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1、第十二章 设备故障诊断技术,现代生产对设备的依赖程度越来越高，机器设备已形成了一个庞大的系统，这使得设备的维修管理显得尤为重要。根据设备的技术状态组织维修，以实现安全生产及设备寿命周期费用达到最经济、最有效的目的，已成为现代设备管理的主要内容。而要了解设备的状态，必须以先进的设备故障诊断技术作为基本手段。 第一节设备故障概述 一、故障及其分类 设备在工作过程中，因某种原因丧失规定功能的现象称为故障。这里所指的设备可以是元件、零件、部件、产品或系统；这里所指的规定功能是指在产品技术文件中明确规定的功能。为了进一步揭示故障的实质，以利于选择合适的诊断手段，有必要对故障进行分类。研究故障的角度不同，
2、其分类的方法也不同，下面所述的是与故障诊断密切相关的两种分类方法。,第十三章 设备故障诊断技术,（一）按故障发生、发展的进程分类 1. 突发性故障 此种故障的发生是由设备的多种内在不利因素及偶然性环境因素综合作用的结果。故障在发生之前无明显的可察征兆，而是突然发生的，具有较大的破坏性。 其实突发性故障仍然具有从量变到质变的过程，只不过需要采用精密的测量仪器及先进的测试方法才能检测出来。为了避免突发性故障，需要对设备的重要部位进行连续监测。 2. 渐发性故障 由于设备中某些零件的技术指标逐渐恶化，最终超过允许范围（或极限）而引发的故障称为渐发性故障。大部分的设备故障都属于这一类故障。这类故障的发
3、生与设备的机械零部件、电气元件的磨损、腐蚀、疲劳等密切相关。其特点是： （1）故障的发生的时间一般出现在零部件、元器件有效寿命的后期。 （2）有规律性，可预防。 （3）故障发生的概率与设备的运行时间有关。设备的时间越长，发生的故障的概率越大，损坏的程度也越大。,第十三章 设备故障诊断技术,（二）按故障的性质分类 1. 自然故障 自然故障是在设备运行过程中，因自身原因所造成的故障，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，如设备正常工作磨损引起的故障就属于这类故障，此类故障会对设备的自然寿命产生影响。异常自然故障是因设计和制造的不恰当造成设备中存在某些薄弱环节而引发的故障，显然此
4、类故障带有偶然性，有时又具有突发性。 2. 人为故障 人为故障是指设备运行中操作使用不当或意外情况造成的故障。为了避免这类故障的发生，设计时应尽量采用避免人为故障的结构，并将行为科学和心理学应用于排出人为故障中，即将人、机作为一个系统加以考虑，以有效地诊断和控制故障。,第十二章 设备故障诊断技术,二、引起故障的外因 可以将引起设备故障的外因归纳为三个方面，即环境因素、人为因素和时间因素。 （一）环境因素 环境因素包括力、能、温度、湿度、振动、污染物等外界因素。这些因素将以各种能量形式对设备产生作用，使机件发生磨损、变形、裂纹、腐蚀等各种形式的损伤，最终导致故障的发生。表12-1中列出了主要环境
5、因素对机械设备的影响及由此而产生的典型故障。 表12-1 环境影响及引起的故障,第十二章 设备故障诊断技术,（二）人为因素 设备在设计、制造、使用和维护过程中，始终都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 设计中往往会受到条件的限制或存在着考虑不周、设计差错等。如在新产品设计时，常常会遇到许多未知因素。对于一些未知因素，往往根据现有资料和和经验来确定其设计方法，致使产品存在着潜在的故障因数。各种设计条件的限制，如材料的限制、所选标准的限制、重量的限制等等，都会给产品带来不可靠的因素，从而造成产品较高的故障率。 2. 质量偏差 由于加工设备、仪器精度
6、以及技术水平等条件的限制，使制造工程中各种因素的组合并不非常理想，因此任何一个工艺过程都有可能产生缺陷，当然也会存在一些漏检的缺陷。漏检的缺陷在所谓合格的机件中“隐藏”下来，很可能成为机件使用中故障发生的根源。,第十二章 设备故障诊断技术,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的影响。 在上述各项人为因素中，对故障率影响最大的人为因素是使用不当。 （三）时间因素 上述的环境因素、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需将时间因素考虑在内，诸如施加应力的先后顺序
