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机电设备故障诊断.docx
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机电设备故障诊断
1.机电设备故障诊断技术国内外开展现状、存在的主要问题及发展趋势分析。
(10分)
答:
一、机电设备故障诊断发展历程及现状
现代化生产中机械设备的故障诊断技术越来越受到重视,人们投人大量精力进行研究,机电设备故障诊断技术取得了很大的进展:
探索出一系列新的理论方法与技术应用于实际,增加了对设备故障判断的效率,奠定了对设备实施故障诊断分析与修复的坚实基础,产生了明显的经济效益和社会效益。
机电设备诊断技术最初来自军事上的需要,在第二次世界大战初期问世。
当时能用仪表进行设备状态参数测定,相继又开发了快速、多功能自动监测仪器;20世纪60年代以来,随着航天工业的发展,可靠性理论的应用,使设备诊断技术迅速发展;70年代,随着微电子技术的发展,计算机技术、传感器技术的应用,机械设备故障诊断技术更加完善,主要用于航天、核电等部门;20世纪末已经在冶金矿山、交通运输、化工、发电、农业和机械制造等部门的机械设备上开始应用设备诊断技术,其发展日新月异,经济效益日益明显;进入新世纪,这一技术迅速渗透到国民经济各部门,应用已相当普及,设备故障诊断技术水平的提高,开始向智能化方向发展。
回顾历史,不难看出机械故障诊断技术的发展经历了3个阶段:
诊断结果取决于领域专家的感官及专业知识和经验对诊断信息判断的初级阶段;以传感器、动态监测技术为手段,基于计算机信号处理的现代诊断技术;实现诊断系统智能化,向监测、诊断、管理和调度的集成化发展。
美国从1967年在美宇航局和海军研究所的倡导下,由企业和大学参加成立了机械故障诊断技术的研究组织,开展机械设备的故障机理,检测、诊断和预测等方面的研究。
另外俄亥俄州立大学开展了根据振动的解析对轴承、齿轮、发动机及一般回转机械的诊断技术研究。
相继锅炉、压力容器等静止机械的检测诊断中心,根据美国机械工程学会(ASME)的规定开展静止机械的故障诊断技术研究,制定了一系列规程标准。
同时一些监测仪器设备公司也研制并生产各类型检测诊断仪器,如Atlanta公司开发的M600旋转机械在线监测装置在实际应用取得良好效果。
日本、英国、德国、瑞典等国的机械设备故障诊断技术的研究工作也起步较早,并在某些方面处于领先地位。
我国机械设备故障诊断技术的研究工作起步较晚,但发展较快。
西安交通大学在旋转机械故障诊断进行了研究。
天津大学开展了轴承和齿轮的状态监测研究。
华中理工大学和哈尔滨工业大学开展了汽车发动机和汽轮机状态监测和诊断系统。
石化系统研究和应用红外诊断和声发射定位系统。
机械部门继一汽、二汽之后洛阳轴承厂开发了轴承故障诊断系统;冶金部门继太钢、宝钢之后武钢进行离心鼓风机和透平压缩机的状态监测和故障诊断;中国矿业大学开发了KTD型旋转铁谱仪及计算机磨屑图像分析系统。
北京科技大学对矿用汽车故障诊断有较深的研究探讨。
此外,设备诊断仪器的开发取得较大进展,为设备诊断提供各类仪器。
这些发展为我国设备状态监测和故障诊断技术的推广应用奠定了稳固的基础。
我国机械设备的维修制度正在经历由以运转时间为基础的定期维修制度向以机械技术状况为基础按需维修制度发展。
正常运转设备可不停车,在发现故障征兆后及时停车,按诊断故障性质和部位有目的地进行检修。
实现按需维修的前提,必须应用先进的设备故障诊断技术与手段,提高对设备运行的状态检测和故障诊断的准确性,以保证设备安全、稳定运行,增加机械设备正常运转时间,大幅度提高劳动生产率,产生巨大经济效益。
二、存在的问题
虽然机电设备故障诊断技术得到很大发展,但是至今为止尚未形成一套完整的理论体系和有效的诊断技术。
