設(shè)備故障監(jiān)測與診斷技術(shù)及其在新疆機電行業(yè)中的應(yīng)用研究

摘要：本文介紹了機械設(shè)備故障診斷的作用和常用方法，分析了新疆機電行業(yè)大型機組使用情況及故障診斷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了在新疆加強故障診斷技術(shù)應(yīng)用推廣工作的措施。

關(guān)鍵詞： 故障診斷;狀態(tài)監(jiān)測;旋轉(zhuǎn)機械

1引言

隨著現(xiàn)代大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)代機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，設(shè)備和生產(chǎn)朝著大型化、高速化、自動化、連續(xù)化、智能化、環(huán)?；确较虬l(fā)展。由于設(shè)備更加精密復(fù)雜，許多故障很難靠人的感官發(fā)現(xiàn)，有些設(shè)備精密復(fù)雜，不允許隨便解體檢查;設(shè)備突發(fā)性事故造成的損失越來越大;同時設(shè)備的維修成本占總的生產(chǎn)成本越來越大。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是提高設(shè)備的安全性、降低事故的損失、減少維護成本、提高經(jīng)濟效益的有效方法，對確保設(shè)備的安全運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約維修費用以及防止環(huán)境污染均起到重要作用。因此，在生產(chǎn)中運用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，可降低設(shè)備突發(fā)故障的發(fā)生和維修費用的減少，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

2設(shè)備故障監(jiān)測與診斷的意義

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是指通過監(jiān)測設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、振動、噪聲、潤滑油黏度、消耗量等各種參數(shù)，與設(shè)備生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)相比，分析設(shè)備運行的好壞，對機組故障作早期預(yù)測、分析診斷與排除，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，降低設(shè)備故障停機時間，提高設(shè)備運行可靠性，延長機組運行周期。

故障診斷是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、運行參數(shù)及其歷史運行狀況，對設(shè)備有可能發(fā)生的故障進行分析、預(yù)報，對設(shè)備已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢。

設(shè)備故障監(jiān)測診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正?；虍惓?，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。采用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù)，可以事先發(fā)現(xiàn)故障，避免發(fā)生較大的經(jīng)濟損失和事故。其作用主要表現(xiàn)在：

2.1保障設(shè)備安全運行，防止突發(fā)事故;對機組運行中的各種異常狀態(tài)作出及時、正確、有效的判斷，預(yù)防和消除故障，或者將故障的危害性降低到最低程度;同時對設(shè)備運行進行必要的指導(dǎo)，確保運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

2.2實施預(yù)防維修/按狀態(tài)維修，節(jié)約維修費用;確定合理的故障檢修時機及項目，既要保證設(shè)備在帶病運行時安全、不發(fā)生重大設(shè)備故障，又要保證停機檢查時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的確有問題，合理延長設(shè)備的使用壽命和降低維修費用。避免因設(shè)備事故造成的環(huán)境損壞和其他危害。

2.3通過狀態(tài)監(jiān)測，為提高設(shè)備的性能而進行的技術(shù)改造及優(yōu)化運行參數(shù)提供數(shù)據(jù)和信息，保證設(shè)備工作精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3設(shè)備故障監(jiān)測與診斷的步驟與方法

3.1故障監(jiān)測與診斷的步驟

設(shè)備故障診斷的內(nèi)容包括狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預(yù)測三個方面。其具體實施過程可以歸納為以下四個步驟：（1）信號采集，根據(jù)不同的診斷需要，選擇能表征設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號，用不同的傳感器來拾取;（2）信號處理，將采集到的信號進行分類處理、加工，獲得能表征機器特征的過程，也成為特征提取過程;（3）狀態(tài)識別，將經(jīng)過信號處理后獲得的設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進行比較、對比以確定設(shè)備所處的狀態(tài)，即是否存在故障及故障的類型和性質(zhì)等;（4）診斷決策，根據(jù)對設(shè)備狀態(tài)的判斷，決定應(yīng)采取的對策和措施，根據(jù)當(dāng)前信號預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，進行趨勢分析。故障診斷過程如圖1所示。

