（机械工程专业论文）设备故障诊断技术及其在石化企业中的应用研究.pdf

：= ：一：! ：一：= ：一三堡堡圭耋! ! ! 鳖一：= ：= ：摘要设备故障诊断技术应用于现代企业的设备维修和管理工作，创造了巨大的经济效益和社会效益，成为推进设备管理现代化的重要内容。本文在详细阐述设备故障诊断技术的研究内容、研究意义、实施关键和维修思想变迁的基础上，立足年i 化行业的生产实践，结合多年从事设备故障现场诊断的经验，对适合石化企业特点的设备故障诊断方法进行了应用性研究，主要内容包括：1 研究用时基轨迹( 时域波形和轴心轨迹) 诊断设备常见故障，如不平衡、不对中、摩擦和油膜涡动等：2 由于获取相位信息需要专门的硬件，所以相位分析常常被人们忽视：本文对相位的测定方法及利用相位信息诊断设备故障进行了研究；3 介绍了振动信号的频域分析方法，研究了频域分析在设备故障现场诊断中的应用；4 设备故障的频率特征常常与机器转速频率相关，要获取这些特征频率必须采用整周期采样技术。本文对该技术的原理和实现电路以及现场实施进行了详细介绍，在此基础上，研究了阶次谱分析的应用和设备启停过程的瞬态分析；5 要对企业所有重要设备实施在线监测不仅成本巨大，而且没有必要，设备诊断和维修管理工作更多靠离线式巡检系统来完成，因此，本文对适合石化企业特点的巡检式设备故障诊断系统进行了研究，设计了系统的的总体结构和软硬件方案，提出了数据库的建立思想；6 将诊断理论和方法应用到生产实践，介绍了一个诊断实例，验证了理论和方法的正确性。关键词：设备故障诊断；时域：频域；巡检式系统；诊断实例= ：一：一= 堡丝墅型鳖垒塑些些堡塑鬯：一一= = ：a b s t r a c ts i n c et h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fe q u i p m e n t sa p p l i e st ot h em a n a g e m e n ta n dm a i n t a i n c eo fe q u i p m e n t s ，i th a sb r o u g h te n o r m o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st ou sa n db e c a m ea ni m p o r t a n tm a t t e ri np r o m o t i n gt h em o d e r n i z a t i o no ft h ee q u i p m e n tm a n a g e m e n t b a s e do nd e m i l e dr e s e a r c hc o n t e n t 、r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 、i m p l e m e n t a r yk e ya n dt h ed e v e l o p m e n to fm a i n t a l n c et h o u g h t ，e s t a b l i s h e di nt h ep r o d u c t i o np r a c t i c eo fp e t r o c h e m i c a ii n d u s t r y ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c et h a th a sb e e ng o tb yu si ne n g a g i n gi nt h ef a u l td i a g n o s i so fe q u i p m e n t sf o rm a n yy e a r s ，t h i sp a p e rc a r r i e st h r o u g ha p p l i c a t i o nr e s e a r c h e sf o rt h em e t h o do ff a u l td i a g n o s i st h a ts u i t st ot h ee q u i p m e n t so fp e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n s ，a n di t sp r i m a r yc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n gp o i n t s i u s i n gt h et i m eb a s el o c u s ( t h et i m ed o m a i nw a v e s h a p ea n dt h ea x e sl o c u s ) t od i a g n o s et h ec o m m o nf a u l t s s u c ha si m b a l a n c e 、u n a l i g n m e n t 、f r i c t i o na n do i lm e m b r a n ew h o r l ；2 r e s e a r c h e dt h em