設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用

中國運載火箭技術(shù)研究院北京京航公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用

（診斷技術(shù)與產(chǎn)品介紹專題）

主講人：賈元立

中國運載火箭技術(shù)研究院北京京航公司（介紹）一、設(shè)備故障診斷的概況二、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測知識樹三、中國運載火箭技術(shù)研究院北京京航公司（產(chǎn)品）四、全國客戶群謝謝！中國運載火箭技術(shù)研究院

北京京航公司北京京航公司是隸屬于中國運載火箭技術(shù)研究院的航天高科技企業(yè)；同時是中國設(shè)備管理協(xié)會于2000年批準成立的設(shè)備診斷工程技術(shù)中心；公司于2003年通過ISO-9001國際質(zhì)量體系認證。2004年被中國質(zhì)量協(xié)會全國用戶委員會評為“全國用戶滿意單位”。2006年與丹麥PCH公司成為戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。公司充分發(fā)揮航天技術(shù)優(yōu)勢，長期致力于各類旋轉(zhuǎn)機械故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營，已有近30年的歷史，已成為國內(nèi)機械故障診斷行業(yè)中知名的科、工、貿(mào)一體化企業(yè)，同時產(chǎn)品批量出口。公司離在線產(chǎn)品以可靠的質(zhì)量，完善的售后服務(wù)及優(yōu)越的性能價格比贏得了國內(nèi)外用戶的信賴。公司產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、電力、鐵路、煙草、供水等大、中型企業(yè)的設(shè)備管理、檢測及維修。ISO9001質(zhì)量體系認證證書2002、2003、2004年度

被評為全國用戶滿意產(chǎn)品技術(shù)部在火箭院的榮譽國家科技進步二等獎中國計量器具許可證（CMC）返回一.設(shè)備故障診斷的概況（一）.設(shè)備故障診斷的意義、目的、任務(wù)（二）.設(shè)備故障診斷發(fā)展的歷史（三）.設(shè)備故障診斷的適用性與應(yīng)用

返回在設(shè)備運行中或在基本不拆卸的情況下，通過各種手段，掌握設(shè)備運行狀態(tài)，判定產(chǎn)生故障的部位和原因，并預測、預報設(shè)備未來的狀態(tài)。什么是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷？是防止事故和計劃外停機的有效手段。是設(shè)備維修的發(fā)展方向。返回a.設(shè)備故障診斷的意義

1989年美國挑戰(zhàn)者號航天飛機失事前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的爆炸1985年大同電廠1988年秦嶺電廠20萬KW發(fā)電機組斷軸毀機事故………………..9/21/2023據(jù)統(tǒng)計，中國在1977年和1987年已投產(chǎn)的6-7個大化肥廠中，由于大機組的故障停機，僅這兩年內(nèi)損失的化肥產(chǎn)量，相當于一個大型化肥廠的全年產(chǎn)量（30萬噸合成氨，48萬噸尿素）。

b.設(shè)備故障診斷的目的

及時預防、診斷、消除設(shè)備故障，對設(shè)備運行進行必要指導。制訂合理的監(jiān)測維修制度，延長設(shè)備壽命，降低維護費用。為設(shè)備優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。9/21/2023c.設(shè)備故障診斷的任務(wù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備故障診斷指導設(shè)備的管理維修

