设备故障诊断技术的理论与实践

设备故障诊断技术的理论与实践摘要：随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。

由于许许多多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种各样，以致降低或失去预定的功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故，国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄漏等恶性事故，造成了人员伤亡，产生了严重的社会影响；即使是经常生产中的事故，也因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。

设备故障诊断显得尤其重要，本文介绍了一种基于特征信息对比得出故障的方法，并以旋转机械故障诊断为例来说明其在实际中的运用。

关键词：故障诊断；特征提取；旋转机械0前言机械故障诊断技术是七十年代以来, 随着计算机和电子技术的飞跃发展, 促进工业生产现代化和机器设备的大型化、连续化、高速化、自动化而迅速发展起来的一门新技术, 也是一门以高等数学、物理、化学、电子技术、机电设备失效学为基础的新兴学科。

现代化机械设备的应用一方面大大促进了生产的发展; 另一方面也潜伏着一个很大的危机,即一旦发生故障所造成的直接和间接的损失将是十分严重的。

这门新技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。

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故障诊断技术基本原理1.1传统故障诊断维修在现代生产中各种设备、装置和机械日趋大型化、高速化、连续化、复杂化，所以，一旦设备发生故障后给生产和质量造成难以计算的影响，为了使设备保持正常状态所花的维修费用，在企业经营费中也占了很大的比例。

传统的维修是定期维修，其维修的计划性很强。

在维修中往往缺少依据，具有很大的盲目性、目的性不强，这样会造成维修不足和过剩维修。

也就是，不清楚设备坏没坏，什么地方坏掉了，可能设备性能很好，但在维修期来时还是要拆开维修这样造成了人力物力的极大浪费，还会影响生产力。

同时设备还没到维修期就已经出故障了，但是由于计划得限制只有勉强运行，这样的维修不足极有可能造成设备的损坏以致带来不可估计的后果。

即使设备是在计划之内有问题，在维修的时候往往也不知道什么地方出现了故障，维修起来费时费力。

1.2现代故障诊断技术与预知维修怎么样才能让设备维修真正达到高效并正确进行？那么我们需要建立一套完善的设备故障诊断技术如图1。

所谓设备故障诊断技术，其含义是：“定量的掌握设备状态包括设备所受的应力，故障和劣化，强度和性能等；预测设备的可靠性和性能；如果存在异常，则对其原因、部位、危险程度进行识别和评价，决定其修正方法。

”通过故障诊断图1 设备诊断技术的概念使我们提前知道设备的健康状况，可以恰当的安排生产和维修，使故障维修效率大大提高。

其设备诊断技术的基本系统如图2。

图2设备诊断技术的基本系统在现代维修中，大部分流程装置工业都采用了预知维修方式。

预知性维修是指根据对设备检测结果,视设备的具体状态, 来确定最合适的修理时机及更合理的修理方法。

现在普遍的定义为：依据设备的实际状况，通过科学合理的安排检修工作，以最少的资源消耗保持机组（设备）的安全、经济、可靠的运行能力。

预知性维修亦称状态维修或视情维修，其依据是：设备(或零部件)在不同工况下有着不同的磨损特性。

通过设备诊断手段发现其磨损规律，在故障出现之前时及时维修。

图3进一步说明预知维修的优势。

设备磨损一般存在着如图1所示的三个顺序阶段。

第一阶段为磨合阶段（AB），这是设备的初期使用阶段，这时设备零部件接触面磨损较为激烈，经过短期运行较快地消除了表面加工原有的粗糙部分，形成最佳表面粗糙度。

第二阶段为渐近磨损阶段（BC），此阶段即是在一定的工作条件下，以相对恒定的速度磨损。

第三阶段为加剧磨损阶段（CD），设备磨损到一定程度，磨损加剧，以至影响设备正常运行。

按照以上显示的规律，设备维修的最佳选择点，理应是在设备由渐近磨损转化为加剧磨损之前，即应选择在C点附近。

图3 设备磨损三阶段通过先进的技术和仪器对设备及部件的运行状态进行诊断，可以寻找到C点的发生期并制定相应的维修计划，这便是预知性维修的目的。

显然与事后修理和计划预修相比，预知性维修具有以下优点：首先，在以设备诊断仪器为先决条件的预知性维修制度中，避免了工作人员现场直接接触设备通过听、摸等手段判断优劣，从而在保证设备安全运行的同时，减少了人员伤亡和事故的发生，具有很高的安全性；其次，由于它是以仪器检测结果为依据，它能正确地反映设备的实际运行状况，提供了数据并真实地记录了设备的磨损发展情况，为制定维修计划提前做好准备，使维修更具有科学性和合理性；再其次，由于修理目的明确，仅对设备的故障点实施维修，大大地减少了不必要的费用，同时也节省了时间和人力，减少环境污染和避免停机造成的损失，使维修具有很强的针对性。

据有关文献介绍，在设备上应用预测技术，获利与投资比可达17:1。

以预知性维修取代以时间为基础的预防性维修，是维修制度历史发展的必然结果，它已成为关键设备和大中型设备维护方式的发展趋势，具有很强的时代性。

1.3 故障诊断技术的程序和实施过程故障诊断技术的程序和实施过程包括：信号采集、处理、故障信号的识别、决策等。

在测量中有（那些重要）很多参数，我们可以选择主要的几个参数建立特征向量，而振动参数非常重要。

设备在运行中不可避免会产生振动，振动加剧设备的磨损，当机械得内部发生异常时，一般情况下都会随之出现振动大小及性质的变化，因此，在很多机械测量中根据对振动的测量和分析，不用停机解体就可以对机械的劣化和故障的特征有所了解。