e n s u r a t i o nm e t h o do fp h a s ea n a l y s i sa n dd i s c u s s e dh o wt od i a g n o s et h ef a u l t su s i n gp h a s ei n f o r m a t i o n ；3 a p p l i e dt h ef r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i st ot h el o c a l ef a u l td i a g n o s i s ；4 t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r so ft h ef a u l to fe q u i p m e n t sa r eo f t e nr e l a t e dt ot h er e vf r e q u e n c y i fw en e e dt oo b t a i nt h e s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r s ，w em u s ta d o p tt h ef u l lp e r i o d ss a m p l i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e 、t h em a i i z a t i o ne l e c t r o c i r c u i ta n dt h el o c a l ei m p l e m e n to f t h et e c h n o l o g y b a s e do nt h i s ，o n ec a l lr e a l i z et h ep h a s es p e c t r u ma n a l y s e sa n dt h et r a n s i e n ta n a l y s e so fe q u i p m e n t s ；5 i f w ea c t u a l i z eo n l i n ei n s p e c t i o nt oa l li m p o r t a n te q u i p m e n t s ，i t sc o s tw i l lb e1 1 5 【g ha n dt h i si su n n e c e s s a r y w ea l w a y sd e p e n do no f f - l i n ep o l l i n gs y s t e mt oa c c o m p l i s ht h ef a u l td i a g n o s i sa n dt h em a i n t a i n m e n t 。s ot h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h ep o l l i n ge q u i p m e n t s d e s i g n e dt h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n dt h es o l , r a r e - h a r d w a r ep r o j e c to f t h es y s t e ma n db r o u g h tf o r w a r dt h ee s t a b l i s h m e n to f t h ed a t a b a s e ；6 t h i sp a p e ra p p l i e dt h et h e o r ya n dm e t h o do ft h ed i a g n o s i st ot h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ，i n 仃o d u e e dad i a g n o s i se x a m p l ea n dv a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r ya n dm e t h o dk e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i st i m ed o m a i n ；f r e q u e n c yd o m a i n ；p o l l i n gs y s t e m ；d i a g n o s i se x a m p l ei i湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：去1 矿 夕7 天日期：护州哗旷月扩日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密团。( 请在以上相应方框内打“4 ”)作者签名_ 吉1 护伏日期：沙缉朔p 日导师签名：孑芦牙百日期：年月日璇搿j 3：一：一：望堡型!