南阳理工学院机王林鸿械故障诊断技术

1、 机械故障诊断技术主讲 :王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院第一章第一章 绪论绪论人有生老病死自然规律和人的生命周期；人有生老病死自然规律和人的生命周期；机械设备有各种状态（机械设备有各种状态（perfectperfect、defectdefect、defaultdefault、break downbreak down）和产品的生命周期；）和产品的生命周期；机械故障危害：机械故障危害： 降低效率降低效率停产停产损坏设损坏设备备机毁人亡；机毁人亡；机械故障诊断类比于医疗诊断，是一门新兴的机械故障诊断类比于医疗诊断，是一门新兴的学科领域；学科领域；故障诊断的目的：性能指标保持完好（预防为故障诊断的

2、目的：性能指标保持完好（预防为主）主） ；故障设备恢复性能（既病防变）。；故障设备恢复性能（既病防变）。设备故障诊断的概念设备故障诊断的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 设备的一生设备的一生 规划、设计、制造规划、设计、制造（前半生）（前半生） 安装、使用、维修、改造、更新、报废安装、使用、维修、改造、更新、报废（后半生）（后半生） 对现场设备管理者来说，使用和维修阶段是最

3、重要的对现场设备管理者来说，使用和维修阶段是最重要的阶段、经历时间最长的阶段、设备充分发挥其功能和阶段、经历时间最长的阶段、设备充分发挥其功能和创造财富的阶段。创造财富的阶段。 设备的故障会直接影响到设备的使用和维设备的故障会直接影响到设备的使用和维修，甚至会造成巨大的经济损失和严重的修，甚至会造成巨大的经济损失和严重的安全问题安全问题为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 20052005年年1 1月月1919日日2222点点2020分，某钢铁厂粗轧机齿轮箱轴分，某钢铁厂粗轧机齿轮箱轴承损毁，整条生产线被迫停机，事故检修共用了承损毁，整条生产线被迫停机，事故检修共用了4848小时。小时。轴

4、承保持架断&轴承内圈破裂轴承严重损坏直接经济损失直接经济损失30003000多万！多万！为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 在航天、化工、核电等领域中，一些设备在航天、化工、核电等领域中，一些设备故障如果不能及时发现和排除，会酿成重故障如果不能及时发现和排除，会酿成重大灾难事故大灾难事故 导致巨大经济损失导致巨大经济损失 威胁社会公共安全威胁社会公共安全 造成严重政治影响造成严重政治影响绪论绪论设备故障诊断的概念设备故障诊断的概念为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 1986年美国年美国“挑战者挑战者”号航天飞机失事，号航天飞机失事，2003年美国年美国“哥伦比亚哥伦比亚”号

5、航天飞机失事，号航天飞机失事，航天飞机直接经济损失航天飞机直接经济损失24亿美元亿美元，飞机上所，飞机上所有的有的航天员全部罹难航天员全部罹难。为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 1985年年12月，印度博帕尔市农药厂发生月，印度博帕尔市农药厂发生异氰酸甲酯异氰酸甲酯毒气泄漏毒气泄漏事故，造成事故，造成2000多人死多人死亡，亡，20多万人受害多万人受害为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断实例实例 3 1979年年3月月29日，美国三里岛日，美国三里岛核电站核电站设备发设备发生故障，放射性物质释放，不仅造成生故障，放射性物质释放，不仅造成几十亿美几十亿美元元的经济损失，而且核辐射极大

6、的经济损失，而且核辐射极大危害危害当地居民当地居民的的身体健康。身体健康。为什么要进行故障诊断为什么要进行故障诊断 可以可以早发现、早预防，早发现、早预防，保证生产正常运行，减少经济保证生产正常运行，减少经济损失，防止安全事故发生。损失，防止安全事故发生。 掌握设备掌握设备过去和现在的过去和现在的运行状态，运行状态，预测设备未来预测设备未来的的工作状态，可以为设备管理和维修决策提供技术根据工作状态，可以为设备管理和维修决策提供技术根据设计、制造、安装、使用设计、制造、安装、使用长期运行中，设备故障难以避免长期运行中，设备故障难以避免及时发现设备的异常和故障，尽早采取防治措施及时发现设备的异常和

