设备状态监测与故障诊断

5 设备状态监测与故障诊断

所谓“状态监测与故障诊断”，就是对运行中的设备实施定期或连续监测、有关参数分析、有效地对设备运行状态进行系统自动监测分析或人工分析，读取相应的自诊断状态报告，以便尽早发现潜伏性故障，提出预防性措施，避免发生严重事故，保证设备的安全、稳定和经济运行，并以此指导设备检修。设备状态监测和故障诊断技术也称为预测维修技术，是新兴的一门包含很多新科技的多学科性综合技术。简单地说就是通过一些技术手段，对设备的振动、噪声、电流、温度、油质等进行监测和技术分析，掌握设备的运行状态，判断设备未来的发展趋势，诊断故障发生的部位、故障的原因，进而具体指导维修工作。传统的耳听、手摸等也可以算是其中的一种比较简单的手段。

5.1 设备故障的规律

设备故障是一个非常广义的概念。简单地说，设备故障就是设备系统或其中的元件／部件丧失了规定的功能或精度。与故障意义相近的还有“失效”的概念，失效通常指的是不可修复的对象；故障指的是可以修复的对象。

早期故障：这种故障的产生可能是设计、加工或材料上的缺陷，在设备投入运行初期暴露出来。或者是有些零部件如齿轮箱中的齿轮及其他摩擦副需经过一段时期“跑合”, 使工作情况逐渐改善。这种早期故障经过暴露、处理、完善后，故障率开始下降。

使用期故障：这是产品有效寿命期内发生的故障，这种故障是由于载荷（外因，指运行条件等）和系统特性（内因，指零部件故障、结构损伤等）无法预知的偶然因素引起的。设备大部分时间处于这种工作状态。这时的故障率基本上是恒定的。对这个时期的故障进行监测与诊断具有重要意义。

后期故障（耗散期故障）：它往往发生在设备的后期，由于设备长期使用，甚至超过设备的使用寿命后，设备的零部件由于逐渐磨损、疲劳、老化等原因使系统功能退化，最后可能导致系统发生突发性的、危险性的、全局性的故障。这期间设备故障率是上升趋势，通过监测、诊断，发现失效零部件应及时更换，以避免发生事故。

设备故障的规律可分为以下六种模式。

模式A是典型的浴盆曲线。模式B和模式F是半浴盆曲线，模式B是设备投入使用后故障率固定或呈略增趋势而后进入磨耗期；模式F是具有高的早期故障率，而后降到一个固定水平或是呈略增趋势。模式C是设备显示出故障率随时间缓慢增长而没有具体的耗损期。模式D表示开始时故障率低而后快速增长到一个固定水平。模式E则表示故障率不随时间变化。

不同的设备系统有着不同的故障模式，民用航空业的研究表明，仅4％的产品符合模式A,2％的符合模式B,5％的符合模式C,7％的符合模式D,14％的符合模式E，不少于68％的符合模式F。在不同的故障期，设备管理和检测诊断工作的重点有所不同。对早期故障，可以通过运转试验、变更设计、改善安装来减少、消除。在设备磨耗期，应避免意外突发故障。要加强全员设备管理（TPM ),广泛应用各种检测和诊断技术手段，了解掌握设备运行趋势，进行劣化倾向管理。

5.2 成熟的设备状态检测和故障诊断技术简介

5.2.1 设务故障诊断技术的发展

20世纪60 年代以来，随着电子技术和计算机技术的快速发展，工业生产亦趋现代化。

设备和生产朝着大型化、高速化、自动化、连续化、智能化、环保化等方向发展。一是设备更加精密复杂，许多故障很难靠人的感官来发现，而且有些设备精密复杂，不允许随便解体检查；二是设备突发性事故造成的损失越来越大；三是设备的维修成本占总成本越来越大。所以追求设备的高可靠性和最合理的维修方式是企业设备工程管理的焦点。20世纪70年代以后，设备状态监测和故障诊断技术在发达国家得到了快速推广和发展，特别是美国、英国、日本、德国等国家。