堡圣圣=：一：=：1 1 选题意义第1 章绪论随着现代生产的飞速发展，设备的自动化程度不断提高，设备的结构也变得越来越复杂，旦发生事故，损失将不可估量。例如，一台三十万千瓦的发电机组，围故障停机一天将减少发电七百多万度，造成的直接经济损失高达数百万元。据国内石化行业统计，近十年内，化肥五大机组由于事故停车造成的直接经济失达四亿五千七百多万元。1 9 8 5 年山西大同发电厂二号机组因转子断裂导致电站发生炸裂毁坏事故，1 9 8 8 年陕西秦岭电厂五号机组主轴断裂，主轴穿过护墙飞出数十米远，以上两起事故均造成上亿元的直接经济损失，间接损失更是不可估量【l 】。同样，在国外大型机组的事故也曾屡屡发生，如1 9 7 1 年美国三里岛三十万千瓦发电机组联轴器螺栓断裂，1 9 7 3 年西德六十万千瓦发电机组联轴器变形等。1 9 8 6 年前苏联的契而诺贝力核电站的泄漏事故，不仅带来了巨大的经济损失，死亡人数更高达五千多人，而且对自然环境造成巨大的灾难，其影响可能达数百年之久 2 1 。我们知道，一切工业部门有着许多各种各样的机器和设备，它们运行是否稳定直接影响企业的效益，其中一些关键性设备甚至起着决定企业命运的作用。因此，如何避免机器发生事故，尤其是灾难性事故，一直是人们极为重视的问题i ”。长期以来，由于人们无法预测事故的发生，不得不采取两种对策：一是等设备坏了再进行维修，该办法经济损失很大，因为等设备运行到破坏后再维修，往往需要昂贵的维修费用，灾难性破坏需要更换设备，还可能造人员伤亡；二是定期检修设备，这种方法有一定计划性和预防性，但其缺点是盲目性很大，如果没有故障，则经济上损失很大。因此，合理的维修方式应是预知性的，即在设备故障出现的早期就监测隐患，提前预报，以便适时、合理她采取措施，于是设备故障诊断技术应运而生1 5 1 。因此，设备故障问题引起了世界各国政府和科家家的高度重视，相继投入巨大的人力物力，从事设备状态监测和故障诊断技术的研究。自七十年代以来，国外在设备诊断技术的开发和监测仪器的研制方面已达到实用阶段，比较著名的如美国的本特利公司和恩泰克公司开发的监测系统和诊断设备，已经在我国许多企业得到应用1 4 1 。我国自从七十年代以来，也在诊断技术方面开展了大量研究，在振动信号的设备故障诊断技术及其在石化企业中的应用研究! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! 兰= 苎= = 釜兰- ：! ；- 釜兰= 兰= ：= = = = ! = = - ! 竺暑= ：!采集及其分析、光谱分析、铁谱分析、油样分析等领域的研究方面都取得了一定的成效。然而，由于机械设备向着大型化、高速化、精密化和结构日益复杂化的方向发展，设备的设计和制造成本越来越高，设备发生故障的环节越来越多，运行的n j 靠性也越来越难以掌握，再加上许多无备机的运行工况，使得工矿企业对设备平稳运行的要求非常迫切，对大型设备的状态监测和故障诊断技术也提出了更高的要求。如何判断设备状态的变化，正确评价机组运行状况，为设备的维护提供难确的指导，已成为企业广泛接受和欢迎的技术，有着广泛的社会需求和良好的应用前景1 5 。大型设备状态监测与故障诊断技术在近十年内得到了前所未有的发展，它对于重要设备的管理维护、提高企业生产能力和保证安全生产、改进产品质量都具有极大的效益，在国民经济各部门发展中有着十分重要的意义。为了提高我国在大型回转机械监测与诊断水平，“八。五”期间国家将大机组的监测与诊断技术列为科技攻关重点项目。故障诊断技术的开发与研究已是大型机械设备运行过程中不可缺少的组成部分，但由于大型设备运行工况十分复杂，故障机理很难完全研究清楚，不同机组之间的状态特性也不尽相同，现场采集到的数据不可避免地带有一些干扰和噪声，这些都给诊断工作带来很多困难，这就要求诊断方法具有智能化，能提取主要的故障特性并加以正确地识别。设备状态监测和故障诊断从医学检验和疾病诊断中受到启发，从早期的耳听、手摸、眼看凭直觉的监测诊断，迅速随着现代系统工程、信息论、控制论、电子技术、计算机技术、通讯技术的发展而发展起来，成为多种学科和技术交叉与渗透的一门新兴综合性高技术，其研究内容涉及故障机理、传感器与测量技术、数据采集、数字信号处理、数据库、专家系统、计算机软硬件，通讯等技术领域。1 2 设备故障诊断技术的研究内容设备状态监测和故障诊断技术在国内外应用非常广泛，它在航天航空、能源电力，石油化工、交通运输、机械加工等行业都有许多成功应用的实例。目前的研究主要集中在以下几方面：1 故障信息检测故障信息检测是对机械设备实现状态监测与故障诊断的第一步，是故障诊断工作的重要基础，故障信息检测是对机械设备本身的工作参数、性能指标、相关物理量等信息的信号进行检测和量化的技术，而传感器则是获取各种信息并将其转换成为电信号的器件。是故障信息检测的关键和主要手段。另外，故障信息的检测还有取样、探伤等手段。机械设备故障信息检测涉及的主要物理量有振动、声、力、转速以及温度、流量等。取样检测是从与设备运行有关的液体或固体物质中提取些样品，进行光谱分析、铁谱分析，以获得设备磨损、泄漏等信息。探伤检测j ：要是以超声、声发射等技术对设备的故障进行检测。对于以传感器为主的机械设备故障信息检测，其输出信号的一般特点是噪声大、干扰背景强、动态变化和个体差异大，加上受现场温度、灰尘、蒸汽等环境影响，因此要求检测传感器和仪表抗干扰能力强、噪声小、动态特性好，尤其要求具有长期稳定性和可靠性，同时还要容易维修和校准。