机械设备状态监测技术课件.ppt

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1、机械设备状态监测与故障诊断技术设备预测维修技术课程基本内容：概述诊断技术应用维修方式与状态监测及诊断技术Equipment:Heat exchanger设设 备备:热交换器热交换器Failure mode:Periodic fouling 故故 障模式障模式:定期阻塞定期阻塞Detection method:Inlet/outlet differential pressure 检测方法检测方法:入口入口/出口压力不同出口压力不同Cost:Production loss$5,000/hour 损损 失失:损失损失$5000/小时小时Maintenance method:Wait for bloc

2、kage,then clean 维修方法：阻塞后清洗维修方法：阻塞后清洗Result:6 cleaning operations/year16 hours/cleaning operation 结果：每年清洗结果：每年清洗6次，每次次，每次16小时小时Cost 花费花费:$480,000/yearMaintenance method:Clean every 4 weeks 维修方法：每维修方法：每4周清洗一次周清洗一次Result:13 cleaning operations/year2 hours/cleaning operation 结果：每年清洗结果：每年清洗13次，每次次，每次2小时小

3、时Cost花费花费:$130,000/yearMaintenance method:Monitor differential pressureClean when above 50 psi 维修方法：监测压力差，超过维修方法：监测压力差，超过50psi时清洗时清洗Result:8 cleaning operations/year2 hours/cleaning operation 结果：每年结果：每年8次，每次次，每次2小时小时Cost花费花费:$80,000/yearMaintenance Costs维修费用wait for blockage等待阻塞后清洗等待阻塞后清洗:$480kclean

4、 every two weeks 每两周清洗一次每两周清洗一次:$130kmonitor pressure changes 监测压力变化监测压力变化:$80kMaintenance Methods 维修方法维修方法Breakdown Maintenance 损坏后维修损坏后维修Preventive Maintenance预防性维修预防性维修Predictive Maintenance预知维修预知维修设备的预测维修技术设备的状态监测（有没有故障）设备的故障诊断（故障在哪里）预测维修n 定期监测机器参数n 监测趋势以评定状态n 预测失效时间n 设置最新安全维修数据n 诊断故障指导维修预测维修是最合

5、时机的维修方法n机器故障的提前警告n减少维修费用n提供机器可用性设备的故障n n故障的概念n n故障的分类n n故障的规律故障的机理：内在因素n n磨损、腐蚀、疲劳、老化等n n正常运行的自然过程n n材质、设计、制造、装配方面的缺陷，将加快故障的形成与发展n n零部件损坏频度表：轴承、齿轮、联轴器、轴、各种专业零部件故障的机理：外在因素n n环境因素：磨料、气候、生物介质等n n载荷因素：载荷的大小、运转速度、运转的连 续程度、载荷的冲击程度n n人为因素：使用维护与管理水平 机械设备状态监测与故障诊断技术基本定义：基本定义：机械设备的状态监测与故障诊断技术是指利用现代科学技术和仪器，根据机

6、械设备（系统、结构）外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损伤状况，确定故障的性质、程度、类别和部位，预报其发展趋势，并研究故障产生的机理。所包含的内容：所包含的内容：l机械状态量（力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等等）的监测l状态特征参数变化的辨识l机械产生振动和损伤时的原因分析、故障源判断、故障预防l机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命估计等等作用：作用：诊断是维修的基础。设备故障诊断技术的掌握是企业搞好预防维修、预测维修、改善维修、主动维修、全员生产维修以及设备综合管理的基础，是防止和减少企业故障停机、损失、提高成品率、节约维修费用、提高设备综合效率的重要一环。

7、技术实质：技术实质：n了解和掌握设备在运行过程中的状态n预测设备的可靠性；n确定其整体或局部是正常或异常；n对设备故障的发展作出早期预报，正确地选择检测程序，并对出现故障的原因、部位、危险程度等进行识别和评价预报故障的发展趋势，迅速地查寻故障源，提出对策建议，并针对具体情况迅速地排除故障，避免或减少事故的发生。设备诊断技术的基本环节：设备诊断技术的基本环节：l信息的采集 l信息的分析处理l状态的识别、诊断、预测和决策基础知识要求：基础知识要求：l数据采集技术，计算机数据分析处理技术，计算机诊断、预测、决策技术；l设备本身的结构原理、运动学和动力学；设备的设计、制造、安装、运转、维护、修理知识；

