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设备的故障及诊断分析
目录
一、设备故障分析 2
1、 故障的形成过程 2
2、 故障的产生原因 2
3、 常见的故障表现形式 3
4、 故障率 3
5、 故障特性 4
二、诊断技术分析 5
1、 检测技术发展阶段 5
2、 常用的故障检测方法 6
3、 降低设备故障的措施 7
三、参考文献 8
一、设备故障分析
1、故障的形成过程
设备故障是指设备在规定的时间内、规定的条件下丧失规定的功能的状况。
图l中，P点表示性能已经恶化，并发展到可识别的潜在故障的程度：
可能是表明金属疲劳的一个袭纹，也可能是振动，说明即将发生轴承故障等等。
F点表示潜在故障已变成功能故障，换句话说，它已质变到损坏的程度了。
P—F间隔，就是从潜在故障的显露到转变为功能性故障的时间间隔。
各种故障的P—F间隔差别很大，可由几秒到好几年，突发故障的P—F间隔就很短。
较长的间隔意味着有更多的时间来预防功能性故障的发生，因而，要不断地花费很大的精力去寻找潜在故障的物理参数，为采取新的预防技术，避免功能性故障，争得较长的时间。
图1
2、故障的产生原因
以下所列机械故障产生原因是排除设备自身的设计因素之外的其他原因。
1
2
1）零件的损坏及配合关系的变化
机械设备在使用过程中，各种因素对零件发生作用，造成零件的现有尺寸、形态偏离了原始没计性能。
这其中既包括意外损伤造成，又包括老化损伤造成。
此时，设备的零件与零件之间的原有配合，发生了变化，无法发挥其自身的性能，造成机械综合工作能力的损耗。
具体表现为机件配合间隙增大，刚性下降；机械的主要联接部件发生磨损、扭曲变形；主要部件磨损和老化等。
2）设备超负荷运转。
每一台设备都有一个设计输出参数极限，当无视设备承载能力，超负荷运转机械设备，使其实际输出参数超出其设计输出极限时，机械的负荷增加，摩擦系数增大，零部件易发热，易损伤，造成故障。
此时，机械设备的综合工作能力反而下降。
3）人为操作的失误。
由于操作人员或技术维护人员的操作失误，也极易造成设备的损坏故障。
人为因素分为无意识和有意识两种状态，前者是潜意识中形成的一种错误的操作习惯或忘记操作的注意事项而造成；后者则表现为技术观念上的错误，规则、知识、技艺等方面的错误。
3、常见的故障表现形式
故障的典型模式有：
异常振动、磨损、疲劳、裂纹、破裂、过度变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、松弛、熔融、蒸发、绝缘老化、异常声响、油质劣化、材质劣化等。
通常情况下，机械设备故障的表现形式主要有下面几种。
1）性能异常。
机械设备的动力性差，例如，最高转速出现较为显著的下降，加速性能不好；耗油量增加；振动和噪声显著增强；操纵不稳定。
2）响声异常。
当设备在正常工作状况条件下的均匀与轻微的声响变成杂乱而沉重的声响时，提示设备出现异常。
3）产生异味。
机械设备在出现故障的时候，可能会产生一些异味，例如，非金属摩擦材料可能会产生焦臭味，由于电气系统和导线烧毁会导致焦糊味，机油泄露就会导致烧焦味，等等。
4）温度升高。
发动机、制动器、轴承等部位的温度值超出规定范围。
如不及时发现、诊断并排除，很易引起机件烧毁事故。
一般有两种情况导致温度升高：
一是机械设备始终保持较高的负载，这种情况对于其工作并无大碍；二是机械设备的内部结构发生故障，这种情况必须立即进行诊断和排除。
5）油液渗漏。
机械设备在出现故障的时候，可能会导致机油、冷却液、润滑油和制冷剂的渗漏和电气系统的漏电等等。
机械设备的油液渗漏非常容易造成机械设备的温度升高，不利于机械设备的正常工作。
6）外观异常。
机械设备的外观会出现纵向偏斜或横向歪斜，这不利于其正常工作，例如：
设备出现较为严重的振动，重心偏移，转向不稳和设备跑偏等。
4、故障率
根据所学知识，我们知道典型故障率曲线为浴盆曲线。
浴盆曲线通常用来表述设备故障率与时间的相关关系，一般有3个阶段，如图2所示。
ⓐ—规定故障率；ⓑ—故障率；ⓒ—早期故障率；ⓓ—耗损故障期；
ⓔ—偶发故障率ⓕ有效寿命；ⓖ—时间；ⓗ—经维修故障率下降
图2
1）早期故障期
早期故障对于机械产品又称磨合期，与机械的设计和制造的缺陷及使用的环境不当有关。
早期故障发生的规律是：
开始故障率很高，随着机械的使用故障率下降。
