设备故障监测与诊断技术及其在新疆机电行业中的应用研究

摘要：本文介绍了机械设备故障诊断的作用和常用方法，分析了新疆机电行业大型机组使用情况及故障诊断技术应用现状，并提出了在新疆加强故障诊断技术应用推广工作的措施。

关键词： 故障诊断;状态监测;旋转机械

1引言

随着现代大生产的发展和科学技术的进步，现代机电设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，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。由于设备更加精密复杂，许多故障很难靠人的感官发现，有些设备精密复杂，不允许随便解体检查;设备突发性事故造成的损失越来越大;同时设备的维修成本占总的生产成本越来越大。设备状态监测和故障诊断是提高设备的安全性、降低事故的损失、减少维护成本、提高经济效益的有效方法，对确保设备的安全运行、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，在生产中运用设备状态监测和故障诊断技术，可降低设备突发故障的发生和维修费用的减少，给企业带来巨大的经济效益。

2設备故障监测与诊断的意义

设备状态监测技术是指通过监测设备或生产系统的温度、压力、流量、振动、噪声、润滑油黏度、消耗量等各种参数，与设备生产厂家的数据相比，分析设备运行的好坏，对机组故障作早期预测、分析诊断与排除，将事故消灭在萌芽状态，降低设备故障停机时间，提高设备运行可靠性，延长机组运行周期。

故障诊断是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数及其历史运行状况，对设备有可能发生的故障进行分析、预报，对设备已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势。

设备故障监测诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程的状态，确定其整体或局部是否正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。采用设备状态监测技术和故障诊断技术，可以事先发现故障，避免发生较大的经济损失和事故。其作用主要表现在：

2.1保障设备安全运行，防止突发事故;对机组运行中的各种异常状态作出及时、正确、有效的判断，预防和消除故障，或者将故障的危害性降低到最低程度;同时对设备运行进行必要的指导，确保运行的安全性、稳定性和经济性。

2.2实施预防维修/按状态维修，节约维修费用;确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备在带病运行时安全、不发生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备的确有问题，合理延长设备的使用寿命和降低维修费用。避免因设备事故造成的环境损坏和其他危害。

2.3通过状态监测，为提高设备的性能而进行的技术改造及优化运行参数提供数据和信息，保证设备工作精度，提高产品质量。

3设备故障监测与诊断的步骤与方法

3.1故障监测与诊断的步骤

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步骤：（1）信号采集，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，用不同的传感器来拾取;（2）信号处理，将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程，也成为特征提取过程;（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，即是否存在故障及故障的类型和性质等;（4）诊断决策，根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，根据当前信号预测设备状态的发展趋势，进行趋势分析。故障诊断过程如图1所示。

3.2 故障监测与诊断的方法

设备故障信息的获得有很多种方法，按检测手段分为：振动检测诊断、噪声检测诊断、温度检测诊断、压力检测诊断、铁谱分析诊断和金相分析诊断等;按诊断方法的原理可分为频域诊断法、时域诊断法、统计分析法、非平稳信号分析法、信息理论分析法和人工智能方法等。其中振动监测和诊断技术是目前较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、声音和设备性能的变化。不同的振动信号具有不同的波形和频谱。通过对机械振动信息的测量和分析，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，产生了大量的经济效益和社会效益。常用故障诊断方法有：

3.2.1振动分析法

振动分析法是对设备所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图形所进行的故障分析。一方面由于在大型旋转机械的所有故障中，振动问题出现的概率最高;另一方面，振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力及温度、油温等影响运行状态的信息;第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机器运行的情况下实行在线监测和诊断。因此振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛，也最行之有效的方法。采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转轴弯曲、轴承工作不良、油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、叶轮松动、结构共振等等。

3.2.2油膜分析法

油膜分析法是对机组在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化分析。通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，不仅可以掌握润滑油本身的性能信息，而且也可以了解到机组轴承、密封的工作状况。尤其是对油液中不溶物质，主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，可以识别油液中所含各种颗粒的化学成分及其浓度、形貌、尺寸，从而对润滑、特别是轴承合金、轴颈、浮环、机械密封的动静环、油封及油档等摩擦副的磨损状态进行科学的分析与诊断。油液分析法也是大型旋转机械故障诊断中的一个重要方法。

