现代设备维修与管理结课论文

现代设备维修与管理

机械设备故障诊断技术发展综述

学 院：机械工程学院

专 业：机械工程与自动化

姓 名：赵晓波

学 号: [1**********]

指导老师：雷文平老师

机械设备故障诊断技术发展综述

机械工程学院 赵晓波 [1**********]

引言

随着科学技术的发展,机械设备越来越复杂,自动化水平越来越高,机械设备在现代工业生产中的作用和影响越来越大,与其有关的费用越来越高,机器运行中发生的任何故障或失效不仅会造成重大的经济损失,甚至还可能导致人员伤亡。通过对设备工况进行检测,对故障发展趋势进行早期诊断,找出故障原因,采取措施避免设备的突然损坏,使之安全经济地运转,在现代工业生产中起着重要的作用。开展机械设备故障检测与诊断技术的研究具有重要的现实意义。

因此，设备诊断这一技术，日益引起人们的重视，并在理论和实践应用方面得到了迅猛发展。

机械设备故障诊断技术的发展历史

早在60年代末，美国国家宇航局(NASA)就创立美国机械故障预防MFPG(Machinery Fault Prevention Group)，英国成立了机械保健中心(UK，Machineral Health Monitoring Center)。由于诊断技术所产生的巨大的经济效益，从而得到迅速发展。但各个工程领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同。例如一台机械设备因故障停机检修并不导致全厂生产过程停顿，或对产品质量产生严重的影响，它对故障诊断的需求性就不那么迫切。反之，就非要有故障诊断技术不可。目前监视诊断技术主要用于连续生产系统或与产品质量有直接关系的关键设备。

机械故障诊断技术发展几十年来，产生了巨大的经济效益，成为各国研究的热点。从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的一些公司，如 Bently，HP等，他们的监测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平，不仅具有完善的监测功能，而且具有较强的诊断功能，在宇宙、军事、化工等方面具有广泛的应用。美国西屋公司的三套人工智能诊断软件（汽轮机TurbinAID，发电机GenAID，水化学ChemAID）对其所产机组的安全运行发挥了巨大的作用。还有美国通用电器公司研究的用于内燃电力机车故障排除的专家系统DELTA；美国NASA研制的用于动力系统诊断的专家系统；Delio Products公司研制的用于汽

车发动机冷却系统噪声原因诊断的专家系统ENGING COOLING ADCISOR等。近年来，由于微机特别是便携机的迅速发展，基于便携机的在线、离线监测与诊断系统日益普及，如美国生产的M6000系列产品，得到了广泛的应用。

英国于70年代初成立了机器保健与状态监测协会，到了80年代初在发展和推广设备诊断技术方面作了大量的工作，起到了积极的促进作用。英国曼彻斯特大学创立的沃森工业维修公司和斯旺西大学的摩擦磨损研究中心在诊断技术研究方面都有很高的声誉。英国原子能研究机构在核发电方面，利用噪声分析对炉体进行监测，以及对锅炉、压力容器、管道得无损检测等，起到了英国故障数据中心的作用。目前英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面仍具有领先的地位。

欧洲一些国家的诊断技术发展各具特色。如瑞典SPM公司的轴承监测技术，AGEMA公司的红外热像技术；挪威的船舶诊断技术；丹麦的B&K公司的振动、噪声监测技术等都是各有千秋。日本在钢铁、化工等民用工业中诊断技术占有优势。东京大学、东京工业大学、京都大学、早稻田大学等高等学校着重基础性理论研究；而机械技术研究所、船舶技术研究所等国立研究机构重点研究机械基础件的诊断研究；三菱重工等民办企业在旋转机械故障诊断方面开展了系统的工作，所研制的“机械保健系统”在汽轮发电机组故障监测和诊断方面已经起到了有效的作用。

我国诊断技术的发展始于70年代末，而真正的起步应该从1983年南京首届设备诊断技术专题座谈会开始。虽起步较晚，但经过近几年的努力，加上政府有关部门多次组织外国诊断技术专家来华讲学，已基本跟上了国外在此方面的步伐，在某些理论研究方面已和国外不相上下。目前我国在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品。全国各行业都很重视在关键设备上装备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，在电力系统、石化系统、冶金系统、以及高科技产业中的核动力电站、航空部门和载人航天工程等。工作比较集中的是大型旋转机械故障诊断系统，已经开发了20种以上的机组故障诊断系统和十余种可用来做现场故障诊断的便携式现场数据采集器。透平发电机、压缩机的诊断技术已列入国家重点攻关项目并受到高度重视；而西安交通大学的“大型选转机械计算机状态监测与故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”。东北大学设备诊断工程中心经过多年研究，研制成功了“轧钢机状态监测诊断系统”，“风机工作状态监测诊断系统”，均取得了可喜的成果。