目前，故障信息检测技术己广泛应用于大型设备的运行状态监测。使用的传感器主要有电涡流位移传感器、电磁式速度传感器、压电加速度传感器、热电偶温度传感器以及压力、流量等传感器。国内在传感器设计方面已趋成熟，也形成了中小批量的生产规模，但同国外相比较，在传感器材料、生产工艺以及可靠性、长期稳定性等方面尚存在较大差距，与这些传感器配套使用的二次仪表的情况也是这样。故障信息检测与传感器技术的发展趋势是：高可靠性和长期稳定性的检测与传感技术，固定植入式和介入式检测与传感技术，故障信息的遥测技术，振动测量用光纤传感技术，声发射检测技术。传感器技术将继续是状态监测和故障诊断的一个重要研究内容。随着微电子技术、光电技术和精密机械加工技术与传统的传感技术相结合，传感器将向微型化、多参数、数字化、实用化方向发展，与之配套的二次仪表将向多功能、智能化方向发展，形成集微传感器、微处理器于一体的智能前端微处理系统。2 故障特征分析故障特征分析的主要内容是信号分析和处理，即如何从传感器拾取的原始信号中分析提取故障特征，这是故障诊断的核心问题，对于确诊故障起着十分重要的作用。提取故障特征可分为时域分析和频域分析两大类。时域分析包括主分量分析、时序分析和时域平均等方法；频域分析包括f f t 谱、全息谱和时频谱等方法。这些方法适合于振动信号的分析处理，已经发展成为设备故障诊断技术的主流】。以上信号处理方法都是基于被分析系统是线性的。但是在实践中，在线性系统范围内无论是采用仟么处理方法，都难以很好地解释故障现象与故障原因之间的关系，因为我们面对的研究对象通常是非线性动力学系统。国外在七十年代提出丁非线性系统的混沌概念并加以研究，目前混沌的研究已遍及各学科领域，如在生物医学工程领域用混沌理论研究脑电、心电信号，对其进行分类、诊断，已取得成功。八十年代末，非线性的人工神经网络用于信号分析处理在国际上形成一股热潮，国内有很多人将人工神经网络模型用于机械故障特征分析，取得了令人满意的诊断结果，1 0 1 。混沌理论和非线性神经网络系统模型的研究，开辟了一条崭新的途径，对故障特征分析技术起到很大的推动作用。3 ，状态监测方法故障特征分析是为诊断故障服务的，而状态监测的首要任务是判断机器的运行状态是否正常，探查引起异常的原因和需要采取的措施，则是故障诊断工作的卜要任务。对设备进行状态监测需解决两个主要问题。一是被监测状态量阂值的恰当选择，目前的方法是：选择设备制造厂家给出的技术指标；采用通用评价标准；根据其具体设备和经验数据选择阈值。这里需要指出的是，目前国内在对旋转机械振动烈度评价时，通常选择的监测量是振动位移峰值，而国际标准推荐使用的监测量是振动速度有效值，因为它更能反映设备振动的能量大小。另一个要解决的问题是选择阈值判断方法，目前采取的方法有多阈值判断、多元阈值判断、加权判断、模糊闽值判断等。对机械设备进行状态监测的方式主要有：连续监测、巡回监测和定期检测：采用的手段可以使用便携式状态监测仪、专用状态监测系统以及以微机为基础的多功能状态监测分析系统。目前，对设备状态的预测和预报还处于实验室研究阶段，研究手段有采用最小二乘拟合、时序模型、卡尔曼滤波等方法，并不断探索新的理论和方法【l l ”】。随着人们对机械设备运行状态研究的不断深人以及计算机技术的不断发展，设备状态监测和预测预报无论在理论研究和技术应用方面都将得到进一步的发展。4 故障机理研究故障机理研究是对设备进行故障诊断的基础，深入研究设备在运动时的动力学特性及各部件之间的相互关系，研究设备正常运行时和发生故障后的各种症状，是对设备进行状态监测和故障诊断的前提。机理形成的基础主要是与设备运行相关的振动学、摩擦学、空气动力学学、材料学等。机械设备故障机理的研究是一项十分复杂的工作，但十分重要，国内外已在这方面作了大量的研究工作，取得，许多成果。随着设备向大型化、自动化发展，以及工作环境的恶化、载荷形成的复杂化、新材料及新工艺的采用等，设备的故障机理研究面临着更新、更艰巨的任务 1 3 】。5 故障识别与专家系统故障识别是在故障信息检测和故障特征分析的基础上按一定的规则和标准对机械设备发生的故障的种类、原因和部位作出判断，随着人工智能科学的发展和普及，高效准确的专家系统获得越来越多的应用。从八十年代开始，国内的发展非常快。在知识库的建立、模式识别技术、计算机语言方面进行了大量研究，尤其是在“不确定性问题”研究中采用了基于概率理论的b a y e s 法、d e m p s t e r - s b a p h e r= = = ：! 一塑塑生量丝圣二：推理技术、故障树分析置信因子、谱的相似性、模糊理论以及灰色系统理论等理论和方法，己成功的应用f 汽轮发电机组等大型旋转机械在线振动监测与故障诊断系统”4 1 1 ”。当前故障诊断专家系统研制工作遇到的主要困难与迫切需要解决的问题仍是诊断知识的获取和描述。八十年代中后期，国外在计算机软件、人工智能方面的研究取得很大进展。在计算机语言方面，面向对象的编程语言为人们提供了一种全新的能够更自然、更直接、更充分地表达现实世界事物的方法，其优越性表现在信息的隐藏与封装、抽象数据、继承性、多形化、完善的模块化；在数据库技术方面，面向对象的智能数据库的研究和发展，使得今后年数据库本身就具备知识的表达、存取、检索、查询、分类，推理，演绎等功能，并且利用神经网络模型对数据库实现高速检索；人工神经网络以其并行计算、分布贮存和自适应学习的特点，广泛应用于模式识别领域，而人工神经网络与模糊理论相结合则主要应用于知识表达等方亟。