第七讲汽轮机组故障诊断的技术基础

第七讲汽轮机组故障诊断的技术基础第一节设备故障的定义和分类一、设备故障的定义对机械设备故障(Fault)的定义目前尚未有统一的说法，各种文献上的定义也不尽相同。从故障诊断的角度来说，比较流行的一种说法是：机械设备在运行过程中出现异常，不能达到预定的性能要求，或者表征其工作性能的参数超过某一规定界限，有可能使设备部分或全部丧失功能的现象。有时也用特定的词(Failure)表示故障，如设备因腐蚀而失效，也属于故障范围。在一般情况下两者是同义词。但严格地来说失效与故障是有区别的，一般地，所有失效都属于故障，但不是所有的故障都是失效。二、设备故障的分类由于机械设备多种多样，因而故障的形式也有所不同，必须对其进行分类研究，以确定采用何种诊断方法。故障分类的方式主要有以下几种。1．按故障存在的程度分类(1)暂时性故障。这类故障带有间断性，是在一定条件下，系统所产生的功能上的故障，通过调整系统参数或运行参数，不需要更换零件就可恢复系统的正常功能。(2)永久性故障。这类故障是由某些零件损坏而引起的，必须经过更换或修复后才能消除故障。这类故障还可分为完全丧失所应有功能的完全性故障及导致某些局部功能丧失的局部性故障。2．按故障发生、发展的进程分类(1)突发性故障。出现故障前无明显的征兆，难以靠早期试验或测试来预测。这类故障发生时间短暂，一般带有破坏性，如转子的断裂、人员误操作引起设备的损毁等属于这一类故障。(2)渐发性故障。设备在使用过程中某些零部件因疲劳、腐蚀、磨损等使性能逐渐下降，最终超出允许值而发生故障。这类故障占有相当大的比重，具有一定的规律性，能通过早期状态监测和故障预报来预防。3．按故障严重的程度分类(1)破坏性故障。它既是突发性又是永久性的，故障发生后往往危及设备和人身安全。(2)非破坏性故障。一般，它是渐发性的又是局部性的，故障发生后暂时不会危及设备和人身的安全。4．按故障发生的原因分类(1)外因故障。因操作不当或环境条件恶化而造成的故障，如调节系统的误动作，设备的超速运行等。(2)内因故障。设备在运行过程中，因设计或生产方面存在的潜在的隐患而造成的故障。5．按故障相关性分类(1)相关故障。也可称间接故障，这类故障是由设备其他部件引起的，如轴承因断油而烧瓦的故障是因油路系统故障而引起的。(2)非相关故障。也可称直接故障，这是因零部件本身直接因素引起的，对设备进行故障诊断首先应诊断这类故障。2．按故障发生、发展的进程分类(1)突发性故障。出现故障前无明显的征兆，难以靠早期试验或测试来预测。这类故障发生时间短暂，一般带有破坏性，如转子的断裂、人员误操作引起设备的损毁等属于这一类故障。(2)渐发性故障。设备在使用过程中某些零部件因疲劳、腐蚀、磨损等使性能逐渐下降，最终超出允许值而发生故障。这类故障占有相当大的比重，具有一定的规律性，能通过早期状态监测和故障预报来预防。3．按故障严重的程度分类(1)破坏性故障。它既是突发性又是永久性的，故障发生后往往危及设备和人身安全。(2)非破坏性故障。一般，它是渐发性的又是局部性的，故障发生后暂时不会危及设备和人身的安全。4．按故障发生的原因分类(1)外因故障。因操作不当或环境条件恶化而造成的故障，如调节系统的误动作，设备的超速运行等。(2)内因故障。设备在运行过程中，因设计或生产方面存在的潜在的隐患而造成的故障。5．按故障相关性分类(1)相关故障。也可称间接故障，这类故障是由设备其他部件引起的，如轴承因断油而烧瓦的故障是因油路系统故障而引起的。(2)非相关故障。也可称直接故障，这是因零部件本身直接因素引起的，对设备进行故障诊断首先应诊断这类故障。6．按故障发生的时期分类(1)早期故障。这种故障的产生可能是设计加工或材料上的缺陷引起的，在设备投入运行初期暴露出来。这种早期故障经过暴露、处理、完善后，故障率开始下降.早期故障不仅发生在新机械投入使用的初期，而且当机械的零部件经过维修或更换，重新投人使用时，也会出现早期故障。(2)使用期故障。又叫偶发期故障，是产品有效寿命期内发生的故障。这种故障是由于载荷(外因、运行条件等)和系统特性(内因、零部件故障、结构损伤等)无法预知的偶然因素引起的。设备大部分时间处于这种工作状态。这时的故障率基本上是恒定的。对这个时期的故障进行监视与诊断具有重要意义。