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机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座.pptx
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1、机械设备故障诊疗技术课程介绍简明介绍机械设备故障诊疗技术工程理论基础振动测试技术和当代应用技术重点介绍流体机械经典故障机理与诊疗技术经过流体机械故障诊疗实例介绍机械设备故障诊疗技术工业现实状况和技术进展课程内容包括新兴科技学科和当代工业技术经过学习能够熟悉当代机械设备状态监测与故障诊疗技术基本原理、实施技术和应用现实状况了解当代设备故障诊疗技术发展前景具备机械设备故障诊疗技术基本技能学习本课程前应先学习工程力学、电工电子学、工程流体力学和化工过程流体机械等技术基础和专业基础课程具备机械学、力学、电工电子学、计算机技术和流体机械等方面理论基础知识和一定实践能力推荐学习机械振动、信号处理等选修课程
2、机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第1页机械设备故障诊疗技术课程内容(教材内容)1 概论1.2 设备故障类型和状态监测技术1.1 设备故障诊疗目标和意义;1.3 设备故障状态识别方法2 故障诊疗信号处理方法2.1 信号处理基础知识;2.2 旋转机械惯用振动信号处理图形;2.3 信号时频分析3 旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗;3.2 转子不对中故障诊疗;3.3 滑动轴承故障诊疗3.4 转子摩擦故障诊疗;3.5 浮动环密封故障诊疗;3.6 叶片式机器中流体激振故障诊疗3.7 高速旋转机械不稳定自激振动故障分析方法4 往复式压缩机故障分析和管道振动4.1 往复式压缩机故障类型与故障
3、原因;4.2 示功图及阀片运动规律测量与故障分析4.3 压缩机气流压力脉动与管道振动5 齿轮故障诊疗5.2 齿轮故障振动诊疗;5.3 齿轮故障噪声诊疗5.1 齿轮常见故障;6 滚动轴承故障诊疗6.2 滚动轴承故障检测方法7.2 声发射检测技术在设备诊疗中应用8.2 含糊数学在故障诊疗中应用;6.1 滚动轴承故障形式与故障原因;6.3 滚动轴承故障振动诊疗7 无损检测技术在设备诊疗中应用7.1 油样分析技术在设备诊疗中应用;8 当代智能诊疗技术应用8.1 故障诊疗教授系统;8.3 神经网络在故障诊疗中应用机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第2页机械设备故障诊疗技术课程内容(教材内容)1 概
4、论2 故障诊疗信号处理方法3 旋转机械故障诊疗4 往复式压缩机故障分析和管道振动5 齿轮故障诊疗6 滚动轴承故障诊疗7 无损检测技术在设备诊疗中应用8 当代智能诊疗技术应用机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第3页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.1 设备故障诊疗含义和特征1.设备故障诊疗含义应用当代测试技术、诊疗理论方法识别诊疗设备故障机理、原因、部位和程度依据诊疗结论,确定设备维修方案和防范办法设备故障:设备丧失工作效能程度,设备丧失要求性能状态诊断: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,研究故障机理学科诊疗内容(三部分):一、信号采
5、集(状态监测):利用传感器和监测仪表,获取设备运行信息信号分析处理,提取设备特征信息二、故障诊疗:获取特征参数,识别信息特征利用教授知识经验,类似医生诊疗疾病诊疗设备故障类型、故障部位、故障程度和产生故障原因三、诊疗决议:依据诊疗结论,采取控制、治理和预防办法决议设备故障诊疗包含三部分内容和实施过程机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第4页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.1 设备故障诊疗含义和特征1.设备故障诊疗含义设备故障诊疗所包含三部分内容和实施过程如图所表示一、状态监测(信号采集)二、故障诊疗(寿命预计)三、诊疗决议(防治控制)机械设备故障诊疗技术设备
6、故障诊疗专家讲座第5页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.1 设备故障诊疗含义和特征2.设备故障诊疗特征(1)多样性化工过程装置静设备:如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等动设备:如旋转机器和往复机器等设备结构不一样,工艺参数各异,制造安装差异使用环境不一样,产生各种故障如离心式、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、磨损故障高速旋转机器:轴承油膜不稳定,转子不对中高速高压旋转机器:流体激振,转子自激振动往复式压缩机:管道振动故障,零件磨损、变形、断裂高压容器:裂纹扩展,内部腐蚀,密封泄漏机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家
