基于故障诊断技术的设备维修管理

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第一章绪论

第一章绪　　论

1.1 选题的意义

设备是企业进行生产活动的物质技术基础，是决定企业生产效益的重要因素之

一。设备管理是企业管理领域中的一个重要组成部分。随着科学技术的发展，促进

了生产设备的迅速提高和发展，从而创造出巨大的社会生产力，使劳动生产率和经

济效益迅速提高。生产的发展越来越依赖于技术装备的现代化。现代化的设备具有

大型化、连续化、高速化、精密化、自动化、综合化等特点，给企业带来了较高的

经济效益，也给企业带来了停机损失巨大、维修费用巨大、设备投资巨大等问题。

这三个“巨大”问题在大型化连续生产企业中问题更突出。设备投资巨大问题属工

程投入可行性论证范畴，本文就停机损失巨大、维修费用巨大问题，从设备维护管

理的角度，以利用成熟的技术着手，进行技术和经济两方面研究分析实行设备状态

维修或称为预知维修的可行性和必要性。在保证设备精度、高运转率的前提下，提

倡设备维修管理从以修为主，转变为以防为主的低维修成本战略的思想，运用故障

诊断技术，实行设备状态预防维修，降低设备过剩维修和事后维修的成本和减少运

行设备突发故障对生产的影响，适应企业效益最大化的要求。

1.2 该领域国内外先进水平

实现设备状态维修，关键是要正确把握设备的状态。有经验的设备人员的日

常检查和定期检查，可早期发现一些问题，但人员的更替和精简不可避免，这样，

设备诊断工程技术的发展成为必然。70年代末80年代初，我国在熟悉原苏联维修体

制的基础上，开始研究美国、日本、德国、英国、瑞典等国的维修制度，认识到状

态监测与故障诊断技术能改善管理，具有巨大优点，从而开始研究和尝试应用设备

故障诊断技术。从1983年起正式把开展设备诊断工作的要求，纳入《国营工业交通

设备管理试行条例》之中，明确提出“要根据生产需要，逐步采用现代故障诊断与

状态监测技术，发展以状态监测为基础的预防维修体制”。1992年9月原国务院经

济贸易办等单位正式下达“设备故障综合诊断技术”的研究计划。自国内开展状态

监测与故障诊断技术以来，经多年的不懈努力，已形成了一定规模的科研队伍，各

种学术交流十分活跃。状态监测与故障诊断技术的研究与应用在全国各行业开花结

果，应用已从最初主要集中于石化、冶金及电力行业，逐渐扩展渗透到交通、矿山

能源、航空航天、核工业等。各种零部件的故障诊断已取得了令人相当鼓舞的成就

国外一些发达国家在这一方面的研究比中国要早十多年。

美国是开发故障诊断技术最早的国家，在1961年就成立了国家机械故障研究

会。1967年在美国宇航局倡导下，又成立了机械故障预防小组，1971年该小组划归

美国国家标准局领导，从事故障诊断机理、检测诊断技术，可靠性分析研究及耐久

性评价。美国机械工程师学会领导下的锅炉压力容器检测中心应用声发射诊断技术

诊断静止设备事故方面取得较大进展。此外，美国Johns Mitchel公司的超低温水

泵和空气压缩机的监测技术、TEDCO公司的润滑油分析技术都在国际上居于领先地

位。美国在航空工业中，在可靠性维修管理的基础上，普遍地对飞机进行状态监测

采用了飞行器计算机数据综合系统，分析处理大量飞行中的信息来确定飞机各部位

的故障原因，并发出消除故障的指令。该技术已用于B747和DC9等大型客机中，大

大提高了飞行的安全性。

英国在60年代末至70年代初,以R. A. Collacatt为首的英国机械保健中心最

基于故障诊断技术的设备维修管理

先开始研究故障诊断技术，后来曼彻斯特大学成立了沃福森工业维修公司

（WIMU），在宣传、培训、咨询和技术交流方面都很有成效。英国原子能机构

（UKAEA）下设系统可靠性服务站（SRS）从事故障诊断技术研究，包括利用声发射

技术对炉体进行监测，以及对锅炉、压力容器、管道的无损检测等，起到了英国故

