状态监测与故障诊断技术

2022-09-12

1 状态监测与故障诊断的目的

“设备状态监测与故障诊断技术”简称为“设备诊断技术”, “故障”是指设备或零部件丧失其规定功能的状态;“诊断”是对设备状态进行检测, 并确定故障的性质、程度、部位及故障产生的原因和应采取的对策。

设备诊断技术是在设备运行中或基本不拆卸设备的情况下, 通过专业人员利用专用仪器进行检测, 定量掌握设备状态 (应力、故障、性能、强度等) , 预测设备的可靠性、性能, 并对故障原因、部位、危险程度进行识别和判断, 制定修复方法。

状态监测与故障诊断的目的主要有以下几点。

(1) 根据设备的异常状态, 准确判断设备的故障部位, 最大限度地降低设备故障的损失程度。

(2) 制定合理的维修计划, 避免“过剩维修”, 延长设备的使用寿命。

(3) 减少维修时间, 降低维修费用, 提高生产效率和经济效益。

2 状态监测与故障诊断的任务

通常机械状态可分为正常状态、异常状态和故障状态几种情况, 状态监测与故障诊断的任务就是运用各种监测、诊断方法, 结合设备状态的各项监测数据, 对机械运行状态进行评估, 判断其是处于正常状态还是非正常状态, 并对机械的状态进行显示和记录, 为设备故障的分析、处理等提供基础数据。

3 设备故障的维修方式

3.1 事后维修

事后维修是指当设备发生故障或性能、精度降低, 无法正常使用时进行的非计划性维修称为事后维修, 也就是通常所称的故障维修。由于事先对故障没有充分掌握, 缺乏周密的准备, 往往给生产造成较大的损失, 也给维修工作造成困难和被动。

3.2 定期维修

定期维修是根据设备的磨损规律, 事先确定维修类别、维修周期、维修内容及技术要求, 如图1 (a) 所示。这种维修方式不论设备有无故障, 到达维修周期都要进行维修并更换相应的零部件。这种维修方式一方面可能造成过剩维修, 另一方面还可能出现零部件提前失效造成设备失修。

3.3 状态监测

状态监测是以设备实际技术状态为基础的预防维修方式。这种维修方式既能使设备经常保持良好的技术状态, 又能充分利用零件的使用寿命, 最大限度地避免过剩维修、失修, 提高生产效率和经济效率, 如图1 (b) 所示。

4 状态监测与故障诊断过程

状态监测与故障诊断就是设备在不拆卸的情况下, 获取合理的状态信号, 通过分析、比较, 判断出设备异常或故障的原因、部位, 预测设备运行状态和发展趋势。

4.1 状态信号采集

对运行中的设备进行测试, 充分采集足够数量的状态信号如温度、振动、异音、渗漏、电压、电流、转速、压力等, 为故障判断提供充分的基础数据。

4.2 故障诊断

通过先进的诊断装置、诊断技术, 运用多种诊断方法, 对获取的状态信号进行综合分析、比较、处理, 判断设备的故障原因、部位。

4.3 状态预测

根据判断出来的故障原因、部位, 预测设备运行状态和发展趋势。

5 状态监测与故障诊断技术及应用

5.1 温度监测与诊断技术

设备和许多生产过程都是在一定温度范围内进行的, 而设备中的机电元件常常由于存在故障而引起温度的变化, 如轴承、电动机、电器的瓷瓶、套管、线头、触头、线圈等, 通过监测温度可查出设备的早期故障, 尤其是红外测温技术的应用, 包括红外热像仪、红外热电视和红外测温仪。它们的测量范围广, 测温的结果可读数、显示、存储、录像、拍照, 还可以实现记录动态特性, 是实现遥测的合适工具, 具有显著的经济效益。目前测温方法大致可以分为接触式测温和非接触式测温两大类。

接触式测温方法是通过测温元件与被测物相互接触而测量的方法, 可用于固体、流体温度测量, 也可用于静态、动态测量, 常用的接触测量温度计有:膨胀式温度计是利用液体和固体受热膨胀的性质;压力表式温度计是利用封闭在固定容积中的液体、气体或某种液体的饱和蒸气受热体积膨胀或压力变化的性质;电阻温度计是利用导体或半导体受热电阻值变化的性质;热电偶温度计利用物体的热电性质。

接触式测温仪表所指示的温度是测温元件本身的温度, 一般这个温度和被测介质的温度是有差值的。如热电偶测量锅炉过热器后的烟气温度, 热量通过热电偶将向外传导和辐射, 这部分散失的热量将造成测温误差。

