设备状态监测与故障诊断技术现场应用
设备状态监测与故障诊断技术现场应用
——浅析传统诊断、简易诊断、精密诊断之关系
作者：肖泽
第一章：序言
第一节：论坛感想
登陆振动论坛已经几个月了，总的感觉这里 是一个和谐、新颖、便利的学习交流园地。通过学习、交流受益非浅，增长了见识、提高了水平。振动论坛是现代故障诊断人员，特别是现场诊断人员自我学习、继续教育的好地方。
通过对论坛的访问，也感觉到目前从事故障诊断的新人们，还存在某些思想和认识上的缺憾。因此，本期讲座我不想过多地复述那些大家都已经熟悉的技术理论、方法，而主要想从诊断工作的现场实际出发，和大家共同探讨一些理念性的东西，以期在大家的思想中形成一个完整的现场工作思路和工作体系。这对故障诊断现场工作的整体发展，提高专业人员的整体素质有着重要和现实的意义。
最后再给大家一些经典的案例分析，通过这些案例分析，大家可以感受到讲座所提出的的思想，而不要单纯地将这些案例作为一个诊断的技术问题或者成功经验来理解。
从事了20多年的故障诊断工作，阅读了大量的资料和教科书，产生了很多感想，特别是从现场实际出发，对以往的某些概念或者说理念和定义产生了新的认识，在此提出来和大家共同探讨，某些认识可能未必正确或者准确。
状态监测与故障诊断的新理念
1. 设备状态监测
以监测设备振动发展趋势为手段的设备运行状态预报技术。
可以看出状态监测是以监测为基础，以判定设备的运行状态为目的，以预报设备的振动发展趋势为目标。通过长期监测最基础的振动数据（如：位移、速度、加速度），根据国际或国家的简易诊断的振动标准，判定设备振动是否超标或者对设备运行趋势做出预报，应用数学方法估算出运行设备将可能在什么时间振动超过标准，需要停车检修；具体的故障原因、部位、性质的分析则不是主要任务。当然仅依靠状态监测要准确地判断故障的部位、原因和性质还是有一定困难的。
2. 设备故障诊断
以分析设备振动特征参数为手段的设备运行故障诊断技术。
可以看出故障诊断是以分析设备的振动特征为基础，以判断设备的故障部位、原因、性质为目的，以保证设备经济运行和科学检修为目标。
故障诊断主要对异常（故障）设备进行更加细致的分析，期望找出与故障对应的特征参数，达到判断故障部位、原因、性质的目标，是建立在简易诊断之上的精密诊断，而不是抛开简易诊断而独往独来的，关于这一点我们后面再做详细地讨论。
判断设备的运行状况和发展趋势；
分析设备的故障原因、部位、性质；
提供科学检修的依据、指明检修的方向；
降低设备维修和维护成本，提高设备运行的经济性；
保证生产安全，提供决策信息；
第四节：开展设备故障诊断工作的意义
有利于提高设备的管理水平；
避免重大设备事故发生，减少事故危害程度；
可以获得潜在的巨大经济效益和社会效益
第五节：监测方式的分类
1.连续监测：也称在线监测，以数据采集和计算机分析技术，包括远程故障诊断技术为手段的精密诊断。优点：信息收集比较全面，分析手段丰富，准确性较高。缺点：设备投资较高，操作人员需要较高的理论基础。
２.定期监测： 按照确定的时间间隔，进行定期监测，一般以简单小型便携式检测仪器为手段，属于简易诊断。优点：设备简单、投资较小，操作简便、易行。缺点：信息收集和分析相对简单。
3. 故障监测:以操作人员和维修人员巡回检查为基础，感官发现设备运行异常时，再对设备进行测试和分析，查找故障原因，评价运行状况，为检修提供依据、指明方向。由于检测仪器硬件技术发展，基本抛弃了传统的定期状态监测方法，是目前现场较为常用的监测方法，介于精密诊断和简易诊断之间，适合于小型机组或离线监测设备的诊断分析，对大型机组，尤其是滑动轴承的机组并不适用。