7、故障，尽早采取防治措施设备故障诊断的概念设备故障诊断的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断保障设备安全保障设备安全什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断医生医生工程师工程师机器机器人人看病看病设备故障诊断的思想来源于医学诊断设备故障诊断的思想来源于医学诊断什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断医学诊断方法医学诊断方法设备故障诊断方法设备故障诊断方法听、摸、看、闻听、摸、看、闻振动与噪声监测振动与噪声监测温度测量温度测量油

8、液分析油液分析应力应变测量应力应变测量无损检测技术（裂纹）无损检测技术（裂纹）望、闻、问、切望、闻、问、切听心音、做心电图听心音、做心电图量体温量体温验血验尿验血验尿量血压量血压X射线、射线、 超声检查超声检查问病史问病史查阅设备档案资料查阅设备档案资料什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断 设备故障诊断是一种在设备故障诊断是一种在设备运行中设备运行中或在或在基基本不拆卸本不拆卸的情况下，的情况下，了解和掌握了解和掌握设备工作设备工作状态状态，确定设备的整体或局部是否工作正，确定设备的整体或局部是否工作正常，发现常，发现早期故障早期故障及其原因，并能及其原因，并能预报预报故故障发展趋势的技术。障

9、发展趋势的技术。 简而言之：简而言之：设备故障诊断就是给机器看病设备故障诊断就是给机器看病的技术的技术设备故障诊断的概念设备故障诊断的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是设备故障诊断什么是设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断为什么要进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断保障设备安全保障设备安全给机器看病给机器看病如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断 三个阶段三个阶段 状态监测状态监测 分析诊断分析诊断 决策处理决策处理信号采集、数据显示信号采集、数据显示设设 备备传感器传感器分析处理、状态识别分析处理、状态识别

10、故障诊断、决策故障诊断、决策治治 理理 防防 治治监护运行监护运行停机检修停机检修参考图谱参考图谱状态监测状态监测分析诊断分析诊断决策处理决策处理巡回监测巡回监测整理课件整理课件17状态监测和故障诊断的过程图示状态监测和故障诊断的过程图示如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断 状态监测状态监测 传感器（物理信号传感器（物理信号电压信号）电压信号） 信号调理（功放、滤波）信号调理（功放、滤波） 数据采集数据采集/ /存储（存储（A/DA/D采样）采样） 状态数据显示状态数据显示电机电机轴承座轴承座压缩机压缩机传感器传感器如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断 分析诊断分析诊断 状态信号分析状

11、态信号分析 设备故障判断与定位设备故障判断与定位 设备状态预测设备状态预测频谱图频谱图趋势预测图如何进行设备故障诊断如何进行设备故障诊断 决策处理决策处理 在确保安全的前提下，将不采用在确保安全的前提下，将不采用故障诊断技术时的故障诊断技术时的立即停机检修立即停机检修，转化为采用故障诊断技术后的转化为采用故障诊断技术后的维维持运行持运行，延长设备运行周期，延长设备运行周期 巡回监测巡回监测 监护运行监护运行 停机检修停机检修 设备管理与维修策略设备管理与维修策略故障诊断的理论基础：能量耗散原理故障诊断的理论基础：能量耗散原理 故障诊断是建立在能量耗散原理基础故障诊断是建立在能量耗散原理基础上的

12、。上的。 所有设备的作用都是能量转换与传递，所有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，转换与传递过程中的附加设备状态愈好，转换与传递过程中的附加能量损耗愈小能量损耗愈小（无是生非）无是生非）。 因此，因此，监测附加能量损耗的变化，可以监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度了解设备劣化程度（净扯那些没用的）（净扯那些没用的）。1.1 设备的寿命及劣化曲线设备的寿命及劣化曲线 1. 1. 浴盆曲线浴盆曲线 浴盆曲线：即机械设备劣化进程规律浴盆曲线：即机械设备劣化进程规律曲线。由于类似浴盆的剖面线，故称为浴曲线。由于类似浴盆的剖面线，故称为浴盆曲线。盆曲线。 （人的一生的疾病分布规律又何