7、讲座第6页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.1 设备故障诊疗含义和特征2.设备故障诊疗特征(2)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)多原因和相关性设备故障因相互关系产生多原因和相关性(4)延时性故障形成,缺点累积,状态劣化,量变转质变。故障过程延时性(5)不确定性(含糊性)故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第7页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.2 设备故障诊疗技术应用与发展1.应用当代化企业生产水平和经济效益提升,发展规模化和高技术含量生产装置大型化、高速高效
8、化、自动化和连续化设备要求性能好,效率高,少故障。不然故障损失巨大如石油化工大型机组(离心、轴流压缩机,烟气轮机,汽轮机,风机和机泵)单机、满负荷关键设备,故障停机造成停产损失惨重大型炼油装置,化肥装置,乙烯装置停产一天损失数百万电力部门 300 MW发电机组停机一天少发电 720 万度损失数千万元中国 19771987 年投产 67 个大化肥厂,机组故障停机两年损失相当一个大化肥厂整年产量(30 万吨合成氨,48 万吨尿素)高技术大型化设备,故障重大灾难性事故,经济损失惨重,严重政治影响美国三里岛核电站放射性物质外逸,前苏联切尔诺贝利核电站爆炸印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏美国 198
9、6、年“挑战者”号和“哥伦比亚”号航天飞机失事中国 1980 年代 200 MW 汽轮发电机组事故机组猛烈振动,转子断 7 段,联轴节飞出厂房,机组彻底破坏大化肥合成气压缩机强烈振动,振因复杂,停产 2 月损失亿元中国 20 世纪 70 年代开始应用机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第8页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.2 设备故障诊疗技术应用与发展2.发展19 世纪:事后维修;20 世纪初 50 年代:定时维修,孕育时期20 世纪 6070 年代:设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展20 世纪 80 年代以后:诊疗智能化。人工智能、教授系统、神经网
10、络发展国内 20 世纪 80 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大型企业建组织机构,技术应用发展,推进理论与方法研究如数据采集,信号处理,故障特征、模式识别及人工智能等诊疗包括多项学科知识,推进边缘学科相互交叉、渗透和发展如故障机理研究推进转子动力学、结构动力学和模态分析技术发展故障诊疗方法研究推进振开工程应用模式识别,含糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展状态监测技术推进测试技术、信号分析处理技术和网络传输技术发展故障控制推进振动噪声控制理论研究与发展设备故障评判结合故障诊疗技术与可靠性分析技术、失效分析技术机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第9页机械设备故障诊疗
11、技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.3 设备故障诊疗技术与维修方式关系定时维修(计划维修):设备运行时间为基础,依据设备磨损和故障规律,事先制订计划确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修和项(目)修适用掌握故障规律流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备缺点:检修量大耗时花费;要求精密机械,过多拆卸人为故障备品备件种类多,检修费用大技术发展和设备管理当代化,认识到采取一个预防性维修方式即设备运行时进行状态监测,掌握技术情况对将形成或已形成故障分析诊疗,判定设备劣化程度和部位故障前制订预知性维修计划,确定设备修理内容和时间即为基于状态监测为基础维修,最经济合理方式,又称预知性维修
12、预知性维修(状态监测维修):测知设备状态参数,了解设备现实状况,判断故障类型、性质和程度推测发展趋势,确定最正确维修时机,依据设备实际状态以设备故障诊疗为基础先进维修方式优点:降低突发性事故;降低停机时间;延长检修周期延长设备使用寿命;节约维修费用机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第10页维修方式内容比较使用对象事后维修(故障维修)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设备结构简单,修理轻易,取得修理配件,故障停机不对生产造成损失,普通均设有备机定时维修(计划维修)按磨损规律和故障概率得出维修周期,依据计划定时维修。设备大修解体检验,更换或修理零部件单机连续运行设备
13、,掌握磨损规律和故障概率。关键设备和零部件,分析计算使用周期,确保设备安全运行状态监测维修(预知性维修)依据设备运行状态监测信息,判断设备故障程度和发展趋势,提出最佳维修时间和部位单机连续运行大型机组和重大设备,停机损失巨大,不宜解体检验高精度设备,故障引发公害设备。具备状态监测与故障诊疗条件机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.3 设备故障诊疗技术与维修方式关系表 1-2三种维修制度比较工业发达国家经验 90 设备要求预知性维修10 设备需要定时维修机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第11页机械设备故障诊疗技术1概述1.1 设备故障诊疗目标和意义1.1.3 设