第六节：故障的分类
各种资料和教科书中对设备故障的分类很多，从各种角度做了比较详细的分类。比如：局部故障与整体故障、突发性故障与渐发性故障等等，但偏偏没有从振动分析角度对设备故障进行分类。综合20年的现场工作经验，从故障诊断角度，我第一次提出将设备故障分为：内源性故障和外源性故障。
1．内源性故障：设备自身零、部件缺陷导致机组 振动异常。这类故障与机器的外部条件无关，仅仅是机器自身内部的原因导致的故障。比如：零、部件的制造缺陷；安装缺陷；各部件的配合不当等等。
2．外源性故障：设备外部条件、参数变化导致机组振动异常。这类故障与机器自身的制造、安装、设计等没有直接关系，仅仅是机器外部条件变化引起的振动异常。比如：温度、压力、抽空、过载、操作不当等等。
第二章：传统故障诊断
第一节：传统故障诊断的含义
所谓“传统故障诊断”就是我们常说的感官诊断。主要是依靠人的“眼看、耳听、手模、鼻子闻”，通过人体的感觉器官来感知设备的振动、温度、声音、气味等，获得这些物理特征的模糊量值，达到主观判断设备运行状况的目的。所以传统诊断是以模糊量值为样本的，不能够定量地反映设备的各种物理特征，具有模糊定性的性质。
第二节：传统故障诊断的方法和意义
传统诊断是来自现场最实际、最直接的故障诊断应用技术，之所以称之为技术，而不仅仅是经验，是由于在传统的诊断方法中，也有其自身的特点和内在的东西，需要人们去研究和掌握，不是任何一个人随便拿来就行的。
传统诊断中的技术含量，当然更多地是建立在经验上的，但并不仅仅是建立在经验上，而是更多地融入了现代诊断的思想和方法，形成了现场一种特殊的诊断技术，单纯的经验性诊断应该称为“工匠诊断”。
传统的诊断方法中涉及最多的是耳听：那么如何来听、听什么部位？；其次就是手模：通过手模感知振动的强弱、温度的高低，同样也涉及如何摸？摸什么部位的问题；还有眼看：如何看、看哪里也同样是个问题。在现场经常遇到这样的情况：我怎么没听出来？我怎么没看出来？那我问一句：别人为什么听出来了？为什么看出来了？所以我说传统的诊断还是有技术可言的。
比如：听，人人都能听，但听什么部位却需要对设备的结构、性能、工作方式等有比较深入的了解；通过听达到诊的目的却更不是人人都可以的，通过分辨声音，可以大体判断轴承的状况、齿轮的状况，甚至可以辨别出行星摆线减速机花板轴销是否断裂。
在判断轴承情况时，我们大多听轴承部位的声音，分辨声音的高低，辨别在轴承自身转动产生的背景声音下是否还有额外叠加的其它异常音响；在判断转子是否存在扫膛的时候，我们更多地去听转子与定子的壳体部位；当发现电动机背景噪声中存在类似拍振声音的时候，我们听电机壳体的部位；在判断泵是否存在抽空问题的时候，我们常听泵的入口管线部位……
在判断机泵振动的时候，我们可以通过手模，感知水平和垂直方向振动的大小，以期分辨是否存在基础松动问题；在判断系统刚性问题的时候，我们是摸基础框架感知水平和垂直方向的振动强弱；在判断温度高低的时候，我们是用手背指尖的指甲部位试探，然后再正式地感知温度……
眼观诊断：我举一个实在的案例：2006年9月供水车间操作工人，设备巡回检查发现一台大型水泵电动机振动较大，通知设备管理人员进行振动测试。测试人员经过仔细检测，发现仪器测量振动很小（几乎没有振动），没有任何故障迹象，但现场眼观和手感确实振动不小，怀疑仪器有问题，更换仪器后现象依然。
我到达现场仔细观察设备振动情况，给出结论：由于支撑系统刚性不足，导致电机振动较大。众人疑惑，我解释分析如下：