这些新理论、新技术的研究和发展，必将极大地推动故障识别技术的发展 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 】。近几年的研究状况表明，基于知识的信号智能分析技术与智能化诊断是机械故障诊断的重要发展方向。6 状态监测和故障诊断系统的实现八十年代以后，国外研究开发了各种高性能的状态监测系统。这类系统的特点是：硬件所占比例很大，采集信息多、处理速度快，监测功能强，但只有简单的诊断功能。该类系统价格昂贵，采用专用计算机系统及语言，新功能不易开发，对使用人员要求较高。在最近十年内，国内多家科研单位及高等院校相继研制了各种设备状态监测和故障诊断系统，这些系统的特点是：以微机为基础以软件开发为中心，功能多、灵活性大、适用面广、系统价格低。存在的主要问题是：硬件功能较弱，以巡回监测为主，实时性较差；系统集成化程度和软件商品化程度较低；系统传感器、二次仪表、计算机系统及软件的可靠性较低，难以适应工业现场恶劣的工作环境。国内研制的系统在硬件水平在可靠性、实时性等方面同国外系统相比存在较大差距的一个主要原因，是研究开发经费投入不足，难以将诊断系统建立在高水平的硬件平台上，从而影响了系统的整体性能。预计在今后几年内，随着传感器和测试技术、计算机硬软件技术、通讯技术、人工智能技术等先进技术的发展，状态监测和故障诊断系统技术的发展趋势是：在系统结构方面，由分布式监测方式替代目前的集中式监测，数据采集和状态监测将由智能前端装置实现，故障诊断由中央计算机完成，实现系统结构分布化，监测方式层次化，其主要特点是可靠性高、实时性强：在计算机硬件平台技术方面，功能强大的工作站、服务器、超级微机及网络将综合在一起形成工作组，许多先进的硬件技术会得到广泛应用；在计算机软件平台方面，高性能的w k n d o w s x和w i n d o w sn t 等多任务操作系统提供了优良的环境：在系统软件功能方面，将向人机自然语言接口、实时多任务全过程在线监测、诊断过程自动化等方面发展f 2 0 , 2 , 2 2 , 2 3 。大型设备状态监测和故障诊断技术作为一门综合性高新技术学科，发展非常迅速，并且日益显示出在国民经济中的重要意义。因此，追踪国外先进技术，加快我国大型设备状态监测和故障诊断技术的研究的应用步伐，为国民经济建设发挥应有的作用，是摆在我们面前的迫切任务。另外，建立一套完整可靠的评估系统，包括统一的测试指标和公认的测试数据库，以对各种检测和诊断方法进行客观评价，也是非常迫切的任务。1 3 维修思想的变迁与故障诊断技术在设备维修管理中的意义在设备维修思想研究方面有不少专家出版了专著及论文，对其进行了严密的分析，并划出了阶段，这些阶段是：事后维修( b m ) 一预防维修( p m ) 一预知维修( p d m ) 一主动预防维修( p a n ) 一可靠性维修( r c m ) 一可用性维修( a v a i l a b i l i t y ) ，如果对这些阶段加以综合研究，可以明显地看出一条贯穿始终的主线经济效益 2 4 , 2 5 0 酏。“事后维修为主”是以设备出现功能性故障为基础的，即设备无法继续运转，有明显的经济损失，以及严重威胁设备或人身安全等。“以预防为主”的维修思想是以设备机件磨损规律为基础，并且把机件的磨损或故障作为时间的函数，因此，定期维修就成为预防维修的基本方法，显然这种思想存在着不经济的因素。随着科学技术的发展、设备改进维修技术和管理水平的提高，新的设备维修思想在不断形成。“以预知维修为主”的维修思想是以设备的实际工作状况为基础的，即通过先进的科学仪器监测设备的失效部件发出的信息，并识别故障根源和故障程度，以预测维修的时机，减少设备的损坏程度和对生产的影响，这种思想是比较科学和经济的。“以可靠性为中心”的维修思想是在上述几种维修思想的实践基础之上，随着客观条件的变化而发展起来的，其目的是以最低的费用实现设备固有的可靠性水平，它是可靠性工程原理在维修管理工作中的具体应用。“以可靠性为中心”的维修也叫可靠性维修( r c m ) ，它包括可靠性设计、制造、试验及数据处理等一系列内容。实施可靠性维修需要对整个设备进行认真的分析研究，并通过对重要维修项目逐项分析其可靠性特点及发生功能性故障的影响来确定采用的维修方式，实施可靠性维修需要大量的试验数据、资料作为判断机器状态的依据以及产品的设计、制造、使用维修部门问的密切配合，需要必须的检测手段和标准。这种维修思想带来的经济效益显然比前几种要大。“可用性维修”则强调设备“可用”的原则，更为经济。设备维修思想是人们对设备维修的客观规律的反映，维修思想的确定离不开当时的经济发展、生产水平、维修现象、维修手段、维修人员的素质等客观实际，同时受当时维修技术发展制约，特别是受经济规律制约的，以最低的维修成本换取最优的维修效果始终是维修思想发展进步的宗旨，正确的维修方针和技术政策，适合客观条件的、高效的维修体制和合理的维修制度，均出于正确的维修思想，而正确的维修思想，不仅对当时的维修具有强有力的指导作用，同时还要有超前意识。