设备状态监测与故障诊断技术及应用演示幻灯片

中国运载火箭技术研究院北京京航公司设备状态监测与故障诊断技术及应用

（诊断技术与产品介绍专题）

主讲人：贾元立1

中国运载火箭技术研究院北京京航公司（介绍）一、设备故障诊断的概况二、设备状态监测知识树三、中国运载火箭技术研究院北京京航公司（产品）四、全国客户群2谢谢！3中国运载火箭技术研究院

北京京航公司北京京航公司是隶属于中国运载火箭技术研究院的航天高科技企业；同时是中国设备管理协会于2000年批准成立的设备诊断工程技术中心；公司于2003年通过ISO-9001国际质量体系认证。2004年被中国质量协会全国用户委员会评为“全国用户满意单位”。2006年与丹麦PCH公司成为战略合作伙伴关系。4公司充分发挥航天技术优势，长期致力于各类旋转机械故障诊断系统的研发、生产和经营，已有近30年的历史，已成为国内机械故障诊断行业中知名的科、工、贸一体化企业，同时产品批量出口。公司离在线产品以可靠的质量，完善的售后服务及优越的性能价格比赢得了国内外用户的信赖。公司产品已广泛应用于石油、化工、钢铁、电力、铁路、烟草、供水等大、中型企业的设备管理、检测及维修。5ISO9001质量体系认证证书62002、2003、2004年度

被评为全国用户满意产品7技术部在火箭院的荣誉89国家科技进步二等奖10中国计量器具许可证（CMC）返回11一.设备故障诊断的概况（一）.设备故障诊断的意义、目的、任务（二）.设备故障诊断发展的历史（三）.设备故障诊断的适用性与应用

返回12在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。什么是状态监测和故障诊断？是防止事故和计划外停机的有效手段。是设备维修的发展方向。返回13a.设备故障诊断的意义

1989年美国挑战者号航天飞机失事前苏联切尔诺贝利核电站的爆炸1985年大同电厂1988年秦岭电厂20万KW发电机组断轴毁机事故………………..9/1/202314据统计，中国在1977年和1987年已投产的6-7个大化肥厂中，由于大机组的故障停机，仅这两年内损失的化肥产量，相当于一个大型化肥厂的全年产量（30万吨合成氨，48万吨尿素）。15

b.设备故障诊断的目的

及时预防、诊断、消除设备故障，对设备运行进行必要指导。制订合理的监测维修制度，延长设备寿命，降低维护费用。为设备优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。9/1/202316c.设备故障诊断的任务设备状态监测设备故障诊断指导设备的管理维修

返回9/1/202317（二）、设备维修制度的发展事后维修，故障维修(Breakdown)设备坏了后才去修理。定期维修，预防维修(Preventive)定期地检查和大修。预测维修，视情维修(Predictive)周期的监测，需要时才去维修。18事后维修体制设备运行到坏了再进行修理。不需要安排计划。对一些设备，更换比修理更便宜。意外停机引起生产损失。灾难性的设备事故。库存备件投资多。引起设备的二次损坏。定义优点缺点19定期维修体制按预订的时间间隔或检修周期对设备作维修、调整和更换备件。机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。定义优点缺点20美国宇航局（NASA）经过调查后认为，70%的设备进行定期维修不仅是无效的，而且是反而有害的，因为每维修一次，故障率相应升高，故障多数发生在维修后的一周之内。日本维修人员的经验是，定期维修后一周出现的故障率60%，一月之内的故障率总计可达80%左右21预测维修体制有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态。减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。非必要维修减到最少。备件库存最小。需要初始投资。需学习和培训。定义优点缺点22预测维修体制与十一五规划《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出，到2010年单位GDP能耗比2005年下降20%。降低能耗不仅仅体现在生产过程中，而是生产的全过程，降低维修能耗更是未来发展的方向。预测维修，是节约企业人力、物力、精力，实现循环经济有效维修途径，是符合国策的先进维修理念。23定期预防维修统计规律经验感观化个体差异不利于学习维修不足维修过剩预知维修设备状态数据客观、量化仪器差异利于学习经济维修返回24（三）、设备状态监测的适用性1、能适用的机械比例大（约90%）2、对复杂的机械设备效果特别大3、对劣化发展型和随机型故障的（过去预防维修无能为力）设备效果特别大

