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设备故障诊断 |
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| 设备故障诊断 |
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作者：佚名 文章来源：网上搜集 点击数： 更新时间：2006-12-31 22:55:31  |
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设备故障诊断是一种给设备“看病”的技术，是了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因并能预报故障发展趋势的技术。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。
1.设备故障诊断内容
设备故障诊断一般监、测监控系统的区别主要在于系统的软件方面，它不仅能监测设备运行的参数而且能根据监测进行评价，分析设备的故障类型与原因。它是将监测、控制、评价融为一体的系统。安的软件主要功能是：1信号采集和处理软件，采集合适的信号样本，对其进行各种分析处理，提取和凝聚故障特征信息，提高诊断的灵敏度和可靠度。2故障诊断和状态评价软件，对信号分析处理结果进行比较、判断，依据一定的判别规则得出诊断结论。或是由系统自动地诊断出状态的水平和各种故障存在的倾向性及严重性；或是帮助工程技术人员结合其他条件全面作出判断决策。
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：
（1）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。
（2）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、刚度等）、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。
（3）根据征兆进行设备的状态诊断，识别设备的状态。因此，可采有多种模式识别设备的状态。因此，可采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。
（4）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，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。
（5）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。所谓干预和自动干预，即包括调整。修理。控制、自诊断等。
2.设备故障诊断是人们借助一定的技术手段（检没技术、分析理论方法、分析理论方法、分析软件等）对设备运行状态及故障情况进行评判的过程。设备诊断过程可用图7-6程序框图表示。
为了对机械设备故障进行诊断，必须获取机械设备的故障信息，包括人感官获取的信息和通过检测仪器测定获取的信息。事前调查阶段是获取设备现场状况有用信息的重要程序，现场信息包括设备的结构性能、操作运行情况、外界环境影响、维修使用记录等。设备监测系统的引人并不排斥和取代现场操作人员的经验和智慧，相反，二者有机结合，信息共享，才更有利于设备管理和故障诊断工作的开展。设备现场情况调查内容包括：
（1）设备的结构性能
设备的结构性能主要包括：
1设备的工作原理，设备在整个过程生产过程中的作用和地位。
2设备的动态参量。主要指设备的额定运行指标和工艺参数范围，如驱动机的功率，各工艺段流量、压力、温度、转子转速及变化范围，设备的工作介质等
3设备结构，如轴承型式、密闭结构、转子与其他部件之间联轴节的结构等。
（2）操作运行情况
操作运行情况指设备运行时工艺参数的大小及变化，设备输入引起的变化，是否感觉到性能的变化和故障征兆。
（3）外界环境的影响
外界环境影响包括：
1环境温度、湿度等的影响；
2周围其他设备、管道振动造成的影响；
3地基沉降、变形对设备性能的影响；
4输入电压波动的影响。
（4）维修使用情况
1在设备运转以来发生过的故障及处理情况；
2上次维修日期；
3维修时对设备作过哪些调整，调整量各为多少；
4对本设备来说，发生什么样的故障可能性最大，或哪些部件容易发生故障及设备的薄弱环节；
5设备使用以来出现过哪些设计和创作上有不足；
6同一型号、同一工作条件下，其他设备发生故障的情况。
