3工况监测与故障诊断技术的基本知识
发动机状态监测与故障诊断讲义
定义：了解内燃机在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预知故障发展趋势的技术。
状态监测三阶段：状态监测、分析诊断、治理预防状态监测在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、分析处理并显示、记录，是对设备进行故障诊断的基础工作分析诊断信号分析处理：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、最有用的特征信息故障诊断：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，并与某些故障特征参数进行比较，以识别设备是运转正常还是存在故障治理预防存在故障时，就其原因、部位和危险程度采取治理措施和预防的方法铁谱分析技术铁谱分析技术(Ferrography)利用具有高梯度磁场作用的铁谱仪(Ferroscope)将机器摩擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使其按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上而制成铁谱片(Ferrogram)，然后置于铁谱显微镜(Ferroscope)或扫描电子显微镜下进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测，以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机器的磨损机理和判断磨损的状态。
这种包括从润滑油液取样开始直至作出分析与判断的技术被称之为铁谱分析技术。
机器在运转时，摩擦副零件表面的相对运动和相互接触会产生摩擦、磨损，不断产生磨损颗粒和碎屑(简称磨粒)。
这些磨粒的尺寸极其微小，它们在润滑油中一般呈悬浮状态。
由于摩擦副中润滑油的循环流动，这些磨粒不断地被带出机器的摩擦副表面。
实践证明，机器在不同的磨损状态(跑合期、正常磨损期、严重磨损期)下会产生出各种不同尺寸、形状、浓度和成分的磨粒，监测这些磨粒，通过分析可得出它们的磨损型式和磨损机理，从而判断出机器零件表面的磨损状态，由此可以最直接地反映出机械设备的失效信息。
铁谱分析仪分类（1）分析式铁谱仪(Analytical Fermgnph)分析式铁谱仪是最先开发出来的铁谱技术机器，它的工作原理是使润滑油样流经一个特制的高梯度强磁场，其中的铁磁性磨粒在磁场力的作用下被分离出来并依照尺寸大小有序地沉积在一玻璃基片上，制成铁谱片。
机械设备状态监测与故障诊断技术
优点与局限性
温度监测技术具有简单 、直观和易于实现的优 点。然而，对于非热力 设备或低温设备，温度 变化可能不明显，需要
采用其他监测方法。
油液分析技术
总结词
油液分析技术是通过分析机械设备的润滑油或液 压油的成分和性能指标，从而判断设备运行状态 的一种方法。
适用范围
油液分析技术适用于各种类型的机械设备，特别 是润滑系统和液压系统，如轴承、齿轮和液压缸 等。
温度监测技术是通过测 量机械设备的温度变化 ，分析其特征参数，从 而判断设备运行状态的 一种方法。
详细描述
温度监测技术主要应用 于热力设备、电机和电 子设备的监测。通过测 量和分析温度信号的变 化趋势、波动幅度和温 差等参数，可以判断设
备的运行状态。
适用范围
温度监测技术适用于各 种类型的热力设备和电 子设备，如锅炉、汽轮 机、变压器和集成电路
技术应用前景
工业4.0
机械设备状态监测与故障诊断技术是工业4.0的重要组成部分，能 够提高生产效率和设备利用率，降低维护成本。
智能制造
在智能制造领域，该技术能够实现设备的远程监控和预测性维护， 提高制造过程的可靠性和效率。
航空航天领域
在航空航天领域，该技术对于保障飞行安全和提高飞行器寿命具有 重要意义。
机械设备状态监测与故障诊断 05 技术的挑战与未来发展
技术挑战
监测设备兼容性
不同品牌和型号的机械设备可能 需要特定的监测设备，导致监测
设备的兼容性成为一大挑战。
数据处理与分析
机械设备产生的数据量庞大，如何 高效地处理和分析这些数据以提取 有价值的信息是一个技术难题。
故障预测准确性
准确预测机械设备故障的发生时间 和部位是一个具有挑战性的任务， 需要不断优化算法和提高预测模型 的精度。
状态监测与故障诊断PPT培训课件
(0~40)×R (0~1.2)×R (1.5~3.5)×R (3.5~15)×R (15~40)×R 叶片数×R 40×R ~20kHz
8.8 mm/s pk 7.6 mm/s pk 6.3 mm/s pk 3.3 mm/s pk 3.3 mm/s pk 2.5 mm/s pk 3.0 g pk
R的错误与传感器有关的，与传感器相关问 题大都来自于不正确的安装方式。要做的第一件事 是检查频谱中是否有峰值出现，不仅是与电气有关 的峰值（在行频及其倍数处），还要确保存在与机 器状态相关的信息
3、测试环境的修正
测试设备运行要稳定
分析测试点要正确
4、识别运动速度频率处的峰值
1.提高设备运行的可靠性 2.减少设备故障导致的维修费用 3.提高产品的质量
常用的设备维护体制
1.故障后维修
故障后维修是指允许设备运行到故障损坏为止， 而不预先采取措施。它也被称为事后维修。 其维修理念是:任其损坏。
常用的设备维护体制
2.计划维修
计划维修是指按企业的维修计划进行的维修 其维修理念是：