2）偶发故障期
偶发故障期又称有效寿命期。
此阶段发生规律是：
稳定性与随机性，稳定性即故障率趋于一个定值，且故障率是最低的。
故偶发故障期也是机械设备使用的最佳状态。
偶尔故障的发生原因与设计和使用不当及维修不力有关。
因此，可以通过提高设计质量，加强使用管理，增加检修诊断与维护工作来降低故障率。
3）耗损故障期
随着时间的推移，设备使用的时间越久，设备零部件的磨损老化及腐蚀程度越大，设备开始进入损耗故障期，故障率开始上升。
在损耗故障期刚发生时对机械设备加强维修工作，可以减少经济损失，降低故障率。
5、故障特性
机械故障是与磨损、腐蚀、疲劳、老化等机理分不开的，根据机械故障形成的一般过程，机械故障主要有以下一些特性：
1）潜在性
机械在使用中会出现各种损伤，损伤引起零部件结构参数发生变化，当损伤发展到使零部件结构参数超出允许值时，机械即出现潜在故障。
由于机械设计考虑一定的安全系数，即使某些零部件的结构参数超出允许值后机械的功能输出参数仍在允许的范围内，机械并未发生功能故障。
同时，通过润滑、清洁、紧固、调整等手段可以消除或减缓损伤的发展，使潜在故障得到一定程度的控制甚至消除。
因此从潜在故障发展到功能故障一般具有较长的一段时闻，机械故障的潜在性可通过维护来减少功能故障的发生，从而大大延长了机械的使用寿命。
2）渐发性
由于磨损，腐蚀、疲劳、老化等过程的发生与时间关系密切，因而引起的机械故障也与时间有关。
机械使用中损伤是逐步产生的，零部件的结构参数也是缓慢变化的，机械性能也是逐渐恶化的。
机械使用时间越长，发生故障的概率就越大，故障发生的概率与机械运转的时间有关，由于故障的渐发性这一特性，使多数的机械故障可以预防。
3）耗损性
机械磨损、腐蚀、疲劳，老化等过程伴随着能量与质量的变化。
其过程是不可逆转的。
表现为机械老化程度逐步加剧，故障越来越多。
随着使用时间的增加，局部故障的排除虽然能恢复机械的性能，但机械的故障率仍不断上升。
同时损伤的消除也是不完全性的，维修不可能使机械的性能恢复到使用前的状态。
4）模糊性
机械使用中，由于受到各种使用及环境条件的影响，其损伤与输出参数的变化都具有一定的随机性与分散性。
同时，由于材料与制造等因素的影响，机械的各种极限值，初始值也具有不同的分布，同一机械在不同的使用环境下，输出参数随时间也具有不同的分布。
从而导致参数变化及故障判断标准都具有一定的分散性，使机械故障的发生与判断标准都具有一定的模糊性。
5）多样性
机械使用中，由于磨损，腐蚀、疲劳、老化过程的同时作用，同一零部件往往存在多种故障机理，产生多种故障模式，例如轴的弯曲变形、磨损，疲劳断裂等。
这些故障木仅故障机理与表现形式不同，而且分布模型及在各级的影响程度也不同，使故障呈现出多样性。
二、诊断技术分析
1、检测技术发展阶段
主要经历了四个阶段：
1）第一阶段：
事后维修阶段：
分兼修阶段和专修阶段，前者分工淡化，设备操作人员与设备维修人员等同；专修阶段时操作与维修分工开始清晰，但总的来说都是“坏了才修，不坏不修”的设备检测状态。
2）第二阶段：
预防维修阶段：
强调预防性，按计划进行，因跟进生产的过程不足，容易造成“时而维修过剩，时而维修不足”的现象。
3）第三阶段：
生产维修阶段：
开始跟踪生产的过程，包括事后维修、预防维修、纠正维修、维修预防的维修特征，但是维修过程不能形成综合“系统”。
4）第四阶段（现阶段）：
各种方式并行阶段。
强调设备的综合管理和兼容并蓄。
一般来说，设备故障检测一般包括简易诊断与精密诊断。
2、常用的故障检测方法
1）无损检测方法
无损检测技术也可以称为无损探伤，它是一种综合性诊断技术，也就是说，通过利用物质的某一物理性质由于具有缺陷而出现变化的特征，在被检对象不被破坏的基础上，来对其进行检测，以检测其中是否存在着缺陷。
无损检测技术的无损性是它最为明显的一个优点。
在当前形势下，无损检测技术涵盖了射线探伤、磁力探伤、超声探伤和渗透探伤等许多方面，其非常有利于产品制造工艺的改进、产品制造成本的降低以及机械设备的运行可靠性的提高，等等。
2）油液分析方法
油液分析技术是以光谱分析和铁谱分析为代表的，它的主要优点就是具备较高的信息集成度。
它的缺点就是仅仅对磨损类故障起作用，并且诊断周期较长，同时，通常仅仅可以在实验室进行诊断，诊断结果非常容易受到诊断工作人员的影响。