根据上述调查掌握的信息，对设备异常现象进行分析，并确定检测方法，从测定获取的信号中提取设备运行的特征信号，根据特征信号所描述的征兆，对设备状况进行诊断。诊断分为简易诊断和精密诊断两种：简易诊断主要指状态诊断这步只判明设备有无故障，但不作故障分析；而精密诊断则包括状态诊断与状态分析这两步，还可能要判明多种故障的情况。最后根据诊断结果，制定对设备所采用的干预措施，包括维修、调整、控制、自动诊断等措施。
3.设备故障诊断方法
故障是设备的异常状态，根据检测设备异常状态信息的方法不同，形成了各种设备诊断方法。
（1）利用振动进行设备诊断
设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧设备的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳损伤的瘇，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、破坏。
设备发生故障时，常表现为振动频率的变化，通过检测振动的频率、转数、振动的速度、加速度、位移量、相位等参数，并进行分析，从中可以找出产生振动变化的原因。
（2）超声波诊断法
超声波通过裂纹时反射超声波将发生异常，从而可确定裂纹情况超声波监测技术是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，来探测材料内部及其表面缺陷的大小、形式及分布情况。其主要优点是，检测速度快，灵敏度高，仪器轻巧，操作方便，对人体无损害，因此比较广泛地应用于机器部件内部缺陷的检测诊断。
（3）声发射诊断法
物体内部发生变形、裂纹时，将有部分 能量以声、光、热的形式释放出来，通过分析辐射出的声能便可知道裂纹的情况，是一种无损检测方法。物体在状态改变时自动发出声音的现象为声发射，其实质地物体受到外力或内力3作用产生变形或断裂时，以弹性波形式释放能量的一种现象。由于声发射提供了材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态（存在、位置、严重程度），而且可知道它形成的历史，并预报其发展趋势。声发射监测不受材料诊断具体有以下特点：
1声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息。结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报告。而超声波探伤，只能检测过去的状态，属静态情况下的探伤。
2声发射监测不受材料位置的限制。材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。
3声发射监测只接收由材料本身所发射的超声波，而超声波监测须把超声波发射到材料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。
4灵敏度高。结构缺陷在萌生之初就有声发射现象，而超声波、X射线等方法必须在展到一定程度之后才能检测到。
5不受材料限制，因为声发射现象普遍存在于金属、塑料、陶瓷、木材、混泥土及复合材料等等物体中，因此得到广泛应用。
由于声发射方法能连续监视结构内部损伤的全过程，因此得到了广泛应用。声发射技术首先在航空工业部门应用获得成功，随后推广到其他工业部门，许多飞机失事主要是由于结构损伤引起的。结构在最终破裂之前，往往有明显的初始损伤或裂纹，因此，在飞机上安装声发射监视系统，飞行员可以尽早地察觉到初始损伤的存在，或观察到初始损伤或裂纹扩展的情况，推断危险情况的到来，从而采取必要的措施，避免空中飞行事故的发生。石油化工反应罐、锅炉、蓄热器以及高压容器与管道，容器壁厚的增加以及高强度材料的采用，造成突然爆破事故不断发生。其原因除了工作压力高，高强度材料断裂韧性值的降低等因素外，结构中潜在的缺陷（或裂纹）是事故诱发的因素。因此寻找结构中的潜在缺陷，并评定缺陷 的有害程度，是声发射技术应用于压力容器结构 的主要内容。声发射技术还可预测结构的寿命，以便在突然爆炸事故到来之前，作出决断，停止使用，避免事故的发生。在钢铁工业中，可应用声发射技术来合理制定高炉修复计划，正确、及时地确定修复部位，以便充分利用设备，缩短修复时间或者合理地设计、布置高炉内部的结构，提高主炉的使用寿命指标等。在煤炭、地质部门，可应用声发射技术来判断微地震的性质及发生的部位，矿井安全性的预测等。土木工程中，应用于结构应力松弛现象的诊断，隧道塌方的预测，大型桥梁疲劳损伤程度的评估等。在机械行业中，利用声发射提供的信息，可找出设备部件初始损伤的存在以及监视损伤的发展，确定损伤程度，制订出维修或更换的时间。在焊接工艺中，用声发射技术来监测焊接过程的裂纹产生及扩展，以及焊接结构完整的评估等。
（4）红外线诊断法
通过测定设备辐射出的红外线，确定温度分布（如加热管的温度分布），以确定设备是否有异常。红外线探测器可分为热探测器和光子探测器两类，前者根据入射红外线的热效应引起探测器才料某一性质变化而实现探测目的；后者则根据入射光子流引起物质电学性质的变化达到探测目的。
