设备故障诊断 设备故障诊断是一种给设备“看病”的技术，是了 解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体 或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因并 能预报故障发展趋势的技术。随着科学技术与生 产的发展，设备工作强度不断增大，生产效率、 自动化程度越来越高，同时设备更加复杂、各部 分的关联愈中密切，从而往往某处微小故障就爆 发链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环 境遭受灾难性的毁坏，这不仅会造成巨大的经济 损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。 因此，设备诊断技术日益发挥重要作用， 它可使设备无故障、工作可靠，发挥最大 效益；保证设备在将有故障或已有故障时 ，能及时诊断出来，正确地加以维修，以 减少维修时间，提高维修质量，节约维修 费用。 1.设备故障诊断内容 设备故障诊断一般监测、监控系统的区别 主要在于系统的软件方面，它不仅能监测 设备运行的参数而且能根据监测进行评价 ，分析设备的故障类型与原因。它是将监 测、控制、评价融为一体的系统。 安装的软件主要功能是： 1信号采集和处理软件，采集合适的信号样本，对 其进行各种分析处理，提取和凝聚故障特征信息 ，提高诊断的灵敏度和可靠度。 2故障诊断和状态评价软件，对信号分析处理结果 进行比较、判断，依据一定的判别规则得出诊断 结论。或是由系统自动地诊断出状态的水平和各 种故障存在的倾向性及严重性；或是帮助工程技 术人员结合其他条件全面作出判断决策。 对于设备的诊断，一是防患于未然，早期 诊断；二是诊断故障，采取措施。其主要 内容包括： （1）正确选择与测取设备有关状态的特征 信号 （2）正确地从特征信号中提取设备有关状 态的有用信息（征兆）从特征信号直接判 明故障的有无，一般是比较难的。 （3）根据征兆进行设备的状态诊断，识别 设备的状态。因此，可采有多种模式识别 设备的状态。 （4）根据征兆与状态进行 设备的状态分析 故障位置、类型、性质、原因与趋势等。 （5）根据状态分析作出决策，干预设备及 其工作进程，以保证设备安全可靠、高效 地发挥其应有功能，达到设备诊断目的。 （1）正确选择与测取设备有关状态 的特征信号 所测取的信号应该包含设备有关状态的信 息，例如，诊断起桁架有无裂纹不能靠测 取桁架各点温度信号中不包含裂纹有无的 信息。而测取桁架的振动信号则可达到目 的，因为振动信号中包含了结构有无裂纹 的信息，这种信号即称为特征信号。 （2）正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信息（征 兆）从特征信号直接判明故障的有无，一般是比较难的。 例如，从结构 的振动信号一般以直接判明 结构有无裂纹，还需根据振动理论、信号 分析理论、控制理论等提供的理论与方法 ，加上试验，对特征信号加以处理，持取 有用的信息（称为征兆），才有可能判明 设备的有关状态。征兆信息包括结构的物 理参数（如质量、刚度等）、结构的模态 参数（如固有频率、模态阻尼等），设备 的工作特性（如耗油率、工作转速、工率 等），信号统计特性及其他特征量。 （3）根据征兆进行设备的状态诊断 ，识别设备的状态。 因此，可采有多种模式识别设备的状态。因此， 可采用多种模式识别理论与方法，对征兆加以处 理，构成判别准则，进行状态的识别与分类。状 态诊断是设备诊断的重点，而特征信号与征兆的 获取正确与否进行 正确状态诊断的前提。征兆既 用于由外表现象推断内部状态，此时可称为症候 ，以用于由现在现象推断未来状态，此时可称为 预兆。状态诊断既包括诊断设备是否将发生什么 故障，此即早期诊断；也包括诊断设备已发生什 么故障，此即早期诊断设备已发生什么故障，此 即故障诊断。 （4）根据征兆与状态进行 设备的状态分析故障位 置、类型、性质、原因与趋势等。 