我国从80年代初期开始引进并应用设备诊断技术，20多年来，此项技术在中国的各个行业得到了快速应用和发展，其中振动监测和诊断技术是目前较为普遍采用的方法之一。机器内部发生异常时，一般都会伴随着出现异常振动、噪声和设备性能的变化。通过对机械振动信号的测量和分析，往往可以不停机或不解体设备就可以对设备劣化的部位和故障的性质做出判断。由于振动测试的技术和仪器都比较成熟，在企业中得到了广泛的应用，产生了很好的经济效益和社会效益。自1985年以来，由中国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国振动工程学会机械故障诊断分会和中国机械工程学会设备维修分会分别组织的全国性故障诊断学术会议已先后召开十余次，极大地推动了我国故障诊断技术的发展，现在全国已有数十个单位开展设备故障诊断技术的研究工作。全国各行业都很重视在关键设备上安装故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，其中突出的有电力系统，石化系统，冶金系统以及高科技产业中的核动力电站，航空部门和载人航天工程等。比较成熟的是大型旋转机械故障诊断系统，已经开发了20 余种以上的机组故障诊断系统和10余种可用于现场故障诊断的便携式现场数据采集器。一些高等院校已培养了一批以设备故障诊断为选题的硕士和博士研究生。

5.2.2 设备故障诊断的内容

设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程

可以归纳为以下四个方面：

(l）信号采集。设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同的信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等。这些信号一般使用不同的传感器来拾取的。

(2）信号处理。这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得表征机器特征的过程，也称特征提取过程，如对振动信号从时域到频域进行频谱分析即是这个过程。

(3）状态识别。将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。

(4）诊断决策。根据对设备状态的判断，决定采取的对策和措施，同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，即进行趋势分析。上述诊断内容可以用图来表示。

5.2.3 设备故障诊断的分类

设备故障诊断是指设备在运行中或者在基本不解体的情况下，对故障的性质、原因、部位、程度等进行识别诊断，并提供维护措施。设备故障诊断分为简易诊断和精密诊断两个层次。

(1）简易诊断。即设备的“健康检查”。具体实施时，往往监测设备的某个特征量，根据量值的范围判断设备是否正常。如果对设备进行定期或连续监测，便可得到一些有规律的数据，并对此进行预测／预报。简易诊断的作用是监护和保护，目的是对设备的状态做

出迅速而有效的概括和评价。

(2）精密诊断。是在简易诊断基础上更深层次的诊断，通常需要更多的信息。目的是判断故障的性质（渐进性／突发性……）、原因（不平衡／不对中……）、部位（电动机／风机……）、程度（一般故障／严重故障……）等，并提供设备检修或治理决策。

5.3 无损检测技术

无损检测技术是指对材料和零、部件进行的非破坏检测，以便早期发现表面和内部缺陷的一项专门技术。

无损检测的方法很多，各有特点，其检测表明裂纹的能力也各不相同。

5.3.1 渗透探伤法

渗透探伤法就是受检零件表面预先清理干净后，在其表面敷以专用的渗透液，当表面有开口缺陷时，经足够的时间后，渗透剂就渗透到缺陷中；然后把零件表面多余的渗透液清洗掉，再涂以显像剂形成显像薄膜，把缺陷中的渗透液吸出，经充分扩散进人显像剂薄膜，显现缺陷图景；最后就可观测判断缺陷的位置、形状和大小，这就是渗透探伤法。

5.3.2 磁粉探伤法

磁粉探伤法是一种应用较早较广的无损检测方法。主要用于探测磁性材料或零、部件表面和近表面的各种缺陷。这种探伤法的基本原理是当铁磁材质的构件在外磁场作用下被磁化时，在构件中产生磁力线的传播。如其表面和近表面存在缺陷，则由于缺陷的阻碍作用迫使磁力线弯曲而大量漏入空气中，在相应的部位形成漏磁场。通过观测施加在构件上

