《机械设备状态监测与故障诊断》课件

1、课程简介课程简介 课程介绍课程介绍机械状态监测与故障诊断机械状态监测与故障诊断的的理论基础知识和工程应用技术理论基础知识和工程应用技术 阐述典型机械故障阐述典型机械故障类型类型、机理机理、特征特征及及防治措施防治措施 重点介绍重点介绍旋转机械旋转机械和和往复机械往复机械的的典型故障机理典型故障机理与与诊断防治技术诊断防治技术 通过机械设备故障诊断的典型事例通过机械设备故障诊断的典型事例 了解机械设备状态监测与故障诊断技术的了解机械设备状态监测与故障诊断技术的 工程应用现状工程应用现状和和理论技术进展理论技术进展 课程内容涉及课程内容涉及新兴科技学科新兴科技学科和和现代先进技术现代先进技术 通过

2、学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的通过学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的 基本原理基本原理、实施技术实施技术和和应用现状应用现状 了解现代故障诊断技术的了解现代故障诊断技术的发展前景发展前景 具备机械状态监测与故障诊断的具备机械状态监测与故障诊断的基本技能基本技能 学习本课程应具备学习本课程应具备工程力学工程力学、电工电子学电工电子学、工程流体力学工程流体力学和和 化工过程流体机械化工过程流体机械等等理论基础理论基础和和工程技术工程技术 了解了解机械学机械学、力学力学、电工电子学电工电子学、计算机技术计算机技术等方面的等方面的 理论基础知识理论基础知识和和工程应用技术工程应

3、用技术 推荐学习推荐学习机械振动机械振动、信号处理信号处理等工程技术知识等工程技术知识 课程内容课程内容 1 概论概论 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型和状态监测技术 1.3 设备故障状态的识别方法设备故障状态的识别方法2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 3 旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 3.3 滑动

4、轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.4 转子摩擦故障诊断转子摩擦故障诊断 3.5 浮动环密封故障诊断浮动环密封故障诊断 3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断叶片式机器中流体激振故障诊断 3.7 高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法 4 往复式压缩机的故障分析和管道振动往复式压缩机的故障分析和管道振动 4.1 往复式压缩机的故障类型与故障原因往复式压缩机的故障类型与故障原因 4.2 示功图及阀片运动规律的测量与故障分析示功图及阀片运动规律的测量与故障分析 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动压缩机的气流压力脉动与管道振动1 概述概述 1.1 设备故障诊

5、断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的含义和特性 1. 设备故障诊断的含义设备故障诊断的含义 应用现代测试技术、诊断理论方法应用现代测试技术、诊断理论方法 识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度 根据诊断结论，确定设备维修方案和防范措施根据诊断结论，确定设备维修方案和防范措施 设备故障：设备故障：设备丧失工作效能程度，设备丧失规定性能状态设备丧失工作效能程度，设备丧失规定性能状态 诊诊 断：断：用测试分析技术和故障识别方法用测试分析技术和故障识别方法 确定故障性质、程度、类别和部位，研究故障机理的学科确定

6、故障性质、程度、类别和部位，研究故障机理的学科 诊断内容诊断内容（三部分）：（三部分）： 一、信号采集一、信号采集（状态监测）（状态监测）：利用传感器和监测仪表，获取设备运行信息利用传感器和监测仪表，获取设备运行信息 信号分析处理，提取设备特征信息信号分析处理，提取设备特征信息 二、故障诊断：二、故障诊断：获取特征参数，识别信息特征获取特征参数，识别信息特征 利用专家知识经验，类似医生诊断疾病利用专家知识经验，类似医生诊断疾病 诊断设备故障类型、故障部位、故障程度诊断设备故障类型、故障部位、故障程度 和产生故障的原因和产生故障的原因 三、诊断决策：三、诊断决策：根据诊断结论，采取控制、治理和预

7、防措施的决策根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施的决策 设备故障诊断包含三部分内容和实施过程设备故障诊断包含三部分内容和实施过程1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性设备故障诊断的特性（1）多样性）多样性 化工过程装置化工过程装置 静设备静设备：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等 动设备动设备：如旋转机器和往复机器等：如旋转机器和往复机器等 设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差异设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差

8、异 使用环境不同，产生各种故障使用环境不同，产生各种故障 如如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机离心式、轴流式压缩机、烟气轮机： 工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障 高速旋转机器高速旋转机器： 轴承油膜不稳定，转子不对中轴承油膜不稳定，转子不对中 高速高压旋转机器高速高压旋转机器： 流体激振，转子自激振动流体激振，转子自激振动 往复式压缩机往复式压缩机： 管道振动故障，零件磨损、变形、断裂管道振动故障，零件磨损、变形、断裂 高压容器高压容器： 裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏1 概述概述 1.1