障数据中心的作用。英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先

地位。

欧洲一些国家在开发故障诊断仪器方面具有先进水平。在瑞典IDHAMAR咨询公

司负责推进维修管理和状态监测；SMP公司研制轴承测试仪器，AGA公司专门研制用

于诊断的红外热像仪。丹麦的B&K公司以振动、噪声等测试技术及仪器的研制而闻

名于世。挪威主要有船舶研究所、海军技术中心负责船舶设备的检测及诊断。德国

主要有Allianz技术中心专门从事故障诊断分析和故障预防研究。

日本的故障诊断技术起步比较晚，但发展迅速，在某些民用工业，如钢铁、

化工、铁路等部门发展很快，占有较大的优势。他们密切注意世界性动向，积极引

进消化先进技术，努力发展自己的诊断技术，同步注意研究本国的诊断仪器。80

年代开始，在对故障诊断技术理论基础、技术方法及诊断装置大量研究和开发的基

础上，随着电子计算机技术、现代测试技术、信息处理技术以及信号处理识别等现

代科学技术不断向故障诊断技术领域渗透，使故障诊断技术逐渐跨入实用、系统化

的时代，利用计算机对机械故障进行有效的监测及诊断已经成为重要的诊断手段。

如日本三菱公司的 “ 旋转机械保健管理系统 ”（ M a c h i n e r y H e a l t h

Monitori n g）；美国西屋公司的 “ 移动诊断中心”（ M o bile Diagnosis

Center）；美国中央发电部的“透平监测设备”（ T urbine Su p er v isor y

Equipment）和“试验设备监测”（Test Equipment Monitoring）；美国恩泰克公

司的“设备监测和预防维修系统”（Equipment Monitor & Prevent Maintenance

system）；美国 CSI工业设备有限公司的“预测维修系统 ”（Preventive

Maintenance System）。

我国设备故障诊断技术起始于70年代末，当时企业界在熟悉原苏联维修体制

的基础上，开始研究美国、日本、德国、英国、瑞典等国的维修制度，认识到状态

监测与故障诊断技术能改善管理，具有巨大优点，从而开始研究和尝试应用设备故

障诊断技术。

由于状态监测与故障诊断技术在现代企业生产经营中有着重要意义，我国从

1983年起正式把开展设备诊断工作的要求，纳入《国营工业交通设备管理试行条

例》之中，明确提出“要根据生产需要，逐步采用现代故障诊断与状态监测技术，

发展以状态监测为基础的预防维修体制”。从而把设备诊断技术工作正式列入企业

管理法规，我国政府有关部门多次组织外国诊断技术专家来华讲学，如1983年秋日

本新日铁的丰田利夫、1984年春瑞典SPM公司的布朗（Brown）等，对宣传、推广诊

断技术的应用起到了良好的作用。石化、冶金、化工、水电、机械、核工业等部门

先后确定了开展设备状态监测与故障诊断技术的目标、方向和试点单位。与此同时

诊断技术的学术研究也在一些高等院校和科研机关广泛开展起来，取得了不少可喜

的成果。

自国内开展状态监测与故障诊断技术以来，经10多年的不懈努力，已形成了

一定规模的科研队伍，各种学术交流十分活跃，至今约有15个学术团体（全国性、

行业性、地区性或专业学组）举行过大小不同的学术会议或专体性会议共计30届次

参加者3000多人次。状态监测与故障诊断技术的研究与应用在全国各行业开花结果

第一章绪论

应用已从最初主要集中于石化、冶金及电力行业，逐渐扩展渗透到交通、矿山、能

源、航空航天、核工业等。各种零部件的故障诊断已取得了令人相当鼓舞的成就。

如华中理工大学、哈工大等在旋转机械故障机理方面的研究国内领先，哈工大等在

石化系统有运用的经验。辽化设备诊断中心的DMS2000等系统在国内开发的较早等

但是，总体来讲仍然缺乏适用于工程应用的实用可靠状态监测与故障诊断系统。

1.3 课题所要研究的内容及实施方案

针对现在普遍存在的维修模式导致设备的过维修、不足维修等带来的资源浪

