81故障诊断技术与状态监测维修投寄稿Word文档下载推荐.docx
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因此,开展设备的状态监测与故障诊断技术的应用和研究工作,应成为我矿提高设备管理水平、推动技术进步、确保设备安全稳定运行的主要途径。
除此之外,该技术的应用与发展,又推动了维修制度的变革,使维修方式逐步地从定期维修过渡到以状态监测为基础的维修,从而极大地节省维修费用,减少停机损失。
其综合效应是帮助企业增产增效,获得最大的经济效益。
设备状态监测与故障诊断技术是一门新型的边缘学科。
它所涉及的知识面广,内容丰富多彩。
进行状态监测,需要测试分析技术、信号处理、信息传输等方面的知识;
故障诊断,需要对设备的结构特点、力学性能、制造安装条件和运行历史有详情的了解,对产生故障的因素有多层次的分析能力;
分析故障机理,需要具有机械振动、流体力学、结构动力学、转子动力学和摩擦、磨损等方面的知识。
故障的防治对策需要有丰富的经验、正确的判断力和振动控制方面的理论知识。
正在研究与发展中的人工智能故障诊断,更需要有多方面的数学、物理知识。
1设备故障诊断技术与维修方式的关系
设备维修的发展过程经历了事后维修、预防维修(计划维修)和状态监测3个阶段。
而设备诊断技术一直与设备维修紧密联系,因此与维修的发展阶段相适应,相应的维修方式有故障维修、定期维修和预知性维修(视情维修)。
(1)事后维修阶段。
当设备性能、精度下降到合格水平以下或设备的某些运行参数使用余量已经用尽,而导致设备在运行当中突然发生故障,才被迫停机检查故障原因和发生部位而进行修理。
这一阶段的维修被称为事后维修,即故障维修。
这种维修方式只对于结构相对简单,修理技术不复杂,一般设有备机,停机修理不会对生产造成较大损失的设备。
故障诊断的目的就是迅速找到故障发生的部位,为机器的迅速修复提供依据。
故障诊断的手段是通过对设备的解体分析并借助以往的经验以及一些简单的仪器。
它的主要缺点是事后检查,因此不能防止故障所造成的损失。
(2)预防维修阶段。
这一阶段机器设备本身的技术复杂程度也有所提高,设备故障或事故产生的影响显著增加,从而出现了定期预防维修方式。
预防维修立足于将故障隐患消除在发生之前。
这时维修的策略是以机械设备的可靠性为出发点,根据设备运行状态实际劣化的程度来决定维修时间和维修规模,制定出最佳的维修周期。
由于是以可靠性为中心的,也就不可避免地形成了一定程度的过剩维修。
故障诊断的目的在于为合理的维修周期的制定提供依据,并在定期维修前检查突发性故障,保证在出现故障之前就能排除故障。
诊断手段主要是一些简单的状态监测仪,多设有一定运行参数的报警值,能够对突发故障进行预测。
主要有两个体系:
一是以美国为主要代表的预防维修。
是通过对企业全部设备进行分析研究,定出需要优先安排日常点检查和定期检查的重要设备。
二是计划预防性维修。
是以年、季、月、旬为周期,执行大、中、小修和检查的维修结构计划维修方式,制定计划的基础是修理复杂系数和生产方式。
我矿目前就采用这种方式。
定期维修是一种以设备运行时间为基础的维修方式,即根据设备的磨损规律,故障率出现规律,事先制定计划,确定修理类别、修理间隔周期、修理内容及技术要求。
其缺点十分明显,主要有:
①各种设备的磨损规律、劣化程度差异很大,即使同型号设备,由于制造质量、使用条件、维护优劣等情况的差别,设备零部件的技术状态和使用寿命相差很多,一律按统一规定的修理周期停机大修,将造成早该修的未修(失修),不该修的也修(过剩维修),一些不到使用寿命的零件也更换下来,带来的后果是维修量大,耗时耗费。
②大修时对设备全部或大部分零部件进行解体检查,这对于一些使用条件要求高、装配精密的机械,过多地拆卸容易造成人为故障。