通过对电动机的听诊，轴承及转子各部位无异常音响，工艺参数正常，仪器测量几乎没有振动（位移、速度、加速度），但眼观和手感振动明显，特别是眼观可以分辨出电机壳体在做水平摆动，说明振动频率极低，而仪器测量传感器是加速度传感器，其测量频率下限为10Hz。因此，振动频率低于传感器频率下限的时候，则无法正常拾取信号，表现出振动测量值非常小；再观察电机支撑基础，为槽钢框架结构，明显单薄、刚性不足。这是一个典型的传统诊断的故障分析案例。
第三章：简易故障诊断
第一节：简易故障诊断的含义
简易诊断主要是依靠小型的简单仪器，对设备的振动情况进行测量，测量的物理特征量也是最简单的，主要是振动的速度、位移、加速度值，以振动速度的有效值为依据，参照国际或国家相关的振动标准，判定设备振动是否超过规定的极限值，达到判定设备是否需要检修的目的。
第二节：简易故障诊断的方法和意义
简易诊断是以测量设备的简单振动参数为基础的，但测量数据虽然简单，在现场应用中却有着重要的意义。简单数据反映出的故障信息其实是非常丰富的。下面我分别加以介绍：
1.振动位移：大多数仪器测量的都是位移峰值，从位移上，结合速度和加速度的测量，我们可以判断出振动是否来自低频或者高频；从位移在水平和垂直方向的大小上，我们可以初步判断出设备基础是否存在松动问题；从位移上，我们还可以分析设备基础的刚性问题……
2.振动速度：一般简易诊断仪器测量的振动速度都是有效值。这与国际或国家振动标准相统一，利用振动速度的测量与相关标准比较，可以确定设备的基本运行状况（良好、可用、不可用），对延长设备运行时间，提高运行的经济性有重要指导意义。
振动速度的测量还有一个非常重要的作用，就是转动设备的采购或检修质量验收。因为国际和国家标准，包括某些行业标准，对转动设备都有明确的振动要求，制定了一系列的法规性标准，任何企业都是要遵循的。比如： ISO-2372、GB10068-2000等。用户和供货商要在一个共同认可的检验平台上，确定设备质量是否合格，而振动测试就是一个简单、易行的验收方法。
举个例子：当你接收一台电动机的时候，一般企业用户没有专业的电机检测设备。如何判断电机质量是否合格，可以根据国家的GB10068-2000电动机振动质量标准进行验收，对于一般电动机，当其中心高在400毫米以内，自由悬置，转速在600~3600rpm内时，其振动不得大于2.8mm/s（国际标准是3.5mm/s）。这样就有了一个统一的验收标准平台，在电机出现振动问题时，可以有效地避免厂家的“推委”和“扯皮”。
3.振动加速度：对加速度的测量，可以判定设备是否出现了高频振动，特别是对于分析滚动轴承故障有着非常实际的现场意义。
4.简易诊断中其它有用信息：在进行简易诊断过程中，建议使用模拟输出指示的仪器。因为数字化显示的仪器在进行A/D转换的过程中，或多或少地丢失了部分信息，而模拟表的显示是实时的，不存在采样周期的问题，对于观察振动的波动（冲击）情况具有先天的优势。比如：轴承钢圈不圆，造成的滚动体瞬间卡死，发生轻微摩擦的情况，轴承内圈或外圈“耍套”情况都是很容易分辨出来的。
5.简易诊断仪器已经具备了简单的频率分析功能：在现场是非常实用的。对于一般的故障，其频率的分析功能完全可与精密诊断仪器媲美。
第四章：精密故障诊断
第一节：精密故障诊断的含义
精密故障诊断主要是依靠计算机技术、数学处理技术（包括 FFT、IFFT）、数据采集技术、频率分析等技术对设备的振动情况进行分析，测量、采集振动的物理量，通过数学处理，提取出振动的特征参数，以期查找、判断造成振动故障的原因、部位和性质，为消除故障提供参考依据。
第二节：精密故障诊断的方法和意义
精密诊断是当今振动故障诊断发展的最高实用性成果。为故障诊断人员提供了一个非常有效的工具，帮助诊断人员提高了判断故障的准确性。特别是在大型机组的在线分析监测中，更突显了技术的优势，为早期发现故障征兆，避免大型机组灾难性事故的发生，保证安全生产，起着不可替代的作用。
