设备状态监测技术及应用

1、2021/3/261设备状态监测技术及应用2021/3/262交流与体会材料简述w一、设备状态监测及故障诊断w二、机械故障诊断w三、案例分析w四、状态监测及故障诊断技术意义、应用前景2021/3/263产生过程w大家知道,当前我国对设备的维护仍采用传统的计划、定期维修。而这种方式带有很大盲目性, 设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度难以准确把握。另外,由于良好部位的反复拆卸，机 械性能往往不理想，甚至低于检修前。而且，没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。 w早在1983年国家经委下达的国营公交设备管理试行条例中明确提出:“逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础

2、的预制维修体制”。1987年国务院正式颁布全民所有制工业交通企业设备管理条例，其中规定:“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术现代化水平”。w状态监测和故障诊断技术实质上是了解和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别、预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。2021/3/264w对设备的状态监测和故障诊断,实际上从设备诞生之日就已产生。当时人们摸、听、看机器的振动、温度、噪声等,凭借工匠的经验,判断机器某些故障并采取对策或者修复。原始的方法一直延续至今

3、,在现代工厂中，许多工人仍利用摸、听、看去判断机泵的状态。设备状态监测和故障诊断作为一门工程技术，是从二十世纪六十年代以后才发展起来的。最早起始于1961年美国开展的阿波罗登月计划，由于出现了一系列的设备故障，1967年在美国宇航局（NASA）倡导下，在美国海军研究室（ONR）主持成立了美国机械故障预防小组（MFPG），专门从事故障诊断技术的研究与开发。1971年该小组划归美国国家标准局领导，下设故障机理研究、检测诊断和预防技术、可靠性设计和材料耐久性评价四个小组。英国在60年代末70年代初也开始了这方面的工作。设备诊断技术在欧洲一些国家也有很大进展，如瑞典的SPM轴承监测技术、挪威的船舶监测

4、技术、丹麦的振动分析和声发射技术等。日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门开发应用设备诊断技术也发展很快。我国从七十年代末，在一些科研院所开展此项工作，近十几年来，设备诊断技术越来越受到高等院校、科研单位和企业的重视，并得到了长足的发展。2021/3/265w设备专业现状:1998年早先的“化工设备与机械”改名为“过程装备与控制工程”主要特点如下:1、过程装备,指与生产工艺即加工流程性材料紧密结合,有其独特的过程单元设备和工程技术,如混合工程、反应工程、分离工程及其设备等，与一般机械设备完全不同，有其独特之处。2、控制工程，指对过程装备及其系统的状态和工况进行监测、控制，以确保生产工艺有序稳定运

5、行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。3、过程装备与控制工程，指机、电、仪一体化连续的复杂系统，它需要长周期稳定运行，并且系统中的各组成部分（机泵、过程单元设备、管道、阀门、监测仪表、计算机系统等）均互相关联、互相作用和互相制约，任何一点发生故障都会影响整个系统，又由于加工的过程材料有些易燃易爆、有毒有害、高温高压等条件下进行，系统的安全可靠性十分重要。（石化行业、电力、乃至冶金等等）w决定了:1、设备专业要以机电工程为主并与工艺过程密切结合，创新单元工艺装备;2、与信息技术和知识工程密切结合，实现智能监控和机电一体化;3、不仅仅研究单一的设备和机器，而且更主要的是研究与过程生产融为一体的机

6、、电、仪连续复杂系统。w今后设备管理的一个重要内容就是过程中监控即对机、电、仪连续复杂系统进行状态监测与控制。w对于我们这样一个流程工业，真正搞好搞明白，想必各位都有感受，新装置的开工，出现大量这样那样故障，不仅仅是工艺、设备那么简单，还包括仪表、电器或一个复杂系统。2021/3/266设备状态监测与故障诊断w(一)现代设备维修的特点:w1.现代设备大型化、高速化、自动化程度越来越高,故障损失大;w2.高新技术的采用对现代设备的安全性、可靠性提出更高的要求;w3.延长设备运转周期的要求;w4.维修人员培养难度大。2021/3/267w（二）设备故障监测诊断的意义w(1)及时掌握设备运行状态w(

7、2)一旦发生事故,能自动记录故障过程,准确分析,“有的放矢”w(3)通过对异常状态分析，在线调整延长设备运转周期w(4)数据集累，了解设备性能，改进设计w(5)提高设备管理水平2021/3/268 w (三)设备诊断技术设备诊断技术包含两方面的工作内容,诊,即通过设备的状态监测获得准确的数据和资料,了解设备的运行状态;好似医务人员为了了解病人发病的原因、病状和现象，对病人进行各种检查和化验，以获得各种准确的数据。断，就是医生根据检查和化验结果进行的分析和判断，确定病人所患的疾病及严重程度。因此设备诊断技术包括设备监测技术和故障的识别判断技术。2021/3/269 1.1.诊断是现代设备维修工程

