設備故障監測與診斷技術及其在新疆機電行業中的應用研究

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

關鍵詞： 故障診斷;狀態監測;旋轉機械

1引言

隨著現代大生產的發展和科學技術的進步，現代機電設備的結構越來越復雜，功能越來越完善，設備和生產朝著大型化、高速化、自動化、連續化、智能化、環保化等方向發展。由于設備更加精密復雜，許多故障很難靠人的感官發現，有些設備精密復雜，不允許隨便解體檢查;設備突發性事故造成的損失越來越大;同時設備的維修成本占總的生產成本越來越大。設備狀態監測和故障診斷是提高設備的安全性、降低事故的損失、減少維護成本、提高經濟效益的有效方法，對確保設備的安全運行、提高產品質量、節約維修費用以及防止環境污染均起到重要作用。因此，在生產中運用設備狀態監測和故障診斷技術，可降低設備突發故障的發生和維修費用的減少，給企業帶來巨大的經濟效益。

2設備故障監測與診斷的意義

設備狀態監測技術是指通過監測設備或生產系統的溫度、壓力、流量、振動、噪聲、潤滑油黏度、消耗量等各種參數，與設備生產廠家的數據相比，分析設備運行的好壞，對機組故障作早期預測、分析診斷與排除，將事故消滅在萌芽狀態，降低設備故障停機時間，提高設備運行可靠性，延長機組運行周期。

故障診斷是根據狀態監測所獲得的信息，結合設備的工作原理、結構特點、運行參數及其歷史運行狀況，對設備有可能發生的故障進行分析、預報，對設備已經或正在發生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質、類別、程度、部位及趨勢。

設備故障監測診斷技術是一種了解和掌握設備在使用過程的狀態，確定其整體或局部是否正常或異常，早期發現故障及其原因，并能預報故障發展趨勢的技術。采用設備狀態監測技術和故障診斷技術，可以事先發現故障，避免發生較大的經濟損失和事故。其作用主要表現在：

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

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

2.3通過狀態監測，為提高設備的性能而進行的技術改造及優化運行參數提供數據和信息，保證設備工作精度，提高產品質量。

3設備故障監測與診斷的步驟與方法

3.1故障監測與診斷的步驟

設備故障診斷的內容包括狀態監測、分析診斷和故障預測三個方面。其具體實施過程可以歸納為以下四個步驟：（1）信號采集，根據不同的診斷需要，選擇能表征設備工作狀態的不同信號，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）狀態識別，將經過信號處理后獲得的設備特征參數與規定的允許參數或判別參數進行比較、對比以確定設備所處的狀態，即是否存在故障及故障的類型和性質等;（4）診斷決策，根據對設備狀態的判斷，決定應采取的對策和措施，根據當前信號預測設備狀態的發展趨勢，進行趨勢分析。故障診斷過程如圖1所示。

3.2 故障監測與診斷的方法

設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、統計分析法、非平穩信號分析法、信息理論分析法和人工智能方法等。其中振動監測和診斷技術是目前較普遍采用的方法之一。機器內部發生異常時，一般都會伴隨著出現異常振動、聲音和設備性能的變化。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備就可以對設備劣化的部位和故障的性質做出判斷。由于振動測試的技術和儀器都比較成熟，在企業中得到了廣泛的應用，產生了大量的經濟效益和社會效益。常用故障診斷方法有：

3.2.1振動分析法

振動分析法是對設備所產生的機械振動進行信號采集、數據處理后，根據振幅、頻率、相位及相關圖形所進行的故障分析。一方面由于在大型旋轉機械的所有故障中，振動問題出現的概率最高;另一方面，振動信號包含了豐富的機械及運行的狀態信息，既包含了轉子、軸承、聯軸器、基礎、管線等機械零部件運行中自身狀態的信息，又包含了諸如轉速、流量、進出口壓力及溫度、油溫等影響運行狀態的信息;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測和診斷。因此振動分析法是旋轉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，可以對旋轉機械大部分的故障類型進行準確的診斷，如轉子動不平衡問題、轉軸彎曲、軸承工作不良、油膜渦動及油膜振蕩、轉子熱不對中、動靜件摩擦、旋轉失速及喘振、轉軸的橫向裂紋、葉輪松動、結構共振等等。