返回9/21/2023（二）、設(shè)備維修制度的發(fā)展事后維修，故障維修(Breakdown)設(shè)備壞了后才去修理。定期維修，預防維修(Preventive)定期地檢查和大修。預測維修，視情維修(Predictive)周期的監(jiān)測，需要時才去維修。事后維修體制設(shè)備運行到壞了再進行修理。不需要安排計劃。對一些設(shè)備，更換比修理更便宜。意外停機引起生產(chǎn)損失。災難性的設(shè)備事故。庫存?zhèn)浼顿Y多。引起設(shè)備的二次損壞。定義優(yōu)點缺點定期維修體制按預訂的時間間隔或檢修周期對設(shè)備作維修、調(diào)整和更換備件。機器壽命較長。減少意外停機。備件庫存較少。意外停機引起生產(chǎn)損失。過剩維修導致維修費用增加。過剩維修引起人為維修故障。定義優(yōu)點缺點美國宇航局（NASA）經(jīng)過調(diào)查后認為，70%的設(shè)備進行定期維修不僅是無效的，而且是反而有害的，因為每維修一次，故障率相應(yīng)升高，故障多數(shù)發(fā)生在維修后的一周之內(nèi)。日本維修人員的經(jīng)驗是，定期維修后一周出現(xiàn)的故障率60%，一月之內(nèi)的故障率總計可達80%左右預測維修體制有計劃地對設(shè)備作檢查和測試，以確定其健康狀態(tài)。減少非計劃停機損失。維修時間間隔可以延長。非必要維修減到最少。備件庫存最小。需要初始投資。需學習和培訓。定義優(yōu)點缺點預測維修體制與十一五規(guī)劃《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出，到2010年單位GDP能耗比2005年下降20%。降低能耗不僅僅體現(xiàn)在生產(chǎn)過程中，而是生產(chǎn)的全過程，降低維修能耗更是未來發(fā)展的方向。預測維修，是節(jié)約企業(yè)人力、物力、精力，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟有效維修途徑，是符合國策的先進維修理念。定期預防維修統(tǒng)計規(guī)律經(jīng)驗感觀化個體差異不利于學習維修不足維修過剩預知維修設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)客觀、量化儀器差異利于學習經(jīng)濟維修返回（三）、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的適用性1、能適用的機械比例大（約90%）2、對復雜的機械設(shè)備效果特別大3、對劣化發(fā)展型和隨機型故障的（過去預防維修無能為力）設(shè)備效果特別大

設(shè)備故障診斷在國內(nèi)外企業(yè)的應(yīng)用日本：事故率降低75%，維修費用降低25%~50%。英國：對2000個大型工廠進行調(diào)查表明：節(jié)省費用3億英鎊，而診斷成本為0.5億英鎊，凈獲利2.5億英鎊。中國：按1997年我國國營工業(yè)企業(yè)有50萬個，總固定資產(chǎn)15000億元，每年用于設(shè)備大修、小修及其處理故障的費用一般占固定資產(chǎn)原值的3~5%，采用診斷技術(shù)后一年的經(jīng)濟效益可達數(shù)百億元。返回設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷知識樹被測設(shè)備設(shè)備特征信息獲取檢測信號設(shè)備允許參數(shù)故障確定趨勢分析診斷決策信號采集信號處理狀態(tài)識別對比返回識別重要設(shè)備要看設(shè)備出現(xiàn)故障時是否：會威脅安全或破壞環(huán)保標準會有重大經(jīng)濟損失后果根據(jù)設(shè)備的重要程度以及減少對工作效率的影響等來決定排除故障的投資決策。返回振動監(jiān)測手段的分類和選用信號采集?選測點原則：近距、剛性、安全

?定測點、定時間、定人員、定儀器、定參數(shù)、定工況、定路線返回渦流式位移傳感器磁電式速度傳感器壓電加速度傳感器渦流位移傳感器不接觸測量，特別適合測量轉(zhuǎn)軸和其他小型對象的相對位移。有零頻率響應(yīng)，可測靜態(tài)位移和軸承油膜厚度。相移很小。靈敏度與被測對象的電導率和導磁率有關(guān)。接收形式：相對式變換形式：電渦流典型頻率范圍：0~20kHz典型線性范圍：0~2mm典型靈敏度：8.0V/mm(對象為鋼)磁電速度傳感器接收形式：慣性式變換形式：磁電效應(yīng)典型頻率范圍：10Hz~1000Hz典型線性范圍：0~2mm典型靈敏度：20mV/mm/s測量非轉(zhuǎn)動部件的絕對振動的速度。不適于測量瞬態(tài)振動和很快的變速過程?？垢蓴_力強。傳感器質(zhì)量較大，對小型對象有影響。在傳感器輸出阻抗固有頻率附近有較大的相移。壓電加速度傳感器接收形式：慣性式變換形式：壓電效應(yīng)典型頻率范圍：0.2Hz~10kHz線性范圍和靈敏度隨各種不同型號可在很大范圍內(nèi)變化。測量非轉(zhuǎn)動部件的絕對振動的加速度。適應(yīng)高頻振動和瞬態(tài)振動的測量。傳感器質(zhì)量小，可測很高振級。現(xiàn)場測量要注意電磁場、聲場和接地回路的干擾。返回信號處理波形分析：時域分析、幅值譜分析、功率譜分析、平均譜分析、概率譜分析、倒頻譜分析、三維譜分析、包絡(luò)分析。趨勢分析信號處理就是，把振動信號中所包含的各種頻率成分分別分解出來的方法。頻率分析的數(shù)學基礎(chǔ)是傅里葉變換和快速傅里葉算法（FFT）。頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成。頻率分析的結(jié)果得到各種頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。周期信號在時域及頻域的分解從數(shù)學的角度來說，所謂周期信號的分解，就是將一個周期函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)，亦即展開成一系列簡諧函數(shù)之和，稱為諧波分析。假定是周期為T的周期振動函數(shù)，則可展開成如下的三角傅立葉級數(shù)形式：（2-4）式中：