目前使用最广泛、最成熟的是频率分析技术，这一点大家都是非常有感受的，就不用多说了。其实在现场应用中，轴心位置与轴心轨迹也是非常有意义的，特别对于大型机组的动压滑动轴承来讲，其轴心位置的变化，轴心轨迹的形状与进动情况都直接反映了转子的稳定性，对于预防油膜涡动，避免油膜振荡非常有效，相比频率分析，可以让专业人员在设备产生涡动之前就引起足够的重视，从而避免涡动产生。
目前在线监测系统大多具备远程诊断的功能，方便了异地诊断或专家会诊。计算机宽带网络的发展，为远程诊断奠定了基础。
第五章：传统诊断、简易诊断、精密诊断的关系
第一节：“三位一体”的理念
从现场实际工作来看，传统诊断、简易诊断、精密诊断之间的关系是相辅相成的关系，不存在谁先进、谁落后的问题，更没有谁可以替代谁的问题。它们构筑了“三位一体” 的现场故障诊断工作体系。各自有各自的优势和劣势、长处与短处。根据三者之间的特点和关系,建立一个优势互补、取长补短的诊断工作模式是可行的,也是必要的。为此,我第一次提出了“三位一体”的思想。
传统诊断的听诊、观诊是其它诊断所不能替代的；简易诊断在整体综合判断设备运行状态方面，由于有了国际和国家标准而变的简单易行，特别在设备质量验收中有自己绝对的地位；精密诊断则在分析、判断故障原因、部位、性质，特别在大型机组的运行监测中具有举足轻重的地位。
第二节：“三位一体”的工作意义
现场诊断能简单的就不要复杂，一般故障，小型仪器都是可以解决的。我后面的许多案例都是小仪器分析诊断的。当然对于一些大型设备或者复杂问题必须进行精密诊断。
用小仪器往往可以更好地提高人的素质，从培养、锻炼人的角度来看，小仪器更有优势。大家不要理解偏了，我的深层意思是现在很多从事诊断工作的人，由于仪器和技术的发展，而没有更多机会接触和使用简易诊断和传统诊断了，对于诊断人才的培养，这是一个缺失。
一个出色的现场故障诊断工程师，必定要经历传统诊断、简易诊断和精密诊断的学习和历练，缺少任何一个环节都是不全面的。从我个人的经验看，传统诊断和简易诊断更为艰难，但从中获得的知识却远比精密诊断来得多、来得扎实，没有传统诊断和简易诊断的经验，你可能无法在现场与维修人员沟通，产生语言和专业的距离，可能使你无法了解到更多的真实情况。在奠定了最基础的东西后，再来接受和应用精密诊断，则是水到渠成的事。
对于上来就从事精密诊断的人，我建议你尽快补上缺失的课程，否则只能做象牙塔尖的“学者”。
现场实际诊断工作中，首先实施的就是传统诊断，获得必要的非量化的振动信息。根据这些信息尽可能地对故障原因、部位、性质产生一个感官的初步印象，评价设备的运行状态。然后进行简易诊断（包括简单频率分析），判定振动是否超标，获得简单振动参数和振动主要频率（注意：目前的简易诊断，已经不是传统意义上的简单诊断，是介于简单与精密之间），参考传统诊断的初步印象，如果二者高度吻合，基本可以判断故障的原因、部位和性质，做出结论了。
相反，对于仪器反映的信息与传统诊断的初步印象不能吻合，甚至差异很大的情况，要再次回到传统诊断，在简易诊断的基础上重新感知，看能否合理地解释简易诊断获得的信息，如果可以解释了，也就可以给出诊断结论了。
如果仍然不能获得统一，则开始进行精密诊断，动用更加先进、功能更加齐全的诊断设备，获得更加详实的振动特征信息，形成诊断印象（不是结论），根据此时的诊断印象，再试图对传统诊断和简易诊断获得的信息进行解释，融合三个阶段的信息，彼此解释、验证、补充、甚至修正，以期达到高度的统一。