例如，故障树分析过程可知故障的原因往 往是次一级的故障；如轴承烧坏是故障， 其原因是输油管不输油，不输油是因油管 堵塞，后者是因可能是次级故障，因而有 关的状态诊断方法也可用于状态分析。 （5）根据状态分析作出决策，干预设备及 其工作进程，以保证设备安全可靠、高效 地发挥其应有功能，达到设备诊断目的。 所谓干预和自动干预，即包括调整。修理 。控制、自诊断等。 2.设备故障诊断是人们借助一定的技术手 段（检没技术、分析理论方法、分析理论 方法、分析软件等）对设备运行状态及故 障情况进行评判的过程。 为了对机械设备故障进行诊断，必须获取 机械设备的故障信息，包括人感官获取的 信息和通过检测仪器测定获取的信息。事 前调查阶段是获取设备现场状况有用信息 的重要程序，现场信息包括设备的结构性 能、操作运行情况、外界环境影响、维修 使用记录等。设备监测系统的引人并不排 斥和取代现场操作人员的经验和智慧，相 反，二者有机结合，信息共享，才更有利 于设备管理和故障诊断工作的开展。 设备现场情况调查内容包括： （1）设备的结构性能 （2）操作运行情况 （3）外界环境的影响 （4）维修使用情况 （1）设备的结构性能 设备的结构性能主要包括： 1设备的工作原理，设备在整个过程生产过 程中的作用和地位; 2设备的动态参量。主要指设备的额定运行 指标和工艺参数范围，如驱动机的功率， 各工艺段流量、压力、温度、转子转速及 变化范围，设备的工作介质等 ; 3设备结构，如轴承型式、密闭结构、转子 与其他部件之间联轴节的结构等。 （2）操作运行情况 操作运行情况指设备运行时工艺参数的大 小及变化，设备输入引起的变化，是否感 觉到性能的变化和故障征兆。 （3）外界环境的影响 外界环境影响包括： 1环境温度、湿度等的影响； 2周围其他设备、管道振动造成的影响； 3地基沉降、变形对设备性能的影响； 4输入电压波动的影响。 （4）维修使用情况 1在设备运转以来发生过的故障及处理情况； 2上次维修日期； 3维修时对设备作过哪些调整，调整量各为多少 ； 4对本设备来说，发生什么样的故障可能性最大 ，或哪些部件容易发生故障及设备的薄弱环节； 5设备使用以来出现过哪些设计和创作上有不足； 6同一型号、同一工作条件下，其他设备发生故 障的情况。 根据上述调查掌握的信息，对设备异常现象进行 分析，并确定检测方法，从测定获取的信号中提 取设备运行的特征信号，根据特征信号所描述的 征兆，对设备状况进行诊断。诊断分为简易诊断 和精密诊断两种：简易诊断主要指状态诊断这步 只判明设备有无故障，但不作故障分析；而精密 诊断则包括状态诊断与状态分析这两步，还可能 要判明多种故障的情况。最后根据诊断结果，制 定对设备所采用的干预措施，包括维修、调整、 控制、自动诊断等措施。 3.设备故障诊断方法 故障是设备的异常状态，根据检测设备异常状态 信息的方法不同，形成了各种设备诊断方法。 （1）利用振动进行设备诊断 （2）超声波诊断法 （3）声发射诊断法 （4）红外线诊断法 （5）计算机监测诊断 （6）故障诊断专家系统 （1）利用振动进行设备诊断 设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械 设备的振动往往会影响其工作精度，加剧设备的 磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳 损伤的加重，机械设备的振动将更加剧烈，如此 恶性循环，直至设备发生故障、破坏。 设备发生故障时，常表现为振动频率的变化，通 过检测振动的频率、转数、振动的速度、加速度 、位移量、相位等参数，并进行分析，从中可以 找出产生振动变化的原因。 （2）超声波诊断法 超声波通过裂纹时反射超声波将发生异常 ，从而可确定裂纹情况超声波监测技术是 利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的 影响，来探测材料内部及其表面缺陷的大 小、形式及分布情况。其主要优点是，检 测速度快，灵敏度高，仪器轻巧，操作方 便，对人体无损害，因此比较广泛地应用 于机器部件内部缺陷的检测诊断。 （3）声发射诊断法 物体内部发生变形、裂纹时，将有部分能 量以声、光、热的形式释放出来，通过分 析辐射出的声能便可知道裂纹的情况，是 一种无损检测方法。