设备为何发生故障
据统计，工业现场的轴承 仅有10%达到设计寿命 (1) 40%由于润滑不良造成失效
(2) 30%由于不对中等装配原因引起故障 (3) 20%是由于过载使用或制造上的原因导致故障
设备为何发生故障
设备故障产生的原因 ❖ 设计、制造 ❖ 安装的原因 ❖ 维护方法的不当 ❖ 超负荷使用
设备维护的重要性
振动 ②H 0.07 0.05 0.07 0.07
烈度
cm/s ③H 0.06 0.07 0.14 0.05
CD
④H 0.07 0.06 0.17 0.07
C泵的振动超过同类诸泵的
综采工作面“三机”故障诊断系统与信息化控制技术研究及其应用
当前,智能 技 术 已 相 对 成 熟, 完 全 可 以 实 现
“有人巡视,无人值守”,目前需要观念上的突破和
２ 综采工作面自动化控制技术体系构建
在自动化开采上尚属空白,面对枣泉煤矿存在的倾
化、信息共享化、常态作业无人 (少人)化、安全
应用上的细化. 枣 泉 煤 矿 煤 层 赋 存 地 质 条 件 复 杂,
的煤岩识别、液压支架的倾斜调节、巷道的掘进和
场总线的控制技术,自动化程度较高.我国以国家
支护、辅助运输和工程方面的自动化和智能化水平
能源集团神东公司和宁夏煤业公司为代表的综采工
不高;另一方面是复杂条件下矿井生产的采掘失调
作面自动化技术研究取得了长足的进步,实现了采
矛盾 突 出, 快 速 掘 进 类 智 能 化 技 术 和 设 备 发 展
工作面输 送 设 备 的 集 中 控 制. 通 过 工 作 面 视 频 监
了依靠综采自动化技术进行煤矿开采的力度.国家
控,实现对采煤工作面的无死角监控,通过设置在
能源集团宁夏煤业公司对煤矿安全高效开采非常重
运输巷的综采自动化监控中心实现工作面三级系统
视并积极调研,旨在为煤矿开采研究一条最佳的技
的集中监测与控制,并通过工业以太网平台在地面
矿开始采用计算机技术、大功率变频牵引采煤机控
自动化采煤.澳大利亚的基于陀螺仪导向定位的自
动化采煤方法,其控制对象是 “三机”为主的全工
作面自动化控制,采用控制中心 ＋ 控制器 ＋ 工业现
的自动化生产.
备人工智 能 技 术 总 体 评 估 为 ７０％ , 综 掘 设 备 人 工
智能技术 总 体 评 估 为 ４２％ . 一 方 面 表 现 为 采 煤 机
论,以信号能量 － 相关性为评价指标,对噪声信号
设备状态监测和故障诊断要点
设备状态监测和故障诊断1、齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法1.1齿轮啮合频率产生的机理啮合频率是对一对相互啮合的齿轮而言的，对单个齿轮谈啮合频率是没有意义的。
另外，齿轮传动的特点是啮合过程中啮合点的位置和参与啮合的齿数都是周期性变化的，这就造成了齿轮轮齿的受力和刚度成周期性变化，由此而引起的振动必然含有周期性成分。
对于直齿圆柱齿轮，在齿轮啮合过程中，由于单、双齿啮合区的交替变换、轮齿啮合刚度的周期性变化、以及啮入啮出冲击，即使齿轮系统制造得绝对准确，也会产生振动，这种振动是以每齿啮合为基本频率进行的，该频率称为啮合频率，其计算公式如下：11226060m z n z n f 式中，z 1、z 2 ————主、从动齿轮的齿数；n 1、n 2 ————主、从动齿轮的转速，r/min 。
对于斜齿圆柱齿轮，产生啮合振动的原因与直齿圆柱齿轮基本相同，但由于同时啮合的齿数较多，传动较平稳，所产生的啮合振动的幅值相对较低。
对于没有缺陷的正常齿轮，齿轮啮合频率产生的原因主要有啮合刚度的变化、啮合冲击和节线冲击。
1.2引起齿轮震动的部分原因1.2.1啮合刚度的变化齿轮的啮合刚度是指整个啮合接触区中参与啮合的各对轮齿的综合刚度。
单对轮齿的等效刚度为：1212K K K K K式中，K1、K2——主、从动齿轮的单齿刚度。
刚度的变化主要有两个方面：一是在齿高方向随着啮合位置的变化，参与啮合的单一轮齿的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数随时间作周期性变化。
例如对于重合度在1到2之间的渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧单部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。
显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理，单齿啮合时啮合刚度较小。
从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。
啮合刚度的变化频率与齿轮的啮合频率相等，说明啮合刚度的变化是啮合频率产生机理之一。
状态监测和故障诊断基础知识
8. 涡动、正进动和反进动 9. 电气偏差、机械偏差 10. 偏心和轴心位置 11. 间隙电压、油膜压力 二、传感器的基本知识 1. 振动传感器 2. 电涡流振动位移传感器的工作原理 3. 电动力式振动速度传感器的工作原理 ⒋ 压电式加速度传感器的工作原理
第二章 状态监测常用图谱 1．波德图 2．极坐标图 3．频谱瀑布图 4．极联图 5．轴心位置图 6．轴心轨迹图 7．振动趋势图 8．波形频谱图
3. 电动力式振动速度传感器的工作原理
图1－6 振动速度传感器的结构示意图
