机械设备状态监测与故障诊断技术
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路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
•信号分析与处理软件包 •设备在线监测及故障诊断系统 •FFT—FS频谱细化技术 •轧机主传动系统故障诊断 •小波分析在故障诊断中的应用 •应用光谱、铁谱结合电谱能谱对润滑 油样进行分析 •设备状态趋势分析
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
信号分析与处理软件包
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用
轧机机架三维有限元分析
太钢1000初轧机机架
上横梁压下螺母孔承压面小圆角处： 按材料力学计算：在中性层附近，应力很小 有限元计算：两向受力，一向受压，等效应力最大
实际检测：已出现600mm长环形裂纹（1~2mm深)
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
路漫漫其悠远
在windows或DOS环境下运行 信号采集及分析功能 时域、频域、倒频域、幅值域及其它域分析
处理功能 时移和频移功能 加窗功能（矩形窗、汉宁窗等8种窗） 信号合成与分解 低通、高通、带通、带阻四种滤波
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统
振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、 压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监 测（数据采集，运算、存储、显示、报警及故障 诊断） 模块化组态 图形化的编程语言 虚拟仪表显示 故障诊断专家系统 具有中试基地
齿轮座振动纪录曲线
机械振动及设备故障诊断方向
小波分析在故障诊断中的应用
小波具有时频“聚焦”特性 高斯小波—最大熵谱分析 小波分析—AR谱 实现微弱故障诊断信号分离和提取，发现早期故障 R1减速机高速轴工作侧轴承保持架不平衡产生的故障频率 计算值3.19HZ 故障：该轴承保持架不平衡
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断中试基地
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
路漫漫其李悠远友荣教授给学生讲解设备在线监测及故障诊断系统
虚拟仪表
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统 故障诊断专家系统
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
FFT—FS频谱细化技术
FFT:频率分辨率△f为采样频率fs与采样点 数N的比值。要△f 小， fs大，则N必 更大，使运算速度和分析效率大大降低
FFT—FS：先进行FFT，对感兴趣的频带进 行FS处理，可得连续的频谱曲线，频 率分辨率△f 不再受采样点数的限制。
路漫漫其悠远
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
注入、运输、浇注、冷 却过程温度场变化
注入、运输、浇注、冷 却过程应力场变化
耐火材料物性对温度场 、应力场的影响
温度场分布
耐火材料各种温度下的 物性优化
耐火砖形状、尺寸优化
路漫漫其悠远
热机械应力场
结构计算机仿真方向
连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真
拉矫辊断面温度场 计及辊系材料物性
随温度的变化 用有限差分法计算
机械设备状态监测与故 障诊断技术
路漫漫其悠远
2020/7/17
第一章 概述
近些年来，设备状态监测与故障诊断逐渐进入工程应用 阶段，技术日趋成熟，应用范围日趋广泛，成为现代设备维 护技术的一个重要组成部分。
一、实施设备状态监测与故障诊断的意义
1.机械设备维护的基本任务：对设备进行合理的技术维护、 及时发现异常和故障、适时采取检修措施以最大限度保证其 正常运行。 2.传统的机械设备维护方法——一定意义上的经验维护法 特点：具有相当的局限性，往往依靠人的眼看、耳听、手摸 等感观手段获取某种信息继而凭借过去的经验来加以判断。
视情维修是根据设备运行故障状态来确定维修时间、内 容和方法。亦属预防性维修，不同的是，它以设备的运行状 态监测为基础、以对故障诊断和预测结果而采取维护决策的 ，因而更具有客观性、科学性。
正是由于设备状态监测和故障诊断技术的成熟和应用， 视情维修才成为可能并进入实际应用阶段，这是设备状态监 测与故障诊断技术对机械设备维护体制产生的最具有深刻意 义的影响，并成为设备维护管理工作现代化的一个重要标志 。
结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用
十字轴万向联轴器三维有限元分析
2800轧机主传动十 字轴万向联轴器 十字轴在轧制30万 吨钢板后断裂 轧辊端叉头在轧制 90万吨钢板后断裂
