chap7_故障诊断新技术和状态监测

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1、2023-3-13工业装备故障诊断技术1故障诊断新技术故障诊断新技术基于近场声全息的结构故障振动技术基于近场声全息的结构故障振动技术 2023年3月13日星期一2可视化声源定位技术通过重建设备辐射的噪声场以直观的动通过重建设备辐射的噪声场以直观的动态图像来进行噪声源的识别和定位，为态图像来进行噪声源的识别和定位，为噪声控制、预测及故障诊断等提供依据噪声控制、预测及故障诊断等提供依据2023年3月13日星期一3常用的声场可视化方法近场声全息近场声全息（NAH）传统方法基于边界元建模基于边界元建模（BEM）的NAHHELS方法方法（Helmholtz方程最小平方误差方程最小平方误差）波叠加方法波叠

2、加方法（Wave Superposition）波束形成波束形成（Beamforming）2023年3月13日星期一4可视化声源定位实例Surface velocity of the disc brake assemblyMicrophone array aligned against a disc brake assembly2023年3月13日星期一5可视化声源定位实例Intensity plot showing transmission paths through a car doorMicrophone array aligned against a car door2023年3月13日

3、星期一6可视化声源定位实例汽车发动机电机2023年3月13日星期一76300 HzR 5 cm3150 HzR 10 cm4000 HzR 8 cm5000 HzR 6 cm汽车发动机声场图近场声全息需要约 3300 个测点，才能识别这样的高频2023-3-13工业装备故障诊断技术8计算机辅助状态监测与故障诊断计算机辅助状态监测与故障诊断 石油、化工、冶金、能源等行业的许多大型设备，如压石油、化工、冶金、能源等行业的许多大型设备，如压缩机，汽轮机、发电机组、轧钢机、转炉、风机、水泵等缩机，汽轮机、发电机组、轧钢机、转炉、风机、水泵等都是生产线的关键设备，这些设备一旦发生故障停机，轻都是生产线的

4、关键设备，这些设备一旦发生故障停机，轻者影响产量，重者会导致整个生产线、整个装置、整个工者影响产量，重者会导致整个生产线、整个装置、整个工厂停止生产，甚至会造成人员伤亡事故，造成环境污染或厂停止生产，甚至会造成人员伤亡事故，造成环境污染或产生不良的社会影响。产生不良的社会影响。大型关键设备的安全、稳定、长周期、满负荷、优质大型关键设备的安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行不仅关系到企业的经济效率，而且关系到安全和社会运行不仅关系到企业的经济效率，而且关系到安全和社会问题。因此，世界各国都在致力于推广设备状态监测与故问题。因此，世界各国都在致力于推广设备状态监测与故障诊断工作，一些国际知名的大公

5、司、大企业在体会到状障诊断工作，一些国际知名的大公司、大企业在体会到状态监测与故障诊断工作给企业带来的经济效益后，也自觉态监测与故障诊断工作给企业带来的经济效益后，也自觉地投入大量资金开展这方面的工作，这就是设备状态监测地投入大量资金开展这方面的工作，这就是设备状态监测与故障诊断技术在国内外蓬勃发展的主要原因。与故障诊断技术在国内外蓬勃发展的主要原因。2023-3-13工业装备故障诊断技术9计算机辅助状态监测与故障诊断计算机辅助状态监测与故障诊断 设备在线监测与故障诊断系技术以现代科学中的系统设备在线监测与故障诊断系技术以现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、失效理论、信息论为理论基础论、控

6、制论、可靠性理论、失效理论、信息论为理论基础，以包括传感器在内的仪器设备和计算机为技术手段，结，以包括传感器在内的仪器设备和计算机为技术手段，结合监测对象的特殊性，有针对性地对各设备运行参数进行合监测对象的特殊性，有针对性地对各设备运行参数进行连续监测，对设备运行状态做出实时评估，对故障提前预连续监测，对设备运行状态做出实时评估，对故障提前预报并作出诊断，变故障停机为计划停机，减少停机或避免报并作出诊断，变故障停机为计划停机，减少停机或避免事故扩大化，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事事故扩大化，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，提故性维