9、设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.1 设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性设备故障诊断的特性（2）层次性）层次性 设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性（3）多因素和相关性）多因素和相关性 设备故障因相互关系产生多因素和相关性设备故障因相互关系产生多因素和相关性（4）延时性）延时性 故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性（5）不确定性）不确定性（模糊性）（模糊性） 故障频度、表现形式、特征差

10、异、机理复杂故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展设备故障诊断技术的应用与发展 1. 应用应用 现代化企业现代化企业生产水平生产水平和和经济效益经济效益提高，提高，发展规模发展规模化和高化和高技术技术含量含量 生产装置生产装置大型化大型化、高速、高速高效化高效化、自动化自动化和和连续化连续化 设备要求设备要求性能好性能好，效率高效率高，少故障少故障。否则故障。否则故障损失巨大损失巨大 如如石油化工大型机组石油化工大型机组（离心离心、轴流压缩机轴流压缩机，烟气轮机烟气轮机，汽轮机汽轮机

11、，风机风机和和机泵机泵） 单机单机、满负荷满负荷关键设备，故障停机导致停产损失惨重关键设备，故障停机导致停产损失惨重 大型炼油装置大型炼油装置，化肥装置化肥装置，乙烯装置乙烯装置停产一天损失数百万停产一天损失数百万 电力部门电力部门 300 MW发电机组发电机组停机一天少发电停机一天少发电 720 万度损失数千万元万度损失数千万元 中国中国 19771987 年投产年投产 67 个个大化肥厂大化肥厂，机组故障停机，机组故障停机 两年损失相当一个两年损失相当一个大化肥厂大化肥厂全年产量（全年产量（30 万吨万吨合成氨合成氨，48 万吨万吨尿素尿素） 高技术大型化高技术大型化设备，故障重大设备，故

12、障重大灾难性事故灾难性事故，经济损失经济损失惨重，严重惨重，严重政治影响政治影响 美国美国三里岛核电站三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联放射性物质外逸，前苏联切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站爆炸爆炸 印度印度博帕尔市农药厂博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏异氰酸甲醋毒气泄漏 美国美国 1986、2003 年年 “挑战者挑战者” 号和号和 “哥伦比亚哥伦比亚” 号号航天飞机航天飞机失事失事 中国中国 1980 年代年代 200 MW 汽轮发电机组汽轮发电机组事故事故 机组剧烈机组剧烈振动振动，转子断，转子断 7 段，段，联轴节联轴节飞出厂房，机组彻底破坏飞出厂房，机组彻底破坏 大化肥大化肥合成气压

13、缩机合成气压缩机强烈振动，振因复杂，停产强烈振动，振因复杂，停产 2 月损失亿元月损失亿元 中国中国 20 世纪世纪 70 年代开始应用年代开始应用1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展设备故障诊断技术的应用与发展 2. 发展发展 19 世纪：世纪：事后维修事后维修；20 世纪初世纪初 50 年代：年代：定期维修定期维修，孕育时期，孕育时期 20 世纪世纪 6070 年代：年代：设备设备状态维修状态维修。计算机技术、数据处理技术发展。计算机技术、数据处理技术发展 20 世纪世纪 80 年代以后：年代以后：诊断智能诊断智能

14、化。人工智能、专家系统、神经网络发展化。人工智能、专家系统、神经网络发展 国内国内 20 世纪世纪 80 年代初开始年代初开始 高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用 大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法研究大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法研究 如如数据采集数据采集，信号处理信号处理，故障特征故障特征、模式识别模式识别及及人工智能人工智能等等 诊断诊断涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展 如如故障机理研究故障机理研究推动推动转子动力学转子动力学、结构动力学结

15、构动力学和和模态分析技术模态分析技术的发展的发展 故障诊断方法研究故障诊断方法研究推动推动振动工程振动工程应用应用 模式识别模式识别，模糊数学模糊数学、人工智能人工智能等数学物理方法应用和发展等数学物理方法应用和发展 状态监测技术状态监测技术推动推动测试技术测试技术、信号分析处理技术信号分析处理技术 和和网络传输技术网络传输技术的发展的发展 故障控制故障控制推动推动振动噪声控制振动噪声控制理论研究与发展理论研究与发展 设备故障评判设备故障评判结合结合故障诊断技术故障诊断技术 与与可靠性分析技术可靠性分析技术、失效分析技术失效分析技术1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目

16、的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系 定期维修定期维修（计划维修）：（计划维修）： 设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划 确定修理类别、间隔、内容及要求。分确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修大修和和项项（目）（目）修修 适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备 缺点：缺点：检修量大检修量大耗时耗费；要求耗时耗费；要求精密机械精密机械，过多，过多拆卸拆卸人为故障人为故障 备品备品备件备