的磁粉痕迹，就可判定缺陷的位置、取向和大小。

5.3.3 涡流探伤法

涡流探伤法是以电磁感应为基础的。当把一个检验线圈与导电试件表面靠近并通以交流电流时，试件在交变磁场作用下，会在构件表面层感应出涡流。由于缺陷的存在，涡流的大小和分布会发生改变，使线圈内磁场发生变化。根据测得的涡流变化量，可判断缺陷的情况，这就是涡流探伤法。

5.3.4 超声波探伤法

正常人耳可以听到的声音的频率范围为20～20000Hz，在此范围内的声音称为可听声，频率低于20Hz的为叫次声，高于20000Hz 的为超声，用于故障诊断的超声波频率一般是在0.5MHz以上。利用超声波进行探伤的特点是：超声波有良好的指向性，频率越高，指向性越好；由于频率高，波长短，超声波可在物体界面或缺陷处反射、折射和散射，据此可检测物体内部和表面的缺陷，并且波长越短，识别缺陷的尺寸越小，可检测与其波长同量级的缺陷。

超声波探伤的优点是：设备轻巧，操作方便，成本低，灵敏度高，检测速度快，可自动化检测，适用于野外作业，而且超声波对人体无害。缺点是检测时有一定的近场盲区，且很难用于在线检测。

超声波诊断是无损检验的一种重要方法，已获得了广泛应用。按照所用超声波形、探头类型、声偶合方式、波传播与激励方法等超声波诊断法综合归纳于图。

利用窄脉冲发射技术、频谱分析技术、扫描成像技术、超声全息摄影技术、超声CT技术等是进行缺陷超声诊断的今后发展方向。

5.3.5 射线探伤法

为检测深藏在物体内部的缺陷或状态变化，需利用穿透性更强的射线技术。射线在穿透物体的过程中，由于物体的吸收和散射，其强度要减弱，减弱的程度取决于物体的厚度、材料的性质、射线的种类和缺陷的有无。例如，当物体含有气孔时，气孔部分不吸收射线，容易通过；反之，若混有易吸收射线的异物夹杂时，射线就难以通过。用强度均匀的射线照射被测物体，使透过的射线在照相底片上感光、显影后，就得到与材料内部结构或缺陷相对应的灰度不同的图像，即射线底片。通过对这种底片的观测来检查缺陷的种类、大小和分布状况等，再依据相应的标准，来平定缺陷的危害程度，这就是射线照相探伤法。

在设备诊断中常用的射线有X射线和γ射线。

5.3.6 光学探伤法

光学探伤法是一种较老的方法，但有时却能发现一些其他方法难以发现的缺陷，只要探头能接近离被测物表面约610mm的距离，并且所成角度不小于30°，即可进行光学探伤。光学探伤的主要设备是内窥镜，它常用于探测腔室和管道内部的缺陷。

5.4 油液检测技术

油样检测技术是机械设备故障预报和诊断的一项比较实用的技术，在机械设备监测中已有广泛的应用。油样检测技术有两个方面，一个方面是对油液本身的理化性能检测，据

此可对设备润滑系统进行监测，防止因润滑不良而造成的故障。另一个方面是对油液中磨屑的检测。我们知道，机械没备内所用油液中含有一定量的由于机器零、部件磨损产生的各种微粒状物质，这些物质的含量、形状包含着有关零、部件的磨损状态、工作状态及整个系统污染程度方面丰富的信息。通过对油液样品的分析，对了解机械设备磨损的部位、机理等有着十分重要的作用，可在不拆机的情况下判断机械设备的状态是否正常。

对于低速、重载以及往复机械，有时利用振动的方法对有些故障难于判断。有些设备由于环境限制，不便使用测振仪器，或背景噪声很大，不宜采用声学方法时，采用油液检测技术进行监测不失为一种有效的方法。

油液检测技术主要采用的方法是光谱分析和铁谱分析两种。

光谱分析方法有多种，但共同点是利用光谱分析，测定油液中所含各种金属元素的成分和含量，以判断含有被测元素的机械零、部件的磨损状况和程度。这种方法比较适用于有色金属，如旋转机械的轴瓦及往复机械的连杆轴瓦。