固定在壳体内部的永久磁铁，随着外壳与振动物体一起振 动,同时，由于内部由弹簧固定着的线圈不能与磁铁同步运动， 磁铁的磁力线被线圈以一定的速度切割，从而产生了电动势输 出。而所输出的电动势的大小则与磁通量的大小和线圈参数 （在此处均系常数）以及线圈切割磁力线的速度成正比，所以 我们可以得到和磁铁的运动速度成正比的输出电动势，即：传 感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。
35
9．极联图
极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图 依次组成的三维谱图。它的Z轴是转速，工频和各个倍频及分频的 轴线在图中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。在分析振动 与转速有关的故障时是很直观的。该图常用来了解各转速下振动频 谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油 膜振荡的发生和发展过程等。
c．频率：是指振动物体在单位时间（1秒）内所产生振动 的次数，即Hz，以f0表示。很显然，f0＝1／T0。对于旋转 机械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：a）转动 轴的旋转频率；b）各种振动分量的频率；c）机器自身和 基础或其它附着物的固有频率。
d．相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信 号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相 位差。相位可用来描述某一特定时刻机器转子的位置，一 个好的相位测量系统能够确定每一个传感器所在的机器转 子上“高点”相对机器轴系上某一固定的标志点的位置。 通常振动相位在0°～360°范围之间变化。振动的相位在 振动分折中十分重要，它不仅反映了不平衡分量的相对位 置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重 要作用。
工况监测与故障诊断
工况监测与故障诊断学中的概念系统故障指系统的构造处于不正常状态（劣化状态）。
它导致系统相应的功能失常，故又称失调或约束条件不满足，即导致系统相应的行为不满足期望的要求。
系统的这种劣化状态称之为故障状态。
判断系统发生故障的准则是：在给定的工作条件下，系统的功能与约束的条件若不满足正常运行或原设计期望的要求，则可判定系统发生故障。
状态监测指系统在工作状态下，特征信号的检测、变换、分析处理以及显示记录，并输出诊断所需的或适用的信息，提供故障诊断的依据。
故障诊断指查明导致系统发生故障的指定层次子系统、联系的劣化状态。
显然，故障诊断的实质就是状态识别。
特征信号指系统的某部分输出，而这部分输出是同所关心的系统功能与约束条件紧密相关的。
系统的功能往往是特征信号的一部分。
系统无故障、有故障时的输出分别称为正常的、异常的输出;相应的，有故障、无故障时的特征信号分别称为异常的、正常的特征信号。
显然，特征信号必然包含了系统中相应的元素、联系的有关状态的信息。
因此，如何选取包含有关状态信息量最多的特征信号，成为电气设备诊断学中重要内容之一。
征兆指对特征信号加以处理而提取的、直接用于诊断故障的信息。
显然，这种处理是去粗取精、提炼信息的过程。
当然，特征信号本身有时也可以作为征兆。
因此，如何提取最有效地用于诊断的征兆，也是机械设备诊断学中重要内容之一。
1河北师范大学职技学院学士学位论文第2章信息融合技术2.1信息融合技术简介近20年来，传感器技术获得了迅猛的发展，各种面向复杂应用背景的信息融合系统也随之大量出现。
在这些系统中，信息表现形式的多样性、信息容量以及信息的处理速度等要求已大大超出人脑的信息融合能力，信息融合技术便应运而生。
在公开的技术文献中，基于信息整合意义的融合一词最早出现在70年代末期。
由于信息融合系统本身所具有良好的性能稳定性、宽阔的时空覆盖区域、很高的测量维数和良好的目标空间分辨率以及较强的故障容错与系统重构能力等潜在特点，因此，自信息融合技术一开始提出，就引起了西方各国国防部门的高度重视，并将其列为军事高技术研究和发展领域中的一个重要专题。
设备状态监测与故障诊断技术第3章-设备故障诊断的技术
透平机器
不合格（D）
不合格（D）
不合格（D）
合格（C）
不合格（D）
合格（C）
合格（C）
良好（B）
合格（C）
良好（B）
良好（B）
良好（B）
优秀（A） 优秀（A） 优秀（A） 优秀（A）
〈15KW
15-75KW 〉75KW
2021/参7/31考GB6075-85以及VDI2056,适用于转速在600-12000转/分的各种机器
蒸气透平机 （大于20,00HP） （6-20,000HP） （不大于5,000HP）
压缩机 （活塞） （高压） （低压） （冷冻机） 柴油发电机
125 1.8 145 18 145 18 150 32 120 1.0 135 5.6 145 18 150 32 115 0.56 130 3.2 140 10 145 18
(4)诊断决策：根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施， 同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。
被测设备
信号 采集
获取检测信号
信号 处理
设备允许参数
状态
识别 设备特征信息
对比
诊断决策
图3-1 设备诊断过程框图
设备的状态监测及故障诊断基本知识