非接触式测温方法与接触式测温方法不同, 它的测温元件不与被测物直接接触, 它是通过接收物体发出的红外线 (红外辐射) , 利用红外线技术, 通过光电成像技术、计算机技术、图像处理技术将其热像显示在荧光屏上, 从而准确判断物体表面的温度分布情况, 其组成如图2所示, 常用的仪器的如红外测温仪、辐射高温计、光学高温计、红外热像仪、红外热电视等。由于非接触式测温方法不破坏被测物质的温度场, 不会受到材料熔点的限制, 不必与被测介质达到热平衡, 所以测温滞后小, 它测量精度很高、灵敏度高、响应时间短, 对于温度特别高或低、腐蚀性介质、导电介质、导热性差的物质等均能很高应用, 因而在冶金、化工、电力、铁路、矿山、机械等生产流程中的温度监测和设备诊断中都是得力的手段。

5.2 油样分析诊断技术

机械设备运行中, 由于运动的零部件之间的互相接触, 会发生磨擦和磨损。因为设备在运行中, 不可避免地产生大量的磨损颗粒, 还有空气中的污染颗粒一起混入润滑系统等的油液中。这些微小的颗粒带来了机械设备失效和故障的重要信息, 不同的磨损作用过程产生的磨粒有不同的特征 (设备磨损曲线如图3所示) 。油样分析诊断技术是通过对润滑油液中各种微粒的形状、大小、数量、粒度分布及元素组成的分析, 从而了解机械系统内部的磨损状况, 判断机械内部故障、确定维修方法的一门诊断技术, 它主要应用于低转速回转机械、往复机械、背景噪声较大的机械设备的故障诊断。如活塞式发动机中, 当油液中锡的含量增高时, 便可能表明轴承处于磨损的早期, 铝的含量增高, 则表明活塞磨损。在有些场合, 如矿井下的机械设备, 用其它监测方法判断故障可能较为困难, 而油液监测法是一种较为有效的方法。常用的仪器如原子吸收光谱仪、铁谱仪等。

5.3 振动诊断技术

振动诊断技术是目前机械故障诊断中最常用的诊断方法, 它是通过对正在运行的机械外部振动信号进行分析处理, 提取机械故障的特征信息, 从而判断机械内部磨损、松动、老化、碰撞、破坏等故障现象, 它包括振动测量、信号分析与处理、故障判断、预测和决策几个步骤 (如图4所示) , 常用的方法有机械法、光测法、电测法, 其中电测法是应用最广的方法, 常用的仪器如207电子听诊器、数字式测振仪、滚动轴承监测仪等。

5.4 超声波诊断技术

人们能听到的声音叫声波, 它的频率范围是20Hz～20kHz, 频率低于20Hz的声音叫次声波, 高于20kHz的声音叫超声波。超声波对液体、固体的穿透本领很大, 碰到杂质或分界面会显著反射形成回波, 碰到活动物体会产生多普勒效应, 因此广泛应用于工业、国防、生物医学领域, 常用的仪器如超声波探伤仪等, 其基本组成如图5所示。

6 设备状态的简易监测方法

6.1 听诊法

设备正常运行时, 伴随发生的声响总是具有一定的规律和节奏, 只要熟悉和掌握这些正常的音律和节奏, 通过人的听觉功能就能对比出设备是否出现了重、杂、怪、乱的异常噪声, 判断设备内部出现的松动、撞击、不平衡等隐患。用手锤敲打零件, 听其是否发生破裂杂声, 就可判断有无裂纹产生。

6.2 触测法

用人手的触觉可以监测设备的温升、振动及其间隙的变化情况。用配有表面热电偶探头的温度计测量轴承、齿轮箱、电动机等表面温度, 则可迅速判断热异常部位, 得到准确的数据, 触测过程非常方便。

6.3 观察法

通过视觉可以观察设备上的机件有无松动、裂纹及其他损伤等。如可以检查润滑是否正常, 可以查看油箱沉积物中金属磨粒的多少、大小及特点, 可以监测设备运行是否正常, 有无异常现象发生, 可以观察设备上仪表数据的变化情况等, 将上述信息进行综合分析, 就能对设备是否存在故障、故障的部位、故障的程度及故障的原因做出判断。

(注:Ⅰ-跑合区;Ⅱ-正常磨损区;Ⅲ-磨损失效区)

摘要：简要介绍目前常用的几种状态监测与故障诊断技术及应用。

关键词：状态监测,故障诊断,技术,应用