设备状态监测与故障诊断技术第2章-设备故障诊断的基本概念

第二章设备故障诊断的基本概念学习目标：通过本章的学习，了解设备故障诊断的一些基本概念和基本方法，明确设备故障诊断的重要目标——状态维修；掌握设备与设备故障的基本概念，全面、深入了解设备故障的概念、原因、机理、类型、模式、特性、分析及管理；了解设备故障诊断的基本方法和分类，对设备故障诊断方法有一个框架性的认识；熟知设备维修方式的发展与状态维修，认识设备故障诊断技术与状态维修的“因果”关系。**第一节设备与设备故障一、设备的系统构成从系统论的观点，设备是由有限个“元素”，通过元素之间的“联系”，按照一定的规律聚合而构成的。系统中的“元素”与“元素间的联系”这一总体称为系统的“构造”。系统的基本性质取决于元素的性质及其间联系的性质；系统的行为取决于系统的基本性质及系统同外界的关系[如输入、客观环境的影响和作用等]系统的功能：设计中所要求实现且能完成一定任务的部分（人们所需要的）按设备构造与功能可分为3类：简单系统、复合系统、复杂系统**第一节设备与设备故障二、故障概念设备的故障，是指系统的构造处于不正常状态，并可导致设备相应的功能失调，致使设备相应行为（输出）超过允许范围，这种不正常状态称为故障状态。 美国政府AD报告《项目管理人员测试性与诊断性指南》(AD-A208917)的故障定义：造成装置、组件或元件不能按规定方式工作的一种物理状态。 系统的元素及其联系不正常的原因： 系统的输入超过它允许的范围（所在工作环境变化不正常）； 虽在正常环境下工作，但元素及其联系的状态变化超过允许的范围； 上述两者的联合作用。**三、故障原因与故障机理故障原因是指引起故障模式的故障机理。在应力和时间等条件下，导致发生故障的物理、化学、生物或机械过程，称为故障机理。 如蠕变、腐蚀、磨损、冲击、疲劳、受热等。第一节设备与设备故障**四、故障类型和故障模式设备及其各分系统、各部件、各元器件的故障种类繁多，表现形式多样。其故障类型分法如下：⑴按故障性质分，工程上有两种不同性质的故障等级： 暂时性故障（间断性故障）：指在一定条件下，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，而不需要更换零部件，就可以恢复系统的正常功能。 永久性故障：指必须经过更换或修复后才能消除故障。由某些零部件损坏而引起，包含完全性故障和局部性故障。第一节设备与设备故障**⑵按故障与时间的关系和有无发展过程分： 突发性故障：一般带有破坏性、发生时间短暂，出现故障前无明显征兆。如轴承突然的断裂、汽车轮毂故障。 渐发性故障：指在设备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的故障。具有一定的规律性，能够通过早期状态监测和故障预报来预防，故障事件中所占比重较大。 联系：渐发性故障可向突发性故障转化。如零部件磨损到一定程度。第一节设备与设备故障**⑶按故障严重程度和危险性分： 破坏性故障（危险性故障）：突发性、永久性，往往危及设备和人生安全。 非破坏性故障（安全性故障）：渐发性、局部性，暂时不会危及设备和人身安全。 ⑷按故障原因分： 外因故障：操作不当、环境条件恶化而造成的故障。如设备的超速运行、调节系统的误动作。[错用性故障] 应该想方设法杜绝或减少：①执行严格设备操作规程②禁止超温、超压、超速、超负荷运行等。 内因故障：因设计、制造方面存在的潜在隐患而造成的故障。如设计的薄弱环节、制造残余应力和变形、材料的缺陷等。[磨损性故障、固有薄弱性故障]**第一节设备与设备故障⑸按故障相关性分： 相关故障（间接故障）：由设备其他部件（非本部件）引起。如油路系统供油故障，造成轴承断油而烧瓦故障。 非相关故障（直接故障）：因零部件的自身因素引起。 ⑹按故障发生的时期分： 早期故障：由设计、加工或材料的缺陷，在设备投入运行的初期经常性的出现故障，故障率较高。经过磨合、暴露、处理、完善后，得到改善，如齿轮、轴承、摩擦副等的“跑合”，振动值下降。 