14、备故障诊疗技术与维修方式关系五体制(维修体制):(主要为带 号三种维修体制)事后维修 BM(Break-down Maintenance):故障(后)维修。适合用于非重点或备用设备维修,传统维修方式 定时维修 TBM(Tim-Based Maintenance):属预防维修,即计划维修依据设备规律,固定维修周期,确定维修内容,制订维修计划适用主要生产设备,成本高,经济差,传统经典维修方式 状态维修 CBM(Condition-Based Maintenance):属预防维修,即预知维修日常检验、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修适合用于重点或通用设备,经济合理,值得提倡维修方式改
15、进维修 CM(Corrective Maintenance):改进结构,消除缺点。值得提倡维修方式视情维修 OM(On-condition Maintenance):属预防维修。定时检测,安全检验,发觉问题,确定界限适合用于非主要零部件,认为有必要才进行维修维修方式机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第12页机械设备故障诊疗技术1概述1.2 设备故障类型和状态监测技术1.2.1 设备故障类型及其可能原因结构损伤性故障:设备结构内外缺点和损伤裂纹:能因为疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引发磨损: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腐蚀:化学反应现象。化学腐蚀,应力腐蚀、
16、电化腐蚀变形:设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力流体激振力、惯性力、内应力和设备结构微弱等原因断裂: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,表面接触应力过大运动状态劣化性故障:(1)机械位置不良: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(2)刚性不足:支承基础刚性、转子刚性(3)摩擦:转子定子干摩擦、轴件内摩擦(4)流体激振: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(5)非线性谐波共振:零件松动、流体间隙激励、摩擦等机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第13页机械设备
17、故障诊疗技术1概述1.2 设备故障类型和状态监测技术1.2.2 设备故障诊疗功效和步骤1.功效 检测评价设备运动、缺点、磨损、劣化和故障状态 确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势预测设备可靠性程度 确定故障起源,提出整改办法2.步骤 信号采集 传感器(人体感觉器官)采集设备运行参数反应设备故障特征 信号处理 分析仪器加工处理采集信息,提取特征信息反应故障状态、性质、类型和程度 故障诊疗 人知识经验或诊疗技术方法分析诊疗故障原因确定故障类型和发生部位 防治控制 确定故障提出控制方案或预防治理办法机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第14页机械设备故障诊疗技术1概述1.2 设备故障类型
18、和状态监测技术1.2.2设备故障诊断功能和环节2.环节机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第15页机械设备故障诊疗技术1概述1.2 设备故障类型和状态监测技术1.2.3 状态监测技术和方法振动信号监测诊疗技术: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声信号监测诊疗技术:噪声诊疗、超声波诊疗和声发射诊疗技术温度信号监测诊疗技术:温度直接测量技术、热红外分析技术润滑油分析诊疗技术: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其它无损检测诊疗技术:超声波检测技术、射线摄影检测技术、表面缺点检测技术包含磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测光学显微镜分析以及光纤内窥
19、镜和光学成像技术机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第16页机械设备故障诊疗技术1概述1.3 设备故障状态识别方法1.3.1 信息比较诊疗法采集存放振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力流量等参数信息,建立数据库,趋势分析比较等1.3.2 参数改变诊疗法改变操作参数,测量分析参数改变信号特征结合参数门槛值(闭值),观察机器故障相关原因1.3.3 模拟试验诊疗法模拟试验,研究未知或不确定故障机理和特征,解答故障原因提出故障特征参数及参数间定量关系等注意模型与对象相同条件1.3.4 函数诊疗法故障征兆和原因间存在函数关系,计算设备运行参数预测或识别设备故障1.3.5 故障树分析诊疗