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、液相銹蝕試驗、抗氧化安全性等各種主要性能指標的檢驗分析，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，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，可以識別油液中所含各種顆粒的化學成分及其濃度、形貌、尺寸，從而對潤滑、特別是軸承合金、軸頸、浮環、機械密封的動靜環、油封及油檔等摩擦副的磨損狀態進行科學的分析與診斷。油液分析法也是大型旋轉機械故障診斷中的一個重要方法。

3.2.3軸位移的監測

在某些非正常的情況下，大型旋轉機械的轉子會因軸向力過大而產生較大的軸向位移，嚴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，也會因轉子與缸體受熱和冷卻不均而產生差脹，嚴重時會發生軸向動靜摩擦。盡管軸位移故障的概率不是很高，但也常有發生，特別是一旦發生后對設備造成的損壞往往是災難性的。對軸位移進行在線狀態監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測

檢修或運行中的操作不當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，嚴重時會造成燒瓦。所以對軸承回油溫度、瓦塊溫度進行監測也很必要。

4設備故障診斷技術在新疆機電行業的應用

故障監測與診斷技術適用于大型旋轉機械，尤其是化工、石化、電力、鋼鐵等行業的大型機組等關鍵設備，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電機組，鋼鐵企業的氧壓縮機及高爐風機等。

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、大力發展煤炭、煤化工和電力工業、加快優勢礦產資源勘查開發、扶持壯大特色農副產品精深加工業、積極發展高新技術產業、改造提升傳統工業、著力推進工業園區建設的發展戰略。行業發展后勁不斷增強。企業規模不斷擴大，重點骨干企業迅速發展。形成了以烏昌地區為中心，以北疆的石河子—奎獨克地區和南疆的庫爾勒—喀什地區為兩翼的區域經濟布局，行業門類不斷拓展、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、農牧機械、礦山機械為主的產業體系。大型旋轉機械如汽輪機、壓縮機、風力發電機等在石油化工、能源、冶金、電力、機電及輕工行業越來越普及。大型機組由于功率大、轉速高、流量大、壓力高、結構復雜、監控儀表繁多，運行及檢修要求高，因此在設計、制造、安裝、檢修、運行等環節稍有不當，都會造成機組在運行時發生種種故障。這些大型機組本身價格昂貴，如果發生故障停機又會引起整個生產線的全面停產，甚至引起重大的安全事故，給企業、社會、國家造成巨大的經濟損失。做好這些大型企業的大機組的狀態監測與故障診斷工作，對避免惡性設備損壞事故的發生，降低停機次數和縮短停機時間、減少企業的經濟損失是十分有益的。

目前在新疆故障診斷技術主要應用在石化、熱電和風電行業，在煤炭、冶金和輕工業中應用較少，很多企業懂旋轉機械故障診斷技術的專業技術人員極少，有些企業雖然安裝了故障診斷系統，但由于維護人員缺乏旋轉機械診斷理論知識，經過培訓即使會操作，也不會應用故障診斷系統進行故障分析。但很多技術人員認為有必要對大型關鍵機組實施狀態監測。

5結論

為了減少企業安全與質量事故，減少企業由于關鍵機組故障而造成的經濟損失，應采取積極措施，加強故障診斷技術的推廣應用工作。機械故障診斷技術是一門新興的技術，它是多學科交叉發展的共同結晶，需要有扎實的理論基礎。 為了提升企業傳統機電設備維修人員的故障診斷技術水平，有必要組織相關的培訓，尤其是振動基礎理論知識的培訓;有條件的企業應配備專職的狀態監測和診斷人員;同時，在職業院校機電類專業中開展相關課程，增加相關軟硬件實訓設備，為新疆工業企業培養懂設備故障診斷的專業技術人員。

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作者簡介：

郭三如，男，河南，畢業于蘭州大學，本科學歷，就職于新疆第三監獄，中級職稱。