使用期故障：在设备有效寿命期内，由外部原因（运行环境、条件等）和内部原因（系统特性、零部件故障）等因素造成。振动值恒定、故障率基本恒定，且设备大部分时间处于这种状态。 后期故障（耗散期故障）：因设备长期使用，出现零部件逐渐磨损、疲劳、老化等现象，而使系统功能退化，引起突发性、危险性、全局性的故障。此阶段故障率呈上身趋势，应及时更换失效零部件，避免事故。**第一节设备与设备故障“浴盆”曲线（Bath-tubCurve）设备故障率曲线该分类方法，按故障发生的时期分类，对设备的维修工作具有重大意义。使用时期**⑺按故障的发生、发展规律性分 随机故障 有规则故障⑻按故障的表现形式分 结构型故障（如裂纹、磨损、腐蚀、配合松动等） 参数型故障（如共振、流体涡动、过热等） 对故障进行分类的目的是为了弄清不同的故障性质，从而采取相应的诊断方法。当然，人们特别关心的是破坏性的或危险性的、突发性的、全局性的故障，以便及早采取措施，防止灾难性事故的发生。 **第一节设备与设备故障故障模式：故障模式是故障现象的一种表征，相当于医学上的疾病症状。如断裂、磨损、腐蚀、黏合、剥离、松弛；泄露、堵塞、溶融、蒸发；间隙、变形、表面粗糙、性能变化；失真、杂音、异常振动；油质劣质、材料老化变质；积炭、击穿、开路、短路；不稳定、污染等，故障模式是由某种故障机理引起的结果现象。按故障机理来分，常见的故障模式有：磨损（如摩擦磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀和气体蚀及接触疲劳磨损等），腐蚀（如气液腐蚀、化学腐蚀、应力腐蚀等），老化（如变脆、变软或软化发黏等），结构失效（如失稳、断裂、疲劳、变形过大等），系统失效（如机械装备中的松、堵、挤、漏、不平衡、不对中等），电气系统中失灵、失控、接触不良，以及污染（如燃烧剂、毒气）等。**第一节设备与设备故障五、设备故障的基本特性设备故障多种多样，少数行为和特征较明显，可用某种物理方法直接，而多数故障情况比较复杂，特别是复杂系统，其故障与征兆之间不存在一一对应的简单关系，更使问题复杂化。一般地，设备故障具有如下特性： 层次性对于复杂系统/设备，其结构可划分为系统、子系统、部件、元件等各层次，功能也可划分为若干层次。根据故障、征兆的不同层次，在故障诊断中可以采取层次诊断模型和层次诊断策略。 传播性两种传播方式 横向传播：零件、元件的故障引起层内其他零部件的功能失常； 纵向传播：零件、元件的故障相继引起部件、子系统、系统的故障。** 放射性某部件的故障可能引起其他部件出现异常，如转子轴系某轴承的故障，引起其他轴承的振动增大，但是该轴承本身的振动变化反而不明显。 相关性一故障可能对应若干征兆，而某一征兆可能对应若干故障，导致故障与征兆之间出现错综复杂的关系，它加大了故障诊断的困难。 延时性 故障的发生、发展以及故障的传播，表现出一定的时间过程。由故障的传播时间可以判断故障的性质和位置。故障时间，与包括横向传播和纵向传播的故障空间，一起构成故障域。 不确定性故障和征兆信息具有随机性、模糊性，加上某些信息的不确知性，组成了信息的不确定性。**第一节设备与设备故障六、故障管理 做好宣传教育工作，调动全员参加故障管理工作。 从基础工作抓起，紧密结合生产要求和设备现状，确定设备故障管理的重点。 作好设备的故障记录，填好原始凭证，以保证信息的及时性、准确性。 进行故障的统计、整理和分析。 采用监测仪器和诊断技术，对重点设备的重点部位进行有的监督活动，以发现故障的征兆和信息。 针对故障的原因、类型，不同设备的特点采取不同的对策，建立适合本企业的设备维修。 建立故障查找逻辑程序。故障分析，指为了确认与鉴定潜在故障与实际故障，探索故障发生的原因与机理、故障的发生概率与判断故障的后果，研究故障预防对策而对设备进行逻辑分析与系统调查的技术活动与管理活动。故障分析是故障管理的重要内，通过分析，来预防、消除故障，提高设备的可靠性、安全性。