ERP－TR－CM－CM － － TR－ CM ERP－ TR－ ERP－ － －
2
2 2
2
2 2
一、设备预知维修简介 培训内容
ERP－TR－CM ERP－TR－CM － － － －
2 2
22 2
1 、 设备预知维修的涵义 所谓“预知维修”是指将“状态维修”的“技 所谓“预知维修”是指将“状态维修”的“技 术实现”与企业整体性设备管理工作紧密联系在一 术实现”与企业整体性设备管理工作紧密联系在一 起，从而实现“在管理指导下的状态维修”和“在 起，从而实现“在管理指导下的状态维修”和“在 故障监测诊断技术支持下的设备管理”。 故障监测诊断技术支持下的设备管理”。 培训内容 因此预知维修强调的是“管理技术”与“诊断 因此预知维修强调的是“管理技术”与“诊断 技术”的结合，是从企业设备工作整体角度出发去 技术”的结合，是从企业设备工作整体角度出发去 通盘考虑基于故障监测与诊断技术的设备维修管理 策略及其技术实施。
ERP－TR－CM ERP－TR－CM － － － －
2 2
22 2
振动的基本参数 振动是一种极其普遍的物理现象。物体围 绕平衡位置做往复运动就称为振动。振动使 用振幅、频率、相位三种参数来描述。通过 这些参数，可以对振动的激烈程度、振动的 培训内容 原因等进行定量的监测。
ERP－TR－CM ERP－TR－CM － － － －
ERP－TR－CM ERP－TR－CM － － － －
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振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。
倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。可称为： 倍频 一倍频（工频或基频）、二倍频、三倍频、0.5倍频（半 倍 频）等
例如：某一机器的实际运行转速n为6000 r/min时
设备状态监测与故障诊断技术基础知识
3）周围环境：有无严重的干扰（或污染） 源存在，如振源，粉尘、热源等。
4.设备基础型式及状况 搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。
5.主要资料档案资料 设备原始档案资料、设备检修资料、设
备故障记录档案等。
二. 确定诊断方案
在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。 诊断方案应包括以下几方面的内容。
时域分析又包含有：波形图，自相关，互相关，轴 心轨迹、轴心位置等。
齿轮故障波形图具有明显的冲击特征
频域分析又包含有： 幅值谱, 功率谱, 倒频谱等。
幅值谱分析 是故障诊断 的基本工具
倒谱上的谱线 是幅值谱中的 周期性谱线族
相域分析包含有：相位谱等 相位谱
另外，还有三维功率谱，细化谱等等
三维功率谱又叫三维谱阵、转速谱图、功率谱 场、瀑布图等。是机器在起动或停车过程中，不同转 速下功率谱图的迭加。纵坐标为机器的转速，自零升 到额定转速（起动）、或从额定转速降到零（停车）； 横坐标为频率；竖坐标为振幅。三维功率谱是描述机 器瞬态过程的有利工具。对机器振动做三维功率谱分 析，可以了解机器通过临界转速的振动情况，用来确 定监测对象的固有频率判定是否存在不平衡等故障。
Ⅰ－原动机（电动机） Ⅱ－传动系统 Ⅲ－工作机（引风机） ①、②－电动机滚动轴承 ③、④－引风机滚动轴承
ห้องสมุดไป่ตู้
2） 必须查明各主要零部件（特别是运动零 件）的型号、规格、结构参数及数量等，并 在结构图上表明或另予说明。这些零件包括： 轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数，叶 轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。
设备状态监测与故障诊断技术 基础知识
设备故障诊断技术的含义
电气设备状态监测与故障诊断
电气设备状态监测与故障诊断1 前言1.1 状态监测与故障诊断技术的含义电气设备在运行中受到电、热、机械、环境等各种因素的作用，其性能逐渐劣化，最终导致故障。
特别是电气设备中的绝缘介质，大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等，容易在外界因素作用下发生老化。
电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦失效，必将引起局部甚至广大地区的停电，造成巨大的经济损失和社会影响。
“监测”一词的含义是为了特殊的目的而进行的注视、观察与校核。
设备的状态监测是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，其目的是为了判明设备是否处于正常状态。
“诊断”一词原是一医学名词，指医生对收集到的病人症状（包括医生的感观所感觉到的、病人自身主观陈述以及各种化验检测所得到的结果）进行分析处理、寻求患者的病因、了解疾病的严重程度及制订治疗措施与方案的过程。
设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指这样的过程：专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理建议。
简言之，“状态监测”是特征量的收集过程，而“故障诊断”是特征量收集后的分析判断过程。
广义而言，“诊断”的含义概括了“状态监测”和“故障诊断”：前者是“诊”；后者是“断”。
