状态监测与故障诊断技术

• 在20世纪60年以后，故障诊断技术真正作为一门学 科发展起来。美国自1961年开始执行阿波罗计划后， 出现了一系列因设备故障而造成的事故，导致1967 年在美国国家宇航局（NASA）倡导下，创立了美国 机械故障预防小组（MEPG），从事故障诊断技术的 研究；英国在20世纪60～70年代，以 Collacott为 首的英国机器保健和状态监测协会最先开始研究故 障诊断技术；日本的新日铁自1971年开始研究故障 诊断技术，1976年达到实用化程度。
诊断手段（信号物理特性）
⑥光学诊断 ⑦电参数诊断 ⑧压力诊断 ⑨金相诊断
诊断方法的完善程度 识别故障模式
①简易诊断 ②精密诊断 ③系统综合诊断
①统计识别诊断 ②函数识别诊断 ③逻辑识别诊断 ④模糊识别诊断 ⑤灰色识别诊断 ⑥神经网络识别诊断
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第二节 故障诊断技术的发展与应用（掌握）
一、故障诊断的发展与应用概况
第一章 绪 论
• 设备故障是指“设备功能失常”，也就是设备不能达到预 期的工作状态，无法满足应有的性能、功能。产生故障的 原因通常是设备的构造处于不正常状态（劣化状态）。判 断故障的准则是：在给定的工作状态下，设备的功能与约 束条件不能满足正常运行或原设计期望的要求。
• 故障诊断技术是一门集数理统计、力学、计算机工程、信 号处理、模式识别、人工智能等多学科于一体的、生命力 旺盛的新兴学科。它是一种了解和掌握设备在使用过程中 的工作状态，确定其整体或者局部是否正常，及时发现故 障及其原因，预报故障发展趋势的技术。故障诊断的目的 是保证可靠地、高效地发挥设备的应有功能，其最根本的 任务是通过监测设备的信息来识别设备的工作状态。
• （2）从经济效益和社会效益角度考虑，尽管设备的故障诊断系统需 要一定的初始投资，但是对于大型设备来说，投资与一次设备故障的 损失相比要小得多。同时，故障诊断系统投入使用能够保证安全生产、 提高生产效率和产品质量，从而降低生产成本和维修费用，给企业带 来巨大的经济效益。例如，英国人1984年发表文章认为，对大型汽轮 发电机组进行振动监视，获利与投资之比为17:1。（实例：梨园矿提 升机）
表1-1 故障诊断方法分类
分类依据 诊断对象
诊断目的和要求
诊断手段（信号物理特性）
分类内容
①旋转机械故障诊断 ②往复机械故障诊断 ③机械零件故障诊断 ④工程结构故障诊断 ⑤电气设备故障诊断
①在线诊断和离线诊断 ②功能诊断和运行诊断 ③定期诊断和连续诊断 ④直接诊断和间接诊断 ⑤常规诊断和特殊诊断
①振动诊断 ②声学诊断 ③温度诊断 ④强度诊断 ⑤污染诊断
4．按故障持续时间分类 （1）间断性故障 （2）持续性故障
5．按故障的程度分类 （1）局部故障 （2）完全故障
6．按故障造成的后果分类 （1）一般故障 （2）轻微故障 （3）严重故障 （4）恶性故障
二、状态监测与故障诊断技术
状态监测与故障诊断的三个阶段：状态监测、分析诊断、 治理预防。
（1）状态监测。状态监测是在设备运行中，对特定的特 征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示、记录，是 对设备进行故障诊断的基础工作。
（2）分析诊断。分析诊断实际上包括两方面的内容：信 号分析处理、故障诊断。
信号分析处理的目的是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。分析处理可用专门的分析仪器或计算机进行。
图谱识别
设备 传感器 信号采集、数据显示 分析处理、状态识别 故障诊断、决策
1.国外故障诊断发展概况
设备的故障诊断自有工业生产以来就已经存在，不同的 时期故障诊断具有不同的特点。
在19世纪，设备的技术水平和复杂程度都很低，这一时 期主要采用事后维修方式；
进入20世纪后，设备的技术复杂程度有了提高，设备故 障或事故对 生产的影响显著增加，这样就出现了定期预防维 修方式，故障诊断技术处于孕育时期。故障诊断主要依靠人 工经验判断，缺乏自动监测技术。
（5）故障诊断方法的分类 诊断对象：旋转、往复、电气设备、机械零件、工程结构。 诊断目的和要求：在线和离线、功能和运行、定期和连续、间接和 直接、常规和特殊。 诊断手段：振动、声学、温度、强度 压力等。 诊断的完善程度：简易、精密、系统综合。 辨识故障模式：统计识别、函数识别、逻辑识别、模糊识别、灰色 识别、神经网络。
• （2）设备的成本和维修费用激剧增加。美、日两国企业 生产设备的年平均维修费用分别占企业固定资产的4%～ 8.5%和2.6%～12%，而我国的这个比例为12%～25%。
• 故障诊断技术的重要意义表现在以下三个方面：
• （1）从安全生产角度考虑，运用故障诊断技术可以快速、准确、及 时地诊断是否出现故障，以及故障的类型、原因和部位，还能够发现 设备的潜在危险，保证设备安全运行。（实例：赵固二矿风机）
巡回检测
运行维护
停机检修
治理预防
故障诊断是在状态监测与信号分析处理的基础上 进行的。故障诊断需要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，有时还需要进一步与某些故障特征参数（模 式）进行比较，以识别设备是运转正常还是存在故障。 若存在故障，则要诊断故障的性质和程度、产生原因 或发生部位，并预测设备的性能和故障发展趋势。
• （3）从生产管理和维修管理角度考虑，运用故障诊断技术能积累原 始资料、预测设备运行的趋势，为生产和维修决策提供强有力的支持。
第一节 故障诊断的基础知识（掌握）
一、故障的分类 1．按故障的性质分类 （1）人为故障 （2）自然故障 2．按故障产生的原因分类 （1）先天性故障 （2）使用性故障 3．按故障发展速度分类 （1）突发性故障 （2）渐进性故障
（3）治理预防。根据设备故障情况，治理预防措 施行巡回监测、监护运行、立即停机检修三种。
（4）设备状态监测与故障诊断的区别与联系。设备状态监测与故障 诊断既有区别又有联系，在生产实际中，有时又将二者统称为设备故障 诊断。实际上，没有监测就没有诊断，诊断是目的，监测是手段；监测 是诊断的基础和前提，诊断是监测的最终结果。
• （1）故障的危害程度增大。一旦某一部件发生故障，就 可能引起“链式反应”，导致整个生产系统不能正常运行， 从而造成巨大的经济损失，严重的设备故障还会造成灾难 性的事故和人员伤亡，产生不良的社会影响。例如，20世 纪80年代，对全国14个省45个矿务局112个矿井抽样调查， 因矿井提升机发生故障引起停工停产，甚至造成人员伤亡 的事故，共有126例，伤亡272人，经济损失达七千万元。