17、件种类多，检修种类多，检修费用费用大大 技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种预防性维修预防性维修方式方式 即设备运行时进行即设备运行时进行状态监测状态监测，掌握技术状况，掌握技术状况 对将形成或已形成对将形成或已形成故障分析故障分析诊断，判定设备诊断，判定设备劣化程度劣化程度和和部位部位 故障前制订故障前制订预知性维修预知性维修计划，确定设备修理计划，确定设备修理内容内容和和时间时间 即为基于即为基于状态监测状态监测为基础的维修，最为基础的维修，最经济合理经济合理方式，又称方式，又称预知性维修预知性维修 预知性维修预知性维修（状态监测维修）：（状态监

18、测维修）： 测知设备测知设备状态参数状态参数，了解，了解设备现状设备现状，判断，判断故障类型故障类型、性质和程度性质和程度 推测推测发展趋势发展趋势，确定最佳，确定最佳维修时机维修时机，依据设备，依据设备实际状态实际状态 以以设备故障诊断设备故障诊断为基础的先进维修方式为基础的先进维修方式 优点：优点：减少减少突发性事故突发性事故；减少；减少停机时间停机时间；延长；延长检修周期检修周期 延长设备延长设备使用寿命使用寿命；节约；节约维修费用维修费用1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系表

19、表 1-2 三种维修制度比较三种维修制度比较 工业发达国家经验工业发达国家经验 90 设备要求设备要求预知性维修预知性维修 10 设备需要设备需要定期维修定期维修维修方式维修方式内容比较内容比较使用对象使用对象事后维修事后维修（故障维修）（故障维修） 设备出现故障或性能精度下降到设备出现故障或性能精度下降到合格水平以下，无法继续使用时维修合格水平以下，无法继续使用时维修 设备结构简单，修理容易，获得修设备结构简单，修理容易，获得修理配件，故障停机不对生产造成损失，理配件，故障停机不对生产造成损失，一般均设有备机一般均设有备机定期维修定期维修（计划维修）（计划维修） 按磨损规律和故障概率得出维修

20、按磨损规律和故障概率得出维修周期，根据计划定期维修。设备大修周期，根据计划定期维修。设备大修解体检查，更换或修理零部件解体检查，更换或修理零部件 单机连续运行设备，掌握磨损规律单机连续运行设备，掌握磨损规律和故障概率。关键设备和零部件，分析和故障概率。关键设备和零部件，分析计算使用周期，确保设备安全运行计算使用周期，确保设备安全运行状态监测维修状态监测维修（预知性维修）（预知性维修） 根据设备运行状态监测信息，判根据设备运行状态监测信息，判断设备故障程度和发展趋势，提出最断设备故障程度和发展趋势，提出最佳维修时间和部位佳维修时间和部位 单机连续运行大型机组和重大设备，单机连续运行大型机组和重大

21、设备，停机损失巨大，不宜解体检查高精度设停机损失巨大，不宜解体检查高精度设备，故障引起公害设备。具备状态监测备，故障引起公害设备。具备状态监测与故障诊断条件与故障诊断条件1 概述概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义设备故障诊断的目的和意义 1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系设备故障诊断技术与维修方式的关系 五体制五体制（维修体制）：（主要为带（维修体制）：（主要为带 号的三种维修体制）号的三种维修体制） 事后维修事后维修 BM（Break-down Maintenance）：）： 故障故障（后）（后）维修维修。适用于非重点或备用设备维修，传统维修方式。适用于非重点或备用设备维修，传

22、统维修方式 定期维修定期维修 TBM（Tim-Based Maintenance）：）： 属属预防维修预防维修，即，即计划维修计划维修 根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划 适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式 状态维修状态维修 CBM（Condition-Based Maintenance）：）： 属属预防维修预防维修，即，即预知维修预知维修 日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修

23、 适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式 改善维修改善维修 CM（Corrective Maintenance）：）： 改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式 视情维修视情维修 OM（On-condition Maintenance）：）： 属属预防维修预防维修。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限 适用于非重要零部件，认为有必要才进行维修的维修方式适用于非重要零部件，认为有必要才进行维修的维修方式1 概述概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故

24、障的类型和状态监测技术 1.2.1 设备故障的类型及其可能原因设备故障的类型及其可能原因 结构损伤性故障：结构损伤性故障：设备结构内外缺陷和损伤设备结构内外缺陷和损伤 裂纹：裂纹：能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起 磨损：磨损：运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等 腐蚀：腐蚀：化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀 变形：变形：设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力

25、流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因 断裂：断裂：负荷过大，局部应力集中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳负荷过大，局部应力集中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳 剥落和烧伤：剥落和烧伤：零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大 运动状态劣化性故障：运动状态劣化性故障： （1）机械位置不良：）机械位置不良：转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定 热态变形、零件松动热态变形、零件松动 （2）刚性不足：）刚性不足：支承基础刚性、转子刚性支承基础刚性、转子刚性 （