将光谱分析技术用于油液分析已有40多年的历史，目前该方法已较成熟且是一种十分有效的监测手段。使用光谱分析技术需用专门的光谱仪，该方法分析速度快，自动化程度高，定量准确，且可进行多元素分析。其不足之处是仪器价格较昂贵，且无法获得磨屑的形态与大小的信息，所分析的磨屑粒度一般小于10μm。

铁谱分析技术是20世纪70年代出现的一种新的油液分析方法。其基本原理是在强磁场作用下，将油液中的磨屑或其他污染物分离出来，并按粒度大小，依次沉积到特制基片或沉淀管中，以分析油液中各种金属磨屑和污染物的形状、成分、数量及粒度分布情况，从而获得有关磨损过程的磨粒类型及磨屑材料方面的信息，据此对设备状态进行监测和诊

断。

铁谱分析中使用的仪器有两种：一种是直读式，一种是分析式。直读式铁谱分析仪只能提供有关磨屑数量和大小的信息，而分析式铁谱仪可进一步确定磨屑的形态和成分。铁谱分析可分析粒度为0.1～100μm的磨屑，其分析范围较广，相对来说铁谱仪的价格较低廉，便于推广应用。其不足之处是对非铁磁材料不够敏感，分析结果较多依赖于操作人员的经验。

5.5 温度检测技术

温度是工业生产中重要的热工参数之一，温度的变化与被监测设备的性能和工况有密切的关系，因此，温度监测已被广泛应用于在线设备监测上。

5.5.1 接触式测温法

简易温度检测常用接触式测温仪表，常用的有以个几种：

(1）膨胀式温度计，分为液体式和固体式，它们是利用液体或固体受热膨胀的原理制成的。

(2）压力表式温度计，分为液体式、气体式和蒸汽式，其作用原理是封闭在固定容积中的液体、气体或某种液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀或压力变化。

(3）电阻温度计，是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来进行测温的。通常以金属热电阻或半导体热敏电阻作为敏感元件，用电桥转换为电压的变化。

(4）热电偶温度计，其基本原理是利用物体的热电反应，用电位差计等仪表测量出热电势，来求出对应的温度值。

5.5.2 非接触测温法

接触测温由于热接触和热平衡带来较大的误差，同时在应用范围上也有一定的局限性，因此，非接触测温法越来越受到人们的重视。

红外测温设备的主要部分包括精密光学系统和红外探测器。光学系统用来收集处于视场内的辐射源发射的红外辐射功率，再把它聚集到探测器响应平面上；它与红外探测器一起决定测温设备的视场和空间分辨率。红外探测器是红外测温的热敏元件，它是把人射的红外辐射能变成便于测量的电量的转换器，目前可分为热敏和光电探测器两大类。

红外热成像系统是把物体发出的红外辐射经光学成像物镜、光机扫描系统投射到液氮致冷红外探测器上，探测器把红外辐射信号变成电信号，经放大和处理后在视频显示器上得到与物体表面热分布相应的“实时热图像”，从而实现了把景物的不可见热图像转变为可见图像。目前常用的热成像主要有红外热像仪和红外热电视两种。近年来，利用计算机的图像处理和分析系统也得到了广泛的应用。

5.6 噪声检测技术

在设备状态监测和故障诊断中，所碰到的声音一般为噪声。噪声有两类，一类是指一些不规则的、间歇或随机的声波；另一类是指不希望有的扰动或干扰声音，有时也包括那些在有用频带内任何不需要的干扰。在人们所处的环境中，所有噪声的总和成为环境噪声。当观测研究某声源时，凡与该声源信号存在与否无关的一切干扰，统称为背景噪声（如测

量噪声、散粒噪声、热噪声等）。

噪声测量系统组成如图所示

传声器的作用是将声学信号转换为电信号。声信号既可用声级计测量，从总体上判断机器设备的运行状态，用来进行总体的定量诊断；又可通过信号分析和处理的方法进行更为精密的状态监测和故障诊断。

