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作者：周邵萍著

出版社：化学工业出版社

出版时间：2019-12-01

书籍编号：30617889

ISBN：9787122358547

正文语种：中文

字数：220466

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

内容提要

本书第1章介绍了设备健康监测与诊断技术的定义和内涵、技术体系、实施过程及发展历史和现状等；第2章介绍健康监测与诊断的基础知识，如故障的机理、故障的规律、信号及信号处理的基础知识等；第3章介绍了健康监测与诊断的主要实施技术，包括振动监测与诊断技术、温度监测与诊断技术、油污染监测与诊断技术及无损检测技术等；第4章结合齿轮箱和滚动轴承的结构、主要故障来源、故障特征，介绍齿轮箱及滚动轴承的健康监测与诊断；第5章是针对旋转机械的健康监测与诊断，重点是介绍旋转机械不平衡、不对中、弯曲、偏心、松动、碰摩、油膜涡动和振荡、旋转失速和喘振等典型故障的机理、故障特征、诊断方法，并结合工程案例进行阐述；第6章介绍在线监测与智能诊断方法及系统等。

本书可用作高等学校机械类本科、研究生的教材，也可供机械工程技术人员及设备运行维护和管理人员参考。

版权页

书名：设备健康监测与故障诊断

作者：周邵萍编

CIP号：第278236号

ISBN：978-7-122-35854-7

责任编辑：丁文璇

出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）

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网址：http://www.cip.com.cn

版权所有　违者必究

前言

设备状态监测与故障诊断是20世纪80年代迅速发展起来的一门交叉性学科，健康监测与故障诊断是近些年根据仿生学提出的一种概念。设备在整个生命周期中，由于各种因素，像人一样会“生病”，工程师像医生一样，通过一些监测手段，获得设备运行过程中的健康信息，并结合设备的病史及工程师所掌握的知识来判断设备是否健康，若不健康，是什么故障、何处故障、故障程度等。本书在此基础上，系统地介绍了设备发生故障的机理、故障规律及信号的一些基本知识，然后介绍健康监测与故障诊断技术的实施技术，如振动监测与诊断技术、温度监测与诊断技术、油污染监测与诊断技术及无损检测技术等；之后针对齿轮箱、轴承等典型零部件和旋转机械，结合工程案例，介绍健康监测与诊断技术的具体实施方法；最后介绍在线监测系统及智能诊断方法。

本书是编者在多年课堂教学总结和实际工程项目积累的基础上编写的，内容丰富完整，结构清晰，既有基础理论部分，也有诊断技术部分；既有知识阐述，也有结合工程项目的案例分析，适合作为高等学校机械类专业本科和研究生的教材，也适合作为机械工程技术人员和设备维护人员的学习参考资料。

本书在编写的过程中得到了编者多届研究生的大力支持，戚敏新、李长龙、陈少杰、朱路飞、张楠楠、刘伟、陈超峰、翟双苗、王从译、胡刚毅、钟文清、田鑫、何天浩、冷仓田、孙彪等在文献查阅、文字修改、图片制作等方面做了很多工作。本书所使用的部分工程项目案例是编者和苏永升教授等一起承担的工程项目。在编写的过程中，岳阳长岭设备研究所有限公司朱铁光高工给予了大力支持，并提供了部分工程案例，在此一并表示感谢！

由于编者水平有限，不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者

2019年6月

第1章　绪论

1.1　设备健康监测与故障诊断的定义

“健康监测与故障诊断”的概念源自仿生学。人从出生到死亡的整个生命周期中，由于各种因素，如遗传因素、生长发育因素、外界干扰因素、老化因素等，会出现感冒、发热等不舒服症状，需去看医生，医生在询问病史的基础上，通过一些监测检测手段，获得人的健康状况信息，再结合医生所掌握的病理知识，诊断是否健康，若不健康会是什么问题、何处问题、什么原因，然后医生开出处方，给予及时的医治。随着社会的发展和生活水平的提高，没出现不舒服的症状时，也需通过体检或检查来定期监测，来诊断人的健康状况并预测潜在的问题。