绝大多数技术都是针对特定的故障、特定的设备来研究,目前设备故障诊断的研究都是根据故障的种类、特定的设备、特定的层次建立自己的机电设备故障诊断技术。
这些理论和方法在实际中广泛应用的较少,即使在实际中得到应用,也没有一个完善的评价体系对其效果做出合理的评价。
此外,故障诊断准确性也是一个急于解决的问题。
提高故障诊断准确性的关键在于确定故障与特征(信号)间的因果关系,但这是一个比较复杂的问题。
因为故障与特征间的关系可能是多元的,往往不能认为是一一对应关系。
如机械制造、材质和安装运行维护上的差异可导致振动特征相差很大。
振动响应的非线性,在多因素产生特征的叠加时,有用和无用信号混在一起,要用信号提纯、分解、融合等方法加以处理难免产生误差。
有时故障可能是间歇性的,不一定连续出现,监测仪表的功能、质量和可靠性也影响诊断的准确性。
故障诊断是依赖于人们认识和经验的学科,诊断从分析机械状态特征入手,但人们认识局限性以及对事物认识永无止境,机械及其组成零件的个体差异,使得通过特征来判断设备状态带有某些不确定性,特别是机械设备状态的正常与异常中间无明确界限,多为渐变性过渡的,一些设备状态处于边缘状态也使诊断人员做出定性的结论是困难的。
目前,机电设备故障诊断技术是一个开放性课题,有必要建立一套完整的理论方法体系来指导机电设备故障诊断技术的研究。
目前存在的具体问题有:
模糊理论、神经网络、小波分析、智能方法等研究热点主要停留在理论研究上,实际应用较少;搭建的故障诊断操作平台繁琐且可操作性差,应用在实际生产中既不便操作,也不便管理;许多机电设备故障诊断技术主要注重故障的诊断而没有考虑设备故障的修复,为后面的修复工作带来不便;企业对设备故障诊断的重视不够,追求短期效益,成熟的诊断技术应用于生产实际的较少。
三、发展趋势
随着传感器技术、数据处理技术、人工智能技术、无线通信技术等相关技术的发展,机电设备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。
成熟的技术将大量运用到国民经济建设和国防建设中,促进国家和军队的现代化建设。
从目前的研究资料来看,今后机电设备故障诊断技术的发展方向可归纳如下:
1.基于Internet的远程协作诊断技术。
将设备诊断技术和计算机网络技术、信息技术、数据库与决策支持技术相结合形成远程协作诊断技术,它用多台计算机监测仪器在各企业、大型工程施工工程和机械化作业农场中的大型关键机械设备建立状态监测系统监测设备运行状态并采集状态信号,在技术水平高经验丰富的科研院所建立分析诊断中心,为企业、大型施工工程和机械化作业农场提供远程诊断的支持和保证。
网络化的远程设备故障诊断系统中储存了多种设备的故障诊断知识和经验,可响应不同监测现场用户的使用要求,不同的监测现场可以与同一个诊断中心建立联系,使得用户的使用频率很高。
这样一来可以避免系统的重复开发和维护,显著降低了系统的费用。
另一方面,由于构造于网络之上,系统知识库中的专家知识来源广泛,可以得到不断充实,诊断规则可以是来自现场的企业单位的经验,也可来自于从事设备故障理论研究的科研单位,知识库比较丰富,相应地诊断能力也增强了。
基于网络的远程设备诊断专家系统将管理部门、监测现场、诊断专家、设备供应商联系起来,形成一个真正开放的系统。
它能够充分利用更多的技术经验和诊断数据共享,从而提高设备诊断的准确性,并能在诊断中心中对企业、工程和农场等的设备监测诊断动态管理,实现资源利用充分,生产效率高、成本低,施工质量好的综合目标。
基于网络的设备故障诊断与监测系统是今后发展的必由之路,可以直接提高企业设备管理和维护水平,对提高企业效益和国际竞争力具有巨大作用。
2.人工智能专家系统。
把传统的专家经验与现代计算机数据管理巧妙结合,把人工神经网络与专家系统相结合、将神经网络的自学习机制引人专家系统,提高专家系统的判断准确性。
人工智能是一门综合了计算机技术、生理学和哲学的交叉学科。