美国宇航局(NASA)经过调查后认为,70%的设备进行定期维修不仅是无效的,而且反而有害,因为每维修一次,故障率相应升高,故障多数发生在维修后的一周之内。
日本维修人员的经验是,定期维修后一周之内出现的故障率为60%,一月之内的故障率可达80%左右。
据美国设备维修专家分析,有将近1/3的维修费用属于“维修过剩”造成的浪费,原因在于:
预防性定期维修的间隔周期是根据统计结果确定的,在这个周期内仅有2%的设备可能出现故障,而98%的设备还有剩余的运行寿命,这种谨慎的定期大修反而增加了停机率。
美国航空公司对设备的普查结果表明,66%的设备由于人的干预破坏了原来的良好状态,降低了可靠性,造成故障率上升。
③因为大修前对设备内部有无缺陷和运动部件的磨损状态缺乏了解,大修时需要的备品备件种类多,维修费用大。
定期维修带来的过剩维修或失修,使维修费用在生产成本中所占的比重很大。
对于工业发达的国家来说,任何一家公司的设备维修费用在生产成本中都是一个可观的数字。
在日本,工业装置的维修费用为年销售金额的6%~10%,加上备品备件库存成本,总维修费用高达年销售金额的25%,美国多年的研究表明,维修费用随着技术的发展和自动化程度的提高而增加,其增长速率比生产总成本增长的速率还要大。
(3)状态监测阶段。
随着计算机技术、信号处理技术等的发展,设备诊断技术出现了更科学的监测手段,而机械设备越来越朝着大型化、高速化、精密化、系统化和高度自动化方向发展,机器故障对生产造成的影响和危害越来越严重。
因此,设备管理现代化的要求,使人们认识到,如果能采用一种预知维修方式,即在设备运行时,对它的各个主要部位产生的物理、化学信号进行状态监测,掌握设备的技术状况,对将要形成或已经形成的故障进行分析诊断,判定设备的劣化程度和部位,在故障发生前胸有成竹地制订预知性维修计划,确定设备应该修理的内容和时间,这就是基于状态监测为基础的维修。
其维修策略是定期地对设备的状态进行监测,依据监测的结果决定是否对设备进行维修,从而避免了预防维修中的过剩维修,大大降低了维修成本。
诊断的手段是以信号采集与处理为中心,多层次、多角度地利用各种信息对设备运行状态进行评估,针对不同的设备采取不同的措施。
属于正常运行状态的设备,可依据原先的检测计划进行检测;
属于故障进行性发展的设备,重点检测;
而个别故障严重发展的设备,应及时停机进行故障诊断。
这是最经济合理的维修方式,称为预知性维修或状态监测维修。
预知性维修要求不断地测知表征设备状态的参数,并且经过分析、判断,能够作出设备是否发生故障以及故障类型、故障性质和故障程度的评价。
它不仅要求了解设备的现状,还要从测得的数据中推测到设备的技术状态和发展趋势,计算出最佳的维修时机。
显然,这一维修方式比定期维修方式要先进得多,因为预知维修是以设备的实际状态为依据,以设备故障诊断为基础的。
它的优点既能经常保持设备的完好状态,又能充分利用零部件的使用寿命,从而延长大修间隔,缩短大修时间,减少故障停机损失。
这种维修方式的优点表现在如下几方面:
①减少突发性事故,保证设备安全和产品质量,降低设备维修费用;
②减少停机时间,降低停产损失;
③延长维修周期,增加产品年产量;
④采用预知性维修方式,免除过剩维修,延长了设备和零部件使用寿命;
⑤减少购置设备和备品备件费用,节约维修工时、备件消耗和原材料消耗。
维修方式的变革经历了故障维修、定期维修和状态监测维修三个阶段(各阶段的情况比较见表1)。
表1
维修方式
比较内容
使用对象
事后维修(故障维修)
设备使用到出现故障或性能、精度下降到合格水平以下而无法继续使用时才进行维修
设备结构相对简单,修理不复杂,能及时获得修理配件,发生故障后停机修理不会对生产造成损失,一般均设有备机
定期维修(计划维修)