3.2 故障監(jiān)測與診斷的方法

設(shè)備故障信息的獲得有很多種方法，按檢測手段分為：振動檢測診斷、噪聲檢測診斷、溫度檢測診斷、壓力檢測診斷、鐵譜分析診斷和金相分析診斷等;按診斷方法的原理可分為頻域診斷法、時域診斷法、統(tǒng)計分析法、非平穩(wěn)信號分析法、信息理論分析法和人工智能方法等。其中振動監(jiān)測和診斷技術(shù)是目前較普遍采用的方法之一。機器內(nèi)部發(fā)生異常時，一般都會伴隨著出現(xiàn)異常振動、聲音和設(shè)備性能的變化。不同的振動信號具有不同的波形和頻譜。通過對機械振動信息的測量和分析，往往可以不停機或不解體設(shè)備就可以對設(shè)備劣化的部位和故障的性質(zhì)做出判斷。由于振動測試的技術(shù)和儀器都比較成熟，在企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟效益和社會效益。常用故障診斷方法有：

3.2.1振動分析法

振動分析法是對設(shè)備所產(chǎn)生的機械振動進行信號采集、數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)振幅、頻率、相位及相關(guān)圖形所進行的故障分析。一方面由于在大型旋轉(zhuǎn)機械的所有故障中，振動問題出現(xiàn)的概率最高;另一方面，振動信號包含了豐富的機械及運行的狀態(tài)信息，既包含了轉(zhuǎn)子、軸承、聯(lián)軸器、基礎(chǔ)、管線等機械零部件運行中自身狀態(tài)的信息，又包含了諸如轉(zhuǎn)速、流量、進出口壓力及溫度、油溫等影響運行狀態(tài)的信息;第三，振動信號易于拾取，便于在不影響機器運行的情況下實行在線監(jiān)測和診斷。因此振動分析法是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中運用最廣泛，也最行之有效的方法。采用振動分析法，可以對旋轉(zhuǎn)機械大部分的故障類型進行準(zhǔn)確的診斷，如轉(zhuǎn)子動不平衡問題、轉(zhuǎn)軸彎曲、軸承工作不良、油膜渦動及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子熱不對中、動靜件摩擦、旋轉(zhuǎn)失速及喘振、轉(zhuǎn)軸的橫向裂紋、葉輪松動、結(jié)構(gòu)共振等等。

3.2.2油膜分析法

油膜分析法是對機組在用潤滑油的油液本身及油中微小顆粒所進行的理化分析。通過對潤滑油的粘度、閃點、酸值、破乳化度、水分、機械雜質(zhì)、液相銹蝕試驗、抗氧化安全性等各種主要性能指標(biāo)的檢驗分析，不僅可以掌握潤滑油本身的性能信息，而且也可以了解到機組軸承、密封的工作狀況。尤其是對油液中不溶物質(zhì)，主要是微小固體顆粒所進行的鐵譜分析、光譜分析、顆粒計數(shù)，可以識別油液中所含各種顆粒的化學(xué)成分及其濃度、形貌、尺寸，從而對潤滑、特別是軸承合金、軸頸、浮環(huán)、機械密封的動靜環(huán)、油封及油檔等摩擦副的磨損狀態(tài)進行科學(xué)的分析與診斷。油液分析法也是大型旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中的一個重要方法。

3.2.3軸位移的監(jiān)測

在某些非正常的情況下，大型旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子會因軸向力過大而產(chǎn)生較大的軸向位移，嚴(yán)重時會引起推力軸承磨損，進而引起葉輪與汽缸隔板摩擦碰撞;大型汽輪機在啟動和停車過程中，也會因轉(zhuǎn)子與缸體受熱和冷卻不均而產(chǎn)生差脹，嚴(yán)重時會發(fā)生軸向動靜摩擦。盡管軸位移故障的概率不是很高，但也常有發(fā)生，特別是一旦發(fā)生后對設(shè)備造成的損壞往往是災(zāi)難性的。對軸位移進行在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷分析很有必要。

3.2.4軸承回油溫度及瓦塊溫度的監(jiān)測

檢修或運行中的操作不當(dāng)都會造成軸承工作不良，從而引起軸承瓦塊及軸承回油溫度升高，嚴(yán)重時會造成燒瓦。所以對軸承回油溫度、瓦塊溫度進行監(jiān)測也很必要。

