1、 機械故障診斷技術主講 :王林鴻教授、博士機械與汽車工程學院第一章第一章 緒論緒論人有生老病死自然規律和人的生命周期；人有生老病死自然規律和人的生命周期；機械設備有各種狀態（機械設備有各種狀態（perfectperfect、defectdefect、defaultdefault、break downbreak down）和產品的生命周期；）和產品的生命周期；機械故障危害：機械故障危害： 降低效率降低效率停產停產損壞設損壞設備備機毀人亡；機毀人亡；機械故障診斷類比于醫療診斷，是一門新興的機械故障診斷類比于醫療診斷，是一門新興的學科領域；學科領域；故障診斷的目的：性能指標保持完好（預防為故障診斷的

2、目的：性能指標保持完好（預防為主）主） ；故障設備恢復性能（既病防變）。；故障設備恢復性能（既病防變）。設備故障診斷的概念設備故障診斷的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 設備的一生設備的一生 規劃、設計、制造規劃、設計、制造（前半生）（前半生） 安裝、使用、維修、改造、更新、報廢安裝、使用、維修、改造、更新、報廢（后半生）（后半生） 對現場設備管理者來說，使用和維修階段是最

3、重要的對現場設備管理者來說，使用和維修階段是最重要的階段、經歷時間最長的階段、設備充分發揮其功能和階段、經歷時間最長的階段、設備充分發揮其功能和創造財富的階段。創造財富的階段。 設備的故障會直接影響到設備的使用和維設備的故障會直接影響到設備的使用和維修，甚至會造成巨大的經濟損失和嚴重的修，甚至會造成巨大的經濟損失和嚴重的安全問題安全問題為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 20052005年年1 1月月1919日日2222點點2020分，某鋼鐵廠粗軋機齒輪箱軸分，某鋼鐵廠粗軋機齒輪箱軸承損毀，整條生產線被迫停機，事故檢修共用了承損毀，整條生產線被迫停機，事故檢修共用了4848小時。小時。軸

4、承保持架斷&軸承內圈破裂軸承嚴重損壞直接經濟損失直接經濟損失30003000多萬！多萬！為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 在航天、化工、核電等領域中，一些設備在航天、化工、核電等領域中，一些設備故障如果不能及時發現和排除，會釀成重故障如果不能及時發現和排除，會釀成重大災難事故大災難事故 導致巨大經濟損失導致巨大經濟損失 威脅社會公共安全威脅社會公共安全 造成嚴重政治影響造成嚴重政治影響緒論緒論設備故障診斷的概念設備故障診斷的概念為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 1986年美國年美國“挑戰者挑戰者”號航天飛機失事，號航天飛機失事，2003年美國年美國“哥倫比亞哥倫比亞”號

5、航天飛機失事，號航天飛機失事，航天飛機直接經濟損失航天飛機直接經濟損失24億美元億美元，飛機上所，飛機上所有的有的航天員全部罹難航天員全部罹難。為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 1985年年12月，印度博帕爾市農藥廠發生月，印度博帕爾市農藥廠發生異氰酸甲酯異氰酸甲酯毒氣泄漏毒氣泄漏事故，造成事故，造成2000多人死多人死亡，亡，20多萬人受害多萬人受害為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷實例實例 3 1979年年3月月29日，美國三里島日，美國三里島核電站核電站設備發設備發生故障，放射性物質釋放，不僅造成生故障，放射性物質釋放，不僅造成幾十億美幾十億美元元的經濟損失，而且核輻射極大

6、的經濟損失，而且核輻射極大危害危害當地居民當地居民的的身體健康。身體健康。為什么要進行故障診斷為什么要進行故障診斷 可以可以早發現、早預防，早發現、早預防，保證生產正常運行，減少經濟保證生產正常運行，減少經濟損失，防止安全事故發生。損失，防止安全事故發生。 掌握設備掌握設備過去和現在的過去和現在的運行狀態，運行狀態，預測設備未來預測設備未來的的工作狀態，可以為設備管理和維修決策提供技術根據工作狀態，可以為設備管理和維修決策提供技術根據設計、制造、安裝、使用設計、制造、安裝、使用長期運行中，設備故障難以避免長期運行中，設備故障難以避免及時發現設備的異常和故障，盡早采取防治措施及時發現設備的異常和