按磨损规律和故障概率得出维修周期,再根据生产计划定期停机维修。
大修时对设备进行解体检查,更换或修理零部件
适用于单机连续运行的流程工业和自动化生产线上的设备,对这些设备已充分掌握其磨损规律和故障概率。
某些关键设备和零部件,按疲劳寿命或可靠性分析计算得到使用周期,到时必须更换,以确保设备运行安全可靠
状态监测维修(预知性维修)
根据对设备运行状态监测获得的信息,判断设备是否存在故障,故障程度和发展趋势,提出最佳的维修时间和维修部位
用于单机连续运行的生产设备,停机损失巨大的大型机组和重大设备,不宜解体检查的高精度设备以及发生故障后会引起公害的设备。
这些设备必须具备状态监测与故障诊断的条件
据日本日立公司的资料统计,将诊断技术应用到状态监测维修工作中去,设备利用率有明显提高。
采用设备诊断技术,每年设备维修费用可减少25%~50%,而故障停机时间可降低75%,经济效益十分显著。
工业发达国家的经验认为,90%的设备要求实行预知性维修,只有10%的设备才需要定期维修,这样做可使设备利用率最高,维修费用最低。
国内虽无统计资料,但从设备诊断工作开展较早的石化行业来看,由于设备的状态监测与故障诊断工作实行了多级管理,加强了对旋转机械的振动监测和压力容器的安全检测,一些大型装置的心脏设备——大机组,大维修周期从1年可延长到2年或3年,而故障率比装置投产初期有明显下降。
一些企业每年从减少停机维修时间损失这一项上,可获得数千万元的经济效益。
因此,国外专家认为,把少量美元花费在预防和监测技术上,比把上百万美元化费在因为主要设备损坏而引起强迫停机后的维修上更有价值,可见开展状态监测维修的重要性。
预防性定期维修逐步过渡到“状态维修”已成为提高生产率的重要途径。
(4)智能管理阶段。
进入上世纪80年代以后,人工智能技术和专家系统、神经网络技术的发展和在工程设计中的应用,使设备维修达到了智能化的程度。
虽然这一阶段发展的历史并不长,但已有的研究成果表明,设备智能诊断具有十分广泛的应用前景。
2故障诊断与故障诊断技术概述
设备故障诊断是指应用现代测试分析手段和诊断理论方法,对运行中的机械设备出现故障的机理、原因、部位和故障程度进行识别和诊断,并且根据诊断结论,确定设备的维修方案和防范措施。
机械设备的故障,就是反映设备散失工作效能的程度,或者指设备散失了它所要求的规定性能或状态。
诊断是指采用各种测试、分析手段和故障状态的识别方法来确定故障的性质、程度、类别和故障部位,并研究故障产生记录机理的一门学科。
设备故障诊断所包含的内容可分为三部分。
第一部分是利用各种传感器(也包括人体的感觉器官)和监测仪表获取设备运行状态的信息,这就是信号采集(如振动、噪声、温度等)。
采集到的信号还需要用信号分析系统加以处理,去除无用信息,提取能反映设备状态的有用信息(称为特征信息),从这些信息中发现设备各主要部位和零部件的性能是处于良好状态还是故障状态,这部分内容称为“状态监测”;
第二部分是在不拆卸和基本不拆卸设备的情况下,如果发现设备工作状态不正常或存在故障,则需要对能够反映故障状态的特征参数和信息进行识别,利用专家的知识和经验或诊断技术中的数学、物理方法,像医生诊断疾病那样,掌握设备运行现状,定量地监测和评价设备的以下状态:
①设备所承受的应力;
②强度和性能;
③故障和劣化;
④预测设备的可靠性。
在设备发生故障的情况下,对故障原因、故障部位、危险程度进行评定,并确定正确的修复方法,这部分内容称为“故障诊断”;
第三部分称为“诊断决策”。
是根据诊断结论,采取控制、治理和预防措施的决策。
治理预防措施是在分析诊断出设备存在异常状态,即存在故障时,就其原因、部位和危险程度进行研究并采取治理措施和预防的办法。
通常包括调整、更换、维修、改善等方面的工作。