7、、单位时间内应力循环次数、疲劳裂纹扩展的速度以及有负荷时间与无负荷时间的比例，都是故障诱因的时间因素。常见的磨损、变形、裂纹、腐蚀等故障机理都与时间有密切关系。尽管机件中存在着故障隐患及形成故障的其它外因，如果没有时间的延续，故障不一定会发生。可见，时间也是形成故障的主要外因之一。,第十二章 设备故障诊断技术,设备故障中，除了意外的突发性故障外，大多数属于渐发性故障，也即时间依存性故障。只有这类故障才能为故障诊断提供可能。通过状态监测与故障诊断，掌握故障的形成与时间的变化规律，从而可以采取有效的措施使不希望发生的变化过程减慢，推迟故障的发生和减小故障发生的后果。 三、描述故障的特征参量 设备状
8、态在演变过程中所出现的各种迹象都表征设备内部存在着隐患。在故障诊断技术中，就是根据各种故障迹象，采用相应的故障特征参量所提供的信息来判断设备的技术状态，以对其存在的故障做出诊断。虽然设备运行的状态千差万别，其故障迹象也是多种多样，但描述故障的特征参量可归纳为两大类：直接特征参量和间接特征参量。 （一）直接特征参量 包括设备或部件的输出参量和设备零部件的损伤量。,第十二章 设备故障诊断技术,1. 设备或部件的输出参数 包括设备的输出（如机床精度的变化、机械生产率的变化、油泵效率的变化）；输出与输入的关系（如柴油发电机组的耗油量与输出关系的变化量等）以及设备两个输出变量之间的关系（如热交换器的温差
9、与流量的关系、泵的流量与压力的关系等）。利用设备或部件的输出参数可以判断设备所处的运行状态，并可预示故障的存在。一般来说，设备或部件的输出参数是比较容易检测的，但各种输出参数指标对于设备早期故障的反应往往并不很灵敏。如一些主要零件在影响设备性能之前可能就存在缺陷，但不一定已反映到输出参数上。因此以设备或部件输出参数作为故障特征参量，一般难以发现早期故障。另外，这类故障特征参量只能用以判断设备工作能力的强弱，只表明有无故障，而无法判断故障部位、故障形式及故障原因。,第十二章 设备故障诊断技术,2. 设备零部件的损伤量 引起设备故障的各种损伤量，如变形量、磨损量、裂纹大小、锈蚀程度等都是判断设备技
10、术状态的特征参量。这类特征参量都是引起故障的直接原因，它们不仅可以表示故障的存在、发生故障的原因及部位，而且其数量值可以表示故障的严重程度及发展趋势。虽然这类特征量能对故障做出较全面的描述，但由于这类特征在复杂设备里大量存在，不可能同时对它们逐个加以检测，所以，利用这类特征参量来判断设备故障，通常是在故障诊断的第二阶段。即在检测了设备输出参数或其它故障信息以后，认为有必要进一步查明设备工作能力降低或故障发生的直接原因时，才能进行损伤量的测量。,第十二章 设备故障诊断技术,（二）间接特征参量 间接特征参量亦即二次效应参数 在故障诊断技术中，作为设备故障信号的二次效应，主要有设备在运行过程中产生的
11、振动、声音、温度、电量等。另外，即使对于同一类二次效应，描述它的特征参量也有多个。如振动可用位移、速度、加速度描述，声音可用噪声、超声、声发射描述，温度可用温差、热像、温度场描述，电量可用电压、电流、功率、频率、相位、电阻、电感、电容等描述。可见，作为故障信号的二次效应参数较多，而且对于不同的故障和频率范围，二次效应参数与故障判断之间的灵敏度和有效性也不完全相同。因而，在故障诊断中，就存在着一个合理选择特征参量的问题。 用间接特征参量进行故障诊断的主要优点是可以在设备运行中以及不做任何拆卸的条件下进行诊断。其缺点是间接特征参量与故障间常存在某种随机性。,第十二章 设备故障诊断技术,第二节 设备