8、中关键一环诊断是现代设备维修工程中关键一环 故障故障: : 故障故障 失稳失稳 功能下降功能下降 损伤损伤征兆出现征兆出现 机器非正常运行机器非正常运行零部件功能、形态和结构改变以及对环境的适应性下降零部件功能、形态和结构改变以及对环境的适应性下降由干扰因素造成的损伤与设备抗损伤间的斗争由干扰因素造成的损伤与设备抗损伤间的斗争 初始的有序稳定被打破初始的有序稳定被打破 机器机器 干扰干扰 或或 内变内变2021/3/2610 w (四)设备诊断技术与维修设备诊断技术与维修通常叫状态监测维修,又叫预知维修,它是把状态监测技术与计划修理结合起来,从而保证修理计划准确合理，使修理与生产达到最佳平衡，

9、设备的时间可利用率为最高。2021/3/2611 w (五)预知维修的具体收益（1）提高设备运转的安全性 设备诊断发现潜在缺陷,在设备运转到临近故障出现、影响生产以前安排修理,就可以防止故障发生。尤其是当故障危及人身安全和污染环境时,在故障发生前就进行检修，就具有更大的意义了。 （2）提高设备的时间可利用率 采用设备诊断技术，可以有把握地延长按理论推算的检修间隔时间，从而减少了修理次数。另外，由于事先已掌握设备故障的性质，就可以提前拟议处理方案、措施，做好人力、物力的准备，减少了设备修理的停歇时间。（3）减少停机生产损失 由于设备诊断技术设备参数、性能变化的全过程和故障发展的始末，对于研究对策

10、，制定检验方法，改进设计提供可靠的资料。2021/3/2612实施设备诊断工程的措施和效果号序措 施效 果1早期探测故障征兆，及时报警采取应急对策杜绝事故，减少故障停机损失和非计划停机检修2长期监测机器状态、工况，据此安排检修计划实行状态检修，减少检修次数，缩短检修时间3探测出机器异常原因、缺陷部位，尽早确定检修项目，超前准备防止过剩维修，减少停车检修中的等待时间，减少备件、备台储备4改进装备，消除瓶颈，提高系统可靠度和功能可利用性延长装置的运转周期5监测异常工艺参数，及时调整指导优化操作，节能降耗6据监测诊断资料，对在用装备评价指导装备选型、采购和设计改进2021/3/2613（六）故障诊断

11、和医学诊断w2021/3/2614检 测检测的益处检测的益处不出事故的可靠装置连续运行产生的卓越竞争力正常的可行性水平良好的设计与建设良好的操作良好的维修保证较长的设备寿命安全清洁的工厂可靠性水平可靠性水平益处益处2021/3/2615检 测检测的目的检测的目的可靠性可靠性连续性连续性安全性安全性火灾火灾爆炸爆炸检测检测检测将保证装置的可靠性、连续性和安全性2021/3/2616 SK SK 检测的发展检测的发展数据库建立和RBI的引进采用最佳的成本和人力资源达到世界最好的可靠性水平已建立了检测基础架构检测数量增加故障减少成本仍然较高,效果不明显开始建立检测标准对关键设备进行有计划的检测没有系

12、统的工具或数据库依赖于每一项内容的检测历史记录故障或事故后的检测没有形成标准或准则故障频繁发生198019902000故障故障维修维修在线在线检测检测预测性预测性检测检测基于风险的基于风险的检测检测2021/3/2617回转机械故障来源及主要原因回转机械故障来源及主要原因故障来源主要原因设计、制造1设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动2结构不合理，有应力集中3工作转速接近或落入临界转速区4运行点接近或落入非稳定区5零部件加工或制造不良，精度不够6零件材质不良，强度不够，有制造缺陷7转子动平衡不符合技术要求安装、维修1机器安装不当，零部件错位，预负荷大2轴系对中不良（考虑轴系热态

13、下的对中补偿量有偏差）3机器的几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）4管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度5转子长期放置不当，破坏了动平衡精度6安装或维修过程中破坏了机器原有的配合性质和精度运行操作1机器在非设计状态下运行（如超速、超负荷或低负荷运行），改变了机器的工作特性2润滑或冷却不良3回转体局部损坏或结垢4工艺参数（如介质温度、压力、流量、负荷等）不当，机器运行失稳5起动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀，或在临界区停留时间长机器劣化1长期运行，转子挠度增大2回转体局部损坏、脱落或产生裂纹3零部件磨损、冲刷、点蚀或腐蚀等4配合面受力劣化，产生过盈不足或松

14、动现象，破坏了配合性质和精度5机器基础沉降不均匀，壳体变形等等2021/3/2618(九)故障诊断技术的内容2021/3/2619 w1.信号采集:设备运行中必须会有力、热、电、振动及能量等各种量变化,产生不同的信息,不同的传感器的拾取。w2.信号处理:对采集的信号分类处理、加工,获得能表征机器特征的过程。w3.状态识别:把信号处理得的特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较和比对，确定设备所处的状态。w4.诊断决策:根据设备的状态判断决定应采取的对策和措施 。2021/3/2620(十)转动设备的状态监测和故障诊断简述w1.转子系统2021/3/2621 w基本组成:转子、油膜、轴承、汽封