26、3）摩擦：）摩擦：转子定子干摩擦、轴件内摩擦转子定子干摩擦、轴件内摩擦 （4）流体激振：）流体激振：压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀 滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振 （5）非线性的谐波共振：）非线性的谐波共振：零件松动、流体间隙激励、摩擦等零件松动、流体间隙激励、摩擦等1 概述概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型和状态监测技术 1.2.2 设备故障诊断的功能和环节设备故障诊断的功能和环节 1. 功能功能 检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态检测评价设备运动、缺陷、磨

27、损、劣化和故障状态 确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势 预测设备可靠性程度预测设备可靠性程度 确定故障来源，提出整改措施确定故障来源，提出整改措施 2. 环节环节 信号采集信号采集 传感器（人体感觉器官）采集设备运行参数传感器（人体感觉器官）采集设备运行参数 反映设备故障特性反映设备故障特性 信号处理信号处理 分析仪器加工处理采集信息，提取特征信息分析仪器加工处理采集信息，提取特征信息 反映故障状态、性质、类型和程度反映故障状态、性质、类型和程度 故障诊断故障诊断 人的知识经验或诊断技术方法人的知识经验或诊断技术方法 分析诊断故障原因分析诊

28、断故障原因 确定故障类型和发生部位确定故障类型和发生部位 防治控制防治控制 确定故障提出控制方案或预防治理措施确定故障提出控制方案或预防治理措施1 概述概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型和状态监测技术 1.2.2设设备备故故障障诊诊断断的的功功能能和和环环节节2.环环节节 1 概述概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术设备故障的类型和状态监测技术 1.2.3 状态监测的技术和方法状态监测的技术和方法 振动信号监测诊断技术：振动信号监测诊断技术： 振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析 声信号

29、监测诊断技术：声信号监测诊断技术： 噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术 温度信号监测诊断技术：温度信号监测诊断技术： 温度直接测量技术、热红外分析技术温度直接测量技术、热红外分析技术 润滑油的分析诊断技术：润滑油的分析诊断技术： 油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术 和光谱分析技术和光谱分析技术 其他无损检测诊断技术：其他无损检测诊断技术： 超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术 包括磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测包括磁粉探

30、伤、表面渗透、电涡流检测 光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术1 概述概述 1.3 设备故障状态的识别方法设备故障状态的识别方法 1.3.1 信息比较诊断法信息比较诊断法 采集存储振动采集存储振动幅值幅值、频率频率、相位相位、转速转速、位移位移、模态模态、温度温度、压力压力 流量流量等参数信息，建立等参数信息，建立数据库数据库，趋势分析比较等，趋势分析比较等1.3.2 参数变化诊断法参数变化诊断法 改变改变操作参数操作参数，测量分析参数变化，测量分析参数变化信号特征信号特征 结合参数结合参数门槛值门槛值（闭值），观察机器故障有关因素（闭值），观察

31、机器故障有关因素1.3.3 模拟试验诊断法模拟试验诊断法 模拟试验，研究未知或不确定的模拟试验，研究未知或不确定的故障机理故障机理和和特征特征，解答故障，解答故障原因原因 提出故障提出故障特征参数特征参数及参数间及参数间定量关系定量关系等等 注意模型与对象注意模型与对象相似条件相似条件1.3.4 函数诊断法函数诊断法 故障故障征兆征兆和和原因原因间存在间存在函数关系函数关系，计算设备，计算设备运行参数运行参数 预测预测或或识别识别设备故障设备故障1.3.5 故障树分析诊断法故障树分析诊断法（Fault Tree Analysis，FTA法）法） 以系统不希望故障状态出发（以系统不希望故障状态出

32、发（顶事件顶事件） 按照逻辑关系总体到部件逐级细化，推理分析故障原因按照逻辑关系总体到部件逐级细化，推理分析故障原因 确定故障最初原因、影响程度和发生概率（确定故障最初原因、影响程度和发生概率（底事件底事件）1 概述概述 1.3 设备故障状态的识别方法设备故障状态的识别方法 1.3.6 模糊诊断法模糊诊断法 确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度 建立模糊关系矩阵、模糊综合评判建立模糊关系矩阵、模糊综合评判1.3.7 神经网络诊断法神经网络诊断法 基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用 人工神经网络人工神经

33、网络基本组成基本组成：神经元、神经元间连接、神经网络结构：神经元、神经元间连接、神经网络结构 神经网络神经网络诊断方法诊断方法：自学习功能、结合模糊诊断：自学习功能、结合模糊诊断1.3.8 结论结论 设备故障诊断技术成功设备故障诊断技术成功条件条件 （1）足够有用的信息）足够有用的信息 诊断决策依据诊断决策依据 （2）多方面诊断知识）多方面诊断知识 设备工作原理、结构特点、故障机理设备工作原理、结构特点、故障机理 结构动力学、转子动力学和流体力学知识结构动力学、转子动力学和流体力学知识 测试技术和信号分析处理方法测试技术和信号分析处理方法2.1.1 信号的定义和分类信号的定义和分类 1. 信号