如果经过分析认为设备在短时间内尚可继续维持运行时,那就要对故障的发展加强检测,以保证设备运行的可靠性。
在故障的预防措施中还包括对设备或关键零部件的可靠性分析和剩余寿命估计。
有些机械设备由于结构复杂,影响因素众多或者对故障形成的机理了解不够,也有从治理措施的有效性来证明诊断结论是否正确。
根据设备故障情况,治理预防措施有巡回监视、监护运行、立即停机维修三种。
由此可见,设备诊断技术所包含的内容比较广泛,诸如设备状态参数(力、位移、振动、噪声、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力和流量等)的监测,状态特征参数变化的辨识,机器发生振动和机械损伤时的原因分析,故障的控制与防治,机械零部件的可靠性分析和剩余寿命估计等,都属于设备故障诊断的范畴。
从广义上讲,故障诊断技术还应包括设备的工作效率诊断。
有些设备虽未出现明显的故障,但长期处于低效率下运行,也会造成经济损失。
例如,一台水泵的一生寿命费用中,能源消耗占95%,维修费用占4%,购置费用近占1%。
如能将效率提高1%,就是一台泵的价值。
通过监测水泵出口的压力、流量和功率,使其在最高效率下运行,对大多数水泵来说可降低10%的能耗,节省的费用是维修费用的2倍多,是泵本身价值的近10倍。
所以通过状态参数的监测和设备性能分析来提高设备效率,也是故障诊断工作中的一项任务。
设备诊断技术绝不是检查的仪表化加上检测技术,它涉及各个方面的知识以及对检测设备故障机理的研究。
设备诊断技术是综合各种诊断对象(系统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等)的特殊规律而逐渐形成的一门新兴的、多学科的综合技术。
设备故障诊断技术又称设备状态诊断技术,是在一定工作环境下,根据机械设备运行中或基本不拆卸全部设备的情况下,通过定量监测设备状态参数,了解和掌握设备在线使用的状态,依据设备在使用过程中的故障机理、传动及劣化磨损机理,采用应力检测与分析、故障劣化检测与分析、性能强度检测与分析等各种方法,结合设备的运行历史,对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析、判断,确定故障性质、类别、程度、原因、部位,指出故障发生和发展的趋势及后果,提出控制故障继续发展的措施,通过采取调整、维修、治理的对策消除故障,最终使设备恢复正常状态。
概括地说设备诊断技术是分析和判断设备运行状态,预测和鉴定设备故障部位与劣化程度,预测设备的可靠性与寿命,确定最合适的修理方法与最佳修理周期等一整套的科学管理。
通俗一点说,设备诊断技术就是给设备“看病”,诊断设备的毛病。
这里所说的“设备”是广泛意义上的设备,不仅包括各类运转的机器,还包括管道、阀门、工业炉等静态设备以及电气设备。
故障诊断技术可简单地划分为传统的诊断方法、数学诊断方法及智能诊断方法。
①传统的诊断方法包括:
振动监测技术、油液分析技术、噪声监测技术、红外测温技术、声发射技术以及无损检测技术等;
②数学诊断方法包括:
基于贝叶斯决策判据以及基于线性和非线性判别函数的模式识别方法、基于概率统计的时序模型诊断方法、基于距离判据的故障诊断方法、模糊诊断原理、灰色系统诊断方法、故障树分析法、小波分析法以及混沌分析法与分形几何法等;
③智能诊断方法包括:
模糊逻辑、专家系统、神经网络、进化计算方法(如遗传算法)等。
当今故障诊断技术发展趋势是传感器的精密化、多维化,诊断理论、诊断模型的多元化,诊断技术的智能化。
设备诊断技术的全称是设备状态监测与故障诊断技术。
设备状态监测与故障诊断技术的实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态,评价、预测设备的可靠性,早期发现故障,并对其原因、部位、危险程度等进行识别,预报故障的发展趋势,并针对具体情况做出决策。