人工智能神经网络方法力图模拟人的大脑一些基本特征如自适应性、自组织性和容错性能,用于模式识别、系统辨识领域取得了良好效果。
由于神经网络具有联想记忆能力、自适应自学习能力,其非线性映射能力和逼近能力能解决很多问题。
计算简便、评估客观。
在神经网络模型中知识信息分布存储,个别单元损坏,容错能力强,可靠性高。
因此,神经网络与专家系统相结合建立智能诊断模型,在机器学习诊断实时性等方面性能的改善是提高诊断准确性、有效性的关键。
它利用领域专家解决问题的实例来训练神经网络获取知识信息,采用隐式表示神经网络知识,自动产生的知识用网络结构和权值表示。
对同一问题若干知识表示在同一网络中,便于知识自动获取及联想推理,并通过神经源间相互作用实现,通过自学习不断完善诊断系统提高诊断准确性。
3.小波分析。
小波分析是一种信号的时间——尺度分析方法,它具有多分辨率分析的特点,在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率,很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分,被誉为分析信号的显微镜。
在实际设备故障诊断中,利用小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的效果:
连续小波变换可以检测信号的奇异性,区分信号突变和噪声漓散小波变换可以检测随机信号频率结构的突变。
其故障诊断机理是利用观测器信号的奇异性进行故障诊断,以及利用观测器信号频率结构的变化进行故障诊断。
小波分析方法具有良好的时频定位特性,特别适合于分析时变、瞬态及非线性信号,具有一般谱分析所不具备的时域和频域同时定位的能力,为设备故障诊断检测提供了新的强有力的分析手段。
将小波理论与分形理论、小波分析与神经网络有机结合是提高故障诊断可靠性的重要方法之一。
4.研究和改进传感器与监测仪器。
机械设备检测的传感器有多种类型,但存在检测水平低,可靠性差,监测仪器只使用于单一目标决策,方法简单。
必须研究开发新型传感器和监测仪器,提高监测技术水平;监测设备的参量有振动、温度、噪音、扭矩、油液中磨屑及其形态,但每种方法对不同故障敏感程度不同,因此选择最有效的参量是提高诊断准确性的前提,高效多功能仪器对诊断设备的几何量、物理量快速准确的检测与识别是研究故障诊断的基础工作。
复杂设备的设计、制造、安装、使用以及维护等各个环节密不可分。
进行设备故障诊断,必须考虑设备的结构特点、制造材料、故障检测的信号传输和处理等因素,把设备故障的检测、传输、诊断与修复融为一体,为快速修复故障设备奠定基础。
总之,机电设备故障诊断技术无论如何发展,人们越来越重视实际中的应用及效果。
好的理论方法并不能保证应用的成功,只有对理论和实际及其相互联系有深刻的理解,并能将理论准确地、充分地运用到实际中解决问题,才能说是真正的成功。
随着机械设备故障诊断技术及微电子、计算机、智能技术的发展,机械设备故障诊断的准确性越来越高、操作使用越来越方便、在机械设备维修中将会起越来越重要的作用。
2.对近十年国内外飞机由于突发故障引起的灾难性事故进行统计分析(15分),并对其原因、特点和特征进行归纳总结(15分)(30分)
答:
近10年飞机由于突发故障引起的灾难性事故统计如下:
2009年
2月12日,美国大陆航空公司一架通勤飞机在纽约州布法罗市附近坠毁,造成50人死亡。
5月20日,印度尼西亚军方一架载有100多名空军官兵和家属以及机组人员的大力神C—130运输机在东爪哇省玛克丹坠毁,造成至少96人死亡、15人受伤。
6月1日,法国航空公司一架载有216名乘客和12名机组人员的空客包头空难
6月30日,也门航空公司一架空客A310客机在科摩罗群岛附近坠入印度洋,机上153名乘客和机组人员中除1名13岁法国少女获救外,其他人全部遇难。