13、尝不是（人的一生的疾病分布规律又何尝不是一个浴盆曲线呢？！）一个浴盆曲线呢？！）设备的寿命曲线（浴盆曲线）设备的寿命曲线（浴盆曲线）磨合期磨合期正常使用期正常使用期耗损期耗损期故障率%图图11浴盆曲线浴盆曲线早期失效早期失效偶然失效偶然失效耗损失效耗损失效浴盆曲线中的三个阶段浴盆曲线中的三个阶段 磨合期，表示新机器的磨合阶段，这时故障率磨合期，表示新机器的磨合阶段，这时故障率较高较高（幼儿期）幼儿期）。早期失效：原因如装配误差、加早期失效：原因如装配误差、加工误差、材料缺陷、设计误差等。工误差、材料缺陷、设计误差等。 正常使用期，表示机器经磨合后处于稳定阶段，正常使用期，表示机器经磨合后处于稳

14、定阶段，这时故障率最低这时故障率最低（青壮年期）青壮年期）。偶然失效：原因如偶然失效：原因如操作失误、尘土污染、维护不当等。操作失误、尘土污染、维护不当等。 耗损期，表示机器由于磨损、疲劳、腐蚀已处耗损期，表示机器由于磨损、疲劳、腐蚀已处于老年阶段，因此故障率又逐步升高于老年阶段，因此故障率又逐步升高（老年期）老年期）。耗损失效：原因如疲劳断裂、老化、点蚀等。耗损失效：原因如疲劳断裂、老化、点蚀等。2. 设备的劣化曲线设备的劣化曲线绿区绿区(G)(G)包括浴盆曲线的正包括浴盆曲线的正常使用阶段，即故障率最低常使用阶段，即故障率最低的阶段。机器处良好状态。的阶段。机器处良好状态。黄区黄区(Y)(

15、Y)包括浴盆曲线包括浴盆曲线区区的初始阶段，故障率已有抬的初始阶段，故障率已有抬高的趋势。机器处警戒状态。高的趋势。机器处警戒状态。红区红区(R)(R)包括浴盆曲线包括浴盆曲线区区故障率已大幅度上升的阶段。故障率已大幅度上升的阶段。机器处严重或危险状态。机器处严重或危险状态。GYR图图1-2劣化曲线劣化曲线 取浴盆曲线中后两阶段，第取浴盆曲线中后两阶段，第阶段（正常使用期）和第阶段（正常使用期）和第阶段（耗损期）作为劣化曲线。如下图：阶段（耗损期）作为劣化曲线。如下图：1.2 故障诊断的内容故障诊断的内容 1 1）运行状态的监测）运行状态的监测判断设备是否运行判断设备是否运行正常；正常；判断判

16、断 2 2）设备运行状态的趋势预报）设备运行状态的趋势预报对设备运对设备运行状态的发展趋势进行预测；行状态的发展趋势进行预测；预测预测 3 3）故障类型、程度、部位、原因的确定）故障类型、程度、部位、原因的确定确诊确诊1.3 故障诊断的基本方法故障诊断的基本方法 按诊断难易程度分类：按诊断难易程度分类： 1)1)简易诊断法简易诊断法； 2)2)精密诊断法。精密诊断法。 按机械故障诊断的测试手段来分类：按机械故障诊断的测试手段来分类： 3)3)直接观察法、直接观察法、 4)4)振动噪声测振动噪声测定法、定法、 5)5)无损检测法、无损检测法、 6)6)磨损物测定法、磨损物测定法、 7)7)机器性

17、能参数测定法。机器性能参数测定法。 比较有效比较成熟的是本门课程侧重的振动噪声测定法。比较有效比较成熟的是本门课程侧重的振动噪声测定法。整理课件整理课件28简易诊断和精密诊断简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）状态监测（简易诊断） 内容：内容： 识别有无故障识别有无故障 明确故障严重程度明确故障严重程度 作出故障趋势分析作出故障趋势分析由设备维修人员在现场由设备维修人员在现场进行进行故障诊断（精密诊断）故障诊断（精密诊断） 内容：内容： 确定故障部位确定故障部位 确定故障原因确定故障原因 提出维修建议提出维修建议由设备诊断人员在现场由设备诊断人员在现场或中心进行或中心进行整理课件整理课件29