25设备故障诊断在国内外企业的应用日本：事故率降低75%，维修费用降低25%~50%。英国：对2000个大型工厂进行调查表明：节省费用3亿英镑，而诊断成本为0.5亿英镑，净获利2.5亿英镑。中国：按1997年我国国营工业企业有50万个，总固定资产15000亿元，每年用于设备大修、小修及其处理故障的费用一般占固定资产原值的3~5%，采用诊断技术后一年的经济效益可达数百亿元。返回26设备状态监测与故障诊断知识树被测设备设备特征信息获取检测信号设备允许参数故障确定趋势分析诊断决策信号采集信号处理状态识别对比返回27识别重要设备要看设备出现故障时是否：会威胁安全或破坏环保标准会有重大经济损失后果根据设备的重要程度以及减少对工作效率的影响等来决定排除故障的投资决策。返回28振动监测手段的分类和选用29信号采集￭选测点原则：近距、刚性、安全

￭定测点、定时间、定人员、定仪器、定参数、定工况、定路线返回30涡流式位移传感器磁电式速度传感器压电加速度传感器31涡流位移传感器不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。相移很小。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)32磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz~1000Hz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：20mV/mm/s测量非转动部件的绝对振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。抗干扰力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。在传感器输出阻抗固有频率附近有较大的相移。33压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz~10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。返回34信号处理波形分析：时域分析、幅值谱分析、功率谱分析、平均谱分析、概率谱分析、倒频谱分析、三维谱分析、包络分析。趋势分析3536信号处理就是，把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。37周期信号在时域及频域的分解从数学的角度来说，所谓周期信号的分解，就是将一个周期函数展开成傅立叶级数，亦即展开成一系列简谐函数之和，称为谐波分析。假定是周期为T的周期振动函数，则可展开成如下的三角傅立叶级数形式：38（2-4）式中：

其中和称为傅立叶系数。是的平均值，即直流分量。39快速傅立叶变换（FFT）称为的幅值谱函数，称为的相位谱函数40周期信号的幅值谱和相位谱41简谐振动波形和频谱图（例）T返回42转动机械常见故障的频率特征43二、振动、频谱分析的基本理论（一）.振动与简谐振动（二）.简谐振动的要素（三）.频谱分析的基础及作用（四）.频谱分析中的常用概念与波形44振动定义：物体在平衡位置附近所做的往复运动称为振动简谐定义:物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比,并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动,叫做简谐振动。45简谐振动三要素振幅(Amplitude)偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。圆频率(Angularfrequency)描述振动的快慢，记作,单位为弧度/秒。频率f=

/2

为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。周期

T=1/f=2

/

为每振动一次所需的时间，单位为秒。初相角(Initialphase)描述振动在起始瞬间的状态，记作

。462、频谱分析基础对于现场设备的周期振动，不论其振动波形有多复杂，都可以用傅立叶级数表示为许多频率成简谐关系的简谐振动组成：47频谱分析的常用概念工频（也称基频、转频、1X（1倍频）等）谐波（倍频）、次谐波

谐波（倍频）是指某一频率的整倍数频率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。次谐波是指某一频率的分数倍频率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……48频域表示与时域表示的关系返回49频谱分析的作用频率变换以直角坐标形式表示得到的图形就是谱图。频谱是一个总称，按照频率成分的内容可分为幅值谱、相位、功率谱、能量谱、倒频谱等类型。最常用为幅值谱。50设备故障发生、发展会引起信号频率结构的变化，对频率信息进行分析，可对设备故障原因进行解释。频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。51频谱分析的常用概念工频（也称基频、转频、1X（1倍频）等）谐波（倍频）、次谐波