7月15日,伊朗里海航空公司一架图-154客机在该国西北部城市加兹温附近的村庄坠毁,机上153名乘客和15名机组人员全部遇难。
2008年
9月14日,俄罗斯国际航空公司一架载有82名乘客和6名机组人员的波音737型客机在乌拉尔山脉中部彼尔姆市附近坠毁,机上88人全部遇难。
8月24日,一架波音707型客机在吉尔吉斯斯坦首都比什凯克的马纳斯国际机场附近坠毁,导致65人死亡、22人受伤。
8月20日,西班牙航空公司一架麦道80型客机从马德里机场起飞时冲出跑道并起火,造成154人死亡、18人受伤。
6月10日,苏丹航空公司一架空中客车A310客机在喀土穆国际机场降落后起火焚烧,造成至少28人死亡,数十人仍失踪。
4月15日,刚果(金)一家私营航空公司的客机在东部城市戈马市机场附近坠毁并引发火灾,导致50多人死亡。
2月21日,委内瑞拉圣芭芭拉航空公司一架客机在安第斯山区的荒漠地带坠毁,机上43名乘客和3名机组人员全部遇难。
2007年
7月17日,巴西塔姆航空公司一架空客A320客机在圣保罗孔戈尼亚斯机场降落时滑出跑道,先后撞上附近的燃油站和仓库并引发大火,导致机上及地面共199人死亡。
2006年
10月29日,尼日利亚ADC航空公司的一架波音737飞机在首都阿布贾机场附近坠毁,包括驾驶员在内的96人丧生,9人幸存。
9月29日,巴西戈尔民航公司一架波音737-800型客机在飞往首都巴西利亚途中与一架轻型飞机相撞后坠落,机上155人全部死亡。
9月1日,伊朗一架图-154型客机在东北部城市马什哈德着陆时因轮胎爆裂冲出跑道并起火,客机上的148人中有29人在事故中遇难。
8月27日,美国商业航空公司一架“CRJ-200”型客机选错跑道,起飞后不久坠毁,49人遇难。
8月22日,俄罗斯一架由俄罗斯南部度假城市阿纳巴飞往彼得堡的图-154型民航客机,在乌克兰上空遭雷击后坠毁,飞机上的170人全部遇难,其中包括数十名儿童。
7月9日,俄罗斯西伯利亚航空公司一架空客A310型客机在伊尔库茨克机场降落时冲出跑道,造成120多人死亡。
5月3日,亚美尼亚一架空中客车A320型客机在俄罗斯南部黑海海滨城市索契附近海域坠毁,113名乘客和机组成员全部丧生。
2005年
12月11日,尼日利亚一架麦道DC-9-30在尼南部城市哈科特港坠毁,导致至少106名乘客死亡,其中包括数十名高中生。
12月6日,伊朗C-130运输机撞楼坠毁(108人死)
10月22日,一架载有117人的波音737客机从尼日利亚经济之都拉各斯起飞后数分钟坠毁,客机上的117人全部遇难。
9月05日,印度尼西亚一架波音737喷气式客机在北苏门答腊省首府棉兰市博罗尼亚机场起飞时发生意外,坠毁在附近一个人口稠密的居民区,事故已造成150人死亡。
8月23日,一架秘鲁国营航空公司的载有100名左右乘客的波音737-200客机,在没有打开起落架的情况下,试图在高速公路上强行着陆时坠毁,大约60人死亡,52人生还。
8月16日,哥伦比亚的一架MD-82客机在委内瑞拉西部山区坠毁,机上载有160人全部遇难。
8月14日,塞浦路斯的一架波音737航班在雅典北部坠毁,121人全部遇难。
2004年
1月3日,埃及闪光航空604号班机的一架波音737客机于起飞不久即失事坠毁于红海,机上148人无一生还。
3月6日,阿尔及利亚一架波音737在塔曼拉塞特坠毁,102人死亡。
7月8日,苏丹一架波音737客机坠毁,116人丧生。
12月26日,飞往黎巴嫩首都贝鲁特的一架波音727客机在贝宁科托努机场起飞时坠毁于大西洋,机上共有163人,141人丧生。
2002年
7月1日:
俄罗斯巴什基尔航空公司一架图-154客机和敦豪国际快运公司(DHL)的一架波音-757货机在德国南部于伯林根上空猛烈相撞,飞机坠毁在康士坦茨湖附近。
机上71人全部遇难,其中包括52名俄罗斯儿童,他们很多年龄低于18岁。
5月7日:
埃及航空公司一架波音737客机在突尼斯坠毁。