造成振动的起因又有许多种。

常见的有：1、不平衡。

在使用过程中，由于摩擦、积尘、缠绕附着物、（叶轮）汽蚀等引起的转子质心改变，出现不平衡现象。

2、不对中和轴弯曲。

这引起轴及联轴器系统产生振动，旋转机械70％～75％的振动是由此引起的。

3、机械松动。

起因很多，常见的有轴承磨损、轴颈磨损、螺母松动、螺栓断裂等。

机械设备的振动是个很复杂的过程，但是，设备上各点的振动分布是有一定规律的，如水泵与电机组中水泵的轴承和水泵出水口处振动较大，地脚固定点处振动小等。

我们可以选择设备上的一些固定点，跟踪测定设备振动情况。

图4故障诊断技术程序和实施过程2旋转机械的故障诊断技术运用与实践2.1旋转机械故障分析我们以旋转机械故障的故障诊断为例来说明故障诊断技术的实践与运用。

在进行故障诊断分析前我们首先要做的是信号的采集与处理。

对于信号采集我们还应选择相应的参数。

在旋转机械中我们通常选择振动为主要的参数来诊断其故障。

因为振动现象与运行状态有对应关系，因此我们可以以此来建立一个特征向量。

旋转机械的核心部分是转子组件，它是由转轴及固定在其上的各类圆盘零件组成。

由于整个转子高速旋转，所以对其制造、安装、调试、维护都有很高要求。

如果其中某个零件出了问题，或在某个连接配合部分发生了异常变动，就可能引起整个机组的强烈振动。

根据转子系统在坐标平面内发生的振动形式，转子的振动可分为横向振动（振动发生在包括转轴在横向平面内）、轴向振动（振动发生在转轴的轴线方向上）、扭转振动（沿转轴轴线发生的扭振）。

旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是主要研究对象。

旋转机械的振动信号大多是一些周期信号、准周期信号或平稳随机信号。

因此，分析振动频率与转频的关系是诊断机械故障的一把钥匙。

找到我们所要测的参数后，我们根据其特点选择相应的传感器来进行测量。

然后利用传感器出来的信号进行信号处理，提取有用的部分然后对信号进行分析。

常见的时域分析法和频域分析法。

时域波形是最常见的工程信号，时域波形直观易于理解，但包含信息量大，不容易看出所包含的时域图谱可对设备整体性能进行评价，通过时域波形图谱可看出设备是否超标和零部件存在的问题。

在LM8900系统所采集的时域波形图中给出了“峰值、均值、有效值、峭度指标和脉冲指标五个参量。

在采集时，根据旋转设备运行的速度不同，可以选择“加速度、速度、和位移”三种不同的数据类型。

如果当时域难以观察时我们选择频域分析。

频域图谱可以详细分析旋转机械设备故障存在具体问题，是设备诊断的重要工具。

频域图谱和时域图谱可经过快速傅立叶变换来实现相互转换。

2.2旋转机械一般故障特征通过各种方法提取其特征向量与已有的故障档案库进行分析比对最终确定故障。

一般旋转机械的故障有：（一）转子不平衡。

其引起的振动是旋转机械的常见的多发故障。

产生不平衡的原因：旋转机械转轴上所装配的零部件，如果材质不均匀，装配偏心以及在长期运行中产生不均匀磨损、腐蚀、变形或者某些紧固件松脱、各种附着物不均与堆积等各种原因都会导致零件发生质心偏移而造成不平衡。

不平衡振动一般很明显，主要表现为不平衡转子的故障频率等于转子的旋转频率，除此之外，不平衡振动还会激起其他频率成分。

例如分频倍频等。

影响不平衡的主要三因素为转子质量、质心到两轴承连线的垂直距离，转子的旋转角速度。

在诊断不平衡故障时，首先必须分析信号和频率成分是否有突出的转频。

其次看振动的方向特征，必要时再分析振幅随转速的变化情况，或测量相位。

（二）转子不对中。

其也是旋转机械常见的故障之一，主要包括转子与转子之间的连接不对中。

主要反映在取轴器的对中性上；转子轴颈与两端轴承不对中。

在滑动轴承来说，这种情况产生的主要原因与轴承是否形成良好的油膜有直接关系。

不对中引起的振动其幅值与机器的负荷有一定关系，一般随着负荷的增加而成正比的增加，然而对转速的变化影响不大。

（三）机械松动。

其也是旋转机械比较常见的故障，松动有两种情况，一种上地脚螺栓连接松动，它带来的后果上引起整个机器的松动。

另一种情况是零件之间正常配合关系被破坏或配合间隙超差而引起的松动。

由松动引起的振动具有一定放入非线性，其振动信号的频率成分相当复杂，除了基频之外还产生高频次谐波和分频振动，频谱成梳状，优势还表现出一些方向特征很明显。

主要在垂直方向很强烈。

（四）摩擦。

摩擦形式多种多样。

一般引起非线性振动，频带范围较宽，除了基频外还有二倍频、三倍频等高次谐波以及1/2，1/3等低次谐波。

在某些情况下还会激起系统的固有频率。

摩擦振动的时域波形上常常表现为削波状态。

“截头余弦”形状的时域波形常被视为摩擦故障的重要标志。

（五）滚动轴承引起的故障振动。

其成分非常丰富。

每一个单元都有各自的故障频率特征。

磨损后轴承与正常轴承的振动相比，两者都是无规律的，振幅的概率密度大体均为正态分布，频谱亦无明显差别，只是振动有效值和峰值比正常时大。

一般说来特征频率的计算非常复杂，在现场不便进行。