12、故障诊断技术及其实施过程 一、设备故障诊断技术的定义及其实施过程 测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，对所测信号进行处理和分析。并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的实时技术状态，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为设备故障诊断技术。 按照上述设备故障诊断技术的定义，设备故障诊断通常包括状态信息的提取、状态的识别、对未来的预测及确定必要的对策等。可以将诊断过程划分为三个阶段：状态监测、分析诊断和治理预防，如图12-1所示。,第十二章 设备故障诊断技术,设 备,传感器,信号处理系统,诊断决策,治理预防,停机检修,重点监测,巡回监测,参考图谱,状态监测
13、,分析诊断,治理预防,状态识别,图12-1 诊断技术三阶段,（一）状态监测 对设备故障进行诊断，首先要通过传感器采集设备在运行中的各种信息，将其变为电信号，再将获取的信号输入到信号处理系统进行处理，以便得到能反映设备运行状态的参数。在传感器采集到的信号中，除了含有能反映设备故障部位症状的有用信号外，往往还含有不是诊断所需要的无用信号（或干扰信号）。如何将征兆信号提取出来，获得诊断决策的可靠依据是信号处理要完成的一项重要工作。,第十二章 设备故障诊断技术,（二）分析诊断 分析诊断包括状态识别和诊断决策，即根据状态监测得到的能反映设备运行状态的征兆（或特征参量）的变化情况，将征兆（或特征参量）与某
14、故障状态参数（模式）进行比较，来识别设备是否存在故障，判断故障的性质和程度及产生的原因、发生的部位，并预测设备的性能和故障发展趋势。 （三）治理预防 根据分析诊断得出的结论来确定治理修正和预防的办法，包括调度、改变操作、更换、停机检修等。如果认定设备尚可继续运行一段时间，那么需要对故障的发展情况做重点监视或巡回监视，以保证设备运行的可靠性。,第十二章 设备故障诊断技术,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，没有监测就谈不上诊断；故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。 状态检测通常是指通过监测手段监视和测量设备或零部件的运行信息和特征参量（如振动、声响
15、、温度等）。当监测结果不需要更进一步的分析和处理，而是以有限的几个指标就能确定设备的状态（例如当特征参数小于允许值时便认为是正常，否者为异常；以超过允许值多少表示故障严重程度；当达到某一设定值或极限值时就要停机检修等），这就是简易诊断。所采用的系统常称为监测系统或简易诊断系统。由此可见，状态监测与故障诊断是相互关联的。 故障诊断不仅要检查出设备是否发生了故障，还要对设备发生故障的部位，产生故障的原因、性质和程度等做出正确的判断，即要做出精密诊断。故障诊断人员不仅要了解监测、诊断仪器、系统，而且对设备的结构、特性、动态过程、故障机理及发生故障后的维修、管理工作等更要有比较深入的了解。从这一角度来
16、看，故障诊断和状态监测是有区别的。,第十二章 设备故障诊断技术,三、故障诊断技术的分类 设备故障诊断技术的分类方法比较多，下面主要叙述三种分类方法。 （一）按诊断的目的、要求和条件的不同分类 1. 功能诊断和运行诊断 对于新安装的或刚维修的设备及部件，需要判断它们的运行工况和功能是否正常，并根据检测与判断的结果对其进行调整，这就是功能诊断。而运行诊断是对正在运行中的设备或系统进行状态监测，以便对异常的发生和发展进行早期诊断。 2. 定期诊断和连续监测 间隔一定时间对服役中的设备或系统进行一次常规检查和诊断即为定期诊断。而连续监测则是采用仪器仪表和计算机信号处理系统对设备或系统的运行状态进行连续监视和检测，这两种方法的选用需根据诊断对象的关键程度、故障的严重程度、运行中设备或系统性能的下降快慢程度及其故障发生和发展的可预测性来决定。,第十二章 设备故障诊断技术,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、轴或叶片的裂纹以及在腐蚀条件下管道的壁厚等。直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构