发现故障、诊断故障并不是状态监测与故障诊断工作的全部目的,确定故障原因、采取合理的治理措施,在确保安全的前提下,将不采用状态监测与故障诊断技术时的立即停机维修转化为采用状态监测与故障诊断技术后的维持运行,避免不必要的停机,延长设备运行周期,才是状态监测与故障诊断的真正目的,也是这项技术能够迅速发展、推广的根本原因。
由此可见,设备状态监测与故障诊断技术包括识别设备状态和预测发展趋势两方面的内容。
具体过程分为状态监测、故障诊断和诊断决策三个基本环节。
设备故障诊断的三部分内容和实施过程如图1所示。
实施设备诊断技术能避免发生突发性故障,将以往的事后维修和预防定期维修转为按设备的实际状态及时进行维修,即由静态维修发展到动态维修;
根据设备零件劣化程度和寿命分析,确定合理的修理方法和时间,确定出最佳的储备量和订购量;
根据设备诊断对设备故障部位和原因分析的资料,改进以后的设备设计和改造。
总之,设备诊断技术的实施,可以提高设备寿命,减少设备维修时间,降低设备维修费用,显著地提高企业的经济效益。
图1设备故障诊断的三部分内容和实施过程
3设备状态监测与状态监测维修概述
对运转中的设备整体或其零部件的特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示、记录,对技术状态进行鉴定,以判断其运转是否正常,有无异常与劣化征兆,或对异常情况进行追踪,预测其劣化趋势,确定其劣化及磨损程度等,这种活动称为状态监测。
状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息,或者在故障处于轻微阶段时将其检测出来,以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生,从而减少故障停机时间与停机损失,降低维修费用和提高设备有效利用率。
既能使设备经常保持良好状态,又能充分利用零件的使用寿命。
设备维修周期长度根据设备状况来定,这样可以充分发挥设备的潜力,可以做到根据实际情况进行维修,有可能制定恰当的订货周期和储备量,因而可缩短维修时间和节省维修费用。
显然状态监测维修是一种更科学、更加合理的维修方式,既可避免过剩维修又可防止维修不足。
状态监测维修是从国外引进的较先进的维修方法。
状态维修亦称视情维修、预知维修、适应性维修等。
它与“定期计划维修”的主要区别,是以实际运行状态取代固定的维修周期。
状态监测维修是运用各种监测手段和人的五官感觉,收集、分析和处理设备状态变化的信息,及时发现设备的故障征兆,预测其发展趋势,以便适时采取维修对策,使设备经常处于良好的运行状态。
企业对关键的生产设备采用以状态监测为基础的维修方式,可减少停机次数和突发故障,缩短停机时间,提高设备可靠性;
减少维修费用和停产损失,提高经济效益;
可以减少设备事故和避免人身事故。
诚然,状态维修也有其局限性。
首先,状态维修要建立在准确的状态诊断基础上,而准确的状态诊断的前提是完善和准确的状态监测,尤其是实时在线监测。
目前,状态监测的手段固然不少,但对于运行设备,特别是线路上运行设备的状态监测,还难以做到完善可靠。
其次,状态诊断是以单台设备为目标,而主要设备的停用涉及到整个生产系统设备运行安排。
故难以按某台设备的状态确定停用时间。
综上所述,设备的状态监测和诊断技术方法的主要内容包含以下几个方面:
①合理应用监测仪器,正确运用诊断技术;
②对运行中的设备定期或随机进行状态监测和诊断;
③利用有经验的专门人员进行状态监测;
④积累数据,掌握动态,摸索规律,为设备的状态管理维修提供科学的依据。
4状态监测维修与故障诊断的关系