谐波（倍频）是指某一频率的整倍数频率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。次谐波是指某一频率的分数倍频率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……52常用的振动时域参数

位移信号峰峰值。单位为微米（m，mm）

速度信号有效值。单位为毫米/秒（mm/s,cm/s）加速度信号峰值。单位为米/秒平方（m/s2）533、常见波形的频谱名称波形频谱名称波形频谱返回返回54设备故障的识别（一）转子不平衡的故障识别（二）转子不对中的故障识别（三）转子松动的故障诊识别（四）滚动轴承的故障诊识别（五）齿轮箱的故障识别返回55转子不平衡的特征与诊断：时域波形近似正弦波形工频振动占主要成分相位稳定，振幅随转速增大而增大通常水平方向的振幅大于垂直方向的幅值轴心轨迹较圆，且重复性好56转子不平衡故障的诊断

波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小571、波形特征：类似正弦波582、频谱特征：转频能量占主要成分593）、轴心轨迹图返回60（二）转子不对中故障的诊断转子不对中引起的故障轴承失效密封失效连轴节磨损过热效率降低能量损失振动值变大电机水泵POPIMOMI.61转子不对中的类型正确对中e=0,

=0平行不对中e

0,

=0角度不对中e=0,

0综合不对中e

0,

062转子的不对中的特征与诊断：

时域波形近似正弦波形二倍工频占振动的主要成分不对中严重时，会产生较多谐波的高谐次（4-8）倍频的振动角不对中产生较大的轴向振动如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的3倍频的振动振动随负荷而变，工频振动变化明显轴心轨迹呈香蕉形或8字形63不对中故障的特征波形特征：总体模样类似正弦波64频谱特征：存在较大的2X转频的频率分量返回65转子系统松动故障的诊断波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确2X，3X…等成分，最高可达16X。松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分最高可出现16X成分噪声水平高返回66D—节圆直径d—滚珠直径

—接触角z—滚珠数n—轴的转速滚动轴承故障的特征频率dD

外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环6768转子磨碰故障特征时域波形存在削波现象；频谱图除了工频外，还会有丰富的高次谐波；严重磨损时，还会有1/2×、1/3×、3/2×等精确的分频成分；轴心轨迹存在尖角；带有温升和噪声；结合铁谱分析有利于确定故障。返回69齿轮故障的诊断齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X70齿轮类故障特征齿轮啮合频率等于齿数乘以齿轮转频；啮合频率两边存在边频，间距为1×；随齿轮故障的发展，边频越来越丰富，幅值增加；齿轮断齿表现为断齿数量乘以齿轮转频；齿面损伤程度看边频带，同时出现损伤齿数乘以齿轮转频的振动；同原始谱进行比较判断。返回71ISO10816（ISO2372）国际振动烈度标准转速：600~12000r/min;10~1000Hz的通频带速度有效值Vrms72电机的振动强度极限（ISO2373）73摘自加拿大政府文件CDA/MS/NVSH107“维护振动极限”74表3-1电厂汽轮机振动标准（IEC1968）单位：mm75部分日本引进设备的Dp-p(全振幅)标准。表3-3振幅标准76JEAC3717-1974振动标准日本电气协会10MW汽轮发电机组振动允许值77表3-2部分化工设备的振幅标准注：1..30MPa活塞式压缩机转速<200r/min,允许振动全幅度为0.20mm。2.*表示参考值。返回78旋转机械故障自诊断系统：这套系统是在吸收国内外诊断专家多年经验和理论研究成果研制而成的故障自诊断系统，综合了许多典型的故障频谱特征，把振动信息、设备资料、频谱分析、设备诊断、信息融合等只是结合在一起的综合系统，对设备的常见（转子不平衡、转子弯曲、不对中、油膜涡动、油膜振荡、旋转失速、喘振、摩擦、裂纹等）故障提出解决方案。这套系统可以减轻我们在故障诊断时的劳动强度。79故障诊断的专家系统框图专家系统是一个故障诊断的专用程序。用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。结果及解释征兆事实库知识获取征兆获取推理机诊断知识库设备参数库工作存贮器人机对话故障对策传感器信号领域专家用户808182返回83趋势分析法监视机器的劣化过程预测机器的失效时间通频值趋势分析简单易行不易发现早期故障频谱趋势分析能早期发现齿轮、轴承等早期故障能较快判定故障的部位制定报警值和危险值的方法