1.2 状态监测与故障诊断技术的意义电气设备特别是大型高压设备发生突发性停电事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。
提高电气设备的可靠性，一种办法是提高设备的质量，选用优质材料及先进工艺，优化设计，合理选择设计裕度，力求在工作寿命内不发生故障。
但这样会导致制造成本增加。
此外，设备在运行中，总会逐渐老化，而大型设备不可能象一次性工具那“用过即丢”。
因此，另一方面，必须对设备进行必要的检查和维修，这构成了电力运行部门的重要工作内容。
早期是对设备使用直到发生故障，然后维修，称为事故维修。
设备状态检测与故障诊断知识
故障诊断的基本方法
磨损残余物测定法
机器的润滑系统或液压系统的循环油路中携带着大量的 磨损残余物(磨粒)。它们的数量、大小、几何形状及成 分反映了机器的磨损部位、程度和性质，根据这些信息 可以有效地诊断设备的磨损状态。目前磨损残余物测定 方法在工程机械及汽车、飞机发动机监测方面已取得了 良好的效果
检测仪器的选择-性能指标
要仪器厂家提供详细的技术指标，特别是开、 停车过程数据采集的密度（多少组），波特图和 极坐标图的分辨率（由多少点组成），1X矢量的 获取方式，稳态下频谱的分辨率（多少线），这 些可以帮助我们了解产品的内在质量，这也是满 足正确故障诊断的基本要求
检测仪器的选择-性能指标
谱线数-400、800、1600、3200、6400 采样点数-1024、2048、4096、8192 A/D转换位数—12、16、18…… 频率范围——是否能够柔性设置 数据精度-传感器的精度和仪器能力有关系 参数能够自由设置，从而满足各类设备数据采集
振动诊断能够做些什么？
诊断最终目标就是通过数据采集与分析， 确定隐患产生的原因，部位，并拿出解 决方案
隐患产生的原因——设计缺陷，制造缺 陷，安装缺陷，正常磨损，维护不当， 管理不到位等等！
目录
一． 设备状态监测与诊断技术的基本概念 二． 设备状态检测前期准备工作 三． 设备状态检测的实施 四． 故障诊断 五． 诊断案例
来进行评判，也是比较普遍采用的一种常规做法。
设备管理发展趋势
随着计算机及网络技术的发展，国外已经把 设备管理上升到企业资产管理范畴，不仅重要、 关键设备进行在线监测方式进行状态管理，而且 一般设备也采用在线监测方式，从而保证设备状 态的准确、及时得到监控，提高设备的使用寿命， 提高生产效率，创造更大的经济效益。
状态监测与故障诊断的基本知识
状态监测与故障诊断的基本知识一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状1．状态监测与故障诊断的定义通俗地说，状态监测与故障诊断就是给机器看病。
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），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。
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。
而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。
2. 状态监测与故障诊断的意义状态监测与故障诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关，而状态监测与故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。
具体可归纳如下几个方面：（1）及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生；（2）一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故；（3）通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用；（4）可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。
故障诊断习题及答案讲解
工况监测与故障诊断复习题作业题1概论1、什么是工况监测与故障诊断？书P3工况监测与故障诊断是指在一定工作环境下，查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣化发生的部位或部件，预测状态劣化的发展趋势2、开展工况监测与故障诊断技术研究的意义？书P4⑴预防事故，保证人身和设备的安全；⑵推动设备维修制度的改革；⑶提高经济效益3、设备状态监测与故障诊断技术包括哪几方面的内容？书P5传统诊断方法,数学诊断方法，智能诊断方法2 故障的概念与分类1、什么是故障？判断故障的准则是什么？书P7故障：故障是指可修复产品“丧失了其规定功能”，可修复产品是指零、部件经故障再经修理后能继续使用；判断故障的准则：在给定的工作状态下，机械系统的功能与约束条件下不能满足正常运行或原设计期望的要求2、机械系统产生故障的原因有哪些？书P7⑴环境因素：①机械能机械能不但能沿着各个零件传递，而且还和外部介质发生相互作用，以静载荷和动载荷的形式对机械系统产生作用；②热能由于周围介质温度发生变化以及机械在运转过程中的发热作用，会产生一定的热能；③化学能化学能也会对零件产生影响，如含有水分和侵蚀成分的空气会使零件产生腐蚀破坏；④其他能量除上述几种主要能量外，还有核能、电磁能以及生物因素等同样会对零件产生破坏作用，影响机械系统的工作能力；⑵人为因素：①设计不良即使设计者认为是完美的机械系统，实际上总是存在者薄弱环节；②质量偏差制造过程中的过失误差和明显缺陷，在机械系统检验时一般都会暴露出来，可以在制造范围内予以消除③使用不当质量合格的机械系统，在其整个生命周期内的运输和保管技术要求、使用条件和使用方法、维护保养和修理制度以及操作人员的技术水平等，对实际故障率将产生很大影响⑶时间因素3、说明故障率曲线（浴盆曲线）意义？P124、什么是故障模式、故障机理？书P12故障模式：故障模式是指由外因和内因对机械系统共同作用结果所显现出来的故障形态故障机理：故障机理是指引起机械系统故障的物理、化学变化等的内在原因、规律及其原理。