费和经济损失现象，结合工作实际，分析、研究能早期预知、发现设备故障于初期

的设备诊断技术的科学性和减少维修成本的经济性，评价设备诊断技术提高设备投

资效益的可能性，论证利用设备诊断技术减少设备突发故障对生产的影响。

基于故障诊断技术的设备维修管理

第二章设备综合管理

设备管理要面向市场，围绕生产，以经济效益为中心，新技术应用为手段，

系统化综合管理为思想，从而推动设备管理的现代化水平。这就要求我们对设备进

行综合管理，设备的综合管理已经成为共识和设备管理的工作重点。

设备综合管理是一项复杂的系统工程。涉及的面很广，如机械制作、生产工

艺，检测技术、电子技术、IT技术等，对设备管理人员的要求也相当高。对设备进

行综合管理需要我们开展多方面的探索和研究。

2.1 设备维修模式

国内外一般将设备维修模式分为：故障维修、定期维修、预测维修三种。

2.1.1故障维修：

故障维修是在设备运行直到故障时才停机进行维修的一种方式。属事后维修，

导致不利生产或维修费用高。检修周期较长，一般适应设备价格不高，事故损失不

大，有备机的情况。对关键、重要设备，这种维修模式显然不适应。因为在现有的

技术基础上，事故难以预料和把握，且故障可能因处理失当造成进一步扩大，以至

设备的严重损失，甚至是灾难性的。反而延长设备检修周期，增加检修费用，影响

生产。

2.1.2 定期维修

定期维修是按预定的检修周期或时间间隔计划检修的一种模式。适应于大型机

组和价格高的连续性生产工况。因检修周期小于故障发生周期，故一般不会出现设

备严重损坏的情况，但如果对设备状况良好设备检修，一增加检修费用，二影响生

产或给生产带来不安全因素。过剩维修也是不希望发生的。

2.1.3 预测维修

预测维修是对设备检修检测、处理和分析，根据设备的状态决定维修的一种方

式。其不规定设备检修周期，提高对设备经常性的检测，即状态监测和故障诊断，

并根据检测结果，判断设备状态，是否异常或存在故障趋势，利用适当时间及时处

理，延长设备寿命，减少备件和人工费用。也防止因不必要维修造成的人为故障。

预测维修的根本是对设备进行检测和故障诊断把握设备状态。

第三章状态监测与故障诊断的方法

为适应设备状态维修的要求，防止不足维修或事后维修，掌握设备的实际状

态，提高设备管理手段的水平和科学性、先进性，降低维修费用、生产成本，提高

效益，根据在实际工作中的实际和体会，结合大型旋转机械（以高炉鼓风机组为

例）的状态监测、故障诊断专家系统的研究。探索基于故障诊断技术的设备维修管

理。

高炉鼓风机组是高炉的关键设备，其输送的风流经热风炉加热进入高炉，一方

面托住由炉顶料钟处加入的矿料，使其缓慢下降，另一方面高温风流中的氧份是焦

炭燃烧形成CO气体。鼓风的顺行直接影响到高炉的生产和设备。若断风，可能造成

高炉风口灌渣、灌铁水，导致高炉重大事故。

高炉鼓风机组有蒸汽拖动、电机拖动等主要拖动形式。宝钢现有的四台全静翼

可调式轴流风机均由48000MW的同步电动机分别拖动，最大风量为8800Nm3/min，最

高风压为0.52Mpa，是我国使用的高炉风机中最大容量最高风压的轴流鼓风机。

3.1 监测技术

3.1.1 监测方法的特点

利用现代先进的测量手段和技术，在线方便准确的无损测量出设备的振动、

工艺参数等信号。

3.1.2监测的参数及方法

（1）. 振动参数

a. 振幅

用来反映振动强度。用非接触式电涡流传感器直接测量轴相对于轴承的振

动幅度。

b. 频率

振动频率表示为机器转速的倍数。对旋转机械的分析，频率是重要参数，方

便我们对机器故障进行分类。

c. 相角

用来描述某一时刻机器转子的位置。最准确的办法是利用键相器。通常使

用健相槽、非接触式电涡流传感器探头或光电传感器实现。

d. 振动形式

通过振形的测量，可直观的了解机器的运行状态。振动形式能够确定基本振

幅、频率、相角。轴心轨迹了解轴的实际运行情况。