总之，以经济效益为主不断发展完善设备维修思想，是设备管理良性循环的境界，也应该成为各生产企业设备维修管理的主导思想 2 7 , 2 8 1 。综合分析各阶段设备维修思想，给我们的另一个启示，就是任何一种维修思想的体现，都必然伴随着不同层次不同标准的设备故障诊断技术产生，也可以说设备故障诊断技术就是维修思想变迁的产物。设备诊断技术历史悠久，可以说是从人类社会利用机器设备进行生产的同时就有了手摸、耳听以及使用一般仪器测试的简易诊断手段。随着生产技术的不断进步，诊断技术也在进步，到上个世纪6 0 年代末，由于电子技术及微型计算机的迅速发展，诊断技术也就从原来的简易诊断进入到现代的科学阶段精密诊断阶段。到7 0 年代以后基本形成独立，完整的体系，出现了一个划时代的变化。诊断技术和医学一样，都是应用现代化科学技术成就，为社会服务的综合性学科。在临床诊断中，同样会存在既采用传统简易手段也采用新的精密诊断手段，两者长期并存的局面，精密诊断不同于简易诊断之处，除了应用新手段之外，还在于它具备完整科学的工作步骤和程序。从设备诊断技术的起源、发展与现状考察，从设备的系统特性与系统的故障特性考虑，设备诊断的目的在于，在一定的工作环境中与定的工作期限内，保证设备可靠地、有效地在允许的状态下实现其动能。可以说设备诊断过程的本质就是设备状态的识别过程，这个过程包含了三层必须弄清楚的关系，即设备与工艺生产的关系，设备与设备的关系，设备与人的关系。用系统科学方法对这三者之间关系研究透彻是十分重要的，它对设备诊断技术发展起到指导和催化作用。系统科学是探索系统存在方式和运动变化规律的学问，它具有整体性原则、动态原则、最优化原则、模型化原则等特点，它是认识、调控、改造、创造复杂系统的有效手段，它能为人们提供制定系统的最佳方案以实行优化组合和优化管理的手段，为人们提供新的思想方式，用系统科学探索上述三者之间关系，就会发现，设备是复杂系统，因为这类系统的输出一般表现为模拟量，而对相同的机械设备而言，它们相同的机械元件本身的几何特性( 尺寸、形状、表面形貌)也不可能完全一样，相同的联系( 压力、间隙、介质状况) 也不可能完全一样；因此，即使在完全相f d 的输入( 工作环境) 下，相同的设备的状态与行为( 输出)也就呵能完全不一样。所以，设备的故障实质是系统故障，它与工艺生产过程及其人的关系密不可分而且十分复杂，这种复杂具有层次性、相关性、延时性和不确定性，这种复杂性使机械设备的诊断问题变得更加复杂。研究设备状态监测技术的发展，对于这种复杂的工程诊断问题，比较成功的做法是，在系统的正确掌握与依据设备、工艺性质，掌握了系统故障机理的前提下，应用适合的采集方式，包括合适的传感系统，人的感官，在设备的关键部位，以尽可能少的花费获得包含设备相关状态信息量最多的特征信号，从特征信号中以最简的表达形式提取有关状态的征兆，从特征推理中识别出结果精确的有关状态，应用合适的状态分析装置，从征兆与状态运行推理而识别出有关状态的发展趋势，从有关状态及趋势形成正确的干预决策，或深入系统下一层次继续诊断，或对己达到的指定系统层次，作出调整、控制、自诊治、维修等决策。需要特别指出的一点，设备工况监测是设备诊断的基础。设备是科学技术的载体，现代设备的新技术含量日益增加，从经济角度看，设备是有形的固定资产，从设计制造、使用维修到改造更新，每一阶段都有费用发生，涉及价值形态的管理，以经济的寿命周期费用获得最佳的设备综合效率，是设备管理的核心。对设备一生进行的技术、经济管理，始终离不开入的参与，只有依靠有效的组织管理，才能充分调动人的积极性，从而充分发挥设各效能，取得最好的设备的投资效益，搞好设备诊断，对设备的运行状态作出明确的判断，确保生产顺利和均衡，是设备管理的主攻方向。设备诊断能为设备运行状况作出准确的判断，就能在生产组织中树立“权威性” 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 。1 。4 设备故障诊断技术在生产中的实施1 4 1 设备故障诊断系统的组成与选择设备故障诊断系统由故障诊断基础理论、故障诊断实施技术以及故障诊断实施装置三大部分构成。故障诊断基础理论包括故障规律、故障状态、故障机理、故障模型、故障分析理论、信号处理理论以及诊断标准限值与图谱等理论的研究，这些基础理论为故障诊断技术的实施提供科学的理论依据。所以，故障诊断基础理论相当于该学科基本体系的“软件”。故障诊断实施技术包括声振诊断、无损诊断、温度诊断、污染诊断、预测技术以及综合诊断与专家系统等技术的研究，这些故障诊断实施技术是构成该学科体系的主体，也是该学科建立与发展最重要的基础。- 8 -故障诊断实施装置包括信号采集、特征提取、状态识别、趋势分析、诊断决策形成、计算机辅助检测与诊断系统以及故障诊断专家系统等专用装置和系统的研制，这类专用装置和系统是为故障诊断实施技术提供必要的实施手段。因此，故障诊断实施装置相当于该学科基本体系的“硬件” 3 5 , 3 6 。选择合适的监测设备是保证诊断工作有效开展的前提，围绕以上三个方面，诊断系统在硬件上需要能为用户及时给予设备类型的扩展和技术的支持，既能满足当前要求又能供以后扩充；软件方面应集成多方面技术，提供尽可能多的操作和分析能力，同时，还能提供良好的技术服务。