声级计是最基本的噪声测量仪器，通常由输入放大器、计权网络、带通滤波器、输出放大器、检波器和显示装置组成，从表头上可直接读出声压级的分贝（dB）数。

利用噪声的测量与分析进行机器设备监测及诊断的主要方法有下列几种：

(1）通过简易诊断技术的评估法。本法可以通过人的听觉系统主观判断噪声源的频率和位置，粗估机器运行是否正常；或者借助于传声器一放大器一声级计对机器进行近场扫描测量和表面振速分析，用来寻找机器的噪声源和主要发声部位。这种方法可用于机器运行状态的识别和精密诊断的粗定位。

(2）通过频谱分析进行精密诊断。频谱分析是识别声源的重要方法，特别是对噪声频谱的结构和峰值进行分析，可求得峰值及对应的特征频率，进而寻找发生故障的零、部件及故障原因。对于往复机械或旋转机械，一般都可以在它们的噪声频谱信号中找到与转速n(r/min）和系统结构特性有关的基波和谐波峰值及其频率值，可用来识别主要噪声源。当峰值频率为几个零部件共有时，这时，就要结合其他方法，方可识别和区别究竟哪个零部件是主要噪声源。

(3）声强法。近年来用声强来识别噪声源的研究发展很快，这是因为声强探头具有明显的指向特性，声强的指向特性足指在声波入射角为士90°时具有最大的方向灵敏度。用声强法能区分声波究竟是在声强探头的前方还是后方、左侧还是右侧入射的，而且这种区分对每一种频率成分均可实现。

(4）相关函数法。利用两个或两个以上的传声器可组成监测阵列单元，通过各传感器所测声源信号两两之间的互相关函数或互谱，决定信号时差或相位差，并计算声源到各测点的路程差，由此可确定声源的位置。这种方法在监测和诊断压力容器和管路的泄漏，工厂和车间噪声源的区位以及工程结构的损伤时已得到了成功的运用，并已实现了利用微机完成声源定位的实时分析系统。

5.7 振动检测技术

在日常生活和生产活动中，我们经常可以看到物体的振动现象，例如运动场上秋千的摆动，汽车启动时发动机引起的车体颤动，机床的振动等。这些振动从形式上看，有的是来回摆动，有的是往复直线运动，有的是旋转运动等，种类很多形式不一，但它们都有一个共同的特点，即物体在运动过程中总是在它自己的平衡位置附近，一次又一次地重复运动着。因此，我们把物体在其平衡位置附近所做的往复性运动称为振动。

振功参量的选取：描述振动和描述一般运动一样，有加速度、速度、位移三个参量。从物理意义上说，位移反映质点偏移平衡位置的程度，位移越大、质点所具有的位能（势能）越大，即位移反映质点的位能，可监测位能对设备部件的损坏；速度反映质点运动的快慢，速度越高，质点动能越大即速度反映质点的动能，可监测动能对设备部件的破坏；加速度是质点受力情况的反映，受力越大，加速度值越高，即其可监测振源的冲击力对设备的破坏程度。因此，三个参量反映不同设备部件损坏或失效的成因。这些导致设备零、

部件故障的主要成因也是我们监测中选取振动参量的主要依据之一。

振动参量的表征参数的选取：对机械振动而言，无论是振动的位移、速度、还是加速度，都是不断变化的时问函数，如何用某一具体的量值衡量这三个振动参量的大小，这就是振动参量的表征参数的选取问题。质点位能和冲击力对设备部件的破坏，与其最大值密切相关，因此，对加速度和位移，一般选峰值或峰一峰值作为表征参数。振动速度的参量反映质点的动能，质点动能的大小与速度有效值密切相关，因此，振动速度参量在工程上常以有效值作为表征参数。

测量位置的选取：设备状态监测中，测点常选径向（水平、垂直）、轴向三个方向。在状态监测中，每次测点必须固定，且为了使测量参量更灵敏地反映振源的激振力，在选择测点是应遵循传递路径最短，测点刚度最大两条原则，以使结构导纳最大。