(3)后期故障。又叫耗散期故障，它往往发生在设备的后期，由于设备长期使用，甚至超过设备的使用寿命后，因设备的零部件逐渐磨损、疲劳、老化等原因使系统功能退化，最后可能导致系统发生突发性的、危险的、全局性的故障。这期间设备故障率呈加速上升趋势，通过监测、诊断等方式，发现失效零部件后应及时更换，以避免发生事故。第二节设备故障诊断技术的内容和类型一、设备诊断技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断、趋势预报和诊断决策四个方面。具体的实施过程可以归纳为如下几个方面(见图)。1．信号采集设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同的信息。根据不同的诊断需要，采集能表征设备工作状态的不同信号(如振动、压力、温度等)是十分必要的。2．信号处理将采集到的信号进行分类处理、加工，以便获得能表征机械设备状态的特征。3．状态识别将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对比或推理分析，以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等，并预测设备状态的发展趋势。4．诊断决策根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施。二、设备诊断技术的分类1．按诊断对象分类可分为旋转机械(如汽轮机组)诊断技术、往复机械(如内燃机)诊断技术、工程结构(如海洋平台)诊断技术、运载器和装置(如航天飞机、坦克)诊断技术、通讯系统(如雷达)诊断技术、工艺流程(如化工过程)诊断技术。2．按诊断的目的和要求分类可分为功能诊断(检查设备是否达到预定功能)和运行诊断(即对运行设备进行状态诊断，了解是否发生故障)、定期诊断和连续诊断、直接诊断(根据零部件的直接信息进行的诊断)和问接诊断(利用二次信息进行的诊断)、常规工况诊断和特殊工况诊断、在线诊断和离线诊断。3．按诊断方法的完善程度分类：可分为简易诊断和精密诊断。第三节故障信息的获取方法与故障特征信号的选取一、故障特征参量的定义对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题主要有两个方面：一是这种故障通过哪些物理参量表现出来；二是与各物理参量间的关系强弱情况如何。一般说来，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生了变化，就必定会影响与之相联系的各个动态物理参量，而故障类型与物理参量的关系强弱是我们最为感兴趣的。因为只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障灵敏可靠的物理参量才能用于故障诊断。在机械故障诊断学领域，将这些对故障灵敏、稳定可靠的物理参量称为故障特征参量，又称为故障特征信号。二、故障特征信号的选取原则虽然某种故障类型发生所引起变化的物理参量有多个，但可作为故障特征参量的却是有限的。这就引出了如何来确定故障特征参量的问题。实践证明，选取故障特征参量应遵循如下的原则：(1)高度敏感性原则。机械系统状态的微弱变化应能引起故障特征参量的较大变化。(2)高度可靠性原则。故障诊断特征参量是依赖于机械系统的状态变化而变化的，如果把故障特征参量取作因变量，系统状态取作自变量，则故障特征参量应是系统状态这个自变量的单值函数。(3)实用性原则(或可实现性原则)。故障特征参量应是便于检测的，如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不易获得(经济、技术方面的考虑)，那么，这个物理参量也不便作为故障特征参量。三、设备故障信息的获取方法设备故障信息获取的方法主要有以下几种：(1)直接观察法。主要靠人的经验和感官来获取信息，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。(2)参数测定法。该方法是根据设备在运行过程中的各种输出参数(如振动、噪声、温度、压力、变形、胀差、阻值等)的测定，获取设备的故障信息。(3)磨损残渣测定法。