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类一、设备故障诊断的基本方法设备故障的复杂性和设备故障与征兆间关系的复杂性，使得故障诊断成为了一个探索性的过程。如前所述，故障诊断是一门交叉学科，须从多学科中广泛探求有利于故障诊断的原理、方法和手段。1．传统的故障诊断方法首先是利用各种物理的和化学的原理和手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接检测故障。可以利用振动、声、光、热、电、磁、射线、化学等多种手段，观测器变化规律和特征，直接检测和诊断故障。特点：形象、快速，十分有效，只能检测部分故障。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类其次，利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法。以旋转机械为例(振动、频谱特性信息)：在诊断过程中，首先分析从设备运转中获取的各种信息，提取信号中的各种特征信息，从中获取与故障相关的征兆，利用征兆进行故障诊断。特点：利用征兆进行故障诊断往往是一个反复探索和求解的过程。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类2．故障的智能诊断方法在传统诊断方法的基础上，将人工智能的理论和方法用于故障诊断，形成了故障智能诊断方法。它是设备故障诊断的主要方向。 人工智能：使计算机完成原先由人才能做的智能任务，如推理、理解、规划、决策、抽象、学习等； 专家系统：是实现人工智能的重要形式，被广泛用于诊断、解释、设计、规划、决策等各个领域。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类3．故障诊断的数学方法利用各学科的最新科技成就，各种有效的数学工具来进行设备故障诊断的技术。诸如基于模式识别的诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及神经网络、小波变换、分形几何等。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类3．故障诊断的数学方法利用各学科的最新科技成就，各种有效的数学工具来进行设备故障诊断的技术。诸如基于模式识别的诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及神经网络、小波变换、分形几何等。**二、设备故障诊断的分类1．按诊断对象分类★旋转机械诊断技术：汽轮发电机、燃气轮机组、压缩机组、水轮机组、风机及泵等；★往复机械诊断技术：内燃机、往复式压缩机、泵等；★工程结构诊断技术：海洋平台、金属结构、框架、桥梁等；**第二节设备故障诊断的基本方法和分类按照设备故障诊断对象、参数、目的等有不同的分类方法。★运载器和装置诊断技术：飞机、火箭、航天器、舰艇、火车、汽车、坦克、火炮、装甲车等；★通迅系统诊断技术：雷达、电子工程等；★工艺流程诊断技术：生产流程、传动装置、冶金压延等设备。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类**第二节设备故障诊断的基本方法和分类2．按诊断参数分类★振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。振动诊断是所有故障诊断技术中应用最广泛的诊断方法，由振动产生的机器故障约有60%。★温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。★声学：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。★光学：适用于探测腔室和管道内部的缺陷。如光学探伤法。★油液（污染）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。