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十
轧辊端叉头应力分布
字
轴
万
向
联
轴
器
三
维
有
限
元
分
析
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十
轧辊端叉头最大应力部位应力分布
路漫漫其悠远
二.设备故障诊断技术的分类
1.按诊断对象的类别分类
㈠.旋转机械诊断技术 ㈡.往复机械诊断技术 ㈢.工程结构诊断技术 ㈣.机械零件诊断技术 ㈤.液压设备诊断技术 ㈥.电气设备诊断技术 ㈦.生产过程综合诊断技术
2.按诊断的目的、要求和条件
㈠性能诊断和运行诊断 ㈡定期诊断和连续诊断 ㈢直接诊断和间接诊断 ㈣常规诊断和特殊诊断 ㈤在线诊断和离线诊断 ㈥简易诊断和精密诊断
路漫漫其悠远
上图为该铁谱片的 电镜能谱谱片
机械振动及设备故障诊断方向
设备状态趋势分析
灰色马尔柯夫非 等间隔预测模型
振动烈度海图分 析
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
•轧机机架三维有限元分析 •十字轴万向联轴器三维有限元分析 •卷取机助卷辊支臂三维有限元分析 •钢包温度场及应力场计算机仿真 •连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真
轧机主传动系统故障诊断
R1减速机 转频7.13HZ，高速级齿轮啮合频率221.13HZ 故障：高速级齿轮轴线不平行，齿面严重损伤（99年已更换）
路漫漫其悠远
a. 功率谱图
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动系统故障诊断
b.功率谱细化图(200～230Hz)
路漫漫其悠远
c. 功率谱细化图(0～ 用FF3T0H—z)FS频谱细化分析结果
应用光谱、铁谱结合电镜能谱进行润
滑油样分析（冶金部基金课题）
铁谱：对非铁磁性磨屑不敏感
铁谱与电镜能谱结合：用电镜能谱仪对铁谱片上典型颗粒 的材料成分进行分析，对非铁磁性磨屑（有色金属，非金 属）也有效， 拓宽了润滑 油样分析的 应用范围， 给故障定性、 定量、定位
路漫漫其悠远
铁谱片
电镜能谱片
左图为铁谱谱片
3.从所利用的设备状态信号来分
㈠振动诊断：以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检 测目标,进行特征分析、谱分析和时域分析，也包括含有相位信息 的全息谱诊断法和其他方法。
路漫漫其悠远
故障诊断技术分类
强度诊断：以力、应力、应变、扭矩等机械参数为检测目标。进行 冷热强度变形、结构损伤容限与寿命分析。
字
轴
万
向
联
轴
器
三
维
有
限
元
分
析
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十字轴万向联轴器三维有限元分析
路漫漫其悠远
十字轴
路漫漫其悠远
卷
取
机
助
卷
辊
支
臂
三
维
有
限
元
分
支臂最大主应力分布图
析
路漫漫其悠远
卷
取
机
助
卷
辊
支
臂
三
维
有
限
元
支臂油缸耳轴筋板部位
分
最大主应力分布图
析
结构计钢算机包仿真温方向度场及应力计算机仿真 （与材料学科联合培养博士课题 ）
温度场
拉矫辊断面等温线
路漫漫其悠远
温度诊断：以温度、温差、温度场、热相等为检测目标。进行温度 场、温变量、红外热相识别与分析。
声学诊断：以噪声、声阻、超声、声发射等为检测目标。 电参数诊断：以电信号、功率及磁特性等为检测目标。 光学诊断：
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机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统
振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、 压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监测 （数据采集，运算、存储、显示、报警及故障诊断） 模块化组态 图形化的编程语言 虚拟仪表显示 故障诊断专家系统 具有中试基地
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动系统故障诊断
R1、R4齿轮座 咬入、抛出时振动很大，稳态轧制时振动很小 水平方向振动>铅垂方向振动 上轴水平方向>下轴水平方向振动 故障：地脚螺栓预紧力不足
路漫漫其悠远
齿轮座受倾翻力矩作用
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动Βιβλιοθήκη Baidu统故障诊断
a. 咬入
路漫漫其悠远
c.抛出
2.1 传统维修体制中的设备维护方式： 事后维修—— 不足维修——导致严重事故 定期维修—— 过剩维修——停机停产、增加检修费用
（大、中、小修 ） 不足维修——新故障和潜在的故障因素
路漫漫其悠远
第一章 概 述