18、国内外发展情况国内外发展情况 国外情况国外情况 美国最早（美国最早（19611961，阿波罗号航天飞机失事），阿波罗号航天飞机失事） 日本、英国、瑞典、挪威、丹麦等紧随其后日本、英国、瑞典、挪威、丹麦等紧随其后 19671967年年4 4月，召开美国机械故障预防小组月，召开美国机械故障预防小组(MFPG)(MFPG)成立大会成立大会 美国飞行器数据综合系统美国飞行器数据综合系统(AIDS)(AIDS)的研制（的研制（B747B747） 日本于日本于19711971年提出了年提出了“TPMTPM”全员生产维修全员生产维修整理课件整理课件30国内外发展情况国内外发展情况 国内情况国内情况 1979

19、1979年以前，一些大专院校和科研单位开始理论研究年以前，一些大专院校和科研单位开始理论研究 19791979年到年到19831983年，从初步认识进入到初步实践阶段年，从初步认识进入到初步实践阶段 19841984年年7 7月在北京成立中国设备管理协会月在北京成立中国设备管理协会 19851985年年1111月在上海召开了设备诊断技术应用推广会议月在上海召开了设备诊断技术应用推广会议 19861986年年6 6月在沈阳召开第一届中国机械设备诊断技术学月在沈阳召开第一届中国机械设备诊断技术学会年会会年会 目前石化、冶金、电力等行业都有相应的诊断中心目前石化、冶金、电力等行业都有相应的诊断中心

20、冶金企业的主要大厂都有专门的诊断部门，如武钢、冶金企业的主要大厂都有专门的诊断部门，如武钢、鞍钢、宝钢、马钢等鞍钢、宝钢、马钢等整理课件整理课件31国内外发展情况国内外发展情况 在各行业中的应用在各行业中的应用 航空航天领域航空航天领域 交通行业交通行业 冶金行业冶金行业 石化行业石化行业 核反应堆核反应堆 电力部门电力部门整理课件整理课件32国内外发展情况国内外发展情况 总体发展趋势总体发展趋势 诊断对象多样化诊断对象多样化 诊断技术多元化诊断技术多元化 故障诊断实时化故障诊断实时化 诊断方法智能化诊断方法智能化 诊断系统网络化诊断系统网络化 诊断系统数据库化诊断系统数据库化 诊断技术实用化

21、诊断技术实用化MALMOVISYS-2StellDiagnosticALBYMSCAALXBYMAM PV-BGALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAPV-BGALBYMSCA整理课件整理课件33故障诊断与状态监测故障诊断与状态监测 状态监测状态监测 通过监视和测量设备的运行状态信息和特征参数，并通过监视和测量设备的运行状态信息和特征参数，并根据测定值与规定的正常值来做比较，从而判断设备根据测定值与规定的正常值来做比较，从而判断设备的工作状态是否正常的工作状态是否正常 故障诊断故障诊断 不仅要检查出设备是否正常，还要对设备发生故障的不仅要检查出设备是否正常，还要对设备

22、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。的分析和判断。 二者的关系二者的关系 监测是手段，诊断是目的监测是手段，诊断是目的 监测是诊断的前提，诊断是监测的最终结果监测是诊断的前提，诊断是监测的最终结果 整理课件整理课件34故障诊断与设备维修故障诊断与设备维修 设备维修方式的变革设备维修方式的变革 事后维修事后维修(Breakdown Maintenance, BM)(Breakdown Maintenance, BM) 第二次世界大战之前第二次世界大战之前 也称被动维修，那时的机器小、简单、易修，损失也也称被动维修，那

23、时的机器小、简单、易修，损失也不大（我国解放前就是这种状况）不大（我国解放前就是这种状况） 计划维修计划维修(Time Based Maintenance, TBM)(Time Based Maintenance, TBM) 也称定期维修，第二次世界大战之后也称定期维修，第二次世界大战之后 预知维修预知维修(Predictive Maintenance, PM)(Predictive Maintenance, PM) 国际上国际上2020世纪世纪6060年代中期开始，我国年代中期开始，我国8080年代才开始。年代才开始。 2020世纪世纪9090年开始，以可靠性为中心的维修年开始，以可靠性为中