8、l设备系统与部件的故障或失效机理及零部件可靠性方面的知识。目的：目的：l尽量避免设备发生事故，l减少事故性停机，l降低维修成本，l保证安全生产以及保护环境，l节约能源。n或者说为了保证设备安全、稳定、可靠、长周期、满负荷地优质运行服务。ReliabilityReliabilityTechnologiesTechnologies可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术Vibration AnalysisVibration AnalysisMaterialsMaterialsEngineeringEngineeringLabLabInstrumentInstrumentCalibrationCal

9、ibrationGroundGroundPenetratingPenetratingRadarRadarNon-DestructiveNon-DestructiveExaminationExaminationTechnologiesTechnologiesInfrared Infrared ThermographyThermographyBalancingBalancingSteam TrapSteam TrapInspectionInspectionCoordinate MeasuringCoordinate MeasuringMachineMachineIsoIso-scan Inspec

10、tion-scan InspectionSurveyingSurveyingVessel InspectionVessel InspectionLaser AlignmentLaser AlignmentEquipment PerformanceEquipment Performanceand Reliability Testingand Reliability TestingVideo InspectionVideo InspectionDrainageDrainageAnalysisAnalysisNeuNeu-scan Level-scan LevelDetectorDetectorTe

11、sting LabTesting LabLubricant TestingLubricant TestingHVAC/Noise EvaluationHVAC/Noise EvaluationWeldingWeldingTechnologyTechnologyVendor Testing andVendor Testing andQuality AssuranceQuality AssuranceMachine PartMachine PartInspectionInspectionTypical Typical TechnologiesTechnologies代表性技术代表性技术代表性技术代

12、表性技术振动监测技术振动监测技术振动监测技术振动监测技术温度监测温度监测温度监测温度监测动平衡技术动平衡技术动平衡技术动平衡技术噪声监测技术噪声监测技术噪声监测技术噪声监测技术工艺及过程参数监测工艺及过程参数监测工艺及过程参数监测工艺及过程参数监测（温度、压力、流量等）（温度、压力、流量等）（温度、压力、流量等）（温度、压力、流量等）无损检测无损检测无损检测无损检测油液分析油液分析油液分析油液分析n n与医学检测技术的比较与医学检测技术的比较与医学检测技术的比较与医学检测技术的比较基本诊断技术手段：基本诊断技术手段：l振动监测l噪声监测l温度监测l油液分析l无损探伤技术等与医学诊断技术的比较振

13、动心电图，号脉噪声听心音温度体温油液血、尿检验无损检测B超、透视、CT振动监测及诊断技术振动监测及诊断技术n n普遍采用的基本方法n n机械振动是普遍存在并作为衡量设备状态的重要指标之一n n不停机和不解体的方式对了解设备劣化程度和故障性质n n振动诊断的理论和测量方法都比较成熟，诊断结果准确可靠，便于实施等n n在机械故障诊断的整个技术体系中居主导地位，目前已广泛应用机械振动的一般描述机械振动的一般描述机械振动的概念机械振动的概念简谐振动简谐振动简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。d(t)=Dsin(2/T)t+描述机械振动的三个基本要素即是上述的振幅、频率和相位。描述机械振动的三

14、种特征量即是上述的位移、速度和加速度。实测的机械振动实测的机械振动机械设备状态监测中常遇到的振动有：周期振动、近似周期振动、窄带随机振动和宽带随机振动，以及以上其中几种振动的组合。振源轴承故障联轴节不平衡齿轮啮合振幅振幅振动幅值表征机械振动的强度和能量。振幅值有三种特征量，即振动的位移、速度和加速度。峰值、峰-峰值：它反映了振动波形的最大偏移量。平均值：设备振动的平均水平有效值：振动的破坏能力，是衡量振动能量大小的量ISO标准规定周期和频率振动每发生一次所需的时间称为振动的周期。每秒振动的次数称为频率，频率是振动的重要特征之一。不同的结构、不同的零部件、不同的故障源，则产生不同频率的机械振动，