7、故障，盡早采取防治措施設備故障診斷的概念設備故障診斷的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷保障設備安全保障設備安全什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷醫生醫生工程師工程師機器機器人人看病看病設備故障診斷的思想來源于醫學診斷設備故障診斷的思想來源于醫學診斷什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷醫學診斷方法醫學診斷方法設備故障診斷方法設備故障診斷方法聽、摸、看、聞聽、摸、看、聞振動與噪聲監測振動與噪聲監測溫度測量溫度測量油

8、液分析油液分析應力應變測量應力應變測量無損檢測技術（裂紋）無損檢測技術（裂紋）望、聞、問、切望、聞、問、切聽心音、做心電圖聽心音、做心電圖量體溫量體溫驗血驗尿驗血驗尿量血壓量血壓X射線、射線、 超聲檢查超聲檢查問病史問病史查閱設備檔案資料查閱設備檔案資料什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷 設備故障診斷是一種在設備故障診斷是一種在設備運行中設備運行中或在或在基基本不拆卸本不拆卸的情況下，的情況下，了解和掌握了解和掌握設備工作設備工作狀態狀態，確定設備的整體或局部是否工作正，確定設備的整體或局部是否工作正常，發現常，發現早期故障早期故障及其原因，并能及其原因，并能預報預報故故障發展趨勢的技術。障

9、發展趨勢的技術。 簡而言之：簡而言之：設備故障診斷就是給機器看病設備故障診斷就是給機器看病的技術的技術設備故障診斷的概念設備故障診斷的概念2 What ?2 What ?1 Why ?1 Why ?3 How ?3 How ?什么是設備故障診斷什么是設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷為什么要進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷保障設備安全保障設備安全給機器看病給機器看病如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷 三個階段三個階段 狀態監測狀態監測 分析診斷分析診斷 決策處理決策處理信號采集、數據顯示信號采集、數據顯示設設 備備傳感器傳感器分析處理、狀態識別分析處理、狀態識別

10、故障診斷、決策故障診斷、決策治治 理理 防防 治治監護運行監護運行停機檢修停機檢修參考圖譜參考圖譜狀態監測狀態監測分析診斷分析診斷決策處理決策處理巡回監測巡回監測整理課件整理課件17狀態監測和故障診斷的過程圖示狀態監測和故障診斷的過程圖示如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷 狀態監測狀態監測 傳感器（物理信號傳感器（物理信號電壓信號）電壓信號） 信號調理（功放、濾波）信號調理（功放、濾波） 數據采集數據采集/ /存儲（存儲（A/DA/D采樣）采樣） 狀態數據顯示狀態數據顯示電機電機軸承座軸承座壓縮機壓縮機傳感器傳感器如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷 分析診斷分析診斷 狀態信號分析狀

11、態信號分析 設備故障判斷與定位設備故障判斷與定位 設備狀態預測設備狀態預測頻譜圖頻譜圖趨勢預測圖如何進行設備故障診斷如何進行設備故障診斷 決策處理決策處理 在確保安全的前提下，將不采用在確保安全的前提下，將不采用故障診斷技術時的故障診斷技術時的立即停機檢修立即停機檢修，轉化為采用故障診斷技術后的轉化為采用故障診斷技術后的維維持運行持運行，延長設備運行周期，延長設備運行周期 巡回監測巡回監測 監護運行監護運行 停機檢修停機檢修 設備管理與維修策略設備管理與維修策略故障診斷的理論基礎：能量耗散原理故障診斷的理論基礎：能量耗散原理 故障診斷是建立在能量耗散原理基礎故障診斷是建立在能量耗散原理基礎上的

12、。上的。 所有設備的作用都是能量轉換與傳遞，所有設備的作用都是能量轉換與傳遞，設備狀態愈好，轉換與傳遞過程中的附加設備狀態愈好，轉換與傳遞過程中的附加能量損耗愈小能量損耗愈小（無是生非）無是生非）。 因此，因此，監測附加能量損耗的變化，可以監測附加能量損耗的變化，可以了解設備劣化程度了解設備劣化程度（凈扯那些沒用的）（凈扯那些沒用的）。1.1 設備的壽命及劣化曲線設備的壽命及劣化曲線 1. 1. 浴盆曲線浴盆曲線 浴盆曲線：即機械設備劣化進程規律浴盆曲線：即機械設備劣化進程規律曲線。由于類似浴盆的剖面線，故稱為浴曲線。由于類似浴盆的剖面線，故稱為浴盆曲線。盆曲線。 （人的一生的疾病分布規律又何