34、的定义信号的定义 信号：信号：表征客观事物状态或行为信息的载体表征客观事物状态或行为信息的载体 （物理物理）能量变化过程，（）能量变化过程，（数学数学）函数或图形，）函数或图形，变量变量随时间或空间变化随时间或空间变化 2. 信号的分类信号的分类（动态信号）（动态信号）2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识动态信号确定性信号非确定性信号周期信号简谐信号复杂周期信号非周期信号准周期信号一般非周期信号平稳随机信号非平稳随机信号各态历经信号非各态历经信号2.1.1 信号的定义和分类信号的定义和分类 2. 信号的分类信号的分类（1）确定性信号与非确定

35、性信号）确定性信号与非确定性信号 确定性信号：确定性信号：数学关系式、图或表描述数学关系式、图或表描述 反之为反之为非确定性信号非确定性信号或或随机信号随机信号（2）连续信号和离散信号）连续信号和离散信号 连续时间信号连续时间信号：任意时刻存在给出确定函数值：任意时刻存在给出确定函数值 正弦、直流、阶跃、锯齿、矩形脉冲、截断信号等正弦、直流、阶跃、锯齿、矩形脉冲、截断信号等 （3）能量信号和功率信号）能量信号和功率信号（4）时限与频限信号）时限与频限信号 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.1.2 信号的时域分析信号的时域分析 1. 时

36、域分解时域分解（1）直流分量和交流分量）直流分量和交流分量 信号信号 x(t) 直流分量直流分量 xD(t) 交流分量交流分量 xA(t) 直流分量直流分量： （稳态分量）（稳态分量） 信号平均值信号平均值 交流分量交流分量： 可能包含可能包含 信号频率信号频率 相位信息或相位信息或 随机噪声随机噪声（2）脉冲分量）脉冲分量 信号信号 x(t) 多脉冲分量之和多脉冲分量之和 矩形窄脉冲之和矩形窄脉冲之和 阶跃函数叠加等阶跃函数叠加等2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.1.2 信号的时域分析信号的时域分析 1. 时域分解时域分解（3）实部

37、分量和虚部分量）实部分量和虚部分量 简谐信号简谐信号 复函数复函数表达式：表达式： 复平面旋转矢量复平面旋转矢量 实部实部： t 时刻信号时刻信号幅值幅值 虚部虚部： t 时刻信号时刻信号相位相位（4）正交函数分量）正交函数分量 信号信号 x(t) 用用正交函数集正交函数集 xi (t )（i 1，2，n）表示表示 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识)()(tiAetx 实部实部：t 时刻信号时刻信号幅值幅值 虚部虚部：t 时刻信号时刻信号相位相位 2.1.2 信号的时域分析信号的时域分析 2. 信号的时域统计信号的时域统计（1）均值）均

38、值x 。集合。集合平均值平均值或或数学期望值数学期望值，信号，信号直流分量直流分量（2）均方值）均方值 Ex2(t)。平均功率平均功率x2(t) ，平方根，平方根x(t) 称称有效值有效值或或均方根值均方根值 信号幅值量纲，反映确定性信号强度的时域参数信号幅值量纲，反映确定性信号强度的时域参数 （3）方差）方差x2 。信号。信号 x(t) 相对均值偏离度，反映信号分散程度相对均值偏离度，反映信号分散程度 x 称称均方差均方差或或标准差标准差 均方值均方值x2、方差方差x2、均值方均值方x2 关系：关系：2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识T

39、TxdttxTtxE0)(1lim)(TTxdttxTtxEt0222)(1lim)()(TxTxdttxTtxEtxEt0222)(1lim)()()(222xxx2.1.2 信号的时域分析信号的时域分析 3. 时域相关分析时域相关分析（1）相关概念）相关概念 相关相关：客观事物变化量之间相依关系：客观事物变化量之间相依关系 相关系数相关系数xy ：两随机变量：两随机变量 x 和和 y 间间线性相关线性相关程度，程度，xy 范围范围 1xy 1 接近接近 1 表示两变量表示两变量线性相关线性相关强强；接近；接近 0 表明两变量表明两变量线性相关线性相关弱弱 （2）相关函数）相关函数 两随机变

40、量两随机变量 x(t) 与与 y(t) 间间时差时差，相关函数相关函数 Rxy ： 互相关函数互相关函数：Rxy( ) 或或 Ryx( )；自相关函数自相关函数 Rxx( ) 或或 Rx( ) 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识dttytxRxy)()()(2.1.2 信号的时域分析信号的时域分析 3. 时域相关分析时域相关分析（3）相关分析的工程应用）相关分析的工程应用 输油管道泄漏点信号互相关分析输油管道泄漏点信号互相关分析 互相关值最大处延时互相关值最大处延时0 ，即信号到达两传感器时间差，确定泄漏点位置，即信号到达两传感器时间差，

