第9章-设备故障诊断技术

第9章设备故障诊断技术在设备评估中，掌握设备的劣化、故障状态及造成劣化的原因十分重要。要了解设备的状态，需以先进的设备故障诊断技术作为基本手段。测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。在机器设备的评估中，技术鉴定是确定机器设备成新率的重要手段。第1节设备故障概述一、故障及其分类（一）故障的概念：故障就是设备因为某种原因丧失规定功能的现象。1.设备包括元件、零件、部件、产品或者系统；2.丧失规定功能，比破坏的含义要广泛得多。（二）故障的分类1.按故障发生、发展的过程分类(1)突发性故障故障发生前没有明显的可察征兆，发生比较突然，有较大的破坏性。(2)渐发性故障是由于设备中某些零件的技术指标不断恶化，最终超出允许的范围或允许的极限而引发的故障。其发生一般与磨损、腐蚀、疲劳等密切相关，特点是：①故障一般发生在元器件有效寿命的后期；②有规律，可以预防；③发生概率与设备运转时间有关。2.按故障的性质分类分为自然故障和人为故障。(1)自然故障：设备自身原因造成。又分正常自然故障和异常自然故障。正常自然故障一般具有规律性，设备正常工作磨损、腐蚀引起的故障，会对设备的自然寿命产生影响。异常自然故障因设计或制造不当造成设备中存在某些薄弱环节而引发的故障，带有偶然性，有时又具有突发性。(2)人为故障：操作使用不当或意外原因造成。为避免这类故障发生，设计时应尽量采用避免人为故障的结构，将人、机作为一个系统加以考虑，以有效地诊断和控制故障。第1节设备故障概述可归结为三方面，环境因素、人为因素和时间因素。（一）环境因素所谓环境因素，就是力、能量、温度、湿度、振动、污染物这些外界因素，使机件发生磨损、变形、裂纹、腐蚀等各种形式的损伤。表9-1表示了由于机械能、热能、化学能、其他能量等环境因素引起的故障。二、引起故障的外因第1节设备故障概述表9-1环境影响及引起的故障环境因素主要影响典型故障机械能产生振动、冲击、压力、加速度、机械应力等机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、过量变形、疲劳破坏、机件断裂热能产生热老化、氧化、软化、熔化、粘性变化、固化、脆化、热胀冷缩及热应力等电气性能变化、润滑性能降低、机械应力增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、热疲劳破坏、密封性能破坏化学能产生受潮、干燥、脆化、腐蚀、电蚀、化学反应及污染等功能受影响、电气性能下降、机械性能降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加剧、机械断裂其他能量产生脆化、加热、蜕化、电离及磁化表面变质、材料褪色、热老化、氧化、材料的物理、化学、电气性能发生变化注：其他能量包括核能、电磁能及生物因素等。第1节设备故障概述（二）人为因素设备在设计、制造、使用和维修过程中，始终包含着人为因素的作用，特别是早期故障的发生大部分可以归因于人为因素。1.设计不良受条件的限制或存在考虑不周、设计差错等。2.质量偏差由于设备、仪器精度以及技术水平等条件的限制，铸造、锻造、热处理、焊接等工艺过程产生各种工艺缺陷，或其他加工过程中造成机件在结构和质量上的偏差。第1节设备故障概述3.使用不当一台设备，在其整个生存周期内合理的运输和保管条件、使用条件和使用方法、维护保养和修理制度以及操作人员的技术水平等，对实际故障率将产生很大影响。这三项人为因素中，对故障率影响最大的人为因素是使用不当。第1节设备故障概述（三）时间因素环境因素、人为因素是促使设备发生故障的诱因，在考虑环境因素和人为因素时还需考虑时间因素。常见的磨损、腐蚀、疲劳、变形等故障都与时间有密切的关系。尽管机件中存在着故障隐患及形成故障的其他外因，如果没有时间的延续故障不一定发生。可见，时间也是形成故障的主要外因之一。在设备的故障中，除了意外的突发性故障以外，大多数都属于渐发性故障，而且，也只有这类渐发性故障，才为故障诊断提供了可能。第1节设备故障概述三、描述故障的特征参量分两大类，一是直接特征参量，二是间接特征参量。(一)直接特征参量1.设备或部件的输出参数：设备输出与输入的关系以及输出变量之间的关系可反映设备的运行状态。2.设备零部件的损伤量：变形量、磨损量、裂纹以及腐蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。第1节设备故障概述(二)间接特征参量(二次效应参数)主要是设备在运行过程中产生的振动、噪声、温度、电量等。设备或部件的输出参数和零部件的损伤量都是故障的直接特征参量，而二次效应参数是间接特征参量。1.使用间接特征参量进行故障诊断的优点：①可以在设备运行的时候检测，而不需停止；②一般无需拆卸。2.缺点：间接特征参量与故障之间的关系，不是简单的一一对应的关系。第1节设备故障概述一、设备故障诊断的实施过程测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。诊断技术划分为三个阶段：状态监测，分析诊断，治理预防。第2节设备故障诊断技术及其实施过程第2节设备故障诊断技术及其实施过程（一）状态监测通过传感器，采集设备在运行中的各种信息，把它转变为电信号或者其他信号，再把这个信号送到信号处理系统进行处理。