现代设备故障与诊断

1、题目：设备监测和故障诊断技术现状学号：080909233姓名：许云华现代科学技术创造了结构上日益复杂的设备系统，它们的生产效率和自动化程度愈高，发生故障时带来的损失就愈大。通过对故障产生机理的了解，人们一 方面从设备的设计、制造安装维护过程中尽量寻找减少和延迟故障事件的办法。 另一方面，又从设备状态监测和设备故障诊断中，努力提高故障发生的预知性， 以便采取适当的措施，在考虑故障的条件下力求设备的寿命周期费用最省， 提高 设备的效益。设备状态监测与故障诊断技术是一门专业化很强的学科，起源于20世纪40年代，其主要内容是利用现代的电子仪器和分析手段， 对设备的运行状态进行监 控，预测设备故障的类型

2、和劣化趋势，用于确定设备的最佳维修时机，避免浪费， 直接影响设备的维修制度，使设备的维修从计划维修向预制维修发展。在西方工业发达国家，该项技术已成熟应用在流程工业上， 为企业创造巨大 的经济效益。我国于70年代开始重视该项技术的研究，通过技术交流与合作， 国内很多大型企业已经开始应用这项技术，在 2005年杭州“设备状态监测与故 障诊断技术”交流会上，武钢、鞍钢、燕山石化等多家大型企业均派代表参加并 热烈讨论；多家高等院校和科研院所，例如西北工业大学，北京工业大学等，设 立了专门的研究机构，并已生产较多专业的故障诊断仪器，具有自己的知识产权， 可以说目前正是“方兴未艾”。所谓设备故障，一般是指

3、设备失去或降低其规定功能的事件或现象，表现为设备的某些零件失去原有的精度或性能，使设备不能正常运行、技术性能降低， 致使设备中断生产或效率降低而影响生产。 设备在使用过程中，由于磨擦、外力、 应力及化学反应的作用，零件总会逐渐磨损和腐蚀、断裂导致因故障而停机。加 强设备保养维修，及时掌握零件磨损情况，在零件进入剧烈磨损阶段前，进行修 理更换，就可防止故障停机所造成的经济损失。 设备的故障必定表现为一定的物 质状况特征，这些特征反映出物理的、化学的异常现象，它们导致设备功能的丧 失。我们把这些物质状况的异常特征称为故障模式。研究各种故障模式，分析故 障产生的原因、机理，记录故障现象和故障经常出现

4、的场合， 采取有效监测方法， 并提出避免的措施，这是设备故障研究的主要任务。设备故障诊断技术随着近十多年来国际上电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速发展而发展起来，是一门了解和掌握机械设备在使用过程中 的状态，确定其整体或局部是否正常，早期发现故障及原因，并预报故障发展趋 势的技术。设备故障诊断对设备管理影响很大。 所谓设备故障诊断技术，就是在设备运 行过程中或基本上不拆卸设备的情况下， 了解和掌握设备的运行技术状态，确定 其整体或局部正常与否，早期发现故障及其原因，判断故障的部位和程度，预测 故障发展趋势和往后技术状态变化的技术。诊断过程主要有 3个步骤：（1）检测设备状态的特征

5、信号；（2）从所检测的特征信号中提取征兆；（3）故障的模式识别。其大致经历以下 3个阶段：基于故障事件原故障诊断 阶段，主要缺点是事后检查，不能防止故障造成的损失；基于故障预防的故障 诊断阶段；基于故障预测的故障诊断阶段，它是以信号采集与处理为中心，多 层次、多角度地利用各种信息对机械设备的状态进行评估， 针对不同的设备米取 不同的措施。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：a）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

6、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。b）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困难的。 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、冈寸度等）、 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。c）根据征兆进行设备的状态诊断，识别设备的

7、状态。可米用多种模式 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是进行正确状态诊 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。d）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

8、，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。e）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。为了及时发现和排除故障，减少和避免事故的发生，长期以来，设备工作者 不断地研究、总结，改变了过去的事故维修模式，实施各种可行、有效的定期预 防性试验和检修方式。与事故维修相比，这种体制曾经适应了我国生产力的发展， 发挥过积极作用，不管是在思维还是在效果上都取得了很大进步。但它对设备运 行中的突发性事故常常措手不及，造成惨重损失。而且定期计划维修也存在一定 程度的盲目性和强制性，缺少针对性和科学性，常对设备的稳定造成干扰

9、。由于预防性试验大多是离线进行的， 试验时需停机、停电，造成较大的经济 损失。而一些重要设备轻易不能停运， 致使定期试验无法按照计划进行； 即使可 停运待检设备，也往往因为运行中与停运后的设备状态差异， 不同程度地影响到 试验结果的准确性。另一方面，对于正常的设备，若按计划采用定期检测和维修， 又造成不必要的人力和物力的极大浪费。 甚者，可能因检查维修，造成维修过度， 即造成“维修干扰”。如某厂的1台300 MW水-氢-氢发电机，维修前绝缘状态 良好，维修后，绝缘水平明显降低。经查，是由于进行耐压试验，使绝缘受到损 害。泄漏电流的测试，也可造成绝缘恶化或损伤。又如某局进行变压器的例行检 查维修