7、修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，提高了企业设备管理现代化水平，刨造了巨大的经济效益。高了企业设备管理现代化水平，刨造了巨大的经济效益。2023-3-13工业装备故障诊断技术10计算机辅助状态监测与故障诊断计算机辅助状态监测与故障诊断振动信号振动信号PC总线总线PC总线总线PC总线总线转速信号转速信号 温度温度 压力等压力等振动信号振动信号同步采集同步采集转度采集转度采集定时触发定时触发非振动信号非振动信号智能采集卡智能采集卡 IPC工业计算机工业计算机数据采集数据采集实时监控实时监控系统系统 网络网络光隔电流环光隔电流环 PC计算机计算机在线故障在线故障诊断系统诊断系统机机组组202

8、3-3-13工业装备故障诊断技术11计算机辅助状态监测与故障诊断计算机辅助状态监测与故障诊断2023-3-13工业装备故障诊断技术12计算机辅助状态监测与故障诊断计算机辅助状态监测与故障诊断2023年3月13日星期一13监测与诊断系统在完成状态监测与故障诊断的过程中，通常需要依靠一定的监测与诊断工具和手段，即需要有相应的计算机化的自动监测与诊断装置、仪器或系统2023年3月13日星期一14监测与诊断系统前的考虑建立监测与诊断系统之前应考虑如下问题：经济性-应能够尽可能地节省投资；可靠性-自身应具有更高的可靠性；实用性-实用的功能，操作简便；有效性-分析、诊断结果有效；扩展性-较好的可扩展性和自

9、开发性能。一般情况下，根据经验企业用于设备状态监测与故障诊断的投资应占其固定资产的15。并且，随着设备复杂程度和技术先进性的增加，此项投资的额度还应有相应的增加2023年3月13日星期一15监测与诊断系统的分类与选用离线系统(巡检系统)在线系统(集中式、分布式)远程系统(C/S结构、B/S结构)设备类型一般设备重要设备关键设备损坏后果小部分停产或不停产大部分停产(50-100%)完全停产监测系统类型离线监测系统一般在线系统计算机化在线系统便携式测量仪器推荐选用至少选用2023年3月13日星期一16离线系统也称为机械故障巡检系统，通常由传感器、便携式数据采集器和计算机软件组成采用定期巡回检测和离

10、线分析的方式工作适合于对工厂中量大面广的中、小型机械设备，尤其是那些尚无固定监测点的机器进行定期的状态监测与故障诊断(手持式)传感器便携式数据采集器PC计算机+监测、分析与诊断软件RS-232c2023年3月13日星期一17在线系统在线监测与诊断系统具有数据采集连续、快速、数据处理实时性好、分析诊断功能全面、丰富等特点适用于具有固定监测点的大型连续运转的关键机械设备这类系统又可分为集中式单机系统、集散式系统以及分布式系统2023年3月13日星期一18集中式结构是以单一(微型)计算机为主体的监测与诊断系统由计算机主控完成现场工况监测、数据采集、信号处理与分析、故障诊断等全部工作优点：便于管理控制

11、，具有较高的稳定性和可靠性;系统具备信号处理、特征提取、状态分类、趋势分析以及分析报告生成、数据库管理等多方面的功能2023年3月13日星期一19集散式结构利用多台计算机来联合实施监测与诊断，但这里的每台计算机彼此相互独立，基本上没有联系，其实质是集中式结构的简单迭加通过RS232或RS422串行通讯方式把一台主控计算机与若干台从属计算机联接起来协同工作的主从式结构。其中，从属计算机(或称辅助计算机)分别独立地完成现场数据采集与状态监测并共享主机，而主机则负责完成分析与诊断功能并始终肩负对从属机进行管理和控制的任务2023年3月13日星期一20分布式结构-远程系统的雏形针对地域分布较广的多台机

12、器设备，通过计算机网络把分布于各局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联接起来，并在一台主控计算机的控制下，构成分级管理模式，最终达到资源共享、协同工作、分散监测与集中管理、诊断的目的主计算机辅 助 计 算 机辅 助 计 算 机辅 助 计 算 机网 络网络网络网络主计算机辅 助 计 算 机辅 助 计 算 机网 络(a)(b)2023年3月13日星期一21分布式结构-远程系统的雏形分布式结构具有资源分散、结构模块性、工作并行性、协作自治性、系统透明性等优点。此外：分散数据采集，集中状态监测、诊断和管理可靠性高各现场工作站均能够独立完成分布式处理，各节点具有相对独立性，当某一节点发生问题时，并不

