设备状态监测与故障诊断技术及应用

❖ 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。
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 x(t) 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：
x(t)
a0 2
a1 cost a2 cos 2t
b1 sin t b2 sin 2t
a0
2 n1
(anconst bn sin nt)
（2-4）
式中：
2 /T
a0
2 T
T 0
x(t)dt
2N×R N 为磁极对数
正进动
松动 齿轮故障
1×R, 2×R 等 也 有 1.5 × R, 2.5×R 等 啮合频率等于 齿数×R ， 边带频率…
滚动轴承
外环故障… 内环故障… 滚珠故障…
故障名称 油膜涡动 油膜振荡 气隙振荡 内腔积液
转子内阻
径向摩擦
轴向摩擦
频率特征
(0.4~0.49)×R 等于低阶固有 频率 等于低阶固有 频率 失稳前 0.5×R 失稳后为低阶 固有频率 失稳前 0.5×R 失稳后为低阶 固有频率 失稳前小于低 阶固有频率 失稳后等于低 阶固有频率 失稳前小于低 阶固有频率 失稳后等于低 阶固有频率
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
预测维修体制
定义 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。
优点 • 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。
缺点 • 需要初始投资。
• 需学习和培训。
• 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态，记作。
2、频谱分析基础
x(t)
• 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：
x(t) A0 A1 cos(t 1) A2 cos(2t 2) ... An cos(nt n )
• 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、
频谱分析的常用概念
• 工频（也称基频、转频、1X（1倍频）等）
工频 转速 60
• 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 ……
频域表示与时域表示的关系
检测及维修。
ISO9001质量体系认证证书
2002、2003、2004年度 被评为全国用户满意产品
技术部在火箭院的荣誉
国家科技进步二等奖
中国计量器具许可证（CMC）
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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
• 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。
转动特征 正进动 正进动 正进动 正进动
正进动
反进动
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
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。
• 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。
2020/5/3
c.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
2020/5/3
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（二）、设备维修制度的发展
• 事后维修，故障维修 (Break down) 设备坏了后才去修理。
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什么是状态监测和故障诊断？
• 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。
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。
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a.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
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
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
谢谢！
中国运载火箭技术研究院 北京京航公司
❖ 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。
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。
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振动监测手段的分类和选用 振动监测系统的分类和选择
设备 类型
关键 设备
重要 设备 一般 设备
损坏后果
完全停产 ~100%
部分停产 50~100% 部分停产 或不停产 0~50%
推荐监测手段
主要功能
计算机化 固定式的 监测系统
一般的 固定式的 监测系统
周期性的 监测系统
便携式的 测振仪表
振动幅值、频谱的连续监测 数据存储、数据比较，数据文件管理 趋势分析、谱趋势分析 启、停车等瞬态过程数据收集 超限报警、保护，事故记忆 故障诊断，人工智能，联网，远程等 振动幅值的连续监测 超限报警、保护 数据存储、比较，趋势分析 振动幅值、频谱的周期采集 数据存储和管理 数据比较，趋势分析 振动幅值的采集 简单的频率分析
an
2 T
T 0
x(t)constdt
n 1,2,3,
bn
2 T
T 0
x(t)sin nt
n 1,2,3,
a 其中 n 和 bn 称为傅立叶系数。 a0 / 2 是 x(t) 的平均值，即直流分量。
快速傅立叶变换（FFT）
F ( j) F ()e j () R() jX ()
F() R2() X 2() ( ) arctg X ( )
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
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（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
设备故障诊断在国内外企业的应用
R( )
称 F()为F( j)的幅值谱函数，称 ()为F( j的) 相位谱函数
周期信号的幅值谱和相位谱
简谐振动波形和频谱图（例）
T
x
A s in(2
•
f
3
)
2
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转动机械常见故障的频率特征
故障名称 不平衡 热弯曲
频率特征
1×R 1×R
转动特征 同步正进动 同步正进动
不对中 2×R
正进动
磁拉力 不平衡
数百亿元。
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设备状态监测与故障诊断知识树
设备允许参数
信
信
状
号
号
态
采
处
识
集 获取检 理 设备特 别
被测设备
对比
测信号 征信息
故障确定 趋势分析
诊断决策
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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。
KW发电机组断轴毁机事故
………………..
2020/5/3
• 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）。
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。
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。