设备状态监测与故障诊断技术设备故障诊断的基本
断是所有故障诊断技术中应用最广泛的诊断方法;由 振动产生的机器故障约有60%
温度红外：适用于工业炉窑 热力机械 电机 电器等 声学：适用于压力容器 往复机械 轴承 齿轮等 光学：适用于探测腔室和管道内部的缺陷 如光学探伤法 油液污染 ：适用于齿轮箱 设备润滑系统 电力
美国政府AD报告《工程项目管理人员测试性与诊断性指南》 ADA208917的故障定义： 造成装置 组件或元件不能按规定 式工作的一种物理状态 系统的元素及其联系不正常的原因：
系统的输入超过它允许的范围所在工作环境变化不正常； 虽在正常环境下工作;但元素及其联系的状态变化超过允许的范围； 上述两者的联合作用
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第二节 设备故障诊断的基本方法和分类
运载器和装置诊断技术：飞机 火箭 航天器 舰艇 火车
汽车 坦克 火炮 装甲车等；
通迅系统诊断技术：雷达 电子工程等； 工艺流程诊断技术：生产流程 传动装置 冶金压延等设备
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第二节 设备故障诊断的基本方法和分类
2 按诊断参数分类
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第一节 设备与设备故障
故障模式：
故障模式是故障现象的一种表征;相当于医学上的疾病症状 如断裂 磨损 腐 黏合 剥离 松弛；泄露 堵塞 溶融 蒸发；间隙 变形 表面粗糙 性能变化；失 杂音 异常振动；油质劣质 材料老化变质；积炭 击穿 开路 短路；不稳定 染等;故障模式是由某种故障机理引起的结果现象
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第二节 设备故障诊断的基本方法和分类
3 故障诊断的数学方法
利用各学科的最新科技成就;各种有效的数学工具来进行设 备故障诊断的技术
诸如基于模式识别的诊断方法;基于概率统计的诊断方法; 基于模糊数学的诊断方法;基于可靠性分析和故障树分析 的诊断方法;以及神经网络 小波变换 分形几何等
状态监测与故障诊断技术
3. 变频调速系统的故障机理研究
• 由于变频调速系统增加了变频器这一主要部件， 而变频器自身十分复杂，所以，变频调速系统的 故障诊断增加了变频器故障诊断的内容，故障类 型更多。对于一些显而易见的故障，如短路、过 电流、过电压、电源严重不对称等，其故障机理 比较简单，这些故障的诊断也比较容易。变频器 自身一般都具有较完善的保护装置和自检功能， 可以实现关键元器件的监测，诊断元器件是否出 现损坏性故障。然而，对于元器件的参数漂移、 工作不可靠、变频器性能劣化等潜故障，其特征 往往不明显，却能够影响系统的性能，并且可能 会逐渐导致严重故障的发生。
2. 机械传动装置的故障机理研究 • 机械传动装置的故障诊断主要是通过设备振 动信号和运行噪声的处理与分析来完成的， 其中齿轮和轴承的故障是最常见的故障。齿 轮因制造误差、装配不当或在不适当的条件 下使用，会发生损伤。常见的损伤有齿的断 裂和磨损、齿面疲劳和塑性变形等。轴承故 障主要是因负载过重、润滑不良或异物进入 等原因，引起的轴承磨损、疲劳剥落、腐蚀、 塑性变形、碎裂和胶合等故障。
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。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。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。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。
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（4）常规工况与特殊工况诊断 大多数是在机器设备常规运行工况下进行监
测和诊断的，有时为了分析机组故障，需要收集 机组在启停时的信号，这时就需要在启动或停机 的特殊工况下进行监测和诊断。
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（5） 在线诊断和离线诊断
在线诊断是指对于大型、重要的设备为了保证其安全 和可靠运行需要对所监测的信号自动、连续、定时的进行 采集与分析，对出现的故随及时作出诊断。