13、影响其它节点的正常工作可护展性和灵活性好由于采用了网络化结构，系统能在适应新技术的发展过程中，方便地将落后设备从网上卸下、将更新设备挂到网上功能强系统支持多用户、多任务，可承担较多的工作负荷成本低网络接口集成度高，网络基础设施可与生产管理控制系统、MIS系统等共享，系统的整体性能价格比高2023年3月13日星期一22远程故障诊断的基本概念基于Internet/Intranet的远程故障诊断是设备诊断技术与通信技术、网络技术、计算机技术以及控制技术相结合的产物远程诊断跨越了企业与研究机构、企业与企业在时间和空间上的距离学术界可以利用网上诊断服务器开设技术知识讲座，对企业技术人员进行辅导和技术培训

14、，同时发表有关的最新研究成果企业界则可以利用监测服务器为研究机构提供宝贵的现场数据，向研究机构或其它企业提出咨询2023年3月13日星期一23远程故障诊断的基本概念远程诊断系统能够方便地实现企业内部、行业内部、甚至更大范围的诊断数据和知识的共享，能够有效地组织异地专家会诊等远程诊断系统还是一个集咨询、培训、讨论、数据交换等于一体的全方位的信息交流系统这样既解决了生产企业技术力量不足和技术水平提高的问题又有利于研究机构更准确、更有效的获得设备运行的第一手资料，充实理论和技术研究2023年3月13日星期一24远程故障诊断系统的结构一个完整的远程故障诊断系统通常应当包括三个主要子系统远程诊断中心：在

15、高性能WEB服务器和数据库服务器的支撑下担负整个系统的控制协调任务企业监测分析中心(初级诊断中心)：主要负责企业内部的监测、分析和诊断，以及设备管理工作，同时负责对下属监测工作站的控制及管理现场监测工作站：由网络化的高性能再线数据采集器或便携式数据采集器所构成，主要负责数据采集、预处理以及报警监控等工作2023年3月13日星期一25远程故障诊断系统的模型Internet远程诊断中心企业监测中心数据库现场工作站防火墙防火墙打印机HubHubHub数据库数据库数据库HubPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZT

16、AB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/s2023年3月13日星期一26远程故障诊断系统的基本要求无成本客户端：客户端软件应当是一般用户桌面系统都具有的浏览器廉价的系统维护：系统功能可以由

17、用户添加组件进行扩展；系统性能可以通过远程升级组件获得提高低廉的网络投资：用户可以充分利用企业内部已建立的Intranet，进行整个系统的构建低廉的监测和诊断费用：各种(关键)设备可以共享同一套系统2023年3月13日星期一27远程故障诊断系统的基本要求知识共享：对于地域分布的大型企业集团，允许在一个地区获取诊断知识，然后通过中心知识库，让整个企业共享相同或相近知识专家共享：能够通过网络汇集同行专家完成数据分析和故障原因会诊及评价协作诊断：不同地区的诊断系统和专家可以在远程诊断中心的协调下组成一个大的诊断网络，通过对不同来源的诊断结果进行融合的形式，最终给出协作诊断的结论2023年3月13日星

18、期一28远程故障诊断系统的体系结构三层B/S结构体系表示层(应用层)逻辑层数据层工作模式Internet服 务 器 组 件W eb服 务 器/IIS 4.0A SPJavaScript/V B Script基 于 浏 览 器 的 客 户 工 作 站数 据 库H TM LJavaScript/V B ScriptA ctiveX/Java A pplet2023年3月13日星期一29远程在线监测与诊断系统示例VSN-NetMDS远程诊断中心企业监测中心现场监测站2023年3月13日星期一30示例：VSN-NetMDS系统结构框图基于网络的远程监测基于网络的远程监测与故障诊断系统与故障诊断系统VS

19、N-NetMDS基于基于VXI总线的数据采集系统总线的数据采集系统VSNsNetDAU企业监测中心企业监测中心VSNsNetEMC远程诊断中心远程诊断中心VSNsNetRDC数据库数据库VSNsNetDB用户管理系统用户管理系统UMS状态监测系统状态监测系统CMS设备管理系统设备管理系统EMS故障诊断系统故障诊断系统FDS用户管理系统用户管理系统UMS远程分析系统远程分析系统RAS组件库系统组件库系统CLS2023年3月13日星期一31示例：VSNsNetEMC企业监测中心2023年3月13日星期一32示例：VSNsNetDAU监测工作站。128 kHz、51.2 kHz、25.6 kHz、1