15、频率分析是设备振动诊断中的重要手段。相位相位与频率一样都是用来表征振动特征的重要信息。不同振动源产生的振动相位不同，对于两个振源，相位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消，起到减振作用。相位测量可用于：谐波分析；动平衡测定；振型测量；判断共振点等。机械振动信号的分析方法机械振动信号的分析方法幅域分析：最大值、最小值、平均值、有效值等，波形的幅值的概率分布；时域（或称相关分析）分析：信号在时间域内的变化或分布称为时域分析；频域分析：确定信号的频域结构，即信号中包含哪些频率成分。信号进行处理信号进行处理去伪求真提取与状态有关的特征参数数字信号处理数字信号处理将模拟信号转换

16、为数字信号进行各种计算和处理采样：包括取样和量化两个步聚。采样间隔及采样定理采样长度和频率分辨率振动信号的幅值域分析振动信号的幅值域分析幅值概率密度函数幅值域参数，如峰-峰值、峰值、平均值和均方根值等无量纲指标：波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标振动信号的时域分析振动信号的时域分析相关分析时序分析振动信号的频域分析振动信号的频域分析机械故障诊断中信号处理的最重要和最常用的分析方法；有效诊断设备故障和对故障进行定位；基于频谱分析：在频率域将一个复杂的信号分解为简单信号的叠加；快速傅里叶分析方法（FFT）；常用的有幅值谱和功率谱。常用的频谱处理技术简介常用的频谱处理技术简介加窗技术：

17、减少频率泄漏频率细化技术（Zoom技术）瀑布图频率趋势振动监测参数及其选择振动监测参数及其选择测定参数的选定（1）位移（2）速度（3）加速度对于大多数机器来说，最佳参数是速度，这是许多振动标准采用该参数的原因之一。测量位置的选定测量位置的选定轴振动轴承振动确定测点位置测量方向：轴向、水平和垂直振动监测的周期振动监测的周期1、定期巡检2、随机点检3、长期监测振动监测标准振动监测标准1绝对判断标准ISO2372、ISO2056、BS4675、GB6075-85、ISO10816等2相对判别标准3类比判断标准适用于所有设备的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定

18、标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。机器状态评价机器状态评价用于机器状态评价的测量参数常用的有：l轴承的绝对振动；l轴的相对振动；l滚动轴承状况单位值；l轴的相对轴向位置。机器评价包括以下几个方面内容：机器评价包括以下几个方面内容：l测量一个或多个参数，如机械振动、温度等。l确定相应的测量单位，如振动速度的均方根值、摄氏度等。l建立和确定机器测量参数的评价标准，将测量值与允许和极限值进行比较。l对测量值随时间的变化作出评估，考虑其历程或趋势。机械设备状态监测准则如下：机械设备状态监测准则如下：1）保证机器运行状态在设计的范围内2）随时报告运行状态的变化情况和恶化趋势3）提供机器状态的准确描

19、述4）故障报警振振动动监监测测及及故故障障诊诊断断的的常用仪器设备常用仪器设备测振传感器信号调理器信号记录仪信号分析与处理设备等涡流式位移传感器涡流式位移传感器非接触测量测量转子相对于轴承的相对位移，包括轴的平均位置、振动位移、轴芯轨迹工作原理前置放大器传感器的安装磁电式速度传感器磁电式速度传感器测量振动速度的典型传感器工作原理压电式加速度传感器压电式加速度传感器应用范围广压电式加速度传感器的工作原理传感器的安装前置放大器：电荷放大器和电压放大器ICP（内置电荷放大器）振动监测仪器及系统振动监测仪器及系统1、设备简易诊断仪器振动计、振动测量仪和冲击振动测量仪等2、振动信号分析仪幅值域、时域、频

20、域等多种分析和处理3、离线监测与巡检系统一般由传感器、采集器、监测诊断软件和微机组成，有时也称为设备预测维修系统。功能相当完善可以在非常恶劣的环境下工作4、在线监测与保护系统连续监测在线保护5、网络化在线巡检系统在线巡检较强的分析和诊断功能6、高速在线监测与诊断系统关键设备的高速在线监测与诊断连续、并行地进行监测、分析和诊断7、故障诊断专家系统故障的智能诊断只针对特定设备设备振动故障诊断设备振动故障诊断滚动轴承的故障诊断滚动轴承的故障诊断滚动轴承的常见故障l磨损 2疲劳3压痕 4腐蚀5电蚀 6破裂7胶合（粘着）8保持架损坏滚动轴承振动信号的频率特征滚动轴承振动信号的频率特征1转动频率2滚动体自