24、心的维修(Reliability Centered Maintenance, RCM)(Reliability Centered Maintenance, RCM) 我国目前情况我国目前情况：以设备技术状态为基础与计划修理相：以设备技术状态为基础与计划修理相结合的预防维修计划制度结合的预防维修计划制度整理课件整理课件35事后维修事后维修 定义定义 设备运行到坏了才进行修理。设备运行到坏了才进行修理。 优点：优点： 不需要安排计划；不需要安排计划； 对一些设备，更换比修理更便宜。对一些设备，更换比修理更便宜。 缺点：缺点： 意外停机引起生产损失；意外停机引起生产损失； 灾难性的设备事故；灾难性的

25、设备事故； 库存备件投资多；库存备件投资多； 引起设备的二次损坏。引起设备的二次损坏。整理课件整理课件36计划维修计划维修定义定义 按预定的时间间隔或检修周期对设备做维修、调整和更换备件按预定的时间间隔或检修周期对设备做维修、调整和更换备件优点：优点： 机器运行寿命相对较长机器运行寿命相对较长 减少意外停机减少意外停机 备件库存较少备件库存较少缺点：缺点： 不能防止计划之外的突发事故不能防止计划之外的突发事故 过剩维修导致维修费用增加过剩维修导致维修费用增加 过剩维修引起人为维修故障过剩维修引起人为维修故障 不足维修引起设备二次损坏不足维修引起设备二次损坏1 年年20 年年突突 发发 性性损损

26、 坏坏过过 剩剩 损损 失失瑞典SKF公司轴承实验整理课件整理课件37预知维修预知维修 定义：定义： 有计划地对设备做检查和测试，以确定其健康状有计划地对设备做检查和测试，以确定其健康状 况，况，决定维修时间。决定维修时间。 主动维修、精确维修主动维修、精确维修 优点：优点： 减少非计划停机损失减少非计划停机损失 延长维修时间间隔延长维修时间间隔 大大减少库存备件大大减少库存备件 减少维修费用减少维修费用 过剩维修减到最少过剩维修减到最少 缺点：缺点： 需要初始投资需要初始投资 需要学习培训需要学习培训整理课件整理课件38不同制度的维修成本的比较不同制度的维修成本的比较大型钢铁企业大型钢铁企业

27、整理课件整理课件39维修费用花了多少？维修费用花了多少？ 美国美国19801980年税收总额年税收总额 $7500$7500亿，维修费为亿，维修费为 $2460$2460亿亿, ,估计其中过剩维修费为估计其中过剩维修费为 $750$750亿。亿。 我国我国19871987年国营工交企业年国营工交企业4040万个，固定资产￥万个，固定资产￥70007000亿亿, ,维修费约为固定资产的维修费约为固定资产的 3 35 5。 我国我国20022002年规模以上企业共有固定资产￥年规模以上企业共有固定资产￥88008800万亿万亿，维修费有多少？能节省多少？，维修费有多少？能节省多少？ 规模以上企业是

28、指全部国有企业及年产品销售收入规模以上企业是指全部国有企业及年产品销售收入500500万元以上万元以上的非国有工业企业。的非国有工业企业。整理课件整理课件40停产一天的损失有多大？停产一天的损失有多大？300MW300MW发电机组发电机组 损失电损失电720720万万kWhkWh，约￥，约￥144144万元万元3030万吨化肥装置万吨化肥装置 损失化肥损失化肥1000t1000t， 约￥约￥150150万元万元三峡三峡2 2号水轮机组号水轮机组700MW 700MW 停机停机4 4小时损失￥小时损失￥400400万元万元中石化每年设备停机损失：中石化每年设备停机损失：1919亿元亿元/ /年年整理课件整理课件41先进维修制度的作用先进维修制度的作用 保证机器精度，提高产品质量保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失减少意外停车引起的生产损失 防止事故，杜绝灾难性故障防止事故，杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用（人力和财力）减少维修时间和维修费用（人力和财力） 改善环境，改善企业形象改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报投资