根据各种标准，ISOGBAPI等以机器正常状态的振动值，乘一倍数，如X(3~4)、X(8~10)84精密诊断的方法频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法振动的通频幅值或特征频率幅值，随故障的发展而增大。据此判定机器的健康状态，并推测其寿命。85通频值趋势分析报警值危险值停机日期报警日期86频谱趋势分析报警线危险线警告线87滑动轴承机械的报警参考值8889返回90振动测量参数的选择位移：适用于低频范围，转速在1500转/分以下的机组速度：适用于中频段，转速在1500——10000转/分范围内的机组加速度：适用于高频段，转速在10000转/分以上的机组9192工业监测检测设备状态监测（简易诊断）内容：识别有无故障明确故障严重程度解决故障由设备维修人员在现场进行故障诊断（精密诊断）

内容：*确定故障部位*确定故障原因*在线检测由设备诊断人员在现场或中心进行返回93HG-2500系列测振仪的使用返回94HG-3528型数据采集故障诊断系统

95HG2600巡检仪

返回96现场动平衡系列HG-3538系列HG-3568系列

97DU30激光对中仪返回返回98HG-3600系列设备故障诊断仪

99HG无损检测系列返回100HG－8900系列多通道数据采集

故障诊断系统返回101HG-9200系列多通道在线监测故障诊断系统

102PCH监测慨念简单输出

到控制器1.传统的高级监测慨念:简单的信号调理器:信号调理10–1000Hz

或1to10kHz

时域波形通过

多路选择器

数据采集

分析软件和报警-FFT

包络

其它分析工具

数据库原始数据输入2.PCH监测慨念高级信号调理器:FFT,包络,倒谱

趋势时域波形和频谱记录

报警检测

图形显示和和控制软件

数据库

系统配置和控制

通讯和网关系统配置和离线分析智能输出到控制器和SCADA通讯返回103

四、HG系列各类监测故障诊断系统在各行业部分使用客户名录104在石化行业中的应用大庆石化(总厂监测站、化工一厂、化工二厂、晴纶厂、塑料厂、热电厂、化肥厂、水汽厂)兰化合成橡胶厂塔西南油田勘探开发公司（炼油厂、化肥厂、作业区、电厂）锦州石化（炼油厂）扬子石化独山子石化（乙烯厂、炼油厂）105在石化行业中的应用安庆石化（化肥厂、炼油厂、热电厂）燕山石化（6个二级单位）金陵石化齐鲁石化（晴纶厂、电厂）106在铁路系统的应用全国包含广铁集团、集通在内共14个铁路局200多个机务段以及15个车辆段应用：HG－3518HG－2504HG－2508部分机务段、车辆段使用HG-8402铁道部机务处、全国所有铁路局、铁路分局、各机务段都在应用——“铁道部机务设备管理系统”107电厂行业的应用新疆石河子东热电厂新疆玛纳斯发电厂安庆石化热电厂齐鲁石化热电厂梅县发电厂梅西电厂濮阳电厂大同电厂大杨树发电厂108电厂行业的应用大亚湾核电站吴泾电厂闵行电厂闸北电厂江苏利港发电有限责任公司秦山电厂景德镇发电厂西柏坡发电厂乌达电厂汇流河发电厂胜利油田胜利发电厂完达山集团有限公司热电厂109电厂行业的应用山东邹县电厂天津第一热电厂涌安火电厂綦江铁矿发电厂松藻矿物局热电厂大冶火力发电厂焦作矿物局热电厂云浮电厂湖北襄樊火电厂长治漳泽电厂神木电厂110在水行业中的应用1，兰州水司2，西安水司3，福州水司4，