油液分析技术一般用来进行液压系统和润滑系统的故障诊断。
3）解析冗余取代硬件冗余
解析冗余主要是通过构造观测器估计出系统输出，然后将它与输出的测量值比较从中取得故障信息。
该方法是以系统数学模型为基础，利用观测器、参数模型和空间方程的方法产生残差，通过现代优化方法和控制理论作为指导，再结合相应的阈值或法则来评估决定残值。
作为系统修复、重构和监控、容错控制的前提，这种诊断方法必须要与控制系统紧密结合。
4）温度检测方法
温度检测技术是利用机械设备故障导致的温度异常，由于设备的某些部位对温度相当敏感，温度变化也较易监测，利用热学传感器检测这种异常温度所产生的热信号就可以查找机件缺陷和诊断出由热应力引起的故障。
温度检测可分为主动式和被动式。
主动式是通过人为地给被测设备注入一定热量，然后获取其故障信息，由于采用的热源和测温仪器比较昂贵，目前应用上不普遍，主要运用在航天航空工业机件的故障检测。
被动式温度这段是通过机件自身所产生的热量来获取故障信息，这种方法无需外部热源，即使普通的测温仪器也可采用，所以适用于各种状态下的热故障检测。
5）铁谱分析技术
铁谱分析是一种借助磁力将油液中的金属颗粒分离出来，并对这些颗粒进行分析的技术。
目前铁谱分析仪主要有两种类型：
一种是直读铁谱仪，一种是分析铁谱仪。
分析铁谱主要是借助高倍显微镜来观察磨损颗粒的材料（颜色不同）、尺寸、特征和数量，从而分析零件的磨损状态。
分析铁谱也是一种强烈依赖个人经验的技术，结论的正确与否与分析者的个人经验关系极大，这也是这项技术仍在推广之中的原因之一。
铁谱分析方法比其它诊断方法，如振动法、性能参数法等能更加早期地预报机器的异常状态，证明了这种方法在应用上的优越性。
因此尽管这种方法出现较晚，但发展非常迅速，应用范围日益扩大，目前已成为机械故障诊断技术中举足轻重的方法。
6）振动诊断方法
相对于机械设备故障诊断的几种其它技术来说，振动诊断技术在机械设备故障诊断的所有技术体系中占据着非常重要的基础地位，并发挥着主导作用。
它具备下面几个优点：
具备比较雄厚的理论基础，具备较为完善的分析测试设备，能够得到更加准确可靠的诊断结果，更容易进行实时诊断等等。
然而，它也存在着一些缺点，也就是说，由于机械设备的振动诊断技术直接关系到信息传感、振动测试、信号处理等许多方面，所以，这就要求机械设备诊断技术人员具备较强的综合素质。
与此同时，此种诊断技术还具备部位敏感性的特征。
3、降低设备故障的措施
1）加强设备的保养工作，防止误保，杜绝漏保
设备管理人员应该熟练掌握说明书规定的保养方法，加强与工人的交流，对保养工作进行突检和抽查。
工人应增强责任意识，建立完善的奖罚机制，提高工作热情，调动工作积极性，做好保养工作，节约成本，确保设备正常运行，保证生产顺利完成。
2）提高操作人员的技术水平，加强设备的日常检查工作
对工人的技术水平严格把关，要求每一个工人熟练掌握机械设备的性能和原理，并做好书面设备检查记录。
除了把设备日常使用情况和工作量记录好，还要做好设备的维修记录，保养记录，零部件更换记录。
在设备发生故障时，通过工作记录便于分析故障原因。
3）提高机械维修质量和维修队伍素质
专业的维修队伍是减少设备故障率和保证生产顺利完成的重要条件。
例如：
对于大型机械设备，我们可以联系厂家来提供优良的售后服务和技术支持；对于小型机械内部修理应做到维修规范化，引进和探索新的维修工艺，杜绝浪费与延时。
其次要提高机械维修人员的技术水平和责任心，必要时进行业务培训和考核，建立一支有战斗力的机械维修队伍。
4）维修方式及选择
合理的维修方式有效的保证设备的正常运转，提高设备使用质量。
因此，优化维修决策，根据工程机械设备的特点（单体性和独立生产性）选择维修方式，同时，还应考虑维修的安全性和经济性，降低维修成本并使设备的使用效益最大化。
三、参考文献
1）楼应候，蒋亚南机械设备故障诊断与监测技术的发展趋势机床与液压，2002；
2）伦冠德机械设备故障检测诊断技术现状与发展[期刊论文]-拖拉机与农用运输车2007（03）；
3）钟秉林，黄仁机械故障诊断学［M］机械工业出版社，2002，第2版；
4）王致杰，王耀才，李冬现代大型设备故障智能诊断技术的现状与展望煤矿机械，2003（07）；
5）孙瑛论机械安全的检测技术机械研究与应用。
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