20、2.8 kHz、(按1:2:5抗混滤波器A/D数字抗混滤波器DSP预处理器JV53112SCSI硬盘RAMDSP处理板网络主控计算机数据库服务器100M振动信号倍频器采样脉冲序列转速JV53413慢变信号适配器VXI总线2023年3月13日星期一33示例：VSNsNetDAU监测工作站2023年3月13日星期一34示例：VSNsNetDB网络数据库SQL ServerOracle2023年3月13日星期一35示例：监测与分析界面汇集2023年3月13日星期一36远程巡检(离线)系统示例Internet或Intranet企业监测诊断中心监测分析工作站数据库防火墙防火墙打印机数据库HubPRINT

21、HELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sHY-106数采器监测分析工作站数据库PRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sHY-106数采器防火墙2023年3月13日星期一37示例：PMS巡检系统功能框图PMS设备巡检系统用户管理设备管理数据采集数据分析数据库管理结果报告用户信息管理用户系统设置设备信息浏

22、览设备基本信息测点参数设置机器简图设计用户信息设置巡检计划组态巡检计划下载巡检数据回收波形分析频谱分析差谱分析窄带包络生成趋势分析瀑布图显示参数临时数据转移数据删除机器监测报表最新巡检报表报警记录报表测点报表设备报表波形频谱报表巡检数据报表2023年3月13日星期一38示例：图片导航式设备信息浏览 2023年3月13日星期一39示例：巡检计划组态2023年3月13日星期一40示例：监测与分析结果报表2023年3月13日星期一41示例：监测与分析结果2023年3月13日星期一42B/S模式在线监测诊断系统-总体功能2023年3月13日星期一43B/S模式在线监测诊断系统-监测界面2023年3月1

23、3日星期一44B/S模式在线监测诊断系统-分析界面2023年3月13日星期一45监测与诊断技术发展趋势离线系统与在线系统相互交融，最终形成基于Internet/Intranet的一体化远程监测与诊断系统，其中：分析方法和算法等共享数据库、知识库共享设备管理机制共享在线系统负责关键机组设备巡检系统面向尚无固定测点的中小设备2023年3月13日星期一46监测与诊断技术发展趋势监测与分析新技术的不断引入硬件方面功能强化 便携式数采增加整周期采样、双通道可靠性提高 在线系统采用VXI或PXI总线性能提高 高速多通道并行，DSP器件软件方面功能更加丰富完善、准确有效现代信号处理技术成果实用化分布式计算技

24、术运用2023年3月13日星期一47监测与诊断技术发展趋势系统中故障诊断功能完善故障分析指导系统：针对有关的机械设备及参数，给出若干可能故障的说明和分析依据，最后由操作者或分析人员来确定结论故障诊断辅助系统：在给出分析处理结果和故障特征提示的情况下，利用人机结合的方式进行故障分析与判断故障诊断专家系统：利用知识库和推理机由计算机自主（配合一定的人机交互）完成故障分析与诊断，并提出相应的处理措施 2023年3月13日星期一48监测与诊断技术发展趋势设备管理功能占重要地位开发智能维护系统(IMS,Intelligent Maintenance System)IMS是指采用性能衰退分析和预测分析方法

25、，结合信息电子技术(包括：互联网、非接触式通讯技术、嵌入式智能电子技术)，使设备达到近乎零故障的性能的一种新型维护系统该系统将企业的设备管理、备品备件管理、以及设备信息化管理等融为一体2023年3月13日星期一49结束语机械设备状态监测和故障诊断技术在保障石化、冶金、钢铁和电力等流程工业中的机械设备安全、可靠和高效运行方面起到了重要的作用，近年来一直是一个重要的研究方向伴随着信息时代的到来，基于Internet/Intranet的远程设备状态监测和故障诊断技术展露出无可比拟的优势相信监测与诊断技术和系统必将在监护设备的过程中，获得自身的完美发展2023-3-13工业装备故障诊断技术50思考题思