天津水司5，塘沽水司6，广州水司（配备京航公司在线系统）7，深圳水司8，宁波水司9，哈尔滨水司10，武汉水司11，北京水司111在冶金、钢铁行业中的应用兰州铝厂青铜峡铝厂苹果铝业酒钢首钢鞍钢济钢武钢攀钢柳钢112在冶金、钢铁行业中的应用青钢包钢重钢天钢大钢抚钢马钢珠钢唐山建龙……113在制药行业中的应用中美史克西安杨森哈药集团新华制药华北制药114在油田行业中的应用大庆油田（采二）胜利油田（管理局、渤海石油、东辛采油、集输、胜采、现河、胜利电厂）辽河油田华北油田（管理局、大港）中原油田土哈油田玉门油田115在汽车、摩托车行业中的应用一汽大众东风汽车上汽长安重庆嘉陵海南新大洲116在烟草行业中的应用颐中集团将军集团红塔集团广烟集团117在航空、航天行业中的应用酒泉卫星发射场西飞沈阳一一七厂首都机场航天二一一厂118在水泥行业中的应用山东水泥三号线山东水泥质检站建德海螺水泥有限责任公司池州海螺水泥有限责任公司枞阳海螺水泥责任有限公司铜陵海螺水泥责任有限公司承德县永和水泥物资有限公司江西蓝源水泥有限责任公司北京琉璃河水泥厂北京北新建材湖北宜昌华新水泥河北浅野水泥厂安徽巢湖水泥厂返回119精密诊断的方法频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法振动的通频幅值或特征频率幅值，随故障的发展而增大。据此判定机器的健康状态，并推测其寿命。120ISO10816（ISO2372）国际振动烈度标准转速：600~12000r/min;10~1000Hz的通频带速度有效值Vrms121九、齿轮故障的时域与频域特征齿轮状态频域时域（低频）正常不同轴偏心局部异常磨损齿距误差不平衡122（6）异常推力载荷引起的损伤配置轴承时通常是一侧固定，而另一侧为自由。然而，承受合成载荷形式的轴承使用两侧时，如对自由侧的轴向间隙考虑不周，就会产生异常推力载荷而引起表面剥离，成为导致事故的根源。（7）处理不当造成的损伤将轴承装配到轴上和轴承座中时，如处理得不小心，轴承将受到较大的损伤，有时甚至不能使用。在轴承的外环滚道面的滚子转动面产生沟形剥蚀，严重时在沟形剥蚀处的边缘隆起，表面被刮而发生异常的刮削声。也有发展成为表面剥离和裂纹的。123（8）装配不良造成的损伤热装内环时，如加温过高和内环的过盈不足，就会发生滑动。轴承的内环和轴之间存在滑动（在运行中，内外环与轴或轴承架之间的移动现象），将发展为胶着的情况。但如过盈量过大，就成为内环裂开的主要原因。（9）微小振动造成的影响如果滚动轴承受到微小振动，在滚道面与滚动体的接触部分之间会产生滑动，出现类似于压痕的磨损现象。这种现象一般称为微振磨蚀，进一步发展时便成为摩擦磨蚀。124（10）绝缘不良造成的损伤如在滚动轴承的滚道面与滚动体之间的接触部分通过电流，会以油膜为介质产生出电火花，从而使滚道面与滚动体的表面局部熔化或退火（这种现象称为电蚀），严重者会出现凸凹形。1252.滚动轴承的诊断原理（振动法）2.1滚动轴承的旋转机构图1所示为滚动轴承（球轴承、滚子轴承），图中所用符号的意义如下：D—轴承的节径；d—滚动体直径;r1—内环滚道的半径;r2—外环滚道的半径;α—接触角。假设：（1）滚道环与滚动体之间无滑动接触（2）径向、轴向受载荷时各部分无变形126127Fo——轴(内环)的旋转频率fa——外环的旋转频率128（1）滚动体的公转周期滚动体绕轴