机上55名乘客和10名机员中的大部分人生还。
2月12日:
一家伊朗航空公司的图154型客机在伊朗西部山区坠毁,机上117人全部死亡。
1月29日:
厄瓜多尔TAME航空公司一家波音727客机在哥伦比亚山区坠毁,事件中有92人丧生。
2001年
11月24日,从柏林起飞的瑞士Crossair航空公司一家小型飞机在接近苏黎世机场时坠毁在树林中,造成24人死亡。
11月12日:
美国航空公司的一架A-300客机坠入纽约的皇后区。
估计机上有246名乘客和9名机组成员。
10月4日:
俄罗斯西伯利亚航空公司的一架图154客机在空中爆炸并坠入黑海,当时它正由以色列的特拉维夫飞往西伯利亚。
78名乘客和机组人员丧生。
7月3日,一架俄罗斯的图154客机在西伯利亚城市伊尔库斯克附近失事,当时它由叶卡捷琳堡飞往海参崴。
133名乘客和10名机组人员丧生。
2000年
10月30日:
新加坡航空公司的一架波音747客机在台北机场起飞后坠毁,它的目的地是洛杉矶。
机上179名乘客中有78人死亡。
8月23日:
海湾航空公司的一架空中客车客机在将于巴林着陆时坠入海中。
机上143名乘客无一幸存。
7月25日:
法国航空公司的一架协和客机在起飞后不久坠入巴黎郊外的一家旅馆,造成113人死亡,其中有4人是地面人员。
7月17日:
联合航空公司的一架波音737-200在试图于印度的巴特纳降落时坠入房屋中,机上51人和4名地面人员丧生。
4月19日:
菲律宾航空公司的一架波音737-200客机在试图降落时坠毁,当时它由马尼拉飞往达沃。
机上131人全部遇难。
1月31日:
阿拉斯加航空公司的一架麦道83客机坠入加利福尼亚南部海面,当时它由墨西哥飞往旧金山。
机上88人全部丧生。
1月30日:
肯尼亚航空公司的一架A-310客机在起飞后不久坠入大西洋中,当时它由象牙海岸飞往尼日利亚的拉各斯。
机上179人中只有10人幸存。
针对这些事故的原因特点和特征,总结归纳如下:
一般来讲,造成飞机灾难性事故的主要原因包括人为因素、恶劣天气、飞鸟撞击、机械故障等。
人为因素:
飞行员、乘员、地面指挥人员以及地勤人员等。
而最关键的还是控制飞行方向的飞行员。
造成飞行员失误的原因无外乎生理和心理两方面。
从生理上来讲,高空缺氧、高空减压、飞行加速度等都会使飞行员头昏、突然丧失意识,时间可达十几秒甚至二十几秒,这足以使高速飞行的飞机坠毁。
而高空还会使人的心理产生错觉。
另外,疲劳飞行等也会造成飞行隐患。
不过飞行员都训练有素,体质好于常人,因飞行员人为因素发生的坠机还是鲜有发生。
天气因素:
天气因素影响着飞行的全过程,气压、能见度、风、云、降水等与飞行安全息息相关。
飞鸟撞击:
鸟一般都在低空飞行,因此飞机在起降过程中最容易发生鸟撞事故。
这也就是为什么绝大多数鸟撞事故都发生在机场和机场附近空域1500米高度以下,全世界民用和军用机场因此都装有驱鸟设备。
目前,鸟撞飞机已成为威胁航空安全的重要因素之一。
虽然鸟撞飞机占飞机遭撞事件中的大部分,但像鹿、草原狼、蝙蝠和短吻鳄等动物在飞机起降过程中撞飞机事件也发生过多次。
机械故障:
飞机的发动机、控制操纵、电气等十几个系统,都有发生机械故障的可能。
在机械原因事故中,大约40%是发动机故障,发动机是飞机的“心脏”,一旦出现大的故障,飞机就会因失去动力造成机毁人亡的悲剧。
其中,机械设备的故障必须受到更多的重视。
通过投入大量精力进行研究,机电设备故障诊断技术必将取得很大的进展,探索出一系列新的理论方法与技术应用于实际,增加对设备故障判断的效率,奠定对设备实施故障诊断分析与修复的坚实基础,将对航空飞行器的安全性与可靠性有重大意义,最终实现良好的经济效益和社会效益。
3.设计一个对飞机突发故障进行监测和监控方案,并进行仿真和实现(50分)
答:
针对某型飞机小型齿轮箱轴承保持架的状态进行监测。
该保持架可能出现的故障有:
松动、变形、破损和断裂等。
其中最能反应该保持架状态信息的信号参数为其与转子间的应力。
监测方案内容:
1.显示规定时刻保持架与转子间的实时应力值(可固定时间段)。
2.显示飞机运行整个过程保持架与转子间的应力值-时间曲线图。
3.根据设计确定警戒应力(应力值上限),当实时应力值大于警戒应力时立即报警。
4.显示整个过程中的最大应力值与最小应力值(可以与预紧应力和警戒应力比较)。
利用Labview搭建可视平台,其界面如程序所示。
其功能基本实现监测方案的主要内容。
运行时,选取实验数据.txt文件,点确定运行,当读取的应力值大于预设警戒应力时,报警灯亮并发出报警声,右图显示实时应力值,左图显示整个过程中的应力-时间图,其中最大、最小应力及实时应力也经行了显示。
按停止键可随时终止程序,否则程序运行完自动终止。
4.翻译一篇相关英文资料(10分)
ValidationandVerificationofPrognosticandHealthManagementTechnologies
故障预测与健康管理技术的核查与验证
MichaelJ.Roemer,JimDzakowic,RolfF.Orsagh,CarlS.ByingtonImpactTechnologies,LLC125TechParkDrive,Rochester,NY14623Tel:
(585)424-1990mike.roemer@impact-
Abstract—ImpactTechnologiesandtheGeorgiaInstituteofTechnologyaredevelopingaweb-basedsoftwareapplicationthatwillprovideJSF(F-35)systemsupplierswithacomprehensivesetofPHMVerificationandValidation(V&V)resourceswhichwillinclude:
standardsanddefinitions,V&Vmetricsfordetection,diagnosis,andprognosis,accesstocostlyseededfaultdatasetsandexampleimplementations,acollaborativeuserforumfortheexchangeofinformation,andanautomatedtoolforimpartiallyevaluatingtheperformanceandeffectivenessofPHMtechnologies.Thispaperwillpresentthedevelopmentoftheprototypesoftwareproducttoillustratethefeasibilityofthetechniques,methodologies,andapproachesneededtoverifyandvalidatePHMcapabilities.AteamofJSFsystemsuppliershasbeenassembledtocontribute,providefeedbackandmakerecommendationstotheproductunderdevelopment.TheapproachbeingpursuedforassessingtheoverallPHMsystemaccuracyistoquantifytheassociateduncertaintiesateachoftheindividuallevelsofaPHMsystem,andbuilduptheaccumulatedinaccuraciesasinformatio
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