机械设备故障诊断技术的发展可以分为以下几个阶段：

１、基于故障事件的故障诊断阶段。当出现故障后才检查故障原因和发生部位，故障诊断的手段是通过对设备的解体分析并借助以往的经验以及一些简单的仪器。

２、基于故障预防的故障诊断阶段。该阶段故障诊断的目的在于为合理的维修周期的制定提供依据，并在定期维修前检查突发性故障，保证在故障出现之前就能排除故障。这一阶段的诊断手段主要是一些简单的状态检测仪，多设有一定运行参数的报警值，能够对突发故障进行预测。

３、基于故障预测的故障诊断阶段。该阶段故障诊断是以信号采集与处理为中心，多层次、多角度地利用各种信息对设备的状态进行评估，针对不同的设备采取不同的措施。属于正常运行状态的设备，可依据原先的检测计划进行检测；属于故障进行性发展的设备，重点检测；而个别故障较严重发展的设备，应及时停机进行故障诊断。

机械故障诊断技术作为一门新兴的科学, 自从二十世纪六七十年代以来已经取得了突飞猛进的发展, 尤其是计算机技术的应用, 使其达到了智能化阶段。现在, 机械故障诊断技术在工业生产中起着越来越重要的作用, 生产实践已经证明开展故障诊断与状态预测技术研究具有重要的现实意义。设备的故障诊断是指在一定的工作环境下，根据机械设备运行过程中产生的各种信息判别机械设备是正常运行还是发生了异常现象，并判定产生故障的原因和部位，以及预测、预报设备状态的技术。故障诊断的实质就是状态的识别，诊断过程主要有三个步骤：第一步是检测设备状态的特征信号，如振动、噪声、温度等；第二步就是从所检测到的特征信号中提取征兆；第三步是故障的模式识别。

故障诊断的含义及其现状

故障诊断技术是一门了解和掌握设备运行过程中的状态, 进而确定其整体或局部是否正常, 以便早期发现故障、查明原因, 并掌握故障发展趋势的技术。其目的是避免故障的发生, 最大限度地提高机械的使用效率。设备故障诊断技术的研究内容故障诊断技术主要包括以下三个基本环节:

１、特征信号的采集: 这一过程属于准备阶段, 主要用一些仪器测取被测仪器的有关特征值, 如速度、温度、噪声、压力、流量等。现在信号采集主要用传感器, 在这一阶段主要研究基于各种原理的传感技术, 目标是能在各种环境中得到高可靠、高稳定的传感测试信号。国内传感器类型: 电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和温度传感器等; 最近开发的传感技术有光导纤维、激光、声发射等。

２、信号的提取与处理: 从采集到的信号中提取与设备故障有关的特征信息, 与正常信息值进行对比, 这一步就可称之为状态检测。目前, 小波分析在这方面得到了广泛的应用, 尤其是在旋转机械的轴承故障诊断中。基于相空间重构的 GMDH 数据处理方法也刚刚开始研究, 此方法对处理一些复杂机械的非线性振动, 从而进一步预测故障的发展趋势非常有效。

３、判断故障种类: 从上一步的结果中运用各种经验和知识, 对设备的状态进行识别, 进而做出维修决策。这一步关键是研究系统参数识别和诊断中相关的使用技术, 探讨多传感器优化配置问题, 发展信息融合技术、模糊诊断、神经网络、小波变换、专家系统等在设备故障诊断中的应用。

设备故障诊断技术的分类，有三种分类方法：

（一）按照诊断的目的、要求和条件分类，分为功能诊断和运行诊断、定期诊断和连续监测、直接诊断和间接诊断、在线诊断和离线诊断、常规诊断和特殊诊断、简易诊断和精密诊断等等。

１、功能诊断和运行诊断。功能诊断主要是针对新安装的设备或刚刚维修过的设备，而运行诊断更多是起到状态监测的功能。

２、 定期诊断和连续监测。

３、直接诊断和间接诊断。

直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定其所处的状态，例如轴承间隙、齿面磨损.直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制而无法实现。

间接诊断是通过设备运行中的二次效应参数来间接判断关键零部件的状态变化。由于多数二次效应参数属于综合信息，因此在间接诊断中出现伪警或漏检的可能性会增加。

４、在线诊断和离线诊断。

在线是指对现场正在运行设备的自动实时监测；而离线监测是利用磁带记录仪等将现场的状态信号记录后，带回实验室后再结合诊断对象的历史档案进行进一步的分析诊断或通过网络进行的诊断。