物体在状态改变时自 动发出声音的现象为声发射，其实质地物 体受到外力或内力3作用产生变形或断裂时 ，以弹性波形式释放能量的一种现象。由 于声发射提供了材料状态变化的有关信息 ，所以可用于设备的状态监测和故障诊断 。 （3）声发射诊断法 根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发 生和发展过程所产生声发射的特点及强度 来推知声发射源目前的状态（存在、位置 、严重程度），而且可知道它形成的历史 ，并预报其发展趋势。声发射监测不受材 料诊断影响. 具体有以下特点： （3）声发射诊断法 1声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息 。结构或部件在受力情况下，利用声发射 进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及 发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实 时报告。而超声波探伤，只能检测过去的 状态，属静态情况下的探伤。 （3）声发射诊断法 2声发射监测不受材料位置的限制。材料的 任何部位只要有声发射，就可以进行检测 并确定声源的位置。 3声发射监测只接收由材料本身所发射的超 声波，而超声波监测须把超声波发射到材 料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。 （3）声发射诊断法 4灵敏度高。结构缺陷在萌生之初就有声发 射现象，而超声波、X射线等方法必须在展 到一定程度之后才能检测到。 5不受材料限制，因为声发射现象普遍存在 于金属、塑料、陶瓷、木材、混泥土及复 合材料等等物体中，因此得到广泛应用。 （3）声发射诊断法 由于声发射方法能连续监视结构内部损伤的全过 程，因此得到了广泛应用。声发射技术首先在航 空工业部门应用获得成功，随后推广到其他工业 部门，许多飞机失事主要是由于结构损伤引起的 。结构在最终破裂之前，往往有明显的初始损伤 或裂纹，因此，在飞机上安装声发射监视系统， 飞行员可以尽早地察觉到初始损伤的存在，或观 察到初始损伤或裂纹扩展的情况，推断危险情况 的到来，从而采取必要的措施，避免空中飞行事 故的发生。 （3）声发射诊断法 石油化工反应罐、锅炉、蓄热器以及高压 容器与管道，容器壁厚的增加以及高强度 材料的采用，造成突然爆破事故不断发生 。其原因除了工作压力高，高强度材料断 裂韧性值的降低等因素外，结构中潜在的 缺陷（或裂纹）是事故诱发的因素。因此 寻找结构中的潜在缺陷，并评定缺陷 的有 害程度，是声发射技术应用于压力容器结 构的主要内容。 （3）声发射诊断法 声发射技术还可预测结构的寿命，以便在 突然爆炸事故到来之前，作出决断，停止 使用，避免事故的发生。在钢铁工业中， 可应用声发射技术来合理制定高炉修复计 划，正确、及时地确定修复部位，以便充 分利用设备，缩短修复时间或者合理地设 计、布置高炉内部的结构，提高主炉的使 用寿命指标等。在煤炭、地质部门，可应 用声发射技术来判断微地震的性质及发生 的部位，矿井安全性的预测等。 （3）声发射诊断法 土木工程中，应用于结构应力松弛现象的 诊断，隧道塌方的预测，大型桥梁疲劳损 伤程度的评估等。在机械行业中，利用声 发射提供的信息，可找出设备部件初始损 伤的存在以及监视损伤的发展，确定损伤 程度，制订出维修或更换的时间。在焊接 工艺中，用声发射技术来监测焊接过程的 裂纹产生及扩展，以及焊接结构完整的评 估等。 （4）红外线诊断法 通过测定设备辐射出的红外线，确定温度 分布（如加热管的温度分布），以确定设 备是否有异常。红外线探测器可分为热探 测器和光子探测器两类，前者根据入射红 外线的热效应引起探测器才料某一性质变 化而实现探测目的；后者则根据入射光子 流引起物质电学性质的变化达到探测目的 。 （4）红外线诊断法 红外线测温技术已广泛应用于设备运行过 程各阶段的状态监测与诊断，主要包括： 1在新设备刚刚安装完毕，并开始难收时， 用以发现制