设备故障诊断和监测技术

(传统)信号处理技术
•特征提取技术
•PSD •Correlation
•Transfer Function
•FFT (Fast Fourier Transform)
2020/12/8
设备故障诊断和监测技术
(传统)信号处理结果示例
2020/12/8
设备故障诊断和监测技术
现代信号处理技术
n 现代信号处理的本质可用七个“ 非”字来高 度概括，即研究：
学科发展意义
引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础
监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语
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设备故障诊断和监测技术
故障诊断的目的
n 目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行 n 主要目的：
n 及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作 出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进 行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性
n 推广和应用设备状态监测与故障诊断技术可 以达到如下目的：
n 保障设备运行安全，防止突发事故 n 保证设备工作精度，提高产品质量 n 实施状态维修(或预防维修)，节约维修费用 n 避免设备事故带来的环境污染及其它危害 n 给企业部门带来较大的间接经济效益
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设备故障诊断和监测技术
引言
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设备故障诊断和监测技术
管理体制
n 监测与诊断工作是一个系统工程
n 首先要有设备 n 其次要有懂专业的技术人员 n 更重要的是还必须有系统完善的管理体制
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设备故障诊断和监测技术
基于振动(噪声)测量与分析
n 在这里所提及的状态监测与故障诊断，均是 指基于振动测量与分析方面的技术
设备故障诊断和监测技 术
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设备故障诊断和监测技术
提纲
n引 言 n 学科范畴 n 学科发展意义 n 监测与诊断技术基础 n 监测与诊断系统 n 监测与诊断技术发展趋势 n 结束语
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设备故障诊断和监测技术
引言
•引 言 •学科范畴 •学科发展意义 •监测与诊断技术基础
2020/12/8
n 美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效 益达到其本身投入的36倍
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设备故障诊断和监测技术
美国Pekrul电厂故障诊断效益分析
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设备故障诊断和监测技术
监测与诊断技术基础
引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础
监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语
n 实践证明，机械设备状态监测与故障诊断技 术
n 正在改变着我国传统维修管理的被动局面 n 正在向预防(状态)维修的新方式推进 n 促使设备寿命周期费用最经济和综合效率最高
n 可见，状态监测与故障诊断技术是开展预防 (状态)维修的重要支撑
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设备故障诊断和监测技术
引言
n 机械设备状态监测与故障诊断
n 制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能 力,同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其 服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用
n 通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优 化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息
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设备故障诊断和监测技术
故障诊断的任务
n 状态监测：
信号处理技术
n 信号处理技术是进行故障诊断的基础，是特 征提取必不可少的工具
n 信号处理技术分为传统和现代两大类，其中：
n 传统的信号处理技术是指以FFT为核心的信号分 析技术，在实际运用中发挥着重要的作用
n 而近年来发展起来的现代信号处理技术在故障特 征提取方面正崭露出头角
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设备故障诊断和监测技术
设备故障诊断和监测技术
现代信号处理结果示例-小波分析
n 在时-频平面上，时间-频率分辨率是变化的
n 高频处：时间分辨率高、而频率分辨率低 n 低频处：时间分辨率低、而频率分辨率高
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设备故障诊断和监测技术
开展故障诊断工作的意义 – 举例
n 宏观上实施故障诊断能带来经济效益
n 1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元， 其中有将近1/3 (约750亿美元)属于维修方法采用 不当(包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技术) 而浪费掉的
n 我国1987年国营工业和交通企业有40万个以上， 总固定资产约为7000亿元，每年用于设备大修、 小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的 3～5%。因此，采用状态监测和故障诊断技术改 善设备维修方式和方法后，一年就有可能取得数 百亿元的经济效益
n 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；
n 1988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；
n 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 1977年和1978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
n 如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关 设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将 来状态。通常这就叫做趋势分析
n 故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常 与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以 及故障的严重程度进行深入的分析和判断
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设备故障诊断和监测技术
n 寿命周期费用(LCC) ＝研制费用＋生产费用＋使用、维修费用 ＝购置费用＋使用、维修费用
推行设备诊断技术和现代维修技术，有助于减少使用、 维修费用，从而从整体上降低设备的寿命周期费用
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设备故障诊断和监测技术
开展故障诊断工作的意义 – 举例
n 我国因机械设备事故造成的损失十分严重
监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语
设备故障诊断和监测技术
引言
n 现代工业生产对机械设备的要求:
n 可靠性 n 可用性 n 维修性 n 经济性 n 安全性 n 进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度
n 机械设备状态监测与故障诊断技术在满足上 述这些要求中，扮演着越来越重要的角色
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n 机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水 平的一个重要组成部分