５、常规诊断和特殊诊断。

常规诊断是在设备正常服役条件下进行的诊断，大多数诊断属于这一类型诊断。但在个别情况下，需要创造特殊的服役条件来采集信号，例如，动力机组的起动和停机过程要通过转子的扭振和弯曲振动的几个临界转速采集起动和停机过程中的振动信号，停车对诊断其故障是必须的，所要求的振动信号在常规诊断中是采集不到的，因而需要采用特殊诊断。

６、简易诊断和精密诊断。

简易诊断一般由现场作业人员进行。凭着听、摸、看、闻来检查。也可通过便携式简单诊断仪器,如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外测温仪等对设备进行人工监测，根据设定的标准或凭人的经验确定设备是否处于正常状态。

精密诊断一般要由专业人员来实施。采用先进的传感器采集现场信号，然后采用精密诊断仪器和各种先进分析手段（包括计算机辅助方法、人工智能技术等）进行综合分析，确定故障类型、程度、部位和产生故障的原因，了解故障的发展趋势。

（二）按诊断的物理参数分类

振动、声学、温度、污染、无损诊断、压力诊断等等，都是按物理参数分类。

（三）按照按诊断的直接对象分类

各种不同的对象，诊断方法、诊断的技术、诊断的设备都有很大区别，按照机械零件、液压系统、旋转机械、往复机械、工程结构等等来进行区分。

故障的诊断方法也可简单地划分为传统的诊断方法、数学诊断方法以及智能诊断方法。传统的诊断方法包括：振动监测技术、油液分析技术、噪声监测技术、红外测温技术、声发射技术以及无损检测技术等；数学诊断方法包括：基于贝叶斯决策判据以及基于线性和非线性判别函数的模式识别方法、基于概率统计的时序模型诊断方法、基于距离判据的故障诊断方法、、模糊诊断原理、灰色系统诊断方法、故障树分析法、小波分析法以及混沌分析法与分形几何法等；智能诊断方法包括：模糊逻辑、专家系统、神经网络、进化计算方法（如遗传算法）等。

２０年以来，随着科学技术的不断进步和发展，尤其是计算机技术的迅速发展和普及，设备故障诊断技术已逐步形成了一门较为完整的新兴边缘综合工程学科。该学科以设备的管理、状态监测和故障诊断为内容，以建立新的维修体制为目标，成为国际上一大热门学科。我国对机械设备故障诊断工作的开展始于１９８３年。设备诊断技术在我国的化工、冶金、电力、铁路等行业得到应用，取得了较好的效果。随着诊断技术的发展，出现了与之有关的厂家。部分传感器、数据采集器已接近国际水平，同时研制开发了一些诊断仪器和设备。 设备故障诊断技术发展到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它以可靠性理论为、控制论、信息论和系统论为理论基础，以现代测试仪器和计算机为手段，结合各种诊断对象的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。它大体上有三部分组成：第一部分为故障诊断物理、化学过程的研究；第二部分为故障诊断信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理和分析过程；第三部分为诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方法、推论方法和人工智能方法，根据可观测的设备故障表征来确定下一步

的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。

故障诊断的发展现状，目前国内检测诊断技术的研究主要集中在以下几个方面:

１、传感技术研究: 传感技术是反映设备状态参数的仪表技术。国内先后开发了各种类型的传感器, 如屯涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和温度传感器等; 最近开发的传感技术有光导纤维、激光、声发射等。

２、关于信号分析与处理技术的研究: 从传统的谱分析、时序分析和时域分析, 开始引入了一些先进的信号分析手段, 如快速傅立叶变换, Wigner谱分析和小波变换等。这类新方法的引入弥补了传统分析方法的不足。

３、关于人工智能和专家系统的研究: 这方面的研究已成为诊断技术的发展主流, 目前已有 日程机械 故障诊断专家系统, 但这一技术在工程方面的研究尚未达到人们所期望的水平。

４、关于神经网络的研究: 比如旋转机械神经网络分类系统等的研究已经取得了应用, 取得了满意的效果。

５、关于诊断系统的开发与研究: 从单机巡检与诊断到上下位机式的主从机结构, 直至以网络为基础的分布式系统的结构越来越复杂, 实时性越来越高。

６、专门化与便携式诊断仪器和设备的研制与开发。 目前, 我国的冶金、电力、化工等行业的故障诊断技术己经很成熟, 得到了广泛的应用。

设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。当今故障诊断技术的发展 趋势是传感器的精密化、多维化, 诊断理论、诊断模型的多元化, 诊断技术的智能化, 具体来说表现在如下方面:

１、与当代最新传感技术尤其是激光测试技术的融合。近年来, 激光技术已从军事、医疗。机械加工等领域深入发展到振动测量和设备故障诊断中, 并且己经成功应用于旋转机械对中等方面。

２、与最新信号处理方法相融合。随着新的信号处理方法在设备故障诊断领域中的应用, 传统的基于快速弗利叶变换的信号分析技术有了新的突破性进展。

３、与非线性原理和方法的融合。机械设备在发生故障时, 其行为往往表现为非线性特征。如旋转机械的转于在不平衡外力的作用下表现出的非线性振动。随着混沌与分型几何方法的日趋完善, 这类问题终将得到进一步的解决。

４、与多元传感技术的融合。现代化大生产要求对设备进行全方位、多角度的监测与维

护, 以便对设备 的运行状态有整体的、全方面的了解。因此, 在进行设备故障诊断时, 可采川多个传感器同时对设备的各个位置进行监测, 然后按照一定的方法对这些信息进行处理, 如人工神经网络方法。

５、与现代智能方法的融合。现代智能技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、进化计算等。现代智能方法在设备故障诊断技术中己得到了广泛的应用, 随着智能科技的不断发展, 设备状态的智能监测和故障诊断将是故障诊断技术的最终目标。

机械故障诊断的意义

随着现代大生产的发展和科学技术的进步现代设备的结构越来越复杂功能越来越完善自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素的影响有时设备会出现各种故障以致降低其预定的功能甚至造成严重的灾难性事故国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂等恶性事故造成了人员伤亡产生了严重的社会影响；即使是经常生产中的事故也因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。如年日本关西电力公司南海电厂号机组——汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁机事件年我国大同电厂和年我国秦岭电厂的汽轮发电机组的严重断轴毁机事件都造成了巨大的经济损失。因此保证设备的安全运行消除事故是十分迫切的问题。

现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面：一是设备设计与制造的各项技术指标的实现为此设计中要采用可靠性设计方法要有提高安全性的措施；二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。现在设备诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术成为推进设备管理现代化保证设备安全可靠运行的重要手段。

机械故障诊断的任务

设备故障诊断的任务是监视设备的状态判断其是否正常预测和诊断设备的故障并消除故障指导设备的管理和维修。

１、状态监测。

状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法结合系统的历史和现状考虑环境因素对设备运行状态进行评估判断其处于正常或非正常状态并对状态进行显示和记录对异常状态作出报警以便及时加以处理并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和基础数据。

２、故障诊断。

故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息结合已知的结构特性和参数以及环境条

件结合该设备的运行历史包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断确定故障的性质、类别、程度、原因、部位指出故障发生和发展的趋势及其后果提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施并加以实施最终使设备复原到正常状态

３、指导设备的管理维修。

设备的管理和维修方式的发展经历了三个阶段，即早期的事后维修方式(Run-to-Breakdown Maintenance)发展到定期预防维修方式(Time-Based Preventive Maintenance),现在正向视情维修(Condition-Based Maintenance)发展。定期维修制度可能预防事故的发生，但可能出现过剩维修或不足维修的弊病。视情维修是一种更科学、更合理的维修方式。但要能做到视情维修其条件是有赖于完善的状态监测和故障诊断技术的发展和实施。

机械故障诊断的目的：是能及时地、正确地对各种异常状态和故障状态作出诊断预防或消除故障对设备的运行进行必要的指导提高设备运行的可靠性、安全性和有效性以期把故障损失降低到最低水平。保证设备发挥最大的设计能力制定合理的检测维修制度以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力延长服役期限和使用寿命降低设备全寿命周期费用。通过检测监视、故障分析、性能评估等为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。总起来说,设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行又要获取更大的经济效益和社会效益。对生产单位配置故障诊断系统能减少事故停机率具有很高的收益投资比。对生产单位配置故障诊断系统能延长设备检修周期缩短维修时间为制定合理的检测维修制度提供基础极大地提高经济效益。宏观上从全社会生产的角度看花费的设备维修费用是一笔巨大的数目而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的。

从上面的分析可以看出设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行以及获取很大的经济效益和社会效益上其意义是十分明显的。

综上所述，设备的检测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，提出处理措施，不同程度地延长设备的使用期，减免不必要的维修，大大降低运行成本，是保障设备安全稳定运行的有效措施，应大力推广。然而设备的检测与故障诊断技术是多学科结合的新兴技术，其实施发展还存在许多困难，距离我们充分的利用设备还有很长的一段路要走。所以，我们要积极开发、推广这一技术，不断总结经验，使其更好的为企业生产和人民生活服务。