同样的，泵、压缩机、风机、涡轮机、电机等机械设备，在规划、设计、制造、检验、安装、运行、维护直至因设备功能完全丧失而最终报废的整个“生命周期”中，由于各种不可靠因素的存在，如规划不合理、设计不可靠、材料选择及加工制造不可靠、安装不可靠、运行维护问题、自然老化等因素，这些设备也会像人一样，经历各种“不舒服”的症状，如振动过大、温度过高、磨损加剧、裂纹增大、输出参数发生变化等，最终导致设备故障，而设备的故障会导致事故，造成财产损失和人员的伤亡。因此，像人一样，在设备运行过程中需要通过一些监测检测手段来获得设备的健康信息，根据获得的信息诊断设备的健康状况，诊断是否健康，若不健康会是什么问题、何处问题、什么原因，然后由工程师或者专家系统开出“处方”，给予及时的“医治”。随着设备大型化、复杂化和自动化程度的提高，无论设备有无故障，正常运行时，也需在线连续监测或定期监测设备的状态信息，从而诊断设备的健康状况并预测潜在的问题。这一过程就是设备的健康监测与故障诊断，也称之为设备的状态监测与故障诊断。

可见，健康监测与故障诊断技术是一种在机械设备不需停机和拆卸的情况下，在设备运行或相对静止的条件下，利用在线或离线监测仪器或设备，通过对所测的信号进行处理和分析并结合诊断对象的历史状况，来定量判别其整体和局部是否正常，早期发现故障及其原因，并预报故障发展趋势和确定必要对策的技术。通俗地说，通过健康监测与故障诊断技术，可以及时了解和掌握设备在使用过程中的“健康状况”，判断设备是否处于“健康状态”，并对其未来的“病情发展”进行预测，给出合理的“治疗建议”，前者称之为设备的健康监测（Health Monitoring）或状态监测（Condition Monitoring），后者称之为设备的诊断或故障诊断（Fault Diagnosis）。健康监测与故障诊断既有区别又有联系，没有监测就没有诊断，诊断是目的，监测是手段；监测是诊断的基础和前提，诊断是监测的最终结果。

在诊断的基础上对设备维护维修，这种维修方式属于预测性维修。预测维修制度的主要优点是：由于维修是依据健康监测和故障诊断结果，在所形成的维修决策指导下进行的，因而既可控制在定期维修中因“维修过剩”而造成的费用上升，也可防止在事后维修中因“不足维修”而导致的事故。

1.2　设备健康监测与故障诊断技术的主要内容

1.2.1　设备健康监测与故障诊断的技术体系

医生需掌握病人生病的机理、疾病发展的规律、获得病人健康状态信息的技术、诊断病人病情的技术及治疗技术等。同样的，要实现对设备的健康监测与故障诊断，也需掌握设备故障的机理、故障发生的规律、获得健康状态信号的技术、故障诊断技术及故障修复技术等。因此，健康监测与故障诊断的技术体系包括基础理论部分、实施技术部分、故障诊断实施装置及实施对象部分等。

设备监测与故障诊断的基础理论部分包括故障的机理、故障的规律、故障的状态、故障的分析理论、信号分析与处理的基础理论等，这些基础理论为健康监测与故障诊断技术提供了科学的理论依据。设备健康监测与故障诊断的实施技术包括振动诊断技术、温度诊断技术、污染诊断技术、无损诊断技术、综合诊断技术等。这些健康监测与故障诊断实施技术是构成该技术体系的主体，也是健康监测与故障诊断技术建立与发展最重要的基础。实施装置包括信号采集、特征提取、状态识别、趋势分析、诊断决策形成、计算机辅助检测与诊断系统以及健康监测与故障诊断专家系统等专用装置和系统等，这些专用装置和系统为健康监测与故障诊断技术的实施提供了必要的实施手段。实施对象包括泵、压缩机、风机、涡轮机等动设备，轴承和齿轮箱等部件及容器、管道等静设备。

设备健康监测与故障诊断技术是一门新兴的、多学科交叉发展的技术。该技术除了故障机理的研究得益于数学、物理学、力学、声学、化学等基础学科的发展之外，还从传感技术、信号处理、自动控制、人工智能、计算机技术的发展中得到支持。近年来，随着电子计算机技术、现代测试技术、信号分析和处理技术的迅速发展，加之各种相关学科的相互渗透、相互交叉和相互促进，健康监测与故障诊断的技术体系日臻完善。健康监测与故障诊断的技术体系目前已发展成为一个既有学科核心，又“软、硬件”齐全的完整体系，如图1-1所示。

图1-1　健康监测与故障诊断技术的基本体系

1.2.2　健康监测与故障诊断技术的分类

设备健康监测与故障诊断技术的分类方法很多，但主要是根据诊断对象、实施技术的不同等进行分类。如根据健康监测与故障诊断的对象不同，可以分为旋转机械健康监测与故障诊断，往复机械健康监测与故障诊断，齿轮、轴承等部件健康监测与故障诊断等。

