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第九章　設備故障診斷技術

第一節　設備故障概述

一、故障及其分類

故障：設備(元件、零件、部件、產品或系統)因某種原因喪失規定功能的現象。

(一)按故障發生、發展的過程分類

1.突發性故障

故障發生之前沒有明顯的可察征兆，具有較大的破壞性。故障的發生是設備多種內在不利因素及偶然性環境因素綜合作用的結果。

為了避免突發性故障，需要對設備的重要部位進行連續監測。

2.漸發性故障

由于設備中某些零件的技術指標逐漸惡化，最終超出允許范圍(或極限)而引發的故障為漸發性故障。

漸發性故障的發生一般與磨損、腐蝕、疲勞等密切相關，其特點是：

(1)故障一般發生在元器件有效壽命的后期;

(2)有規律，可以預防;

(3)發生概率與設備運轉時間有關。

(二)按故障的性質分類

1.自然故障：在設備運行中，因自身的原因所造成的故障，分為正常自然故障和異常自然故障。

由于正常工作磨損等原因引起的為正常自然故障。

因設計制造不當造成設備中存在薄弱環節而引發的故障屬于異常自然故障。

2.人為故障：操作使用不當或意外原因造成。

二、引起故障的外因

可以歸納為三個方面，即環境因素、人為因素和時間因素。

(一)環境因素：包括力、能、溫度、濕度、振動、污染物等外界因素，這些因素將以各種能量形式對設備產生作用，使機件發生磨損、變形、裂紋、腐蝕等各種形式的損傷，最終導致故障的發生。

表9-1　環境影響及引起的故障

環境因素主要影響典型故障

機械能產生振動、沖擊、壓力、加速度、機械應力等機械強度降低、功能受影響、磨損加劇、過量變形、疲勞破壞、機件斷裂

熱能產生熱老化、氧化、軟化、烙化、粘性變化、固化、脆化、熱脹冷縮及熱應力等電氣性能變化、潤滑性能降低、機械應力增加、磨損加劇、機械強度降低、腐蝕加速、熱疲勞破壞、密封性能破壞

化學能產生受潮、干燥、脆化、腐蝕、電蝕、化學反應及污染等功能受影響、電氣性能下降、機械性能降低、保護層損壞、表面變質、化學反應加劇、機件斷裂

其他能量產生脆化、加熱、蛻化、電離及磁化表面變質、材料褪色、熱老化、氧化、材料的物理、化學、電氣性能發生變化

(二)人為因素。設備在設計、制造、使用和維修過程中，始終都包含著人為因素的作用，特別是早期故障的發生大部分可以歸因于人為因素。

1.設計不良。

2.質量偏差(加工、裝配等)。

3.使用不當。

三項人為因素中，對故障率影響最大的是使用不當。

(三)時間因素：環境因素、人為因素是促使設備發生故障的誘因，在考慮環境因素和人為因素時需將時間因素考慮在內。

常見的磨損、變形、裂紋、腐蝕等故障機理都與時間有密切關系，盡管機件中存在著故障隱患及形成故障的其他外因，如果沒有時間的延續故障不一定發生。可見，時間也是形成故障的主要外因之一。

設備故障中，除了意外的突發性故障外，大多數屬于漸發性故障，亦即時間依存性故障。只有這類故障才為故障診斷提供可能。通過狀態監測與故障診斷掌握故障的形成與時間的變化規律，從而可以采取有效的措施使不希望發生的變化過程減慢，推遲故障的發生和減小故障后果。

三、描述故障的特征參量

描述故障的特征參量可歸納為兩大類，即直接特征參量和間接特征參量。

1.直接特征參量

(1)設備或部件的輸出參數：設備的輸出與輸入的關系以及輸出變量之間的關系都可以反映設備的運行狀態。

(2)設備零部件的損傷量：變形量、磨損量、裂紋以及腐蝕情況等都是判斷設備技術狀態的特征參量。

2.間接特征參量(二次效應參數)：主要是設備在運行過程中產生的振動、噪聲、溫度、電量等。

使用間接特征參量進行故障診斷的優點是:可以在設備運行中并且無需拆卸的條件下進行。

不足之處是間接特征參量與故障之間的關系不是完全確定的。

對于同一類二次效應，描述它的特征參量可以有多個,如振動可用位移、速度、加速度描述。

對于不同的故障和頻率范圍，二次效應參數與故障判斷之間的靈敏度和有效性也不完全相同。因而在故障診斷中，就存在一個合理選擇特征參量的問題。

用間接特征參量進行故障診斷的主要優點是可以在設備運行中以及不做任何拆卸的條件下進行診斷。其缺點是間接特征參量與故障間常存在某種隨機性。

第二節　設備故障診斷技術及其實施過程

一、設備故障診斷技術的實施過程

測取設備在運行中或相對靜止條件下的狀態信息，通過對信號的處理和分析，并結合設備的歷史狀況，定量識別設備及其零部件的技術狀態，并預知有關異常、故障和預測未來技術狀態，從而確定必要的對策的技術，即設備故障診斷技術。

設備故障診斷技術的實施過程分為狀態監測、分析診斷和治理預防三個階段。

1.狀態監測

通過傳感器采集設備在運行中的各種信息，將其轉變為電信號或其它物理量，再將獲取的信號輸入到信號處理系統進行處理，以便得到能反映設備運行狀態的參數。

信號處理系統主要是將有用信號(征兆或故障征兆)提取出來，而將無用信號和干擾信號排除。

2.分析診斷

包括狀態識別和診斷決策，即根據狀態監測得到的能反映設備運行狀態的征兆(或特征參數)的變化情況，將征兆(或特征參數)與某故障狀態參數(模式)進行比較，來識別設備是否存在故障，判斷故障的性質和程度及產生的原因、發生的部位，并預測設備的性能和故障發展趨勢。

3.治理預防

根據分析診斷得出的結論來確定治理修正和預防的辦法，包括調度、改變操作、更換、停機檢修等。如果認定設備尚可繼續運行一段時間，那就需要對故障的發展情況做重點監視或巡回監視，以保證設備運行的可靠性。

二、狀態監測與故障診斷的區別與聯系

狀態監測是故障診斷的基礎和前提;故障診斷是對監測結果的進一步分析和處理，診斷是目的。

設備的狀態監測與故障診斷既有聯系又有區別，有時為了方便，統稱為設備故障診斷。

三、設備故障診斷技術的分類

可以按不同的方法對故障診斷技術進行分類：

(一)按照診斷的目的、要求和條件分類

1.功能診斷和運行診斷：功能診斷是指對新安裝或剛維修設備及部件的運行工況和功能進行檢測和判斷，并根據檢測與判斷的結果對其進行調整。而運行診斷是指對正在運行中的設備或系統進行狀態監測，以便對異常的發生和發展進行早期診斷。

2.定期診斷和連續監測: 定期診斷是指間隔一定時間對服役中的設備或系統進行一次常規的檢查和診斷。而連續監測則是采用儀器儀表和計算機信號處理系統對設備或系統的運行狀態進行連續監視和檢測。

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（責任編輯：中大編輯）

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