1 4 2 设备故障诊断技术范围界定在企业众多的生产设备中，其本身的价值，在生产中的地位，设备发生故障后对工厂所造成的损失大小等有很大的差异，因此，要从设备的可靠性、可维修性、设备在生产中的地位、设备发生故障后的危害性等诸多因素进行综合考虑，并结合具体的生产实际情况，有原则地对设备进行分类，界定设各故障诊断的范围，对一般设备可采用传统的“视、听、嗅、触”经验方法进行感官诊断和简易诊断，而对于关键设备应采用动态监测的故障诊断技术方法进行管理，这样既突出重点又照顾全面，从而充分发挥设备的效能，更好地提高设备管理工作，使企业获得最大的经济效益。关键设备的确定，一般根据以下几条原贝l j t 3 7 , 3 s , 3 9 。( 1 ) 设备在生产中的地位和作用；( 2 ) 设备有无备用，是否易切换；( 3 ) 设备是连续运转还是间歇生产；( 4 ) 设备的停机损失；( 5 ) 工艺的稳定性对设备的影响；( 6 ) 设备的故障维修率，维修费用及维修的复杂难易程度；( 7 ) 设备的价值和规模( 一般从配用功率、输出功率、压力等因素考虑其规模) ；( 8 ) 设备的来源( 进口还是国产) 及备用零部件获取的难易程度；另外在划分关键设备时还应注意以下几个问题：( 1 ) 在依据上述划分原则的基础上，应结合具体的生产实际情况，侧重于设备在生产中的地位和作用；( 2 ) 随着企业生产规模的变化和生产技术方案的调整，对于设备的划分应做相应的变更；( 3 ) 随着企业生产技术的更新发展以及设备管理水平的捉高，对设备的划分也要进行适当的调整：( 4 ) 根据设备本身的运行状况和技术可靠性，设备的更新改造，新型设备的投用等方面，其划分也要随之进行变化。q 设备故障诊断技术及其在石化企业中的应用研究总之，列关键设备的划分不是一成不变的，要适时地进行合理的调整变更，同时也要在变中求稳，从而保持设备常处于良好的运行状态，充分发挥设备的综合效能，使设备寿命周期费用最经济，为完成生产任务，增加企业的经济效益而服务。1 4 3 故障诊断技术实施方案及步骤1 立设备诊断档案为了能迅速准确地对被诊断设备的故障部位、性质、程度及原因作出科学的判断，应对各关键设备建立诊断档案，其主要内容包括：( 1 ) 设备基础技术资料机器型号、主要技术规格、性能参数、结构组成及其参数、使用说明书及有关技术文件、结构图和易损配件图等；机器安装特点、地基构造、使用年月、试车记录、验收记录；机器正常运行参数，包括正常运行时的电流、电压及流量、压力、处理量等的记录和档案，机器薄弱环节及容易发生故障的类型和部位，同型号、同工作条件下其他机器的故障情况等；( 2 ) 设备诊断技术资料绘出机器运转结构示意图，注明轴承种类、型号、规格、齿轮的齿数与齿形，转子直径及参数，根据转速预先计算出各自对应的特征频率；在结构示意图上标明测量点位置及方向、注明监测周兢、判断标准；各种诊断规范、标准和有关文献中记录的设备可能发生的各种故障现象、原因、特征及数据值；设备振动监测故障反馈报告单：设各周期性和不定期性振动监测与历次大、中修前后振动记录和频谱图等，包括各种记录信号的资料( 各份) 。设备诊断档案的建立是一项十分复杂艰巨的任务，要有一个不断积累、不断适应的过程，要把它由原来的静态逐步发展成既有静态又有动态，不断地去适应各种设备在运行过程中受外界环境影响和自身状态的变化。2 定诊断标准石化企业关键设备诊断标准的确定，应根据设备的实际现状，在确定测试技术路线，择合适测量参数、单位和监测周期后，结合关键设备的不同类型，选择相应的技术标准( 规范) 。随着状态监测和诊断技术的深入开展，在大量的实践中获得第一手资料的基础上，对关键机组运行、维修及故障停机等数据进行统计学评价，得出以自身经验为依据的极限值，结合相关技术标准( 规范) 进行综合评价。为使诊断更加准确可靠，在有效地应用各类标准时应注意以下几点：1 0 ：。：一! ：一! ：墅圭堂；篓窒二：= 一一一：一：一( 1 ) 测试仪器应符合标准的要求，如频率范围，测试值的示值方式( 均方值、峰值等) ，仪器测试时的动态范围等：( 2 ) 各种标准给出的限定值，并非是机器的失效前能承受的最大振动值，而只是给出一个可能发生故障的警告，以便提前采取相应措施；( 3 ) 设备限定值在确定适用某类设备的标准后，依据设备的结构型式、转速、功率或轴中心高等参数进行选取。3 立石化企业关键设备数据库 三要包括建立监测点所属工厂、车间、设备及其测点数据库；建立设备状态注释码数据库，这些数据库中包含了所有与监测点的监测参数有关的信息。4 用预测维修系统开展系统分析、综合诊断在运用故障诊断系统对石化企业关键设备开展状态监测和故障诊断的实践中，不断积累经验，全面掌握各种故障的特征模式，实旌综合诊断。综合诊断的内容包括4 个方面：应用多种诊断手段：采用多种分析方法；利用多个判断标准；实施多层次的诊断。这是提高复杂疑难故障诊断效率的最可靠的途径。( 1 ) 应用多种诊断手段全面获取信息一种故障的出现往往引起设备状态的复杂变化，例如轴承元件的损坏可能同时引起振动加剧、噪声增大、温度升高、磨屑增加。因此综合采用测振、测温、测噪声、油液分析等多种手段就能全面掌握轴承的状态信息，提高诊断的准确度。( 2 ) 采用多种分析方法提取多种故障特征对振动信号可以从时域、频域、幅域、相域、振形等几个方面进行分析，从多种信息的互相印证中，排除模糊因素，做出果断雨有把握的判断。