10、，由于工作人员的疏忽，将工具遗留在变压器内，造成重大事故。同时， 定期检测和维修，不是连续和实时监测，无法避免设备在两次试验间隔期可能发 生的故障。状态监测与故障诊断技术，采取对潜伏性故障的早期、连续监测，与离线检 测相结合，应用现代分析、电子和计算机等技术，进行综合分析，预测设备可能 发生的故障，以期做到预知维修和有效维修，将对电力设备的运行起到重要的安 全保障作用。状态监测和故障诊断技术的发展在 20世纪60年代至70年代，一些工业发 达国家即开始状态监测和故障诊断技术的研究。因受到当时工业技术水平的限 制，加之设备潜伏性故障初期发展速度慢， 征兆信号微弱，能够监测的特征量与 设备状态不完

11、全吻合，可变因素和影响因素太多等原因，使状态监测和故障诊断 技术的发展和应用受到阻碍。到 20世纪80年代至90年代，传感技术、计算机 技术和光纤等高新技术的发展和应用，使设备的状态监测和故障诊断技术得到迅 速发展。近年来，随着光电技术的发展，加拿大、美国等国家相继研制出不同类型的 在线监测装置，更加促进了设备的状态监测和故障诊断技术的实施和有效发展。早在20世纪60年代，我国已认识到设备状态监测和故障诊断技术的重要性， 在70年代，就进行过一些带电试验和在线监测技术的研究和应用，但由于当时 技术不完善，测量结果分散性大，加上操作复杂和误报等原因，使该技术没有得成设备停机、流程中断，造成严重的

12、经济损失。据统计，1992-1993年，国内17套尿素装置故障停车共计549次，停车957天，相当于3套尿素装置的_生产能 力放空一年，最多的一套装置共停车 67次，共计1天，直接经济损失数亿元。 1995年酒泉钢铁公司的发电机组由于多次强行启动，造成转子弯曲过大而报废，给酒缸和嘉峪关市造成了近亿元的经济损失。因此研制和开发先进的大型回转机 械状态监测和故障诊断系统，对于确保这些关键设备的安全、高效、长周期运行， 避免巨大的经济损失和灾难性事故的发生，具有重大的经济价值。现就以发电机来说明状态监测和故障诊断技术。发电机的状态监测和故障诊断目的是在初始阶段，检测出发电机缺陷，以有计划地安排检修，

13、减少停机，避 免事故发生；在服役期延长发电机平均无故障时间和缩短平均修理时间， 降低发 电机维修费用，提高可用性。多年来，发电机运行所采用的监视和控制方法， 大多用来进行机组运行工况 的调整以及非正常或事故状态的控制。 大型发电机都有继电保护系统，从表面上 看，继电保护功能很完善，但是，继电保护系统只是当被监视参数达到或超过继 电器设定值时才起作用，即只有当故障已经发生时才动作， 并没有预防功能。由 于继电保护与设备诊断技术功能不同，所以其对潜伏性故障的早期发现或诊断无 能为力。发电机状态监测与诊断系统需要观测和采集运行状态下许多电气、机械和物理化学的数据与特性，建立正确的数据处理系统，给出运

14、行异常和存在缺陷的信 息，根据早期征兆进行故障预报，采用计算机故障模糊专家系统进行诊断和趋势 分析，并提出检修方案。发电机的故障诊断系统，通过对发电机运行过程与状态参数分析及检修、 试 验的结果，无损探伤、电气绝缘检查结果的分析，综合进行故障诊断。常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声 信号联合监测取得理想的定量和定位效果， 根据视在放电量、分布图谱和放电源 的定位，来判断故障。状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势， 但在目前情况下，尚存 在很多不足和问题需要解决。已经安装投运了状态监测系统的单位，决不可高枕 无忧，不再有安全忧患意识。由于设备有复杂的结构系

15、统，运行参数间并非全部有严格的逻辑和定量关 系，其故障现象、故障原理之间具有很大的不确定性， 一个故障可表现出多种征 兆，监测到的几个故障起因同时反映一个故障征兆， 故障与征兆之间关系模糊复 杂，因此完全通过建立精确的数学模型来诊断是十分困难的。这种复杂的系统都是模糊的系统，而模糊系统的边界、结构等概念的外延是模糊的，内涵是灰色的。 也就是说，此系统中的一些信息是确知的，另一些是非确知的，因此，需要采用足和问题：如现有的监测、诊断系统尚不能完全实现连续不断的实时监测，所以 对突发性故障不能准确、及时预报。再有，现有的一些监测系统，只能反映设备 故障的发展趋势，很难提供设备故障的类型及故障的危急

16、程度等等。综上所述，设备故障诊断技术，与人们平常“看病”的技术十分相似。 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。设备的状态监测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，提出处理措施，不同程度地延长设备的服役期，减免不必要的维修干扰，大大降低运行成本，易 实行自动化和科学化设备管理，是保障设备安全经济运行的有力措施， 应大力推 广。然而，该技术毕竟为新兴的多学科高新技术，其发展和实施还存在许多困难， 距离替代预防性定期检修还有较长历