★无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。★压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。★强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。★表面形貌：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。★工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。★电参数：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类3．按诊断的目的和要求分类★功能诊断与运行诊断功能诊断：是对安装的机器设备或刚维修的设备检查其功能是否正常，并根据检查结果对机组进行调整，使设备处于最佳状态；运行诊断：对正在运行的设备进行状态诊断，了解其故障的情况。 ★定期诊断和连续诊断 定期诊断是每隔一定时间对检测的设备进行测试和分析； 连续诊断是利用现代测试手段对设备连续进行监控和诊断。 ★直接诊断和间接诊断 直接诊断是直接根据主要零部件的信息确定设备的状态，如主轴的裂纹、管道的壁厚等； 间接诊断是利用二次诊断信息来判断主要零部件的故障，多数二次诊断信息属于综合信息，如利用轴承的支承油压来判断两根转子对中状况。**第二节设备故障诊断的基本方法和分类3．按诊断的目的和要求分类★常规工况与特殊工况诊断常规工况：在机器设备常规运行工况下进行检测和诊断；特殊工况：在机器设备启动或停机的特殊工况下进行检测和诊断。 ★在线诊断和离线诊断 在线诊断是指对大型、重要设备的检测信号进行自动、连续、定时地进行采集与分析，及时诊断出现的故障； 离线诊断是通过数据采集器将现场的信号记录并存储起来，再回放到计算机或直接进行分析。中小型设备常用离线诊断**第二节设备故障诊断的基本方法和分类振动监测手段的分类和选用**振动监测系统的分类和选择 设备类型 损坏后果 推荐监测手段 主要功能 大约价格 关键设备 完全停产100% 计算机化固定式的监测系统 振动幅值、频谱的连续监测数据存储、数据比较，数据文件管理趋势分析、谱趋势分析启、停车等瞬态过程数据收集超限报警、保护，事故记忆故障诊断，人工智能，联网，远程等 数十万元以上 重要设备 部分停产50~100% 一般的固定式的监测系统 振动幅值的连续监测超限报警、保护数据存储、比较，趋势分析 几万～数十万元 一般设备 部分停产或不停产0~50% 周期性的监测系统 振动幅值、频谱的周期采集数据存储和管理数据比较，趋势分析 几万元 便携式的测振仪表 振动幅值的采集简单的频率分析 几千元简易诊断（状态监测）内容： 识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行精密诊断（故障诊断）内容： 确定故障部位 确定故障原因 提出维修建议由设备诊断人员在现场或中心进行4．按诊断方法的完善程度分类**第二节设备故障诊断的基本方法和分类一、设备维修方式的发展 事后维修，故障维修(Breakdown)设备坏了后才去修理。 定期维修，预防维修(Preventive) 定期地检查和大修。 预测维修，状态维修(Predictive) 周期的监测，需要时才去维修。第三节设备维修方式的发展与状态维修**事后维修体制设备运行到坏了再进行修理。 不需要安排计划。 对一些设备，更换比修理更便宜。 意外停机引起生产损失。 灾难性的设备事故。 库存备件投资多。 引起设备的二次损坏。定义：**缺点：优点：定期维修体制按预订的时间间隔或检修周期对设备作维修、调整和更换备件。 机器寿命较长。 减少意外停机。 备件库存较少。 意外停机引起生产损失。 过剩维修导致维修费用增加。 过剩维修引起人为维修故障。