21、转频率3滚动体公转频率（即保持架的转动频率）4滚动体通过内圈的一个缺陷时的冲击振动频率5滚动体通过外圈的一个缺陷时的冲击振动频率滚动轴承的振动测量滚动轴承的振动测量1测量部位选择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上在水平、垂直和轴向三个方向上进行检测2测量参数振动速度和加速度频带：中、高频3测量周期定期检测和连续在线监测滚动轴承故障的简易诊断法滚动轴承故障的简易诊断法1）振幅值监测峰值、均方根值（有效值）2）峰值系数监测3）峭度系数监测4）冲击脉冲法（SPM法）5）共振解调法（IFD法）滚动轴承故障的精密诊断法滚动轴承故障的精密诊断法1）低频信号分析法2）中、高频信号分析法齿轮的故障诊断齿轮

22、的故障诊断齿轮故障诊断的困难在于信号在传递中所经的环节较多（齿轮-轴-轴承-轴承座-测点），高频信号在传递中基本丧失。齿轮的异常及常见失效形式齿轮的异常及常见失效形式齿轮的异常通常包括以下三个方面：1.制造误差2.装配误差3.齿轮的损伤：a）磨损失效 b）表面接触疲劳失效 c）齿面塑性变形 d）齿轮弯曲断裂齿轮振动信号的频率特征1、啮合频率啮合频率=主动齿轮的齿数 X 主动齿轮的转速/60 =从动齿轮的齿数 X 从动齿轮的转速/60啮合频率及其谐波2、齿轮振动信号的调制幅值调制频率调制（也称相位调制）调制的结果是在齿轮啮合频率及其谐波周围产生以故障齿轮的运行频率为间隔的边频带，且其振幅随故障的

23、恶化而加大。3、齿轮振动信号中的其他成分齿轮的振动测量齿轮的振动测量1测量部位轴承座上一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定。2测量参数加速度、速度常用加速度传感器3测量周期齿轮的简易诊断方法齿轮的简易诊断方法1、齿轮的振幅监测2、齿轮无量纲诊断参数的监测齿轮的精密诊断方法齿轮的精密诊断方法频域分析、时域分析、倒频域分析等旋转机械的故障诊断旋转机械的故障诊断旋转机械的常见故障及特征n旋转机械的常见故障有转子不平衡，转子不对中，转轴弯曲及裂纹，转轴失稳及轴瓦碎裂，机组共振，机械松动及流体的涡流激振等。n转子的临界转速，刚性轴，柔性轴转子不平衡转子不平衡静不平衡 力偶不平衡动不平衡转子不

24、平衡所产生的振动的主要特征转子不平衡所产生的振动的主要特征n振动方向以径向为主n振动频率以转轴的旋转频率（轴频）为主n在临界转速以下，振幅随着转速的升高而增大n相位特征转子动平衡技术转子动平衡技术现场动平衡动平衡机动平衡机系统动平衡机系统不对中不对中转子轴系间联接不对中：平行不对中，角度不对中，复合不对中转子轴颈与轴承间的安装不对中不对中所产生的振动的主要特征不对中所产生的振动的主要特征n紧靠联轴节两端的轴承往往振动最大n平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动n联轴节两端转子振动存在相位差n振动频率以转轴的旋转频率（轴频）、二倍频、三倍频等为主n振幅随着负荷的加大而增大机械松动

25、机械松动使已经存在的不平衡、不对中等所引起的振动问题更加严重.其振动特征表现为：其振动特征表现为：n在松动方向的振动较大n振动不稳定，工作转速达到某阈值时，振幅会突然增大或减小n振动频率除转轴的旋转频率（轴频）、可发现高次谐波（二倍频、三倍频等）及分数谐波（1/2xfr、1/3xfr等）油膜涡动和油膜振荡油膜涡动和油膜振荡（1）油膜涡动高于一阶临界转速情况下，滑动轴承中发生的流体动力的不稳定性。涡动频率为轴回转频率的0.420.48倍（2）油膜振荡涡动频率等于转子临界转速，发生共振，半速涡动的振幅将被放大，振动非常剧烈。惯性效应碰磨碰磨转子与静止部件的摩擦，简称碰磨振动频率成分较为丰富，摩擦可