4設(shè)備故障診斷技術(shù)在新疆機電行業(yè)的應(yīng)用

故障監(jiān)測與診斷技術(shù)適用于大型旋轉(zhuǎn)機械，尤其是化工、石化、電力、鋼鐵等行業(yè)的大型機組等關(guān)鍵設(shè)備，例如：乙烯裝置的三機（裂解氣壓縮機、乙烯壓縮機、丙稀壓縮機），化肥裝置的五機（原料氣壓縮機、空氣壓縮機、合成氣壓縮機、氨壓縮機、二氧化碳壓縮機），煉油裝置的三機（煙機、主風(fēng)機、富氣式壓縮機），大型空分裝置的空氣壓縮機，中心電站的大型汽輪機或水輪發(fā)電機組，鋼鐵企業(yè)的氧壓縮機及高爐風(fēng)機等。

新疆是能源大省，石油、天然氣和煤炭儲量很高，新疆確立了做大做強石油石化工業(yè)、大力發(fā)展煤炭、煤化工和電力工業(yè)、加快優(yōu)勢礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)、扶持壯大特色農(nóng)副產(chǎn)品精深加工業(yè)、積極發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、改造提升傳統(tǒng)工業(yè)、著力推進工業(yè)園區(qū)建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略。行業(yè)發(fā)展后勁不斷增強。企業(yè)規(guī)模不斷擴大，重點骨干企業(yè)迅速發(fā)展。形成了以烏昌地區(qū)為中心，以北疆的石河子—奎獨克地區(qū)和南疆的庫爾勒—喀什地區(qū)為兩翼的區(qū)域經(jīng)濟布局，行業(yè)門類不斷拓展、層次不斷提升，初步形成了以石油化工、煤炭、輸變電裝備、新能源裝備、農(nóng)牧機械、礦山機械為主的產(chǎn)業(yè)體系。大型旋轉(zhuǎn)機械如汽輪機、壓縮機、風(fēng)力發(fā)電機等在石油化工、能源、冶金、電力、機電及輕工行業(yè)越來越普及。大型機組由于功率大、轉(zhuǎn)速高、流量大、壓力高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)控儀表繁多，運行及檢修要求高，因此在設(shè)計、制造、安裝、檢修、運行等環(huán)節(jié)稍有不當(dāng)，都會造成機組在運行時發(fā)生種種故障。這些大型機組本身價格昂貴，如果發(fā)生故障停機又會引起整個生產(chǎn)線的全面停產(chǎn)，甚至引起重大的安全事故，給企業(yè)、社會、國家造成巨大的經(jīng)濟損失。做好這些大型企業(yè)的大機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，對避免惡性設(shè)備損壞事故的發(fā)生，降低停機次數(shù)和縮短停機時間、減少企業(yè)的經(jīng)濟損失是十分有益的。

目前在新疆故障診斷技術(shù)主要應(yīng)用在石化、熱電和風(fēng)電行業(yè)，在煤炭、冶金和輕工業(yè)中應(yīng)用較少，很多企業(yè)懂旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人員極少，有些企業(yè)雖然安裝了故障診斷系統(tǒng)，但由于維護人員缺乏旋轉(zhuǎn)機械診斷理論知識，經(jīng)過培訓(xùn)即使會操作，也不會應(yīng)用故障診斷系統(tǒng)進行故障分析。但很多技術(shù)人員認(rèn)為有必要對大型關(guān)鍵機組實施狀態(tài)監(jiān)測。

5結(jié)論

為了減少企業(yè)安全與質(zhì)量事故，減少企業(yè)由于關(guān)鍵機組故障而造成的經(jīng)濟損失，應(yīng)采取積極措施，加強故障診斷技術(shù)的推廣應(yīng)用工作。機械故障診斷技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它是多學(xué)科交叉發(fā)展的共同結(jié)晶，需要有扎實的理論基礎(chǔ)。 為了提升企業(yè)傳統(tǒng)機電設(shè)備維修人員的故障診斷技術(shù)水平，有必要組織相關(guān)的培訓(xùn)，尤其是振動基礎(chǔ)理論知識的培訓(xùn);有條件的企業(yè)應(yīng)配備專職的狀態(tài)監(jiān)測和診斷人員;同時，在職業(yè)院校機電類專業(yè)中開展相關(guān)課程，增加相關(guān)軟硬件實訓(xùn)設(shè)備，為新疆工業(yè)企業(yè)培養(yǎng)懂設(shè)備故障診斷的專業(yè)技術(shù)人員。

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作者簡介：

郭三如，男，河南，畢業(yè)于蘭州大學(xué)，本科學(xué)歷，就職于新疆第三監(jiān)獄，中級職稱。