红外线测温技术已广泛应用于设备运行过程各阶段的状态监测与诊断，主要包括：
1在新设备刚刚安装完毕，并开始难收时，用以发现制造和安装的问题；
2在设备运行过程中和维修之前，用以判断和识别有故障或需特别注意的地方，以便有针对性地安排计划和备件，材料供应计划；
3在设备检修后，开始运行时，用以评价检修质量，并做好原始记录，以便在以后的设备运行中，为掌握设备的劣化趋势提供依据。
（5）计算机监测诊断
随着计算机的发展，研制计算机设备监测系统日益受到重视，建立智能监测与诊断系统一个发展趋势。当有大量设备需要监测和诊断时，或者关键设备需要连续不断地监视时，频繁地进行数据采集、分析和比较是十分繁重的工作。这时用计算机进行自动监测和诊断可节省大量的人力和物力，并能保证诊断结果的客观性和准确性。
计算机监测诊断系统有多种类型，根据监测的范围可分为：整个工厂；关键设备；关键设备的重要部件等不同水平的系统。
计算机监测与诊断系统按其所采用的技术可分为：简易自动诊断；精密自动诊断；诊断的专家系统。
简易自动诊断通常采用某些简单的特征参数，如信号的均方根值、峰值或峭度系数等，与标准参考状态的值进行比较，能判断故障的有无，但不能判断是何种故障。因所用监测技术和设备简单，操作容易掌握，价格便宜，因而得到广泛应用。
精密自动诊断要综合采用各种诊断技术，对简易诊断（初诊）认为有异常的设备作进一步的诊断，以确定故障的类型和部位，并预测故障的发展，要求有专门技术人员操作，在给出诊断结果、解释、处理对策等方面，通常需要仍需要有丰富经验的人员参与。
诊断的专家系统与一般的精密自动诊断不同，它是一种基于人工智能的计算机诊断系统。它能模拟故障诊断专家的思维方式，运用已有的故障诊断系统。它能模拟故障诊断专家的思维方式，运用已有的故障诊断技术知识和专家经验，对收集到的设备信息进行推理作出判断，并能不断修改、补充知识以完善专家系统的性能，这对于复杂系统的诊断是十分有效的，是设备故障诊断的发展方向。
按工作方式不同，计算机监测系统和定期监测诊断系统。在实际应用中究竟采用何种监测诊断系统，取决于对工厂设备拥有状况的关键性的分析以及经济分析。
（6）故障诊断专家系统
专家系统是由数据和一系列分析软件构成的软件系统。
在组成图中，综合数据库用于存放系统运行过程中所需要和产生的所有信息，包括问题的描述、中间结果、解题过程的记录信息，如用于存放监测系统状态的测量数据，用于实时监测系统正常与否。知识库存放专家的知识与经验，它通常有两方面的知识内容：一是针对具体的系统而言，包括系统的结构，系统经常出现有故障现象，每个故障现象的原因，各原因旨起故障现象的可能性大小，判断故障是否发生的充分与必要条件等；二是针对系统中一般的设备仪器故障诊断的专家经验。基于这两方面内容，知识库还包含有系统规则，这些规则大多是关于具体系统或通用设备有关因果关系的逻辑法规。所以知识库是专家系统的核心内容。
解释程序负责回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题的与运行无关的有关系统自身的一些问题，是实现系统透明性的主要部件，可以解释各种诊断结果的推理实现过程，并能解释透明性的主要部件，可以解释各种诊断结果的推理实现过程，并能解释索取各种信息的必要性等。知识获取程序负责管理知识库中的知识，包括根据需要修改、删除或添加知识及由此引起的一切必要的改动，维持知识库的一致性和完整性。知识获取是实现系统灵活性的主要部件，它使领域专家可以修改知识库而不必了解知识库中知识表示方法的组织结构等问题，这可大大提高系统的可扩充性。推理机实际是负责推理分析的程序段，它依据一定的原理从已有的事实推出结论。它在数据库和知识库的基础上，综合运用各种规则，进行一系列推理来尽快寻找故障源。
人机接口负责把用户输入的信息转换杨系统的内部表示形式，然后把这些内部表示送到相应的部分去处理。系统输出的信息也由以下三个方面：
1故障监测：当系统的主要功能指标偏离了期望的目标范围时，就认为系统发生了故障。该阶段的目的在于监测系统主要功能指标（如果工能指标不便直接测量，可代之以其他具有同等效果的征兆），当主要功能发生异常时，按其程度分别给出早期警报，乃至强迫系统停机等处置。
2故障分析：根据检测到的信息和其他补充测试的辅助信息寻找出故障源。对于不同的要求，故障源可以是零件、部件甚至是子系统。然后，根据这些信息就故障对系统性能指标的影响程度作出估计，综合给出故障等级。
3决策处理：有两个方面的内容人：一方面当系统出现与故障有关的征兆时，通过综合分析，对设备状态的发展趋势作出预测；另一方面当系统出现故障时，根据故障等级的评价，对系统作出修改操作和控制或者停机维修的决策。
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