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有些情况下，监测结果不需要作更进一步的处理和分析， 仅以有限的几个指标就可以确定设备的状态，这就是以监测为 主的简易诊断，也属于诊断的范围。通常情况下，当简易诊断 发现设备或部件发生异常时，应转入精密诊断。此时应该对异 常状态进行多方面的分析，这种分析包括收集设备运行的历史 资料、对简易诊断的结果进行审核，同时进一步合理地选择测 量仪器对设备的各种参数进行监测，对监测得到的特征信号在 时域、频域、幅值域以至倒频域等各个方面进行全面分析，以 便从特征信号中提取各种症兆，对设备做出综合判断。通常所 称的“故障诊断”不是简易诊断，而是指比较复杂的精密诊断。
（2）采用合适的征兆提取方法与装置，从特征信号中提取 机械系统有关状态的征兆。
（3）采用合适的状态识别方法与装置，依据征兆进行推理 而识别出机械系统的有关状态。
（4）采用合适的状态趋势分析方法与装置，依据征兆与状 态进行推理而识别出有关状态的发展趋势，这里包括故障 的早期诊断与预测。
（5）采用合适的决策形成方法与装置，从有关状态及其趋 势形成正确的干预决策；或者深入系统的下一层次，继续 诊断；或者已达指定的系统层次，做出调整、控制、自诊 治、维修等有关决策。
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第三步，可行性分析：
对初步方案进行可行性分析是非常重要的，它关系到 监测与诊断系统研制的成败。 可行性分析就是对监测与诊断系统的初步技术方案在 技术上、 经济上、 实现的条件等方面是否可行进行分析。
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3.5.2 监测与诊断系统的基本结构
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（1）振动与噪声监测法 （2）油液监测法 （3）性能参数法 （4）无损检测技术
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3.3.3 按诊断的目的和要求分类 （1）功能/性能诊断与运行诊断
功能诊断是对新安装的机器设备或刚维修的设备检 查其功能是否正常，并根据检查结果对机组进行调整， 使设备处于最佳状态。
运行诊断是对正在运行的设备进行状态诊断，了解 其故障的情况；其中也包括对设备的寿命进行评估。
诊断方法
速度 测性 可能性
度
定期诊断
慢
强
少
重要
连续诊断
快
弱
多
次重要
事故影响
可控制 严重
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（3）直接诊断和间接诊断
直接诊断是直接根据主要零部件的信息确定设备的状 态，如主轴的裂纹、管道的壁厚等。当受到条件限制无法 进行直接诊断时就采用间接诊断。
间接诊断是利用二次诊断信息来判断主要零部件的故 障，多数二次诊断信息属于综合信息，如利用轴承的支承 油压来判断两根转子对中状况等。
监测与诊断系统硬件构成框图
监测与诊断系统的硬件系统设计应遵循的原则：
（1）简化电路设计 （2）低功耗设计 （3）通用化、 标准化设计 （4）可扩展性设计 （5）采用通用化接口
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监测与诊断系统的软件包括应用软件和系统软件：
应用软件与被测对象直接有关，具有测试功能，由 监测与诊断系统研究人员根据系统的功能和技术要求 编写，它包括测试程序、控制程序、数据处理程序、 系统界面生成程序等。 系统软件是计算机实现其运行的软件，决定了监测 与诊断系统的运行环境。
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（2）定期诊断和连续诊断 定期诊断是每隔一定时间对监测的设备进行
测试和分析。 连续诊断是利用现代测试手段对设备连续进
行监控和诊断。究竟采用何种方式取决于设备的 重要程度及事故影响程度等。
2011的条件
分析情况 性能下降 故障可预 故障发生 设备关键程
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监测与诊断系统的软件设计应遵循的设计原则：
（1）优化界面设计，方便用户使用 （2）使用编制、修改、调试、运行 和升级方便的应用软件 （3）丰富软件功能
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(1)精密诊断 (2)全部或必要指标、多测点、定量和定性地监 测与诊断
2.任务与 职能
(1)设备状态和劣化倾向诊断 (2)超差报警和异常早期报警 (3)设备监视和保护性管理
(1)确定故障性质、程度、部位和产生原因，具 有精确诊断性
(2)为设备运行最佳状态提供依据，为保证产品 质量(质量控制)与生产经济性提供管理依据
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3.2 工况监测与故障诊断技术的区别和联系
诊断是目的，监测是手段，是诊断的前提
工况监测通常是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。例如，当特征参数小于允许值时便认为是正常，否 则为异常。还可以用超过允许值的多少来表示故障严重程度， 当它达到某一设定值 (极限值)时就应停机检修。这个过程的前 半部分就是监测。
和外围设备，初建费高 (2)有在线诊断系统，也有诊断中心设备，进行
实时或非实时诊断 (3)采用多参数、多物理量和现代诊断理论方法
久的、临时的、固定的或流动的)