测定机械零部件(如轴承、齿轮等)的磨损残渣在润滑油中的含量和颗粒分布，也是一种有效的获取故障信息的方法。(4)设备性能指标测定法。设备性能包括整机及零部件性能。通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机械的工作状态也是一种重要方法。四、设备故障的评定方法1．故障判断标准•常用的三种判断标准为绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准。(1)绝对判断标准。要求在设备的同一部位或按一定要求测得的表征机械设备状态的值与某种相应的判断标准相比较，以评定设备的状态。(2)相对判断标准。采用这种判断标准时，要求对设备的同一部位(同一种工况)、同一种量值进行测定，将设备正常工作情况的值定为初始值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备的状态。(3)类比判断标准。若有数台型号相同、规格相同的设备，在相同条件下对它们进行测定，经过相互比较作出判断，用这种方法对机械设备的状态进行评定而制订的标准称为类比标准。2．故障严重程度及其计算•当机械设备出现故障时，应该用一个定量指标来衡量故障严重程度。故障严重度可用[0，1]区间中的一个数值来表示。当故障严重度取1时，表示故障对机械的危害非常大，必须立即停机，否则将出现重大事故；当故障严重度取0时，表示故障对机械没有影响，此时可认为没有出现故障；当故障严重度取[0，1]区间任意值时，表示故障依此危害程度对机械施加影响。第四节信号分析与处理机械设备故障诊断过程中由传感器上所获得的信号都是动态波形。因为动态波形往往是由很多幅值、频率、相位关系各不相同的波形混合叠加而成的。为了分解复合信号内的各种频率成分有效量，必须对信号进行加工处理，即信号处理。在故障诊断过程中用到的信号处理方法有，时域分析、频域分析、幅值域分析、时差域分析、计数域分析、转速域分析、倒频域分析等。下面介绍常用的信号分析方法。一、频谱分析法将时域信号转换为频域信号进行分析的方法称为频谱分析，其理论基础是傅立叶变换。时域信号的频谱表示就是把信号分解成一族不同频率的信号，对于任一个周期为t的信号都有x(t)=x(t±nT)二、相关分析法在对动态信号测量和分析时，由于背景噪声的影响，信号的周期性将难以呈现，利用相关分析则可以识别信号的周期性。自相关函数是代表一个波形与其自身时移形式之间的相似性度量；互相关函数是指两个基本点不同的时间函数的相似性的度量。1．自相关函数自相关函数也可以理解为曲线x(t)与在时间轴上平移τ后得到的曲线x(t-τ)的相似性。相似性取决于τ的大小，当τ=0时，两曲线完全相似。2．互相关函数互相关函数是两个相关的随机函数x(t)和y(t)及它们之间相似性Rxy(τ)关系的函数。是利用一个信号分析，搜索另一个信号的相似性的方法。三、统计特征分析法信号的统计特征分析又称为信号的幅值域分析，在各态历经的假设前提下，对随机过程的分析便变成对其任一样本的统计分析。第五节汽轮机组常用故障诊断技术一、振动诊断技术利用汽轮机组在运行中产生的振动信号进行故障诊断，是目前最常用的诊断手段。这主要是由于振动信号中包含了丰富的故障信息，有时还非常直观，其测试分析的手段、方法和理论比较成熟，易于实现在线实时监测和诊断。其中，决定诊断效果的关键是信号分析处理技术。1．基本原理汽轮机组是旋转机械，其旋转运动是一个激励源。激励作用在机械设备上产生了机械振动。机械振动在机组各部件中传递，直达设备的表面。因此，机组在工作过程中产生的振动，包含了很多状态信息。采集这些振动信号，提取信息，就可以从中诊断出机械设备及其工作过程的状态。2．机械设备振动测试(1)振动信号的测试原理。上图是振动信号测试原理圈。用传感器将机组振动量(位移、速度或加速度)的变化转变成电量(电荷、电压或电流)的变化。为了能测取各种振动量，测量系统常包含有积分和微分电路。信号经放大后可直接分析、记录或示波。(2)振动信号的测取要点。振动信号测取要点主要有：1)根据被测件的振动频率选择传感器。2)测试前应对传感器进行校准和标定．以保证测量的可靠性。3)选择测点时应注意：①测点应尽可能靠近被诊断的零部件；②