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设备故障诊断和监测技术
开展故障诊断工作的意义
n 避免重大事故发生，减少事故危害性
n 现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善， 自动化程度越来越高。但是，当设备出现故障时 所带来的影响程度也明显增大，有时不仅仅是造 成巨大的经济损失，往往还会带来灾难性的事故
它是机械设备故障特征信息的良好载体
n 利用振动信号来获取机械设备的运行状态并 进行故障诊断具有如下优点：
n 方便性：利用各种振动传感器及分析仪器，可以 很方便地获得振动信号
n 在线性：振动监测可在现场不停机的情况下进行 n 无损性：在振动监测过程中，不会对被测对象造
成损伤
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设备故障诊断和监测技术
n 非线性、非因果、非最小相位系统 n 非高斯、非平稳、非整数维(分形)信号 n 非白色加性噪声
n 为准确、有效地获得故障特征信息，目前重 点是：研究和发展基于非高斯、非平稳及非 线性故障信号的分析理论及方法
n 时频分布、小波分析、高阶统计量分析、循环平 稳信号处理、非线性分析、…
2020/12/8
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设备故障诊断和监测技术
定义 – 监测与诊断的关系
n 机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系， 同一学科的两个层次：[简易/精密]
n 状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些 较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备 状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设 备的状态
n 通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所 测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断 (识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异 常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需 要采取的必要对策的一门技术
n 主要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面
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设备故障诊断和监测技术
定义 – 技术结构关系
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设备故障诊断和监测技术
故障诊断的任务
n 指导设备管理和维修：
n 根据故障诊断的结果，提出控制故障继续发展和 消除故障的对策或措施(调整、维修、治理)；为 推进视情维修体制提供依据
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设备故障诊断和监测技术
开展故障诊断工作的意义
n 有利于提高设备管理水平
n “ 管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再 生产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推 动国民经济持续、稳定、协调地发展
n 事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、 涉及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术
n 除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析、 红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多种 不同技术
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设备故障诊断和监测技术
基于振动(噪声)测量与分析
n 振动是自然界中的一种很普遍的运动 n 机械振动信号中包含了丰富的机器状态信息，
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设备故障诊断和监测技术
开展故障诊断工作的意义 – 举例
n 对生产单位有很高的收益/投资比
n 日本资料报道，实施故障诊断后，事故率减少 75%，维修费用降低25-50%
n 英国2000家大型工厂采用诊断技术后每年节省维 修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系 统和技术手段的费用为0.5亿英镑，从而净获益 达2.5亿英镑/年
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设备故障诊断和监测技术
学科范畴
引 言 学科范畴 学科发展意义 监测与诊断技术基础
监测与诊断系统 监测与诊断技术发展趋势 结束语
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设备故障诊断和监测技术
学科范畴
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设备故障诊断和监测技术
定义
n 机械设备状态监测与故障诊断
n 是识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综 合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行 状态的变化在诊断信息中的反映
n 是一门正在不断完善和发展的交叉型学科 n 是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术 n 是机械学科领域的研究热点之一
n 故障诊断学科需解决的重要问题
n 故障特征信息提取和故障分类、识别的新理 论及 新方法研究
n 复杂故障产生机理及模型的深入研究 n 故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和网
络化远程诊断系统
n 发展机械设备状态监测与故障诊断技术，并进行 有效、合理的实施，可以掌握设备的状态变化规 律及发展趋势，防止事故于未然，将事故消灭在 萌芽
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设备故障诊断和监测技术
Hale Waihona Puke Baidu 开展故障诊断工作的意义
n 可以获得潜在的巨大经济和社会效益 n 生产设备停机、停工带来的单位损失越来越大 n 最大限度降低设备寿命周期费用，最大限度提高 以生产经济性为目标的管理
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设备故障诊断和监测技术
引言
n 维修方式归纳起来有三大类，共五种形式：
n 事后维修(BM) n 改善维修(CM) n 预防维修(PM)－视情维修(COM)、状态维修(CBM)
和计划(定期)维修(TBM)
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设备故障诊断和监测技术
引言
n 状态监测与故障诊断技术是预防(状态)维修 的必要条件
n 了解和掌握设备的运行状态。包括采用各种检测、 测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历史 和现状，考虑环境因素，对运行状态作出评估， 并为进一步分析提供信息
n 故障诊断：
n 根据状态监测所得信息，结合已知的结构特性和 参数、环境条件及运行历史，对故障进行预报和 分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原 因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果
设备故障诊断和监测技术
现代信号处理技术
•特征提取技术
•时频分布、小波分析 •高阶统计量分析 •分形、关联维 数…
•非平稳
•非高斯
•非线性
•现代信号处理
2020/12/8
设备故障诊断和监测技术
现代信号处理结果示例-时频分布
2020/12/8
设备故障诊断和监测技术
现代信号处理结果示例-时频分布
2020/12/8
设备故障诊断和监测技术
引言
n 机械设备是现代化工业生产的物质技术基础， 设备管理则是企业管理中的重要领域
n 也就是说，企业管理的现代化必然要以设备 管理的现代化作为其重要组成部分
n 机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管 理与维修现代化中占有重要的地位
我国已将设备诊断技术、修复技术和润滑技术 列为设备管理和维修工作的三项基础技术