2.2重要缺陷—传统的检修方式对于故障的寻找往往需要 对设备的大拆大卸才能实现，检修周期长，且检修后，设备 其他一些并无故障的零部件间的正常配合或装配关系常遭到 破坏，又往往引起新的故障或潜在的故障因素。 3.视情维修———理想的机械设备维修方式
机械振动及设备故障诊断方向
•信号分析与处理软件包 •设备在线监测及故障诊断系统 •FFT—FS频谱细化技术 •轧机主传动系统故障诊断 •小波分析在故障诊断中的应用 •应用光谱、铁谱结合电谱能谱对润滑 油样进行分析 •设备状态趋势分析
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
信号分析与处理软件包
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用
轧机机架三维有限元分析
太钢1000初轧机机架
上横梁压下螺母孔承压面小圆角处： 按材料力学计算：在中性层附近，应力很小 有限元计算：两向受力，一向受压，等效应力最大
实际检测：已出现600mm长环形裂纹（1~2mm深)
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
路漫漫其悠远
在windows或DOS环境下运行 信号采集及分析功能 时域、频域、倒频域、幅值域及其它域分析
处理功能 时移和频移功能 加窗功能（矩形窗、汉宁窗等8种窗） 信号合成与分解 低通、高通、带通、带阻四种滤波
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统
振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、 压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监 测（数据采集，运算、存储、显示、报警及故障 诊断） 模块化组态 图形化的编程语言 虚拟仪表显示 故障诊断专家系统 具有中试基地
齿轮座振动纪录曲线
机械振动及设备故障诊断方向
小波分析在故障诊断中的应用
小波具有时频“聚焦”特性 高斯小波—最大熵谱分析 小波分析—AR谱 实现微弱故障诊断信号分离和提取，发现早期故障 R1减速机高速轴工作侧轴承保持架不平衡产生的故障频率 计算值3.19HZ 故障：该轴承保持架不平衡
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机械振动及设备故障诊断方向
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断中试基地
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
路漫漫其李悠远友荣教授给学生讲解设备在线监测及故障诊断系统
虚拟仪表
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统 故障诊断专家系统
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
FFT—FS频谱细化技术
FFT:频率分辨率△f为采样频率fs与采样点 数N的比值。要△f 小， fs大，则N必 更大，使运算速度和分析效率大大降低
FFT—FS：先进行FFT，对感兴趣的频带进 行FS处理，可得连续的频谱曲线，频 率分辨率△f 不再受采样点数的限制。
路漫漫其悠远
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
注入、运输、浇注、冷 却过程温度场变化
注入、运输、浇注、冷 却过程应力场变化
耐火材料物性对温度场 、应力场的影响
温度场分布
耐火材料各种温度下的 物性优化
耐火砖形状、尺寸优化
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热机械应力场
结构计算机仿真方向
连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真
拉矫辊断面温度场 计及辊系材料物性
随温度的变化 用有限差分法计算
机械设备状态监测与故 障诊断技术
路漫漫其悠远
2020/7/17
第一章 概述
近些年来，设备状态监测与故障诊断逐渐进入工程应用 阶段，技术日趋成熟，应用范围日趋广泛，成为现代设备维 护技术的一个重要组成部分。
一、实施设备状态监测与故障诊断的意义
1.机械设备维护的基本任务：对设备进行合理的技术维护、 及时发现异常和故障、适时采取检修措施以最大限度保证其 正常运行。 2.传统的机械设备维护方法——一定意义上的经验维护法 特点：具有相当的局限性，往往依靠人的眼看、耳听、手摸 等感观手段获取某种信息继而凭借过去的经验来加以判断。
视情维修是根据设备运行故障状态来确定维修时间、内 容和方法。亦属预防性维修，不同的是，它以设备的运行状 态监测为基础、以对故障诊断和预测结果而采取维护决策的 ，因而更具有客观性、科学性。
正是由于设备状态监测和故障诊断技术的成熟和应用， 视情维修才成为可能并进入实际应用阶段，这是设备状态监 测与故障诊断技术对机械设备维护体制产生的最具有深刻意 义的影响，并成为设备维护管理工作现代化的一个重要标志 。