41、确定泄漏点位置 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.1.3 信号的频域分析信号的频域分析 频谱分析频谱分析：信号：信号时域时域描述（时间变量）傅里叶变换为描述（时间变量）傅里叶变换为频域频域描述（频率变量）描述（频率变量） 幅值幅值表示表示幅值谱幅值谱，相位相位表示表示相位谱相位谱，能量能量表示表示功率谱功率谱 1. 周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱 周期函数周期函数展开成展开成傅里叶级数傅里叶级数 式中：式中：T 周期；周期；a0 静态分量；静态分量；an 余弦项振幅；余弦项振幅；bn 正弦项振幅正弦项

42、振幅 幅值谱幅值谱：An 关系；关系；相位谱相位谱：n 关系；关系；功率谱功率谱：An2 关系关系 幅值谱性质：幅值谱性质： 谐波性谐波性：周期信号各谐波频率比为有理数，基频整数倍谐波信号：周期信号各谐波频率比为有理数，基频整数倍谐波信号 离散性离散性：幅值谱为离散谱线：幅值谱为离散谱线 收敛性收敛性：各谐波分量随频率增加而衰减：各谐波分量随频率增加而衰减2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识, 2, 1)cos(2)sincos(2)()(1001000ntnAatnbtnaanTtxtxnnnnnn22nnnbaAnnnbaarctan2

43、.1.3 信号的频域分析信号的频域分析 1. 周期信号的周期信号的 幅值谱、相位谱、功率谱幅值谱、相位谱、功率谱 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.1.3 信号的频域分析信号的频域分析 2. 非周期信号的傅里叶变换非周期信号的傅里叶变换 非周期信号非周期信号不能用傅里叶级数展开不能用傅里叶级数展开 采用采用傅里叶变换傅里叶变换，时域，时域 x(t) 与傅里叶变换与傅里叶变换 X ( ) 构成构成变换偶变换偶 3. 周期信号的傅里叶变换周期信号的傅里叶变换 4. 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换离散傅里叶变换和快速傅里叶变换 离散傅里叶变

44、换离散傅里叶变换 DFT（Discrete Fourier Transform） 特点：特点：DFT 算法算法计算量计算量太大。太大。采样点采样点 N 1000 计算约需计算约需 200 万次万次 快速傅里叶变换快速傅里叶变换 FFT（Fast Fourier Transform）：）： 1965 年库利年库利 J.W.Cooley、图基、图基 J.W.Tukey 提出，信号分析新时代提出，信号分析新时代 采样点采样点 N 1000 的离散信号，的离散信号，FFT 算法计算仅约需算法计算仅约需 1.5 万次万次 5. 随机信号的功率谱密度随机信号的功率谱密度 自功率谱密度自功率谱密度 Sx()

45、 功率谱密度功率谱密度 Sx( )与与自相关函数自相关函数 Rx( )是是傅里叶变换偶对傅里叶变换偶对 通过通过自相关函数自相关函数傅里叶变换可得到傅里叶变换可得到功率谱密度函数功率谱密度函数 互功率谱密度互功率谱密度 Sxy() 与与互相关函数互相关函数 Rxy() 构成构成傅里叶变换偶对傅里叶变换偶对 6. 相干函数与频率响应函数相干函数与频率响应函数2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.1.3 信号的频域分析信号的频域分析 总结：总结： . 信号信号可在可在时间域时间域 x(t) 或或频谱域频谱域 X(f) 展开，展开，x(t) 和

46、和 X(f) 为同函数不同表达形式为同函数不同表达形式 . x(t) 和和 X(f) 的的自变量自变量（横坐标）参数不同（横坐标）参数不同 时间参数时间参数 t、；频率参数；频率参数、f ， = 2 f ，判断判断时域时域函数或函数或频域频域函数函数 . 幅频谱幅频谱和和相位谱相位谱物理意义不同，注意区别物理意义不同，注意区别 . 离散离散频谱和频谱和连续连续频谱分别对应频谱分别对应周期周期函数和函数和非周期非周期函数函数 也有更复杂的函数（也有更复杂的函数（离散性离散性和和连续性连续性结合）结合） . 应用应用复变复变（复指数）函数简化频谱表达式（复指数）函数简化频谱表达式 将将幅值谱幅值谱

47、（实变量）和（实变量）和相位谱相位谱（虚变量）结合（虚变量）结合 . 离散离散频谱由不同频谱由不同谐波谐波成分组成成分组成 其中前几阶其中前几阶低频低频频谱或数值较大频谱，反映频谱的特性（特征）频谱或数值较大频谱，反映频谱的特性（特征） . 工程上常用工程上常用频谱分析仪频谱分析仪直接测取直接测取频谱频谱或或采集数据采集数据 FFT（快速傅里叶变换）标准程序计算，无需自编计算程序（快速傅里叶变换）标准程序计算，无需自编计算程序 . 频谱分析频谱分析和和数学描述数学描述为为状态检测状态检测、信号处理信号处理和和故障诊断故障诊断的重要基础的重要基础 分析方法分析方法峰谱值峰谱值、频率窗口频率窗口、