**定义：缺点：优点：状态维修体制有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态。 减少非计划停机损失。 维修时间间隔可以延长。 非必要维修减到最少。 备件库存最小。 需要初始投资。 需学习和培训。**定义：缺点：优点：状态维修方式**在状态监测与故障诊断技术基础上，掌握设备运行的动态信息，跟踪故障的发展过程及推算设备状态超标发生的时间，根据设备状态劣化的程度，在故障发生前的某个时间内做好检修准备，有针对性地、有计划地安排预防性停工修理。状态检测的“三”、“五”、“七”管理体制东风汽车公司在状态检测工作中推行二、实施设备状态维修的指导思想1．建立适合本企业特点的管理体制**第三节设备维修方式的发展与状态维修案例1状态检测三必测： 固定周期必测 修前修后必测 工艺变更必测**第三节设备维修方式的发展与状态维修状态检测五确保： 确保测量数据准确（含测点正确，测量正确，测量过程正确）。 确保数据分析正确，数据归档及时。 确保会用会管仪器。 确保报表及时正确。 确保信息传递及时。**第三节设备维修方式的发展与状态维修状态检测七固定： 固定专人测量。 固定监测设备。 固定监测点。 固定监测参数。 固定检测仪器。 固定测量周期。 固定判定。**第三节设备维修方式的发展与状态维修中石化仪征化纤公司原涤纶二厂建立了设备状态检测与故障诊断工作：“一会”、“二级”、“三定”管理体制**第三节设备维修方式的发展与状态维修案例2“一会”即定期召开状态监测例会，除相互通报状态监测及维修情况外，还特别以“诸葛亮会”的形式对故障信息进行会诊，以便对设备运行状况作出客观正确的评价，从而为状态维修提供依据。另外，针对紧急故障，不定期召开现场急诊会，及时解决问题。**第三节设备维修方式的发展与状态维修“二级”实行厂、车间二级管理，并建立相应组织网络，网上人员明确分工，紧密配合。**第三节设备维修方式的发展与状态维修“三定”定期、定点、定人对关键设备的重点部位进行状态监测与分析。2．实行科学严谨的工作方法**第三节设备维修方式的发展与状态维修设备状态检测与故障诊断工作没有捷径可走，在日常工作中，诊断工程师常采用人、机器、电脑、测振仪四位一体的方式，围绕4个“W”。沿着**在具体实践中，可以综合运用比较法：一方面，通过对同类设备的同样部位进行测量，运用横向比较的方法分析问题；一方面，通过在不同日期进行测量，运用纵向比较的方法分析问题；一方面，就不同的测点方向（水平、径向、轴向）、参数（位移、速度、加速度、峰值能量）进行比较分析；一方面，从几种典型故障如不平衡、不对中、松动、齿轮故障、轴承故障等所表现出的不同频谱特征作出更加细致的判断。工作途径**第三节设备维修方式的发展与状态维修3．及时研究新情况，解决新问题，总结新经验，实现资源共享 以中国石化仪征化纤股份有限公司为例进行说明。 在长期的生产实践中，技术人员亲身经历和耳闻目睹了大量故障实例的监测、分析、判断和处理过程，逐步摸索出了对一些典型案例的判断、处理方法，这为今后工作的进一步开展打下了良好的基础和积累了宝贵的经验。 只要继续持之以恒地做到及时研究新情况，解决新问题，总结新经验，那么，公司《机器设备振动判别标准》的诞生就一定指日可待。 由于状态监测工作实行计算机管理，振动频谱图分析、状态趋势图分析、按月数据备份和故障诊断处理资料的归档等各项工作均是由计算机来完成，这也给实现资源共享提供了便利的条件，状态监测傻瓜包的开发并非遥不可及的梦想。**第三节设备维修方式的发展与状态维修4．循序渐进推行设备状态维修设备状态维修被誉为维修技术的一次重大革命，其优点和经济性主要表现在： 可以防患于未然，最大限度地减少突发故障，保证设备经常处于良好的技术状态，稳定产品产量，并提高产品质量； 这样做能充分掌握维修活动的主动权，便于对整条生产线的装置设备进行整体考虑，并且可以和生产计划协调安排； 便于做好各项修前准备，保证备品备件的及时供应，并可避免不合理库存的产生； 可以避免过剩的维修，提高设备的可利用率，充分发挥零件的最大寿命； 节约能源，避免不必要的浪费； 能够合理地安排维修人员，并为维修社会化改革和进一步减员增效打下基础。