结构计算机仿真方向在故障诊断中的应用
十字轴万向联轴器三维有限元分析
2800轧机主传动十 字轴万向联轴器 十字轴在轧制30万 吨钢板后断裂 轧辊端叉头在轧制 90万吨钢板后断裂
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十
轧辊端叉头应力分布
字
轴
万
向
联
轴
器
三
维
有
限
元
分
析
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十
轧辊端叉头最大应力部位应力分布
路漫漫其悠远
二.设备故障诊断技术的分类
1.按诊断对象的类别分类
㈠.旋转机械诊断技术 ㈡.往复机械诊断技术 ㈢.工程结构诊断技术 ㈣.机械零件诊断技术 ㈤.液压设备诊断技术 ㈥.电气设备诊断技术 ㈦.生产过程综合诊断技术
2.按诊断的目的、要求和条件
㈠性能诊断和运行诊断 ㈡定期诊断和连续诊断 ㈢直接诊断和间接诊断 ㈣常规诊断和特殊诊断 ㈤在线诊断和离线诊断 ㈥简易诊断和精密诊断
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上图为该铁谱片的 电镜能谱谱片
机械振动及设备故障诊断方向
设备状态趋势分析
灰色马尔柯夫非 等间隔预测模型
振动烈度海图分 析
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结构计算机仿真方向
•轧机机架三维有限元分析 •十字轴万向联轴器三维有限元分析 •卷取机助卷辊支臂三维有限元分析 •钢包温度场及应力场计算机仿真 •连铸机拉矫辊温度场及热应力计算机仿真
轧机主传动系统故障诊断
R1减速机 转频7.13HZ，高速级齿轮啮合频率221.13HZ 故障：高速级齿轮轴线不平行，齿面严重损伤（99年已更换）
路漫漫其悠远
a. 功率谱图
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动系统故障诊断
b.功率谱细化图(200～230Hz)
路漫漫其悠远
c. 功率谱细化图(0～ 用FF3T0H—z)FS频谱细化分析结果
应用光谱、铁谱结合电镜能谱进行润
滑油样分析（冶金部基金课题）
铁谱：对非铁磁性磨屑不敏感
铁谱与电镜能谱结合：用电镜能谱仪对铁谱片上典型颗粒 的材料成分进行分析，对非铁磁性磨屑（有色金属，非金 属）也有效， 拓宽了润滑 油样分析的 应用范围， 给故障定性、 定量、定位
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铁谱片
电镜能谱片
左图为铁谱谱片
3.从所利用的设备状态信号来分
㈠振动诊断：以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检 测目标,进行特征分析、谱分析和时域分析，也包括含有相位信息 的全息谱诊断法和其他方法。
路漫漫其悠远
故障诊断技术分类
强度诊断：以力、应力、应变、扭矩等机械参数为检测目标。进行 冷热强度变形、结构损伤容限与寿命分析。
字
轴
万
向
联
轴
器
三
维
有
限
元
分
析
路漫漫其悠远
结构计算机仿真方向
十字轴万向联轴器三维有限元分析
路漫漫其悠远
十字轴
路漫漫其悠远
卷
取
机
助
卷
辊
支
臂
三
维
有
限
元
分
支臂最大主应力分布图
析
路漫漫其悠远
卷
取
机
助
卷
辊
支
臂
三
维
有
限
元
支臂油缸耳轴筋板部位
分
最大主应力分布图
析
结构计钢算机包仿真温方向度场及应力计算机仿真 （与材料学科联合培养博士课题 ）
温度场
拉矫辊断面等温线
路漫漫其悠远
温度诊断：以温度、温差、温度场、热相等为检测目标。进行温度 场、温变量、红外热相识别与分析。
声学诊断：以噪声、声阻、超声、声发射等为检测目标。 电参数诊断：以电信号、功率及磁特性等为检测目标。 光学诊断：
路漫漫其悠远
机械振动及设备故障诊断方向
设备在线监测及故障诊断系统
振动、轴心轨迹、扭矩（非接触式遥测）、 压力、温度、转速、电流、电压等信号的在线监测 （数据采集，运算、存储、显示、报警及故障诊断） 模块化组态 图形化的编程语言 虚拟仪表显示 故障诊断专家系统 具有中试基地
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动系统故障诊断
R1、R4齿轮座 咬入、抛出时振动很大，稳态轧制时振动很小 水平方向振动>铅垂方向振动 上轴水平方向>下轴水平方向振动 故障：地脚螺栓预紧力不足
路漫漫其悠远
齿轮座受倾翻力矩作用
机械振动及设备故障诊断方向
轧机主传动Βιβλιοθήκη Baidu统故障诊断
a. 咬入
路漫漫其悠远
c.抛出
2.1 传统维修体制中的设备维护方式： 事后维修—— 不足维修——导致严重事故 定期维修—— 过剩维修——停机停产、增加检修费用
（大、中、小修 ） 不足维修——新故障和潜在的故障因素
路漫漫其悠远
第一章 概 述
2.2重要缺陷—传统的检修方式对于故障的寻找往往需要 对设备的大拆大卸才能实现，检修周期长，且检修后，设备 其他一些并无故障的零部件间的正常配合或装配关系常遭到 破坏，又往往引起新的故障或潜在的故障因素。 3.视情维修———理想的机械设备维修方式