48、拟合曲线拟合曲线、谐波分析谐波分析、统计分析统计分析等等2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识信号处理基础知识2.2.1 振动监测的基本参数振动监测的基本参数（1）振幅）振幅 表示振动严重程度（表示振动严重程度（烈度烈度） 位移位移、速度速度或或加速度加速度表示表示 指示值：指示值：峰值峰值（单边峰值和峰峰值）、（单边峰值和峰峰值）、有效值有效值（均方根值）和（均方根值）和平均值平均值 位位 移移 有有 效效 值值代表振动系统代表振动系统势能势能含量含量 速速 度度 有有 效效 值值代表振动系统代表振动系统动能动能含量含量 加速度有效值加速度有效值代表振动系

49、统代表振动系统功率谱密度功率谱密度含量含量（2）频率）频率 探寻外来激励力来源，判断正常工作状态探寻外来激励力来源，判断正常工作状态 旋转机械旋转机械振动频率振动频率常用常用转速倍数转速倍数或或分数分数表示表示 1 倍（倍（ l x）转速频率转速频率指振动频率与机器转速指振动频率与机器转速相同相同 2 倍（倍（2 x）转速频率转速频率指振动频率为机器转速指振动频率为机器转速二倍二倍，依此类推，依此类推 （3）相位）相位 判断振动时各部件之间判断振动时各部件之间相对运动方位相对运动方位 以及以及激励力激励力与与响应响应的的时间时间和和空间空间关系关系 常用（常用（t ）表示，单位）表示，单位 “

50、 度度 ” 或或 “ 弧度弧度 ” 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.2 轴心轨迹轴心轨迹 轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹平面曲线运动轨迹平面曲线 轴心轨迹图：轴心轨迹图：由由 x、y 方向位移振动信号合成的方向位移振动信号合成的李莎茹图形李莎茹图形 作用：作用：直观反映转轴运动状况，形象描述转子运动状态直观反映转轴运动状况，形象描述转子运动状态 获取诊断信息有效手段，旋转机械故障诊断重要工具获取诊断信息有效手段，旋转机械故障诊断重要工具 测量：测

51、量：将两个将两个传感器传感器互成互成 90 安装在转轴同截面上安装在转轴同截面上 两传感器位移信号经放大两传感器位移信号经放大 分别输入分别输入双踪示波器双踪示波器 x 轴和轴和 y 轴轴 作用：作用：确定转子系统确定转子系统临界转速临界转速 空间振型空间振型和和 某些某些故障类型故障类型2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.2 轴心轨迹轴心轨迹图中：图中：（a）和（）和（b）转速转速低，低，不对中不对中和非线性和非线性油膜力油膜力影响，轴心轨迹图影响，轴心轨迹图不规则状不规则状 （c）临界转速临界转速附

52、近，附近，不平衡力不平衡力引起基频引起基频振动振动，轴心轨迹近似，轴心轨迹近似圆圆 （d）和（）和（e）转速转速高（高（503.2607.9 rad/s） 油膜涡动油膜涡动，轴心轨迹，轴心轨迹内八字形内八字形 （f）转速转速升高（升高（626.2 rad/s），系统），系统油膜振荡油膜振荡，轴心轨迹，轴心轨迹复杂复杂2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.2 轴心轨迹轴心轨迹图中：图中： 不对中故障不对中故障轴心轨迹轴心轨迹香蕉形香蕉形 或或外八字形外八字形 频谱二倍频或频谱二倍频或 四倍频较大四倍频较大图

53、中：图中： 转子碰摩故障转子碰摩故障碰撞碰撞轻重程度不同轻重程度不同 轴心轨迹圆形轮廓线内轴心轨迹圆形轮廓线内 1 至多个至多个小圈套小圈套 支承刚度不对称支承刚度不对称转子：转子： 不平衡力不平衡力作用作用 轴心轨迹轴心轨迹椭圆形椭圆形 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.3 转子振型转子振型 转子轴线各点振动位移连成的转子轴线各点振动位移连成的空间曲线空间曲线 作用：作用：确定转子振动确定转子振动节点位置节点位置，了解轴承，了解轴承油膜阻尼油膜阻尼大小和转子系统基本大小和转子系统基本特性特性 挠性转

54、子挠性转子动平衡动平衡 测量：测量：转子轴线垂直截面布置转子轴线垂直截面布置传感器传感器，得到各截面，得到各截面轴心轨迹轴心轨迹 根据基准信号确定各轨迹根据基准信号确定各轨迹主向量主向量，各点主向量连成，各点主向量连成空间振型曲线空间振型曲线 振型平面曲线：振型平面曲线：转子系统转子系统无阻尼无阻尼，且转子各不平衡量有相，且转子各不平衡量有相同相位同相位 或只有一个或只有一个主不平衡量主不平衡量；否则为；否则为空间曲线空间曲线 图中：图中：转子两个支点转子两个支点刚性支承刚性支承，一阶一阶振型振型两节点两节点，二阶二阶振型振型三节点三节点2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2