其中和稱為傅立葉系數(shù)。是的平均值，即直流分量。

快速傅立葉變換（FFT）稱為的幅值譜函數(shù)，稱為的相位譜函數(shù)周期信號的幅值譜和相位譜簡諧振動波形和頻譜圖（例）T返回轉(zhuǎn)動機械常見故障的頻率特征二、振動、頻譜分析的基本理論（一）.振動與簡諧振動（二）.簡諧振動的要素（三）.頻譜分析的基礎(chǔ)及作用（四）.頻譜分析中的常用概念與波形振動定義：物體在平衡位置附近所做的往復運動稱為振動簡諧定義:物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比,并且總指向平衡位置的回復力的作用下的振動,叫做簡諧振動。簡諧振動三要素振幅(Amplitude)偏離平衡位置的最大值，記作A。描述振動的規(guī)模。圓頻率(Angularfrequency)描述振動的快慢，記作,單位為弧度/秒。頻率f=

/2

為每秒鐘的振動次數(shù)，單位為次/秒(Hz)。周期

T=1/f=2

/

為每振動一次所需的時間，單位為秒。初相角(Initialphase)描述振動在起始瞬間的狀態(tài)，記作

。2、頻譜分析基礎(chǔ)對于現(xiàn)場設(shè)備的周期振動，不論其振動波形有多復雜，都可以用傅立葉級數(shù)表示為許多頻率成簡諧關(guān)系的簡諧振動組成：頻譜分析的常用概念工頻（也稱基頻、轉(zhuǎn)頻、1X（1倍頻）等）諧波（倍頻）、次諧波

諧波（倍頻）是指某一頻率的整倍數(shù)頻率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。次諧波是指某一頻率的分數(shù)倍頻率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……頻域表示與時域表示的關(guān)系返回頻譜分析的作用頻率變換以直角坐標形式表示得到的圖形就是譜圖。頻譜是一個總稱，按照頻率成分的內(nèi)容可分為幅值譜、相位、功率譜、能量譜、倒頻譜等類型。最常用為幅值譜。設(shè)備故障發(fā)生、發(fā)展會引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化，對頻率信息進行分析，可對設(shè)備故障原因進行解釋。頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成。頻譜分析的常用概念工頻（也稱基頻、轉(zhuǎn)頻、1X（1倍頻）等）諧波（倍頻）、次諧波

諧波（倍頻）是指某一頻率的整倍數(shù)頻率分量，如2X，3X，4X，5X……nX。次諧波是指某一頻率的分數(shù)倍頻率分量，如1/2X，1/3X，1/4X，3/2X……常用的振動時域參數(shù)

位移信號峰峰值。單位為微米（m，mm）

速度信號有效值。單位為毫米/秒（mm/s,cm/s）加速度信號峰值。單位為米/秒平方（m/s2）3、常見波形的頻譜名稱波形頻譜名稱波形頻譜返回返回設(shè)備故障的識別（一）轉(zhuǎn)子不平衡的故障識別（二）轉(zhuǎn)子不對中的故障識別（三）轉(zhuǎn)子松動的故障診識別（四）滾動軸承的故障診識別（五）齒輪箱的故障識別返回轉(zhuǎn)子不平衡的特征與診斷：時域波形近似正弦波形工頻振動占主要成分相位穩(wěn)定，振幅隨轉(zhuǎn)速增大而增大通常水平方向的振幅大于垂直方向的幅值軸心軌跡較圓，且重復性好轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷

波形為簡諧波，少毛刺。軸心軌跡為圓或橢圓。1X頻率為主。軸向振動不大。振幅隨轉(zhuǎn)速升高而增大。過臨界轉(zhuǎn)速有共振峰。透平風機TOTI齒輪箱1X頻率(水平)1X頻率(水平)1X頻率(鉛垂)1X頻率(鉛垂)軸向很小軸向很小1、波形特征：類似正弦波2、頻譜特征：轉(zhuǎn)頻能量占主要成分3）、軸心軌跡圖返回（二）轉(zhuǎn)子不對中故障的診斷轉(zhuǎn)子不對中引起的故障軸承失效密封失效連軸節(jié)磨損過熱效率降低能量損失振動值變大電機水泵POPIMOMI.轉(zhuǎn)子不對中的類型正確對中e=0,

=0平行不對中e

0,

=0角度不對中e=0,

0綜合不對中e

0,

0轉(zhuǎn)子的不對中的特征與診斷：

時域波形近似正弦波形二倍工頻占振動的主要成分不對中嚴重時，會產(chǎn)生較多諧波的高諧次（4-8）倍頻的振動角不對中產(chǎn)生較大的軸向振動如果聯(lián)軸節(jié)的短節(jié)過長或過短，通常會產(chǎn)生明顯的3倍頻的振動振動隨負荷而變，工頻振動變化明顯軸心軌跡呈香蕉形或8字形不對中故障的特征波形特征：總體模樣類似正弦波頻譜特征：存在較大的2X轉(zhuǎn)頻的頻率分量返回轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動故障的診斷波形出現(xiàn)許多毛刺。譜圖中噪聲水平高。出現(xiàn)精確2X，3X…等成分，最高可達16X。松動結(jié)合面兩邊，振幅有明顯差別。電機水泵POPI轉(zhuǎn)速的精確倍頻成分最高可出現(xiàn)16X成分噪聲水平高返回D—節(jié)圓直徑d—滾珠直徑

—接觸角z—滾珠數(shù)n—軸的轉(zhuǎn)速滾動軸承故障的特征頻率dD

外環(huán)故障頻率內(nèi)環(huán)故障頻率滾珠故障頻率保持架碰外環(huán)保持架碰內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)子磨碰故障特征時域波形存在削波現(xiàn)象；頻譜圖除了工頻外，還會有豐富的高次諧波；嚴重磨損時，還會有1/2×、1/3×、3/2×等精確的分頻成分；軸心軌跡存在尖角；帶有溫升和噪聲；結(jié)合鐵譜分析有利于確定故障。返回齒輪故障的診斷齒輪嚙合頻率GMF等于齒數(shù)乘以齒輪轉(zhuǎn)速頻率。齒輪嚙合頻率兩邊有邊頻，間距為1X。隨著齒輪故障發(fā)展，邊頻越來越豐富，幅值增加。可用倒頻譜作進一步分析。OUBSISOL齒輪箱上輥下輥輸入軸嚙合頻率GMF上邊頻下邊頻2X齒輪類故障特征齒輪嚙合頻率等于齒數(shù)乘以齒輪轉(zhuǎn)頻；嚙合頻率兩邊存在邊頻，間距為1×；隨齒輪故障的發(fā)展，邊頻越來越豐富，幅值增加；齒輪斷齒表現(xiàn)為斷齒數(shù)量乘以齒輪轉(zhuǎn)頻；齒面損傷程度看邊頻帶，同時出現(xiàn)損傷齒數(shù)乘以齒輪轉(zhuǎn)頻的振動；同原始譜進行比較判斷。返回ISO10816（ISO2372）國際振動烈度標準轉(zhuǎn)速：600~12000r/min;10~1000Hz的通頻帶速度有效值Vrms電機的振動強度極限（ISO2373）摘自加拿大政府文件CDA/MS/NVSH107“維護振動極限”表3-1電廠汽輪機振動標準（IEC1968）單位：mm部分日本引進設(shè)備的Dp-p(全振幅)標準。表3-3振幅標準JEAC3717-1974振動標準日本電氣協(xié)會10MW汽輪發(fā)電機組振動允許值表3-2部分化工設(shè)備的振幅標準注：1..30MPa活塞式壓縮機轉(zhuǎn)速<200r/min,允許振動全幅度為0.20mm。2.*表示參考值。返回旋轉(zhuǎn)機械故障自診斷系統(tǒng)：這套系統(tǒng)是在吸收國內(nèi)外診斷專家多年經(jīng)驗和理論研究成果研制而成的故障自診斷系統(tǒng)，綜合了許多典型的故障頻譜特征，把振動信息、設(shè)備資料、頻譜分析、設(shè)備診斷、信息融合等只是結(jié)合在一起的綜合系統(tǒng)，對設(shè)備的常見（轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、不對中、油膜渦動、油膜振蕩、旋轉(zhuǎn)失速、喘振、摩擦、裂紋等）故障提出解決方案。這套系統(tǒng)可以減輕我們在故障診斷時的勞動強度。故障診斷的專家系統(tǒng)框圖專家系統(tǒng)是一個故障診斷的專用程序。用戶可以把其中積累的診斷專家的知識用于診斷工作。結(jié)果及解釋征兆事實庫知識獲取征兆獲取推理機診斷知識庫設(shè)備參數(shù)庫工作存貯器人機對話故障對策傳感器信號領(lǐng)域?qū)＜矣脩舴祷刳厔莘治龇ūO(jiān)視機器的劣化過程預測機器的失效時間通頻值趨勢分析簡單易行不易發(fā)現(xiàn)早期故障頻譜趨勢分析能早期發(fā)現(xiàn)齒輪、軸承等早期故障能較快判定故障的部位制定報警值和危險值的方法