信号处理系统主要就是把有用信号提取出来，而把无用信号、干扰信号排除。（二）分析诊断包括状态识别和诊断决策两个部分，状态识别就是把这些参数或者图谱和参考的参量或者参考的图谱进行比较，来识别设备是否存在故障，通过这样状态识别以后，就可以做出诊断结果，即分析诊断。（三）治理预防根据分析诊断得出的结论，确定治理修正预防的办法。包括调度、改变操作、更换停机检修等等。第2节设备故障诊断技术及其实施过程二、状态监测与故障诊断的区别与联系状态监测是故障诊断的基础和前提，没有状态监测就谈不上故障诊断。而故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。第2节设备故障诊断技术及其实施过程三、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。第2节设备故障诊断技术及其实施过程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。第2节设备故障诊断技术及其实施过程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。第2节设备故障诊断技术及其实施过程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。第2节设备故障诊断技术及其实施过程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。第2节设备故障诊断技术及其实施过程（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，都是按物理参数分类。诊断技术名称状态检测参数振动诊断技术平衡振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数声学诊断技术噪声、声阻、超声以及发射等温度诊断技术温度、温差、温度场以及热象等污染诊断技术气、液、固体的成分变化，泄漏及残留物等无损诊断技术裂纹、变形、斑点及色泽等压力诊断技术压差、压力及压力脉动等强度诊断技术力、扭矩、应力及应变等电参数诊断技术电信号、功率及磁特性等趋向诊断技术设备的各种技术性能指标综合诊断技术各种物理参数的组合与交叉表9-2按诊断的物理参数分类第2节设备故障诊断技术及其实施过程（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、工程结构等来进行区分。表9-3按直接诊断对象分类诊断技术名称直接诊断对象机械零件诊断技术齿轮、轴承、转轴、钢丝绳、连接件等液压系统诊断技术泵、阀、液压元件及液压系统等旋转机械诊断技术转子、轴承、叶轮、风机、泵、离心机、汽轮发电机组及水轮发电机组等往复机械诊断技术内燃机、压气机、活塞及曲柄连杆机构等工程结构诊断技术金属结构、框架、桥梁、容器、建筑物、静止电气设备等工艺流程诊断技术各种生产工艺过程生产系统诊断技术各种生产系统、生产线电器设备诊断技术发电机、电动机、变压器、开关电器第2节设备故障诊断技术及其实施过程【多选题】设备故障诊断通常分为状态监测、分析诊断和治理预防三个阶段，其中分析诊断包括状态识别和诊断决策。下列各项中，属于分析诊断阶段工作内容的包括（）。A.获得诊断决策的可靠依据——征兆B.将反映设备运行状态的征兆与故障状态参数进行比较，来识别设备是否存在故障C.找出故障产生的原因及发生的部位D.预测设备的性能和故障发展的趋势E.确定治理修正的办法答案：BCD第三节设备故障诊断常用方法一、振动测量法组成设备的零、部件以及用于安装设备的基础可认为是弹性系统。在一定条件下，弹性系统会在其平衡位置附近作往复直线、旋转运动。这种每隔一定时间的往复性微小运动称为机械振动。机械振动在不同程度上反映出设备所处的工作状态。利用振动测量及其对测量结果的分析来识别设备故障是一种常用且有效的故障诊断方法。这节是本章的重点和核心。振动、噪声和温度的测量又是这节的重点。（一）振动的分类按能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为：确定性振动和随机振动。1.随机振动不能用精确的数学关系式来描述，例如地震。2.确定性振动又分为周期振动和非周期振动，周期振动又进一步分为简谐周期振动和复杂周期振动。图9-2是振动分类的图。第三节设备故障诊断常用方法确定性振动就是振动和时间的关系如果能用确定的函数来描述，如果振动和时间的关系如果不能用一个确定的数学函数来描述，那就是叫随机振动。如汽车在一条凹凸不平的道路上行驶，它的振动就是随机的。简谐周期振动，就是振动只含有一种频率。而复杂周期振动是这种振动中，含有多种频率的振动，其中任意两个振动频率之比都是有理数。有理数，就是说任意两个振动的周期，都有一个最小公倍数。比如第一个是3π为周期，另一个是4π为周期，那么最小公倍数就是12π，因此每经过12π，两个振动都又回到原来的起点。那就是有一个公共的周期，这就是复杂周期振动。第三节设备故障诊断常用方法非周期振动，包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动是包含多种频率的振动，其中至少两个的振动频率之比为无理数，除不尽，找不到公共周期。瞬态振动，是可用脉冲函数或衰减函数描述的振动。如爆炸产生的冲击振动就是瞬态振动。第三节设备故障诊断常用方法（二）振动的基本参