机器运转的影响最大，成了振动监测的主要对象。大，成了振动监测的主要对象。回

19、转机械中的振动可分为两种形式，回转机械中的振动可分为两种形式，其一是同步振动，又称其一是同步振动，又称为强迫振动，为强迫振动，主要由转子的不平衡、联轴器的不对中、安装不良主要由转子的不平衡、联轴器的不对中、安装不良等引起的。其振动频率为转子的回转频率及其倍频；振动的幅值等引起的。其振动频率为转子的回转频率及其倍频；振动的幅值在转子的临界转速前随着转速的增加而增大；超过临界转速，则在转子的临界转速前随着转速的增加而增大；超过临界转速，则随转速的增加而减小。随转速的增加而减小。对转子进行动对转子进行动平衡处理平衡处理，可以有效减轻和抑制这种振动。，可以有效减轻和抑制这种振动。机电设备状态监测与故障

20、诊断机电设备状态监测与故障诊断四、在线监测与故障诊断系统（系统方案）四、在线监测与故障诊断系统（系统方案）上海吴中泵站水泵单机组在线监测上海吴中泵站水泵单机组在线监测l数据挖掘的应用过程测试数据测试数据故障数据故障数据现场数据现场数据机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断四、在线监测与故障诊断系统（硬件方案）四、在线监测与故障诊断系统（硬件方案）工工 控控 计计 算算 机机A/D变换器采样保持抗混滤波增益控制调 理 器预处理器数据采集器数据采集器ICP集成压电传感器返回返回返回返回 下一页下一页返回返回 下一页下一页返回返回 下一页下一页返回返回 下一页下一页返回返回 下一页下一

21、页现场监测图现场监测图1返回返回 下一页下一页现场监测图现场监测图2返回返回 下一页下一页现场监测图现场监测图3返回返回 下一页下一页现场监测图现场监测图4返回返回由于安装导致信号干扰的因素：交叉干扰；探头安装不合理；探头固定刚度不足；前置器输入或输出接头松动。对33003500系列，A不小于25mm；对7200系列，A不小于40mm。小于这个最小尺寸，容易产生交叉偶合干扰。在国产DH型风机上安装传感器时，由于轴径纵向长度太短，同时安装键相传感器时就会发生这种干扰，表现为正常振动信号上叠加了脉冲信号，使得监测仪表读数偏大，经常出现报警黄灯甚至危险红灯。l也称为机械故障巡检系统，通常由传感器、便

22、携式数据采集器和计算机软件组成l采用定期巡回检测和离线分析的方式工作l适合于对工厂中量大面广的中、小型机械设备，尤其是那些尚无固定监测点的机器进行定期的状态监测与故障诊断(手持式)传感器便携式数据采集器PC计算机+监测、分析与诊断软件RS-232cl表示振动的四大要素：振幅、频率、相位和能量 1）、振幅：代表振动的大小与设备或机械组件损坏的严重程度。2）、振幅的单位有：位移值（mm）、速度值（mm/sec）、加速度值（g）3）、频率：代表振动的来源，设备或机械组件损坏的原因。频率的单位有：每秒发生次数（Hz或CPS）、每分钟发生次数（CPM）4）、相位：代表测点间振动的相互关系，设备或机械组件

23、的运转模态。相位的单位为：度（o）l电动机的振动值的标准是有国家标准的GB10068-2000是现行的对中心高在56mm以上电动机的定义 传感器种类频响特性测量适用范围优 点缺 点电涡流传感器05000HZ或010000HZ转轴相对振动轴心轨迹轴承油膜厚度轴位移和胀差转速和相位非接触测量测量范围宽灵敏度高抗干扰能力强不受介质影响结构简单对被测材料敏感存在机械偏差和电气偏差的可能及影响安装较复杂速度传感器10500HZ或101000HZ轴承座的绝对振动不需电源,简单方便,灵敏度高输出信号大、输出阻抗低、电气性能稳定性好，不受外部噪声干扰动态范围有限尺寸和重量大弹簧件易失效受高温影响大加 速 度传

24、感器0.210000HZ或更高轴承座的绝对振动频响范围宽体积小、重量轻灵敏度高不易在高温环境下使用装配困难、成品率低机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断五、相关研究成果五、相关研究成果 机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断五、相关研究成果五、相关研究成果 嵌入式便携故障诊断与预嵌入式便携故障诊断与预测维修系统是由天津大学机电测维修系统是由天津大学机电科技中心开发的，该系统提供科技中心开发的，该系统提供了一整套应用于关键设备的状了一整套应用于关键设备的状态监测、故障诊断与预测维修态监测、故障诊断与预测维修的集成解

25、决方案。系统可以实的集成解决方案。系统可以实现关键设备的在线采集、故障现关键设备的在线采集、故障诊断、状态预测，并与工厂的诊断、状态预测，并与工厂的设备管理系统无缝集成，从而设备管理系统无缝集成，从而充分满足关键设备的巡检、点充分满足关键设备的巡检、点检的需要。检的需要。机电设备状态监测与故障诊断机电设备状态监测与故障诊断五、相关研究成果五、相关研究成果 基于笔记本和基于笔记本和USB接口的接口的TD2000B型故障型故障诊断分析仪具有热插拔、诊断分析仪具有热插拔、携带方便、不需外界电携带方便、不需外界电源供电、便于维修等优源供电、便于维修等优点，强大的软件功能使点，强大的软件功能使得该系统可

26、满足各种工得该系统可满足各种工况下的设备监测与故障况下的设备监测与故障分析。分析。l近场声全息近场声全息（NAH）传统方法l基于边界元建模基于边界元建模（BEM）的NAHlHELS方法方法（Helmholtz方程最小平方误方程最小平方误差差）l波叠加方法波叠加方法（Wave Superposition）l波束形成波束形成（Beamforming）ldB(Decibel，分贝)是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小.l分贝是声音的频率 汽车发动机电机6300 HzR 5 cm3150 HzR 10 cm4000 HzR 8 cm5000 HzR 6 cm近场声全息需要约 3300 个测点，才能识别这样的高频