如转动件不平衡，在幅域、频域、相域、振形等四个方面都有其特征反映，若仅据其中之一就做出结论，则很可能造成误诊。( 3 ) 利用多个标准进行全面比较故障诊断是把待检模式与故障样板模式进行对比，从而判断故障的有无、类型和程度。但各类标准都是在一定的条件下制订的，都有它的相对性，而所诊断的每一个具体对象不可能完全具备制定标准时所规定的条件，如应用绝对标准i s 0 2 3 7 2 或i s 0 3 9 4 5 ，即受设备类型、安装形式、功率大小、频率范围、测点位置、工况条件、工作环境等诸多条件的影响，所以只能参考使用。采用相对标准判别，是把设备自身在不同时期的状态进行纵向比较，可靠性较大。但因设备随着时间的推移而老化，加之各个时间工况条件的随机性，增加了不可比因素。采用类比标准判别，即同类设备之间相互比较，情况也很复杂，各自设备的工作条件、使用时间、制造质量等均有所不同，增加了比较判断中的困难。所以，为确诊起见，最好同时采用多个标准进行综合比较判别。设备故障诊断技术及其在石化企业中的应用研究( 4 ) 实施多层次诊断，优选诊断方案目 j u ，设备故障诊断可分为感官诊断、简易诊断和精密诊断三个层次，高层次诊断总是建立在低层诊断的基础上，能用感官诊断无需实施简易诊断，简易诊断能解决的问题没有必要进行精密诊断。l 国内外的经验表明，在一般工矿甜1 k 通过简易珍断能解决大量的问题，所以提高简易诊断水平，充分发挥简易诊断的作用是当诲提高设备诊断效率的重要课题。与此同时，也要重视精密诊断在确渗复杂疑难敝障中的作用，通过精密诊断还可进一步验证简易诊断的结果。但精密诊断如果4 i 建立在感官诊断和简易诊断的基础上，往往是盲目的，甚至导致诊断失误。根据情况需要，把三个层次的诊断有机结合综合应用，必然取得理想效果。5 、备故障诊断技术的交流开展设备故障诊断技术工作，必须要抓好技术人员的培训和技术交流，人是发挥软件及硬件作用的第一因素，同样的仪器设备在不同的人手中发挥的作用也有较大的差异，这主要取决于人的能力，提高人员的业务水平，除了加强自身的技术学习和钻研，还可以采取多种方式进行培训，参加经验交流会，派人员出去学习，请专家教授讲课，以及参加设备诊断培训班等各种形式，建立正常的学术交流及业务研讨，参加学术交流活动，介绍设备诊断的新技术及交流经验，组织论文宣读和在国内外各种杂志及学术会议e 发表，通过以上各种各样形式的技术交流，结合本单位设备的特点进行推敲，做到心中有数，才能扩充知识面，丰富诊断经验。1 5 本文主要研究内容任何一种理论和技术只有通过生产实践的检验才能证明其正确性，也只有应用到生产实践中才能发挥其作用，转化为实际的生产力。本文作者长期工作在石化行业生产第一线，并负责整个企业的设备维修管理，对设各故障诊断技术在生产中的重要性有深刻的体会，近年来一直致力于与高校联合推动该技术在企业中的应用和发展。在这一过程中，作者体会到，真正应用到设备故障诊断、解决大量现场问题的不是尖端高深的诊断理论和模型，企业所需要的也不是诊断领域最前沿的技术和方法，而是诊断技术的基本理论和普遍规律!基于上述考虑，本文立足石化行业的生产实践。结合多年从事设备诊断的经验，对适合石化企业的设备故障诊断方法进行了综合和总结，重点进行了应用性的研究，主要内容包括：1 究用时基轨迹( 时域波形和轴心轨迹) 诊断设备常见故障，如不平衡、不对中、摩擦和油膜涡动等：2 于获取相位信息需要专门的硬件，所以相位分析常常被人们忽视；本文对工程硕士学位论文相位的测定方法及利用相位信息渗断故障进行了研究；3 述振动信号的频域分析方法及频域分析在设备故障现场诊断中的应用；4 备故障的频率特征常常与机器转速频率相关，要获取这些特征频率必须采用整周期采样技术：本文对该技术的原理和实现电路以及现场实施进行了详细介绍：在此基础上，研究了阶次谱分析的应用和设备启停过程的瞬念分析；5 对企业所有重要设备实施在线监测不仅成本巨大，而且没有必要，设备诊断和维修管理工作更多靠离线式巡检系统来完成，因此，本文对适合自身特点的巡检式设备故障诊断系统进行了研究，设计了系统的的总体结构和软硬件方案，提出了数据库的建立思想；6 诊断理论和方法应用到生产实践，介绍了一个诊断实例。：一：= ：= ：堡叁垫璧燮奎矍量童至些尘些皇墼窒旦堑塞：第2 章时基轨迹、相位分析和频域分析的应用研究2 1 慨述对设备故障诊断技术的研究方兴未艾，各种各样最新的诊断理论和应用软件坛出不穷；但是，在生产实际中目前最常用的方法仍然是波形分析、相位分析、频率分析以及针对旋转机械的一种特殊的频率分析即阶次分析；而且，各种诊断理论和诊断软件所依据的基础( 知识、规则等) 也仍然建立在波形、相位和频率分析之上。所以，本章和下章将讨论这些最常用的方法，着重研究如何将这些疗法应用于生产实际和现场诊断。2 2 时基轨迹及其在设备常见故障诊断中的应用在f f t 分析技术尚未普及之前，对设备故障的分析主要依靠从波形图上观察其波形特征。如果转轴上安装了键相器则还可以得到转动时相位的信息，这种带有键相标记的波形图叫做时基波形图。如果在同一轴承或轴承座的两个正交方向部安装了传感器并能进行二个通道的采集和波形显示，则可以观察轴心轨迹。所以时基轨迹包括时基波形和轴心轨迹。2 2