设备诊断技术与人们熟悉的医学上的症状诊断是十分相似的,对设备进行的定期检查,就相当于对人体进行的健康检查,设备定期检查中发现的设备技术状态异常现象,则相当于人体检查中发现的各种症状,根据设备技术状态对设备劣化程度与故障部位、类型、原因所作分析判断就相当于根据人体和人体症状对病位、病名、病因所作的识别鉴定即诊断。
所以,进行设备诊断必须有正确的根据,这就必须进行状态监测和记录,掌握设备从过去到现在的经历及状态。
状态监测与故障诊断是诊断技术的两个组成部分,有联系但又不同。
状态监测主要是对设备的技术状态进行初步识别,故障诊断则是对该状态的进一步分析识别和判断;
没有监测就没有诊断,诊断是目的,监测是手段;
所以监测是诊断的基础和前提,诊断是监测的最终结果。
设备状态监测是设备诊断技术不可缺少的组成部分。
设备故障诊断技术的完善、发展和普遍应用,是实现设备维修体制变革的前提,最终实现状态监测维修,以取代传统的定期计划维修体制。
5状态监测维修的控制要点
状态维修总原则是实施维修成本、效益管理。
具体来说,是在两次停用维修之间,力求设备长周期处于完全可用状态,使用可靠性能保持或接近最佳状态。
控制要点如下:
5.1设备的控制
设备是保证生产能力的物质基础。
必须采取先进的管理办法,搞好它们的维护、保养和维修,在初次使用前和使用过程中都要确认其准确度和完好率,使之经常处于良好的状态之中。
(1)实施专群结合的“三检制”
为保持设备持续稳定的完好能力,我矿应实施群众性日常点检与专职责任人员的巡检相结合的“三检制”,并长期加以坚持。
点检:
通过维护(操作)者的感官(眼看、手摸、耳听),依据“设备运行记录”所记载
的部位进行定点检查;
巡查:
由专职责任人员在点检的基础上,采用专用仪器仪表、对点检情况进行定量复查评价。
比如,利用红外线测温仪探测导电部位过热现象。
其检查项目、时间和频次视设备运行情况而定;
定检:
根据“设备运行记录”中对设备存在的缺陷所提问题,建立设备周期点检卡,并由技术人员对设备的技术状态进行检查。
(2)定期分析设备技术状态
对重点设备(如主井、副井卷扬机,1000m旋回破碎机,运矿皮带装置,排水泵,空压机等)或故障多发设备(凿岩台车,铲运机等),应定期进行调查分析,确定现场方法与实践原因,采取对策。
这种分析除使用技术检测工具外,还可采用计算机数据信息,分层次逐项深入地进行,并根据分析结果,编制对策计划,调修设备,使之达到良好状态时再运行。
(3)建立设备的强制维修制
强制性维修,是依据设备的年度计划和“三检制”中发现的潜在问题所进行的强制性维修的一种制度。
为保证其维修质量,应做好以下几项工作:
①依据设备的新旧程度、复杂系数及担负量的大小,实行分类编组,对维修人员实行分组包干;
②工区(车间)设立设备专职(兼职)运行考核员,统计设备的使用、维修状况,考核设备的完好率;
③对维修后的设备,要重新进行级别验证,审定合格后方可投入运行。
5.2人的因素的控制
任何生产过程都离不开人员的操作。
在设备质量因素中,人是最活跃的因素,但又是最难以控制的因素。
主要应做好以下工作:
①加强“质量第一,用户至上”的质量意识教育,实施可追溯性的管理方法,建立健全质量责任制;
②严格维修规程,加强专业维修培训,颁发维修操作等级合格证,实行持证维修;
③通过工种间的人员调整,工作经验丰富化等方法,消除维修人员的厌烦情绪;
④广泛开展QC小组、TNPM活动等,促成维修人员的自我提高和自我改进能力,使维修工作规范化,提倡自我管理,开拓创新。
6状态维修的信息管理
设备的控制和人的因素的控制是状态监测维修的控制要点,其要点的原则和方法最终要落实到
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