设备的健康监测与故障诊断技术就是设备在运行过程中利用监测和检测手段来获得振动、噪声、温升、磨损量等相关参数的信息，从这些信息中提取故障信息，并作出正确的判断。根据监测物理参数的不同及实施的技术不同，健康监测与故障诊断技术可分为振动监测与诊断、噪声监测与诊断、温度监测与诊断、油污染监测与诊断、无损检测、综合监测与诊断技术等。

（1）振动监测与诊断技术

振动是设备运行过程中表征是否健康的重要参数。当设备有故障时，往往会以振动过大表现。通过监测振动参量，如振动位移、速度、加速度、频率、相位等，从而判断设备的健康状况。由于振动在不同程度上反映了设备的特性和它们所处的工作状态，因此振动监测技术是最普遍、最有效的健康监测与故障诊断技术之一。

（2）噪声监测与诊断技术

声音也是设备运行过程中常伴随的参量。当设备运行不正常或有故障时，会伴随有噪声过大的现象。噪声监测与诊断技术是指利用噪声测量和振动测量及它们的分析结果来识别机械设备故障的技术。

（3）温度监测与诊断技术

一般来说，温度异常是机械设备故障的典型信号，利用这种热信号，可以查找出机件缺陷和诊断各种热应力引起的故障。温度诊断主要是以温度、温差、温度场、热像等热力参数为检测目标。根据故障热信号获取方式的不同，温度诊断可分为被动式和主动式两类。被动式温度诊断是通过机件自身的热量来获取故障信息；主动式温度诊断是通过人为的给被测机件注入一定的热量后，再获取其故障信息。

目前红外、光纤、激光等测温技术已成熟地应用于各种领域来进行温度诊断。温度诊断不仅可用于查找机械的各种热故障，而且还可以弥补射线、超声、涡流等无损检测方法的不足，并可以探测机件内部的各种故障隐患。

（4）油污染监测与诊断技术

污染诊断以设备在工作过程中或故障形成过程中所产生的固体、液体和气体污染物为监测对象，以各种污染物的数量、成分、尺寸、形态等为监测参量。目前主要以油污染监测法和气体污染监测法为主要手段。

油污染监测法是通过对系统中循环流动的油液污染进行监测，获取机件运行状态的有关信息，如润滑油中磨削的浓度及颗粒大小、磨削的形貌及成分等，从而判断机械设备的污染性故障的机理、故障的位置及故障的程度。机械在故障形成的过程中，经常会产生各种气体或者液体污染物，比如，电气系统故障形成的过程中会产生溶解气体，由于这些气体污染物质本身也携带有故障信息，所以对这些污染物质进行监测和分析，同样可以得到机械设备所处的技术状态。

（5）无损检测技术

设备的损伤或缺陷均可能引起设备使用性能的下降，甚至会造成各种故障。因此，为保证使用中设备的良好状态，需要定期对设备的关键机件进行监测和检测，采用的主要方法是无损检测法。无损检测技术主要包括：目视-光学检测法、射线检测法、磁粉检测法、渗透检测法、超声检测法、涡流检测法及声发射检测法等。利用这些无损检测法能发现零件损伤或缺陷，并且根据损伤的种类、形状、大小、产生部位、应力水平、应力方向等信息，来预测损伤发展的趋势，以便采取相应的措施排除隐患。

（6）综合监测与诊断技术

很多大型机组是多个机械设备联合工作的系统，如石化行业的烟汽轮机组，包括烟机、风机、增速机、电动机、汽轮机等，承受着机械、电气、热力等多种变化作用，且工况常随着生产需要而变化。每个构成部件的故障都会使整机运转失常，直到被迫停机。因此使用单一的分析方法，很难准确诊断。这时，应采用多种方法进行综合分析，包括振动、油污染、温度、工艺参数等的相互关联分析，如对烟机、压缩机一类设备，热状态对机组运行影响甚大，热成像的温度监测分析能起到很重要的作用。通过热成像温度监测，可直观地发现偏心、隔板歪斜、保温不均、基础冷却水系统故障等一系列足以使机组发生热变形的因素。通过综合分析，结合信息融合，提高故障诊断信息量的研究水平，也可为开发新的诊断方法提供必要的原始数据。

此外，按

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