e. 振型

振型是转轴在一定的转速下，沿轴向的变形。一般是沿转轴的轴向每隔一

定的距离放一组互为90。

（X－Y ）传感器，分别测得相应转轴截面的中心线振动

情况。

(2).位置参数

a.偏心位置

是指转子在轴承中的径向平均位置。通过监测径向振动的传感器实行，其输

出信号的直流分量代表径向间隙（即偏心位置）。测量轴承磨损。

b. 轴向位置

基于故障诊断技术的设备维修管理

用来描述止推环法兰与止推轴承间的相对位置。监测机器转子和定子间的轴

向摩擦。其故障可能是最严重故障。

c. 偏心度峰－峰值

转轴在静态时的弯曲测量。用电涡流传感器测量，判断机器启动可否。

d. 差胀

透平机组启动时，要求机壳与转子以同样的的比率受热膨胀，不然可能发生

轴向摩擦，使机器受损。用电涡流传感器实现。

(3). 其它参数

如转速、温度、压力、流量等参数。一般利用相应测量传感器可方便采集。

采用光电传感器不接触测量转速，对设备的改造小，也不影响设备的结构和生产

工艺参数采集利用现有的传感器或控制系统（DCS或PLC）通信方式实现。

3.1.3测量手段

由于国内外传感器技术、IT技术的发展已经成熟，上述一些参数的测量已变

得不困难，技术问题均解决。

3.2 专家系统

专家系统（Expert system)的目的是使计算机通过模拟人类专家的行为，从

而具有人类专家解决问题的能力。

专家系统依靠大量的专门知识以解决特定领域中的复杂问题。关键是对特定

领域中用以解决问题的知识的刻划与对这些知识的运用。这是专家系统与其它计算

机系统的主要区别。

3.2.1专家系统的任务：

（1）解释类任务：分析数据，判断其意义

（2）诊断类任务：基于对有噪声的设计的解释。分析系统故障的过程。

（3）监控类任务：对数据的连续分析，解释，必要是产生报警，进行干预。

故障诊断技术的设备维修管理正基于此，国内外通常的做法只监不控设

备对象。我认为既监又控是我们的发展方向。

（4）预测类任务：根据对历史及当前系统模型的分析，对将来进行预报。

（5）规划类任务：为达到特定目标而采取的行动过程。

（6）设计类任务：为产生满足要求的对象制定计划

3.2.2 专家系统简介

从专家系统实现的技术与要求看，专家系统从第一代发展到第二代，专家系

统中的组成成份发生了很大的变化。第一代专家系统以经验知识作为知识库中主要

成份，推理技术也对应产生。第二代专家系统将原理性知识与经验性知识分离，引

入基于理性知识的深层推理。

第二代ES在知识表达与推理机制上与第一代ES有明显区别：

1、第一代ES的解释机制只能“回溯”已完成的推理路径，只对这些路径上的

信息作出解释，第二代ES不仅具有一代ES的功能，还可按用户要求提供推理机不能

取得的其它信息。

2、第二代ES具有学习功能，是一开放式系统。

3、用户界面也有不同。

无论何种专家系统，知识表达与推理解释始终是最重要的。

现行的故障诊断专家系统，是一种将先进传感技术、信号处理技术同专家的

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摘要：

第一章绪论第一章绪　　论1.1选题的意义设备是企业进行生产活动的物质技术基础，是决定企业生产效益的重要因素之一。设备管理是企业管理领域中的一个重要组成部分。随着科学技术的发展，促进了生产设备的迅速提高和发展，从而创造出巨大的社会生产力，使劳动生产率和经济效益迅速提高。生产的发展越来越依赖于技术装备的现代化。现代化的设备具有大型化、连续化、高速化、精密化、自动化、综合化等特点，给企业带来了较高的经济效益，也给企业带来了停机损失巨大、维修费用巨大、设备投资巨大等问题。这三个“巨大”问题在大型化连续生产企业中问题更突出。设备投资巨大问题属工程投入可行性论证范畴，本文就停机损失巨大、维修费用巨大问题，...

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