26、考题1.过程装备故障诊断中有哪些主要分析方法？2.了解振动信号的基本参数及表示（如有效值、峰峰值、频率、周期、相位、速度、加速度等）3.周期信号和非周期信号的频谱特征4.自相关函数的定义，自相关函数的表达式，自相关函数的性质？5.互相关函数的定义，互相关函数的表达式，互相关函数的性质？6.自功率谱，互功率谱，相干系数的定义？7.有哪些方面会造成转子的不平衡？8.不平衡故障的特征？9.动平衡与静平衡的考虑原则？动平衡精度？刚性转子和挠性转子的不同？10.造成转子不对中的原因和故障特征（平行不对中和角度不对中）？2023-3-13工业装备故障诊断技术51思考题思考题11.测振传感器的种类，各自的结

27、构特点和使用场合。12.油膜振荡的故障特征？产生油膜振荡机理。13.为什么说油膜振荡是一种半速涡动。14.齿轮的主要故障和特征信息？15.何为边频带？何为倒频谱？16.滚动轴承的主要故障类型和滚动轴承故障诊断方法。17.试述脉冲冲击仪诊断滚动轴承故障的基本思想。18.有哪些方面会引起往复式压缩机的管道振动。19.示功图在活塞式压缩机故障诊断中的应用。20.分析气柱共振产生过程和如何计算气柱共振管长？21.详述管道振动减振措施。2023-3-13工业装备故障诊断技术52思考题思考题21.何为亚异步振动，亚异步振动的特点。22.诱发亚异步振动的因素有哪些？23.旋转失速和喘振的故障特征？它们之间的

28、区别？24.产生旋转失速和喘振的机理。25.信号频率、采样频率、采样长度之间的关系。26.常用的几种无损检测技术在设备故障诊断中的应用。27.设备状态检测和故障诊断的关系。28.状态监测和故障诊断系统的基本构成。9、静夜四无邻，荒居旧业贫。23.3.1323.3.13Monday,March 13,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。16:09:5616:09:5616:093/13/2023 4:09:56 PM11、以我独沈久，愧君相见频。23.3.1316:09:5616:09Mar-2313-Mar-2312、故人江海别，几度隔山川。16:09:5616:09:5616:09Mond

29、ay,March 13,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。23.3.1323.3.1316:09:5616:09:56March 13,202314、他乡生白发，旧国见青山。2023年3月13日星期一下午4时9分56秒16:09:5623.3.1315、比不了得就不比，得不到的就不要。2023年3月下午4时9分23.3.1316:09March 13,202316、行动出成果，工作出财富。2023年3月13日星期一16时09分56秒16:09:5613 March 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。下午4时9分56秒下午4时9分16:09:56

30、23.3.139、没有失败，只有暂时停止成功！。23.3.1323.3.13Monday,March 13,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。16:09:5616:09:5616:093/13/2023 4:09:56 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。23.3.1316:09:5616:09Mar-2313-Mar-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。16:09:5616:09:5616:09Monday,March 13,202313、不知香积寺，数里入云峰。23.3.1323.3.1316:09:5616:09:

31、56March 13,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2023年3月13日星期一下午4时9分56秒16:09:5623.3.1315、楚塞三湘接，荆门九派通。2023年3月下午4时9分23.3.1316:09March 13,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023年3月13日星期一16时09分56秒16:09:5613 March 202317、空山新雨后，天气晚来秋。下午4时9分56秒下午4时9分16:09:5623.3.139、杨柳散和风，青山澹吾虑。23.3.1323.3.13Monday,March 13,202310、阅读一切好书如同和过

32、去最杰出的人谈话。16:09:5616:09:5616:093/13/2023 4:09:56 PM11、越是没有本领的就越加自命不凡。23.3.1316:09:5616:09Mar-2313-Mar-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。16:09:5616:09:5616:09Monday,March 13,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。23.3.1323.3.1316:09:5616:09:56March 13,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2023年3月13日星期一下午4时9分56秒16:09:5623.3.1315、最

33、具挑战性的挑战莫过于提升自我。2023年3月下午4时9分23.3.1316:09March 13,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023年3月13日星期一16时09分56秒16:09:5613 March 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。下午4时9分56秒下午4时9分16:09:5623.3.13MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blanditut cursus.感 谢 您 的 下 载 观 看感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