13、嘗不是（人的一生的疾病分布規律又何嘗不是一個浴盆曲線呢？！）一個浴盆曲線呢？！）設備的壽命曲線（浴盆曲線）設備的壽命曲線（浴盆曲線）磨合期磨合期正常使用期正常使用期耗損期耗損期故障率%圖圖11浴盆曲線浴盆曲線早期失效早期失效偶然失效偶然失效耗損失效耗損失效浴盆曲線中的三個階段浴盆曲線中的三個階段 磨合期，表示新機器的磨合階段，這時故障率磨合期，表示新機器的磨合階段，這時故障率較高較高（幼兒期）幼兒期）。早期失效：原因如裝配誤差、加早期失效：原因如裝配誤差、加工誤差、材料缺陷、設計誤差等。工誤差、材料缺陷、設計誤差等。 正常使用期，表示機器經磨合后處于穩定階段，正常使用期，表示機器經磨合后處于穩

14、定階段，這時故障率最低這時故障率最低（青壯年期）青壯年期）。偶然失效：原因如偶然失效：原因如操作失誤、塵土污染、維護不當等。操作失誤、塵土污染、維護不當等。 耗損期，表示機器由于磨損、疲勞、腐蝕已處耗損期，表示機器由于磨損、疲勞、腐蝕已處于老年階段，因此故障率又逐步升高于老年階段，因此故障率又逐步升高（老年期）老年期）。耗損失效：原因如疲勞斷裂、老化、點蝕等。耗損失效：原因如疲勞斷裂、老化、點蝕等。2. 設備的劣化曲線設備的劣化曲線綠區綠區(G)(G)包括浴盆曲線的正包括浴盆曲線的正常使用階段，即故障率最低常使用階段，即故障率最低的階段。機器處良好狀態。的階段。機器處良好狀態。黃區黃區(Y)(

15、Y)包括浴盆曲線包括浴盆曲線區區的初始階段，故障率已有抬的初始階段，故障率已有抬高的趨勢。機器處警戒狀態。高的趨勢。機器處警戒狀態。紅區紅區(R)(R)包括浴盆曲線包括浴盆曲線區區故障率已大幅度上升的階段。故障率已大幅度上升的階段。機器處嚴重或危險狀態。機器處嚴重或危險狀態。GYR圖圖1-2劣化曲線劣化曲線 取浴盆曲線中后兩階段，第取浴盆曲線中后兩階段，第階段（正常使用期）和第階段（正常使用期）和第階段（耗損期）作為劣化曲線。如下圖：階段（耗損期）作為劣化曲線。如下圖：1.2 故障診斷的內容故障診斷的內容 1 1）運行狀態的監測）運行狀態的監測判斷設備是否運行判斷設備是否運行正常；正常；判斷判

16、斷 2 2）設備運行狀態的趨勢預報）設備運行狀態的趨勢預報對設備運對設備運行狀態的發展趨勢進行預測；行狀態的發展趨勢進行預測；預測預測 3 3）故障類型、程度、部位、原因的確定）故障類型、程度、部位、原因的確定確診確診1.3 故障診斷的基本方法故障診斷的基本方法 按診斷難易程度分類：按診斷難易程度分類： 1)1)簡易診斷法簡易診斷法； 2)2)精密診斷法。精密診斷法。 按機械故障診斷的測試手段來分類：按機械故障診斷的測試手段來分類： 3)3)直接觀察法、直接觀察法、 4)4)振動噪聲測振動噪聲測定法、定法、 5)5)無損檢測法、無損檢測法、 6)6)磨損物測定法、磨損物測定法、 7)7)機器性

17、能參數測定法。機器性能參數測定法。 比較有效比較成熟的是本門課程側重的振動噪聲測定法。比較有效比較成熟的是本門課程側重的振動噪聲測定法。整理課件整理課件28簡易診斷和精密診斷簡易診斷和精密診斷狀態監測（簡易診斷）狀態監測（簡易診斷） 內容：內容： 識別有無故障識別有無故障 明確故障嚴重程度明確故障嚴重程度 作出故障趨勢分析作出故障趨勢分析由設備維修人員在現場由設備維修人員在現場進行進行故障診斷（精密診斷）故障診斷（精密診斷） 內容：內容： 確定故障部位確定故障部位 確定故障原因確定故障原因 提出維修建議提出維修建議由設備診斷人員在現場由設備診斷人員在現場或中心進行或中心進行整理課件整理課件29