进行综合诊断
4.人员培 训
(1)经过短期简单培训即能工作 (2)多数由现场或车间作业人员实施
(1)对故障诊断技术要有一定知识基础，再经过 专门培训，才能承担工作
第3章 工况监测与故障 诊断技术的技术知识
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3.1 工况监测与故障诊断技术的基本内容与 结构体系
信号采集及其处理 征兆信号
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状态监测
故障识别
各种症状（或征兆）与故 障之间存在的客观关系
诊断理论、诊断方法
统计识别、模糊逻辑、 灰色理论、神经网络
基本内容
（1）在机械系统合适的部位测取其有关状态的特征信号， 这需要选择合适的传感器和测量方法。
精密诊断利用较完善的分析仪器或诊断装置，对设备故 降进行诊断。这种装置配有较完善的分析、诊断软件，精密 诊断技术一般用于大型、复杂的设备，如电站的大型汽轮发 电机组、石油化工系统的关键压缩机组等。
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区别
简易诊断
精密诊断
1.目的与 要求
(1)初级诊断 (2)有限指标、有限测点、超标性检 查与诊断
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3.5.1 系统分析
系统分析主要解决下列问题： （１）确定设计的监测与诊断系统的目标和系统的功能； （２）提出监测与诊断系统的初步技术方案， 分析方案是否 合理、 是否可行； （３）提出监测与诊断系统设计的具体实施计划， 包括资金、 人力、 物力和设备的分配、 使用情况等； （４）指出监测与诊断系统的关键技术问题并进行分析研究。
(2)由工程师或故障诊断工程师等专业人员实施
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3.4 工况监测与故障诊断技术的特征
（1）综合化 （2）智能化 （3）仪器虚拟化 （4）网络化
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3.5 工况监测与故障诊断系统的设计
在工程生产实践中，应该从被监测对象 的实际需求出发，根据被监测对象的作业特 点、 结构特点、环境特点和维护特点，综合 各方面因素，设计实际的监测与诊断系统。
(3)故障趋势、剩余寿命预估、早期故障预报 (4)建议故障消除方案及改善设备状态方法
(1)便携式或巡回用监测、记录、分 (1)完善的精密的设备状态监测、分析诊断系统
3.使用的 诊断手段
和方法
析和诊断仪器，初建费低
(2)现场巡回流动简易实现诊断方法( 振、声、温、压等简易诊断方法)
(3)简易超差监视、保护装置(包括永
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系统分析的工作过程主要分为三步 ： 第一步，确定任务：
根据监测与诊断系统的性能要求、功能范围、 要求的时间进度、可能投入的人力、财力资源等关 键问题作出明确的描述，并以书面形式提出，以此 作为设计单位的重要依据。
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第二步，提出初步技术方案，包括：
① 分析监测与诊断系统的要求，确定系统设计目标； ② 确定监测与诊断系统的功能和范围； ③ 确定监测与诊断系统的总体功能结构、子系统或局部 功能的划分； ④ 确定监测与诊断系统的组织结构或物理结构； ⑤ 提出监测与诊断系统设计的组织方案； ⑥ 制订监测与诊断系统设计进度计划； ⑦ 提出经济预算，制定投资计划方案。应将以上各方面 的工作内容形成设计技术文件。
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设备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，即要做出精密诊断。这就不仅仅要求对状态监 测和故障诊断理论有比较系统的了解，更重要的是对设备本身 的结构、特性、动态过程、故障机理以及故障发生后的后续事 件（包括维修与管理）有比较清楚的了解。从这一角度来看， 故障诊断技术与状态监测系统又有比较大的区别，有着十分不 同的专业倾向。
离线诊断是通过磁带记录仪或数据采集器将现场的信 号记录在实验室进行回放分析，对于一般中小型设备往往 采用离线诊断方式。
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（6）简易诊断和精密诊断
简易诊断一般利用简易测量仪器对设备进行监测，根据 测得的数据，分析设备的工作状态。如利用测振仪对机组轴 承座进行测量，根据测得的振动值对机组故障进行判别，或 者应用便携式数据采集器将振动信号采集下来后再进行频谱 分析用以诊断故障。
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3.3 工况监测与故障诊断技术的分类
3.3.1 按诊断对象的类别分类
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（１）旋转机械诊断技术 （２）往复机械诊断技术 （３）工程结构诊断技术 （４）机械零件诊断技术 （５ ）液压系统诊断技术 （６）电气设备诊断技术 （７）生产过程综合诊断技术