20、法(Fault Tree Analysis,FTA法)以系统不希望故障状态出发(顶事件)按照逻辑关系总体到部件逐层细化,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(底事件)机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第17页机械设备故障诊疗技术1概述1.3 设备故障状态识别方法1.3.6 含糊诊疗法确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度建立含糊关系矩阵、含糊综合评判1.3.7 神经网络诊疗法基本组成、网络拓扑结构、故障诊疗应用人工神经网络基本组成:神经元、神经元间连接、神经网络结构神经网络诊疗方法:自学习功效、结合含糊诊疗1.3.8 结论设备故障诊疗技术成功条件(1)足够有用信息
21、诊疗决议依据(2)多方面诊疗知识设备工作原理、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测试技术和信号分析处理方法机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第18页机械设备故障诊疗技术3旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗旋 转 机 械:转子旋转运开工作机器,转子、轴承等部件经典旋转机械:离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等生产关键设备:大型化工、石化、电力和钢铁等行业大型旋转机械炼油厂催化三机组或四机组大化肥装置四大机组或五大机组乙烯装置三大机组电力行业汽轮发电机组、泵和水轮机组钢铁行业高炉风机和轧钢机组3.1.1 转子不平衡概念转子
22、不平衡:转子受材料质量、加工、装配以及运行多原因影响质量中心和旋转中心之间存在偏心距转子工作时周期性离心力干扰轴承产生动载荷引发机器振动不平衡原因:旋转体质量沿旋转中心线不均匀分布机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第19页G 2n 2n 2 6000机械设备故障诊疗技术(N)圆盘质量 10 kg,偏心距 0.2 mm,转速 6000 r/min,离心力离心力在轴承上每转改变一次,引发转子轴承系统振动3旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗3.1.1 转子不平衡概念带薄圆盘刚性转子两轴承支承跨度 l转子质量 m质心 M 距旋转中心 O 偏心距 e旋转角速度假定转子系统无阻尼转子产生离心
23、力Gen29002e g 60 F=me 2 =22 60 =102104 =789 (N)F=me 60 机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第20页机械设备故障诊疗技术3旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗3.1.1 转子不平衡概念机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第21页机械设备故障诊疗技术3旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗3.1.2 临界转速对不平衡振动影响(1)临界转速动力特征临界转速现象:不平衡离心力引发共振现象,临界转速时转子很大弯曲变形弓状盘旋运动(“涡动”或“进动”),转子质量中心远离轴承中心线离心力大增,转子更大变形,离心力放大,机器猛烈振动临界转
24、速:一阶临界转速 ncr1,多阶临界转速 ncri(阶数 i)设计要求:工作转速 n 避开临界转速 ncr普通要求:工作转速 n 一阶临界转速 ncr1,n 0.75 ncr1工作转速 n 一阶临界转速 ncr1,1.4 ncri n 0.7ncr(i+1)(i 阶)转子运动力学模型:最简单两端刚性轴承对称支承转子轴中点圆盘质量 m,刚度系数 k,动挠度转子无阻尼横向振动固有频率n=K/mn 时,理论 无限大角速度 即临界转速转速频率 横向固频n机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第22页机械设备故障诊疗技术3旋转机械故障诊疗3.1 转子不平衡故障诊疗3.1.2 临界转速对不平衡振动影响(
25、2)阻尼对临界转速下转子振动影响阻尼:介质黏性轴承油膜黏性滑动面间摩擦轴材料内摩擦阻尼以及转子轴承系变形能耗结构阻尼等线性系统:阻尼力与速度成正比力方向与速度方向相反转子放大因子 振幅 A/静挠度 Xst反应转子共振振幅高低 值与频率比/n 和阻尼比 相关机械设备故障诊疗技术设备故障诊疗专家讲座第23页机械设备故障诊疗技术不平衡振动故障特征:转子或轴承径向振动,频谱图转速频率成份突出峰值 转子单纯不平衡振动转速频率高次谐波幅值低时域波形为正弦波 转子轴心轨迹形状为圆或椭圆同截面垂直两探头信号相位差 90 转子进动方向为同时正进动 普通两端支承转子轴向振幅不显著 转子振幅对转速改变敏感转速下降振
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