18、國內外發展情況國內外發展情況 國外情況國外情況 美國最早（美國最早（19611961，阿波羅號航天飛機失事），阿波羅號航天飛機失事） 日本、英國、瑞典、挪威、丹麥等緊隨其后日本、英國、瑞典、挪威、丹麥等緊隨其后 19671967年年4 4月，召開美國機械故障預防小組月，召開美國機械故障預防小組(MFPG)(MFPG)成立大會成立大會 美國飛行器數據綜合系統美國飛行器數據綜合系統(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”全員生產維修全員生產維修整理課件整理課件30國內外發展情況國內外發展情況 國內情況國內情況 1979

19、1979年以前，一些大專院校和科研單位開始理論研究年以前，一些大專院校和科研單位開始理論研究 19791979年到年到19831983年，從初步認識進入到初步實踐階段年，從初步認識進入到初步實踐階段 19841984年年7 7月在北京成立中國設備管理協會月在北京成立中國設備管理協會 19851985年年1111月在上海召開了設備診斷技術應用推廣會議月在上海召開了設備診斷技術應用推廣會議 19861986年年6 6月在沈陽召開第一屆中國機械設備診斷技術學月在沈陽召開第一屆中國機械設備診斷技術學會年會會年會 目前石化、冶金、電力等行業都有相應的診斷中心目前石化、冶金、電力等行業都有相應的診斷中心

20、冶金企業的主要大廠都有專門的診斷部門，如武鋼、冶金企業的主要大廠都有專門的診斷部門，如武鋼、鞍鋼、寶鋼、馬鋼等鞍鋼、寶鋼、馬鋼等整理課件整理課件31國內外發展情況國內外發展情況 在各行業中的應用在各行業中的應用 航空航天領域航空航天領域 交通行業交通行業 冶金行業冶金行業 石化行業石化行業 核反應堆核反應堆 電力部門電力部門整理課件整理課件32國內外發展情況國內外發展情況 總體發展趨勢總體發展趨勢 診斷對象多樣化診斷對象多樣化 診斷技術多元化診斷技術多元化 故障診斷實時化故障診斷實時化 診斷方法智能化診斷方法智能化 診斷系統網絡化診斷系統網絡化 診斷系統數據庫化診斷系統數據庫化 診斷技術實用化

21、診斷技術實用化MALMOVISYS-2StellDiagnosticALBYMSCAALXBYMAM PV-BGALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAALBYMSCAPV-BGALBYMSCA整理課件整理課件33故障診斷與狀態監測故障診斷與狀態監測 狀態監測狀態監測 通過監視和測量設備的運行狀態信息和特征參數，并通過監視和測量設備的運行狀態信息和特征參數，并根據測定值與規定的正常值來做比較，從而判斷設備根據測定值與規定的正常值來做比較，從而判斷設備的工作狀態是否正常的工作狀態是否正常 故障診斷故障診斷 不僅要檢查出設備是否正常，還要對設備發生故障的不僅要檢查出設備是否正常，還要對設備

22、發生故障的部位、產生故障的原因、故障的性質和程度給出深入部位、產生故障的原因、故障的性質和程度給出深入的分析和判斷。的分析和判斷。 二者的關系二者的關系 監測是手段，診斷是目的監測是手段，診斷是目的 監測是診斷的前提，診斷是監測的最終結果監測是診斷的前提，診斷是監測的最終結果 整理課件整理課件34故障診斷與設備維修故障診斷與設備維修 設備維修方式的變革設備維修方式的變革 事后維修事后維修(Breakdown Maintenance, BM)(Breakdown Maintenance, BM) 第二次世界大戰之前第二次世界大戰之前 也稱被動維修，那時的機器小、簡單、易修，損失也也稱被動維修，那

23、時的機器小、簡單、易修，損失也不大（我國解放前就是這種狀況）不大（我國解放前就是這種狀況） 計劃維修計劃維修(Time Based Maintenance, TBM)(Time Based Maintenance, TBM) 也稱定期維修，第二次世界大戰之后也稱定期維修，第二次世界大戰之后 預知維修預知維修(Predictive Maintenance, PM)(Predictive Maintenance, PM) 國際上國際上2020世紀世紀6060年代中期開始，我國年代中期開始，我國8080年代才開始。年代才開始。 2020世紀世紀9090年開始，以可靠性為中心的維修年開始，以可靠性為中