3.2.3轴位移的监测

在某些非正常的情况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而引起叶轮与汽缸隔板摩擦碰撞;大型汽轮机在启动和停车过程中，也会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。尽管轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。对轴位移进行在线状态监测和故障诊断分析很有必要。

3.2.4轴承回油温度及瓦块温度的监测

检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承瓦块及轴承回油温度升高，严重时会造成烧瓦。所以对轴承回油温度、瓦块温度进行监测也很必要。

4设备故障诊断技术在新疆机电行业的应用

故障监测与诊断技术适用于大型旋转机械，尤其是化工、石化、电力、钢铁等行业的大型机组等关键设备，例如：乙烯装置的三机（裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙稀压缩机），化肥装置的五机（原料气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机），炼油装置的三机（烟机、主风机、富气式压缩机），大型空分装置的空气压缩机，中心电站的大型汽轮机或水轮发电机组，钢铁企业的氧压缩机及高炉风机等。

新疆是能源大省，石油、天然气和煤炭储量很高，新疆确立了做大做强石油石化工业、大力发展煤炭、煤化工和电力工业、加快优势矿产资源勘查开发、扶持壮大特色农副产品精深加工业、积极发展高新技术产业、改造提升传统工业、着力推进工业园区建设的发展战略。行业发展后劲不断增强。企业规模不断扩大，重点骨干企业迅速发展。形成了以乌昌地区为中心，以北疆的石河子—奎独克地区和南疆的库尔勒—喀什地区为两翼的区域经济布局，行业门类不断拓展、层次不断提升，初步形成了以石油化工、煤炭、输变电装备、新能源装备、农牧机械、矿山机械为主的产业体系。大型旋转机械如汽轮机、压缩机、风力发电机等在石油化工、能源、冶金、电力、机电及轻工行业越来越普及。大型机组由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多，运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等环节稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。这些大型机组本身价格昂貴，如果发生故障停机又会引起整个生产线的全面停产，甚至引起重大的安全事故，给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。做好这些大型企业的大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性设备损坏事故的发生，降低停机次数和缩短停机时间、减少企业的经济损失是十分有益的。

目前在新疆故障诊断技术主要应用在石化、热电和风电行业，在煤炭、冶金和轻工业中应用较少，很多企业懂旋转机械故障诊断技术的专业技术人员极少，有些企业虽然安装了故障诊断系统，但由于维护人员缺乏旋转机械诊断理论知识，经过培训即使会操作，也不会应用故障诊断系统进行故障分析。但很多技术人员认为有必要对大型关键机组实施状态监测。

5结论

为了减少企业安全与质量事故，减少企业由于关键机组故障而造成的经济损失，应采取积极措施，加强故障诊断技术的推广应用工作。机械故障诊断技术是一门新兴的技术，它是多学科交叉发展的共同结晶，需要有扎实的理论基础。 为了提升企业传统机电设备维修人员的故障诊断技术水平，有必要组织相关的培训，尤其是振动基础理论知识的培训;有条件的企业应配备专职的状态监测和诊断人员;同时，在职业院校机电类专业中开展相关课程，增加相关软硬件实训设备，为新疆工业企业培养懂设备故障诊断的专业技术人员。

参考文献：

[1] 林英志. 设备状态监测与故障诊断技术[M]. 北京大学出版社.中国林业大学出版社2007.9

[2] 钟秉林. 黄仁. 机械故障诊断学[M]. 机械工业出版社2006.12

[3] 杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M] .中国电力出版社2007.7

[4] 刘炜.机械设备故障监测与诊断系统的应用于研究[J] .科技资讯 2007.9

作者简介：

郭三如，男，河南，毕业于兰州大学，本科学历，就职于新疆第三监狱，中级职称。