**第三节设备维修方式的发展与状态维修以仪化公司为例，在具体工作中，我们可以采取如下循序渐进的方式： 先辅助厂，后主体厂 先辅助装置，后主装置 先简单设备，后复杂设备 先一般设备，后主要、关键设备和大机组 先间歇制工作设备（如涤纶短纤维后处理装置及所有有备台可以切换的设备），后连续制工作设备（如聚酯装置和短纤前纺装置） 先有成熟判断标准的设备，后仍处于经验探索阶段的设备 最终全面实行状态维修**第三节设备维修方式的发展与状态维修小结（一） 从系统论的观点，设备是由有限个“元素”，通过元素之间的“联系”，按照一定的规律聚合而构成的。 设备的故障，是指系统的构造处于不正常状态，并可导致设备相应的功能失调，致使设备相应行为（输出）超过允许范围，这种不正常状态称为故障状态。 理解故障原因、故障机理、故障模式、故障分析等概念。设备故障具有层次性、传播性、放射性、相关性、延时性、不确定性等基本特性。 对故障进行分类的目的是为了弄清不同的故障性质，从而采取相应的诊断方法。**第三节设备维修方式的发展与状态维修小结（二） 设备故障诊断的基本方法包括传统的故障诊断方法、故障的智能诊断方法和故障诊断的数学方法。 设备故障诊断的分类根据诊断对象、诊断参数、诊断的目的和要求、诊断方法的完善程度等不同可以有各种分类方法。 我国的维修体制也在发生着深刻而巨大的变化，已从早期的事后维修和实施多年的定期预防维修开始进入现代的预知性的视情（状态）维修。 实施设备状态维修的指导思想。**第三节设备维修方式的发展与状态维修问题与回答互动时间**一、单项选择题（在备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在题干中的横线上）1．在应力和时间等条件下，导致发生故障的物理、化学、生物或机械过程，称为。A、故障状态B、故障机理C、故障类型D、故障模式2．设备故障的基本特性不包括。A、层次性B、放射性C、延时性D、确定性3．传统的故障诊断方法不包括。A、振动诊断B、温度诊断C、专家系统D、电参数诊断4．不属于故障诊断数学方法的是。A、故障树分析B、人工智能C、小波变换D、分形几何**5．设备故障诊断按分类，有旋转机械诊断技术、往复机械诊断技术、工程结构诊断技术、运载器和装置诊断技术等。A、诊断对象B、诊断参数C、诊断的目的和要求D、诊断方法的完善程度6．是目前所有故障诊断技术中应用最广泛也是最成功的诊断方法。A、振动诊断B、温度诊断C、声学诊断D、光学诊断7．对于简单低值、利用率低、维修性好或修理不复杂且出现故障停机不影响生产大局的设备，维修经济性最好的维修方式是；在现代化大生产中，最应提倡的维修方式是。A、事后维修B、定期维修C、状态维修8．设备状态维修被誉为维修技术的一次重大革命，其优点和经济性不包括。A、防止失修B、防止过修C、做好修前准备D、零件实现最大寿命**二、判断题（在括号内选择打“√”或“×”）1．永久性故障无需经过更换或修复便能消除故障。（）2．渐发性故障可转化为突发性故障。（）3．破坏性故障既是突发性又是永久性的。（）4．磨损性故障、错用性故障均属于外因故障。（）5．设备处于使用期故障阶段时，故障率最高。（）6．磨损既是故障机理，又是故障模式。（）7．设备故障具有传播性。（）8．故障分析的目的是为了预防与消除故障。（）**9．故障树分析属于传统的故障诊断方法。（）10．我们通常所说的状态监测一般是指功能诊断。（）11．旋转机械的振动频谱分析属于间接诊断。（）12．开停机分析属于特殊工况诊断。（）13．在线诊断比离线诊断投资高，一般用于大型、重要的设备。（）14．状态维修具有显著的周期性特点。（）15．设备故障诊断四个“Ｗ”即：“Where”──故障部位；“What”──什么故障；“Why”──故障原因；“When”──什么时候发生。（）16．通过在不同日期进行测量，是指运用横向比较的方法分析问题。（）****