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1、设备状态监测与故障诊断技术综述刘功生南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001摘 要：文章在介绍了设备状态监测与故障诊断技术的基本概念基础上，阐述了设备状态监测与故障诊断技术的方法、优缺点比较及故障诊断的实施过程，分析了设备状态监测与故障诊断技术的在国内外企业应用现状和发展趋势，充分说明了在企业中推广设备状态监测与故障诊断技术的必要性。关键词：设备维护;状态检测;故障诊断;综述The Overview on Techniques of Equipment Condition Monitoring and Fault DiagnosisLiu Gongsheng（Academy of mec
2、hanical engineering, Hunan Hengyang 421001）Abstract: Based on the introduction of the concept of equipment condition monitoring and fault diagnosis Technology, the article described some measures, the comparison of the advantages and disadvantages and the implementation process of equipment conditio
3、n monitoring and fault diagnosis technology, analyzed the application and development trend when they were used in the enterprise both at home and abroad, and fully illustrated the necessity of their promoting in the enterprise.Keywords: Equipment Maintenance; stateful inspection; troubleshooting; o
4、verview设备监测与诊断的主要目的是利用运行设备所表现出的各种有效信息，全面地分析其当前的状态，有效地诊断故障类型和部位，科学地预测设备状态发展及维修时间；设备检测与诊断技术的深入研究和广泛的工程应用实践，为现代维修方式的发展奠定了基础1。设备检测与故障诊断技术的研究与发展大体可以分为三个方面2:一是综合传感技术、测试技术、信号处理技术和微计算机技术的检测诊断仪器，为设备检测与故障诊断工作的开展奠定了坚实的基础；二是以现代人工智能为代表的检测与分析方法的研究和探索，为设备检测与故障诊断的智能化提供了可能；三是设备维修体系改革的探讨与工程实践，推动了设备检测与设备故障诊断技术的发展。这门新技
5、术的宗旨就是运用当代一切科技的新成就发现设备的隐患，以期对设备事故防患于未然。如今它已是现代化设备维修技术的重要组成部分，并且成了设备维修管理工作现代化的一个重要标志。机械故障诊断技术对确保机械设备的安全、提高产品质量、节约维修费用以及防止环境污染均起到重要作用3。因此，在生产中运用现代设备故障诊断技术，可给企业带来巨大的经济效益。1 设备状态监测与故障诊断技术简述1.1 设备状态监测与故障诊断技术的基本概念状态监测与故障诊断实际上包含着两项技术,一是有效地监视机器状况,即状态监测技术；二是精确的诊断方法,即精密诊断技术。设备的状态监测技术是指对设备(部件、零件)的某些特征参数进行测试,将所得
6、测定值与规定的正常值进行比较以判断设备的工作状态是否正常,也称为简易诊断。设备故障诊断技术则不仅要对机器设备的状态是否正常作出判断,更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计,故称为精密诊断。目前比较普及的还是简易诊断(状态监测),而精密诊断(故障诊断)真正用于生产还是少数,而且主要用于高精尖设备上4。1.2 设备状态监测与故障诊断技术的方法及优缺点比较1.2.1 设备状态监测与故障诊断技术企业中常用的方法设备故障监测诊断的方法很多,而且必须结合设备故障的特点,获取故障征兆信号的有效性,相应地采用不同的诊断和方法。现将企业中常用的监测诊断方法列表如下5-6,如表1.1所示。表1.1 现
7、代监测诊断技术诊断对象振动温度声音油液压力电气参数表面状态强度无损探伤工艺指标技术路线稳态瞬态温度热场噪声超声声发射油质磨粒铁谱光谱压力压差电流电压电阻绝缘裂纹腐蚀磨损载荷扭矩应力应变裂纹晶粗过烧夹渣工艺参数适用领域旋转机械电器热工运动部件振动设备容器管道液压润滑系统液压气动电气表面状态机械结构焊接铸造生产流程1.2.2 各种故障诊断方法的优缺点比较 根据以上所列出的设备故障监测诊断方法，下面将选几种方法进行优缺点比较7： 1）振动诊断技术 机械故障的振动诊断技术与其他方法相比，振动诊断技术由于具有理论基础雄厚、分析测试设备完善、诊断结果准确可靠、便于实时诊断等诸多优点而在机械故障诊断的整个技
8、术体系中居主导地位。其不足之处在于，因振动诊断技术涉及信息传感、振动测试、信号处理等诸多领域，因而对设备诊断技术人员的要求较高。此外，振动诊断的另一个特点是部位敏感性。2）油液分析技术油液分析技术以光谱分析和铁谱分析为代表的油液分析技术，具有信息集成度高的显著特点。其不足之处在于只对磨损类故障有效、诊断周期长，而且一般还只能在实验室进行，诊断结果受操作人员的影响大。油液分析技术常用于液压系统和润滑系统的故障诊断。 3）温度检测技术 温度检测技术正如人的体温可以用于其健康检查，温度参数也常用于设备的故障诊断。接触式测温多用于需要连续监测或不可观察的部位，如轴承的温度监测；非接触式测温则多用于危险