55、 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.4 轴颈涡动中心位置轴颈涡动中心位置 滑动轴承滑动轴承轴颈中心轴颈中心在在激扰力激扰力作用下环绕作用下环绕涡动运动涡动运动的中心点位置的中心点位置 随随转速转速和和载荷载荷变动，轴承变动，轴承稳定性稳定性有关，有关，“ 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 ”内容内容 作用：作用：旋转机械故障分析重要内容，说明旋转机械故障分析重要内容，说明转轴转轴正常位置正常位置 提供轴与轴承提供轴与轴承磨损磨损或不正常或不正常预载荷预载荷，轴承，轴承静电侵蚀静电侵蚀等信息等信息 测量：测量：两个互成两个互成 90非接触式非接触式位移传感器位

56、移传感器，X-Y 记录仪记录仪绘制曲线绘制曲线 图中：图中：转速转速升高升高 轴颈轴颈涡动中心涡动中心升高升高 系统系统临界转速临界转速 20002500 r/min左右左右 轴颈轴颈振幅振幅大，大，中心位置中心位置高高 过过临界转速临界转速至至 3000 r/min 振幅振幅和和中心位置中心位置下降下降 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.5 波特图（波特图（Bode plots） 描述转子描述转子振幅振幅和和相位相位随随转速转速变化关系曲线变化关系曲线 纵坐标为纵坐标为振幅振幅和和相位相位，横坐标为

57、转子，横坐标为转子转速转速或或转速频率转速频率 测量：测量：测转子或轴承座测转子或轴承座振动振动信号（轴信号（轴位移位移或壳体或壳体振动速度振动速度） 同步跟踪数字向量滤波，获得转速同频的同步跟踪数字向量滤波，获得转速同频的基频基频分量（含分量（含幅值幅值和和相位相位） 随随转速转速升降变化过程绘图升降变化过程绘图 作用：作用：转子系统基本性能。各转速下转子系统基本性能。各转速下振幅振幅和和相位相位、临界转速临界转速、阻尼阻尼大小，大小， 柔性转子柔性转子动平衡动平衡质量；升降速过程中其他部件（基础、静子等）质量；升降速过程中其他部件（基础、静子等）共振共振 动静动静摩擦摩擦或或热弯曲热弯曲等

58、等 动态放大系数：动态放大系数：共振峰值与工作转速时共振峰值与工作转速时振幅振幅之比，评价轴承系统之比，评价轴承系统阻尼特性阻尼特性 接受接受范围范围 3.0 8.0 图中：图中： 系统通过系统通过临界转速临界转速时时 幅值响应有明显幅值响应有明显共振峰共振峰 相位相位变化近变化近 180 动态放大系数动态放大系数约约 5 （转速（转速 12000 r/min） 说明系统具有适度偏弱说明系统具有适度偏弱阻尼阻尼 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 2.2.5 波特图（波特图（Bode plots）（振幅和相位随

59、过程变化曲线）（振幅和相位随过程变化曲线） 2 故障诊断的信号处理方法故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械常用的振动信号处理图形 相位滞后相位滞后 90 度度 临界转速临界转速 2.2.6 极坐标图（奈奎斯特图）极坐标图（奈奎斯特图） 转子转子振幅振幅与与相位相位随随转速转速变化关系的极坐标形式变化关系的极坐标形式 旋转矢量旋转矢量端点端点为转子为转子轴心轴心，矢量，矢量极半径极半径为径向为径向振幅振幅，矢量，矢量角度角度为为相位角相位角 极坐标图和波特图反映同样的信息，表现形式不同极坐标图和波特图反映同样的信息，表现形式不同 复杂多平面转子现场动平衡仪器需复

60、杂多平面转子现场动平衡仪器需极坐标图极坐标图表示表示 作用作用：判别：判别临界转速临界转速，轨迹距离最长点，两侧圆弧弧长对转速变化率最大，轨迹距离最长点，两侧圆弧弧长对转速变化率最大 优点：优点：对应对应矢量位置矢量位置（幅值和相位）（幅值和相位） 求转子动平衡不平衡求转子动平衡不平衡质量方位质量方位 同时观察转子同时观察转子轴向轴向 几个截面的几个截面的空间振型空间振型 清楚观察清楚观察弯曲轴弯曲轴转动时转动时 幅值和转轴本身幅值和转轴本身振动幅值振动幅值 辨别转子以外辨别转子以外元件元件 （管道、联轴节、机壳和基础）（管道、联轴节、机壳和基础） 振动振动谐振作用谐振作用 出现干扰出现干扰小