26、以认为是对系统作宽频带的激励，其响应是具有一定幅值的临界转速频率及其谐频。当摩擦随转动而周期出现时，还会激发轴频成分。除了以上描述的故障现象外，流体机械转子的旋转失速、透平压缩机的喘振、轴裂纹、叶片端部间隙不均匀引起的气隙振荡、转子内阻引起的自激振荡等故障在旋转机械中也时有发生，其振动频率以临界频率及局部结构固有频率为主。旋转机械的振动参数测量旋转机械的振动参数测量位移速度加速度旋转机械的振动故障识别旋转机械的振动故障识别旋转机械振动原因分析表往复机械的振动监测及诊断往复机械的振动监测及诊断往复机械的特点是运动部件多，运动关系复杂，在其工作时引起振动的激励源很多，振动数据的解释较为困难。通过测

27、量振动幅值的变化来判断机器的状态，进行趋势分析，判断故障发展趋势，在往复机械中显得更加简单实用。ISO10816给出了额定功率在100kW以上的往复机械的振动评价标准。振动测量及分析振动测量及分析传感器拾取的振动传感器时域波形振源总体振动hi alarmlow alarm数据采集器振动水平时域波形总体振动趋势hi alarmlo alarm当前值随时间的改变趋势图振动分析数据采集器振动频谱时域波形传感器振动频谱频 段频段轴承故障联轴节 不平衡齿轮啮合段报警频段hi alarmlow alarm段报警图段趋势随时间的变化hi alarmlo alarm窄带报警窄带报警包络段报警窗窄带图瀑布图高频

28、轴承振动分析高频轴承振动分析n滚子轴承故障的早期检测n有时称为gSE法、包络、解调和高频检测早期轴承故障轴承故障联轴节不平衡齿轮啮合轴承故障早期轴承故障频谱轴承故障联轴节不平衡齿轮啮合步骤1:滤除低频轴承故障联轴节不平衡齿轮啮合步骤2:使用加速度共振轴承故障共振结果步骤3:解调轴承故障解调结果结果频谱结果频谱轴承故障润滑故障振动分析技术的诊断范围振动分析技术的诊断范围n n转子的平衡n n转轴的对中n n轴承的故障n n机械松动n n齿轮的故障n n轴弯曲n n共振振动分析技术的不同应用振动分析技术的不同应用n n保护性监测n n高速监测n n巡回监测n n便携式监测“关键”“重要”“辅助”生

29、产损失代价渐变故障渐变故障突变故障突变故障故障变化及需要故障变化及需要采集采集数据的时间数据的时间高速在线系统高速在线系统(关键关键设备设备)自动巡检系统自动巡检系统(重重要要设备设备)离线巡检系统离线巡检系统(辅助辅助设备设备)月月 周周 日日 时时 分分 秒秒 年年$状态监测技术状态监测技术状态监测技术状态监测技术全面集成的网络系统全面集成的网络系统 分析站B采集站离线监测机组保护高速在线监测在线监测分析站A振动监测服务器网络多用户网络服务器信息集成数据分析站管理层界面网络化在线系统自动巡检保护系统 提供状态信息DCS/CMMS连接 集成检修互联网连接全面集成的网络系统全面集成的网络系统

30、数据回放站专职人员界面 高速在线系统并行采集离线系统 定期巡检 数据采集数据采集离 线 监 测 系 统 离线巡检离线巡检-数据采集器数据采集器 机器运行信息机器运行信息 系统组态系统组态-采集采集/报警定义报警定义机器运行信息机器运行信息 故障报警故障报警 故障诊断故障诊断报表报表 在在线线监监测测-自动巡检自动巡检现场数据采集单元现场数据采集单元 在线监测在线监测-机组保护机组保护 实时显示幅值实时显示幅值/报警连锁保护报警连锁保护 频谱、趋势、轴心轨迹频谱、趋势、轴心轨迹 数字信号供追忆分析功能数字信号供追忆分析功能 独立电源独立电源/继电器继电器 软件组态软件组态高速在线监测并行数据采集高速在线监测并行数据采集 屏幕图形捕捉屏幕图形捕捉