24、心的維修(Reliability Centered Maintenance, RCM)(Reliability Centered Maintenance, RCM) 我國目前情況我國目前情況：以設備技術狀態為基礎與計劃修理相：以設備技術狀態為基礎與計劃修理相結合的預防維修計劃制度結合的預防維修計劃制度整理課件整理課件35事后維修事后維修 定義定義 設備運行到壞了才進行修理。設備運行到壞了才進行修理。 優點：優點： 不需要安排計劃；不需要安排計劃； 對一些設備，更換比修理更便宜。對一些設備，更換比修理更便宜。 缺點：缺點： 意外停機引起生產損失；意外停機引起生產損失； 災難性的設備事故；災難性的

25、設備事故； 庫存備件投資多；庫存備件投資多； 引起設備的二次損壞。引起設備的二次損壞。整理課件整理課件36計劃維修計劃維修定義定義 按預定的時間間隔或檢修周期對設備做維修、調整和更換備件按預定的時間間隔或檢修周期對設備做維修、調整和更換備件優點：優點： 機器運行壽命相對較長機器運行壽命相對較長 減少意外停機減少意外停機 備件庫存較少備件庫存較少缺點：缺點： 不能防止計劃之外的突發事故不能防止計劃之外的突發事故 過剩維修導致維修費用增加過剩維修導致維修費用增加 過剩維修引起人為維修故障過剩維修引起人為維修故障 不足維修引起設備二次損壞不足維修引起設備二次損壞1 年年20 年年突突 發發 性性損損

26、 壞壞過過 剩剩 損損 失失瑞典SKF公司軸承實驗整理課件整理課件37預知維修預知維修 定義：定義： 有計劃地對設備做檢查和測試，以確定其健康狀有計劃地對設備做檢查和測試，以確定其健康狀 況，況，決定維修時間。決定維修時間。 主動維修、精確維修主動維修、精確維修 優點：優點： 減少非計劃停機損失減少非計劃停機損失 延長維修時間間隔延長維修時間間隔 大大減少庫存備件大大減少庫存備件 減少維修費用減少維修費用 過剩維修減到最少過剩維修減到最少 缺點：缺點： 需要初始投資需要初始投資 需要學習培訓需要學習培訓整理課件整理課件38不同制度的維修成本的比較不同制度的維修成本的比較大型鋼鐵企業大型鋼鐵企業

27、整理課件整理課件39維修費用花了多少？維修費用花了多少？ 美國美國19801980年稅收總額年稅收總額 $7500$7500億，維修費為億，維修費為 $2460$2460億億, ,估計其中過剩維修費為估計其中過剩維修費為 $750$750億。億。 我國我國19871987年國營工交企業年國營工交企業4040萬個，固定資產￥萬個，固定資產￥70007000億億, ,維修費約為固定資產的維修費約為固定資產的 3 35 5。 我國我國20022002年規模以上企業共有固定資產￥年規模以上企業共有固定資產￥88008800萬億萬億，維修費有多少？能節省多少？，維修費有多少？能節省多少？ 規模以上企業是

28、指全部國有企業及年產品銷售收入規模以上企業是指全部國有企業及年產品銷售收入500500萬元以上萬元以上的非國有工業企業。的非國有工業企業。整理課件整理課件40停產一天的損失有多大？停產一天的損失有多大？300MW300MW發電機組發電機組 損失電損失電720720萬萬kWhkWh，約￥，約￥144144萬元萬元3030萬噸化肥裝置萬噸化肥裝置 損失化肥損失化肥1000t1000t， 約￥約￥150150萬元萬元三峽三峽2 2號水輪機組號水輪機組700MW 700MW 停機停機4 4小時損失￥小時損失￥400400萬元萬元中石化每年設備停機損失：中石化每年設備停機損失：1919億元億元/ /年年整理課件整理課件41先進維修制度的作用先進維修制度的作用 保證機器精度，提高產品質量保證機器精度，提高產品質量 減少意外停車引起的生產損失減少意外停車引起的生產損失 防止事故，杜絕災難性故障防止事故，杜絕災難性故障 減少維修時間和維修費用（人力和財力）減少維修時間和維修費用（人力和財力） 改善環境，改善企業形象改善環境，改善企業形象投資獲得最大和最長遠的回報投資