15、w运动方程2021/3/2622 2 2 诊断诊断由果求因的逆过程由果求因的逆过程 振动是表征机器运行状态最敏感的征兆参数。其振动是表征机器运行状态最敏感的征兆参数。其响应、激励和系统动力特性三者之间关系为响应、激励和系统动力特性三者之间关系为: : X = X = Z Z()()-1-1 F F其中其中, , Z Z()=(k-()=(k-2 2m)+jc m)+jc 为动力系统的特征矩阵为动力系统的特征矩阵或称阻抗矩阵。或称阻抗矩阵。振动故障的诊断就是由响应（征兆参数）探求故振动故障的诊断就是由响应（征兆参数）探求故障原因外因激励和内因刚度、阻尼、质量变化障原因外因激励和内因刚度、阻尼、质

16、量变化的逆过程。的逆过程。2021/3/2623 征兆参数和故障原因并非一一对应关系征兆参数和故障原因并非一一对应关系, ,是多果（征兆参数）是多果（征兆参数）和多因（故障原因）的复杂对应关系。和多因（故障原因）的复杂对应关系。 征兆谱征兆谱 原因谱原因谱 S S=S1,S2,- Sn R=R1,R2- Rm 图图2 2 诊断诊断-逆过程逆过程系统动力特性系统动力特性刚度、阻尼、质量刚度、阻尼、质量响应响应振幅、频率、相位振幅、频率、相位激励激励故障诊断故障诊断外因外因内因内因2021/3/2624 w3.轴心运动轨迹wa转速低时轨迹回位wb转速高时轴颈不回原位,涡动wc振荡、失稳2021/3

17、/2625振动频率大小的分类振动类型频率范围故障实例低频振动工频5倍以下 转子故障如不平衡、不对中、轴弯曲、松动、油膜振荡中频振动1kHz左右齿轮振动高频振动1kHz滚动轴承损伤2021/3/2626 w 2021/3/26274、测振动传感器w1.电动式速度传感器:测量的是机器相对地面的绝对运动。w优点:灵敏度高,输出阻抗低,稳定性好,信噪比高，使用简单方便。w缺点:体积大，寿命短。10500Hz2021/3/2628 w2压电式加速传感器w优点:体积小,频率范围宽(210000Hz)测量范围宽。w适合冲击振动测量,不适合低频测量。2021/3/2629 w3电涡流式传感器w优点:非接触、灵

18、敏度高、线性范围大、频率范围宽(DC10KHz)、结构尺寸小、抗干扰能力强且不受介质影响等。w测量是相对运动2021/3/2630w振动监测参数与标准振动监测参数与标准w旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断评价标准执行“ISO10816/3机械振动/在非旋转部件上测量和评价机器振动/第三部分:额定功率大于15KW和额定转速在120至15000r/min在现场测量的工业机器” 2021/3/2631标 准振动烈度范围振动烈度评定等级备注分级范围mm/sI1振动速度的测试应在10-1000Hz的频段内0.28AAAA2机械类型：I：小型转机如15KW以下电机：安装在刚性基础上的中型转机，功率300KW

19、以下：大型转机，机器-支撑系统为刚性系统：大型转机，机器-支撑系统为挠性支撑状态。0.450.711.12B1.8B2.8CB4.5CB7.1DC3振动等级表：A区：新交付使用的机器应达到的状态或优良状态B区：机器可以长期运行或合格状态C区：机器尚可短期运行但必须采取相应补救措施，或不合格状态D区：不允许状态11.2DC18D28D45712021/3/2632案例分析2021/3/2633动力车间锅炉上水泵分析w故障特点:锅炉上水泵极易产生气蚀+冲蚀,造成叶轮的损坏,进而引起较高的振动。频谱反应为初期具有明显的高次谐频及叶轮的通过频率,末期反应为转子不平衡故障。 2021/3/26342021/3/2635典型的不对中故障w动力车间J-602故障分析w该泵联轴器为注销式连接,属硬连接,吸振能力较差w下图:对中不良时频谱图,明显的2X分量2021/3/2636下图:重新对中后的频谱图2021/3/2637基础松动案例w故障特征描述:泵侧振动较大,但较稳定;频谱信号显示明显的1X。w故障分析:1、转子动平衡不好;2、泵支撑刚度较差。w措施:监测是发现泵支撑连接螺栓松动,导致支撑刚度下降,经把紧螺栓后，振动明显好转。泵侧垂直方向振动由4.24mm/sec降到2.75mm/sec，水平方向振动由4.85mm/sec降到3.69mm/sec。 w下图：把紧螺栓前泵侧垂直方向振动