当我们获得统一以后，则也就可以将诊断印象变成诊断结论了；否则，仍然不能给出确定的结论或者不能给出完整的结论，不确定和不完整的部分可能需要到真正解体设备或者在以后的继续监测中，补充必要的信息再形成新的趋于确定和完整的结论。
某些时候，经过实践检验或检修验证，诊断结论可能是不正确的，这就需要我们认真地总结教训，找出失误的原因，只要原因明确了，获得了经验，接受了教训，你就进步、提高了，从这点上看，你没有失败！
在现场的诊断工作中，要根据实际情况，将传统、简易和精密诊断有机地结合起来，自觉地应用“三位一体”的思想，最大限度地获得有效信息，将三个层面的信息综合汇总，才能准确地判断设备故障，为安全生产提供保证，为科学检修提供依据、指明方向。
第六章：故障诊断要特别注意的问题
第一节：设备故障诊断之大忌
依据单一谱图轻言结论
重视谱图忽视现场和机器
过分强调特征频率与故障的对应关系
按照教科书的“规则”对号入座
对信号真伪不作判别
不重视状态的变化规律
不重视振动以外的相关信息
只重现代手段，忽视传统和经验
一切从经验出发，拒绝现代化
横看成岭侧成峰
远近高低各不同
不识庐山真面目
只缘身在此山中
不同的观察角度得出的结论具有一定差异，因此，重视信息融合是最终正确解决问题的关键。
下面我就现场诊断人员应该注意和掌握的信息作一个简单的个人总结，不是针对某一个设备，而是针对尽可能多的设备来分析，建议大家在下现场的时候注意。
1．设备基本信息
①设备的型号、铭牌参数：如电机级数、电压、电流；气压机的转速、临界转速等。
②设备的基本结构、性能、用途：如基础是混凝土还是钢制框架；转子是否悬臂、单级还是多级；叶轮叶片数目；是否变频调速；工作介质、密封形式等。
③工艺参数：如工艺介质、流量、压力、温度；润滑油类型、油压、温度等。
2.设备轴承形式
①滚动轴承形式：深沟球轴承、角接触轴承、圆
柱棍子轴承、圆锥棍子轴承、纯轴向推力轴承；
滚动体是单列还是双列。最好有轴承型号
②滑动轴承形式：静压滑动轴承、动压滑动轴承
还是司服控制轴承；其中动压滑动轴承中：椭
圆瓦还是可倾瓦，几油楔等。
3.联轴器形式
刚性连接还是弹性连接；齿型连接还是膜片连接；连接螺栓几条；是否带有定位套等。
4.齿轮箱情况
如齿轮形式、布局；齿轮齿数、速比等。
5．现场故障情况
①故障现象描述。如：如何发现故障，当班操作工人叙述故障表现，包括仪表显示相关参数等；到接诊时故障有无变化和发展；各工艺参数情况；机组润滑情况。管线情况；主要测点温度情况。
②现场听诊情况，目测情况、手感情况、甚至气味情况。
③条件允许的开停机情况。
6.振动数据采集情况
a)测量仪器的传感器类型。
b)全通频下的振动位移、速度、加速度值（最好使用简单振动测量仪器）。各参数是单峰值还是双峰值；是有效值还是其它；最好使用模拟输出指示的仪表，便于观察各振动数值是否有波动现象。
c)采集的频谱，最好给出采样频率等参数，说明是幅值谱还是功率谱或倒频谱等。
d)对于轴心轨迹，说明是否模拟轨迹。
e)对于相位说明是否通过FFT计算得出。
f)比对故障前后的各数据和谱图、轨迹、相位等。（特别是齿轮箱）
7.特别询问
机器或机组故障前进行过何种检修作业，更换过什么零、部件，是否进行过机械加工（部位 、部件是什么），什么人实行的检修作业，检修原因、检修过程、检修效果等。
8.注意查找相关设备的图纸、资料，必要时与生产厂家联系
向献身故障诊断事业的 专家、学者、工程技术人员！
声明：本文是声振论坛会员肖泽在一次声振沙龙活动中的主题报告，版权归原作者所有，转载必须注明出处（声振论坛：vibunion.com或者声振之家公众号：vibunion）。