9、部位或不易接近的部位，如高压电器接点的温度监测。温度检测的显著特点是诊断过程简单，诊断结果一目了然，特别是红外摄像仪的出现，使得对物体温度场的测量更加直观形象。 4）无损检测技术 无损检测技术所谓无损检测技术或无损探伤，就是利用物质的某一物理性质因存在缺陷而发生变化的特点，在不破坏被检对象的前提下，对其进行检测，以检测其中是否有缺陷存在的一门综合性诊断技术。其显著特点在于其无损性，目前，主要包括射线探伤、超声探伤、磁力探伤和渗透探伤等。无损探伤技术对于改进产品制造工艺、降低制造成本、提高设备的运行可靠性等具有重要意义，是一门很有发展前途的学科。1.3 故障诊断的实施过程设备状态监测与故障诊断技
10、术包括识别设备状态监测和预测发展趋势两方面的内容。具体过程分为状态监测、分析诊断和治理预防三个基本环节8，如图 1.1 所示，这三个环节组成一个循环,相互依存,保证设备的运行健康。图1.1 状态监测与故障诊断的三个阶段1.3.1 状态监测状态监测是在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示、记录，是对设备进行故障诊断的基础工作。检测的信号主要是机组或零部件在运行中的各种信息(振动、噪声、转速、温度压力、流量等)，通过传感器把这些信息转换为电信号或其他物理量信号，送入信号处理系统中进行处理，以便得到能反映设备运行状态的特征参数，从而实现对设备运行状态的监测和下一步诊断工作
11、。1.3.2 分析诊断分析诊断实际上包括两方面的内容：信号分析处理、故障诊断。信号分析处理的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同的角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息。分析处理可用专门的分析仪器或计算机进行，一般情况下要从多重分析域、多个角度来分析观察这些信息。分析处理方法的选择、处理过程的准确性以及表达的直观性都会对诊断结果产生较大影响。故障诊断是在状态监测与信号分析处理的基础上进行的。进行故障诊断需要根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的症兆或特征参数的变化情况，有时还需要进一步与某些故障特征参数(模式)进行比较，以识别设备是在运转正常还是存在故障。如果
12、存在故障，要诊断故障的性质和程度、产生原因或发生部位，并预测设备的性能和故障发展趋势。这是设备诊断的第二阶段。1.3.3 治理预防治理预防措施是在分析诊断出设备存在异常状态，即存在故障时，就其原因、部位和危险程度进行研究并采取治理措施和预防的办法。通常包括调整、更换、检修、改善等方面的工作。如果经过分析认为设备在短时间内尚可继续维持运行时，那就要对故障的发展加强监测，以保证设备运行的可靠性。根据设备故障情况，治理预防措施有巡回监测、监护运行、立即停机检修三种。2 企业状态监测技术应用现状2.1 国外企业应用现状 随着现代化大生产的自动化程度越来越高,设备故障造成的直接、间接的损失也越来越大,设
13、备状态监测和故障诊断越来越显现了在现代化大工业生产中降低维修、运行成本、安全生产,增加企业经济效益所起的重要作用。以冶金行业为例,设备状态监测与故障诊断技术在国外先进钢铁企业如新日铁、JFE千叶制铁所、奥钢联、美钢联、韩国浦项等均得到了广泛深入的应用,并经过了30多年的发展,逐渐形成了完善的状态监测与故障诊断网络化的系统10-11。 比如日本新日铁君津制铁所在所有生产线均安装了在线监测系统,在线监测点达到7000多个,设备故障率大大降低,取得了较好的效果。并且依据状态监测结果制定备件计划及维修计划等,经济效益明显提高。 JFE对冷轧连退机组进行在线监测后,其断带率明显降低,生产作业率大幅度提高
14、。 奥钢联对21条生产线建立了在线监测系统,系统投入运行后设备利用率等各项指标均有较大程度提高,实现了全厂关键设备有效状态监测。在这些企业中,设备维修体制已由事后维修、计划检修(预防维修)向现代的预知维修阶段过渡。2.2 国内企业应用现状 状态监测与故障诊断技术于上世纪70年代末引入我国以来,经过30多年努力开拓,目前已在冶金、电力、石化等流程型行业中得到了广泛应用,并己向其他行业迅速扩展,从理论到应用都有了巨大的进步l2: 1)上世纪80年代,监测系统首先在电力企业得到应用,开始时功能简单,测点较少,主要为在线监测离线分析方式。随着技术的进步,现在己出现了远距离光纤传输集中监测系统和多装置分
15、散监测系统,朝着多机组、多测点、集中远程诊断的方向发展。网络化程度越来越高,也越来越适用于流程化生产的特点和需要。 2)从引进新技术,到依靠自身技术创新,国内己有不少专业的监测诊断系统供应商,实现了监测诊断软硬件的商品化,促进了国内诊断技术的发展与应用。 3)振动频谱分析、油液监测、红外热成像等先进技术在企业的应用与发展,促进和扩大了各种监测技术的应用领域,监测与诊断的对象不断扩大,不再只限于旋转机械,液压设备、电器、压力容器等都已包括在内。状态监测与故障诊断技术对企业的生产、安全、质量的作用越来越大。 4)不少企业正在与世界趋势接轨,建立了状态监测专业队伍,进一步成立了各种专业监测诊断公司,使状态监测诊断工作走向社会化。 同样以钢铁企业进行对比,钢铁行业是我国的支柱产业之一,起步早,设备相对比较落后,维修制度大致经历了早期的事后维修、20世纪50年代的计划预修、80年代以来逐步推广的全面生产维护(TPM)和点检定修制。目前设备维护普遍以常规点检为基础,包括设备的清洁、润滑、检查、调整、排除故障等步骤,仍属于预防维修的范畴