根據(jù)各種標準，ISOGBAPI等以機器正常狀態(tài)的振動值，乘一倍數(shù)，如X(3~4)、X(8~10)精密診斷的方法頻譜分析法每種故障有其對應(yīng)的特征頻率。據(jù)此確定機器的故障性質(zhì)和嚴重程度。趨勢分析法、頻譜趨勢分析法振動的通頻幅值或特征頻率幅值，隨故障的發(fā)展而增大。據(jù)此判定機器的健康狀態(tài)，并推測其壽命。通頻值趨勢分析報警值危險值停機日期報警日期頻譜趨勢分析報警線危險線警告線滑動軸承機械的報警參考值返回振動測量參數(shù)的選擇位移：適用于低頻范圍，轉(zhuǎn)速在1500轉(zhuǎn)/分以下的機組速度：適用于中頻段，轉(zhuǎn)速在1500——10000轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)的機組加速度：適用于高頻段，轉(zhuǎn)速在10000轉(zhuǎn)/分以上的機組工業(yè)監(jiān)測檢測設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測（簡易診斷）內(nèi)容：識別有無故障明確故障嚴重程度解決故障由設(shè)備維修人員在現(xiàn)場進行故障診斷（精密診斷）

內(nèi)容：*確定故障部位*確定故障原因*在線檢測由設(shè)備診斷人員在現(xiàn)場或中心進行返回HG-2500系列測振儀的使用返回HG-3528型數(shù)據(jù)采集故障診斷系統(tǒng)

HG2600巡檢儀

返回現(xiàn)場動平衡系列HG-3538系列HG-3568系列

DU30激光對中儀返回返回HG-3600系列設(shè)備故障診斷儀

HG無損檢測系列返回HG－8900系列多通道數(shù)據(jù)采集

故障診斷系統(tǒng)返回HG-9200系列多通道在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)

PCH監(jiān)測慨念簡單輸出

到控制器1.傳統(tǒng)的高級監(jiān)測慨念:簡單的信號調(diào)理器:信號調(diào)理10–1000Hz

或1to10kHz

時域波形通過

多路選擇器

數(shù)據(jù)采集

分析軟件和報警-FFT

包絡(luò)

其它分析工具

數(shù)據(jù)庫原始數(shù)據(jù)輸入2.PCH監(jiān)測慨念高級信號調(diào)理器:FFT,包絡(luò),倒譜

趨勢時域波形和頻譜記錄

報警檢測

圖形顯示和和控制軟件

數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)配置和控制

通訊和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)