随着机械设备日益向重载、高速、大型、自动化、多功能化与使用高效率化方向发展,设备的维修成本和停机损失急剧增加,因此对设备运行的可靠性和经济性的要求日益苛刻,这使众多企业提出了以预防为主、依靠设备状态监测来提高设备运行安全性和可靠性的新措施。
1设备故障及其诊断技术概论
1.1传统的设备故障诊断技术简介
传统的设备诊断技术立足于已发生故障的设备的诊断,通过分析设备的振动、温升及润滑油性质等来寻找导致机械设备故障的原因。实际情况是,当机械设备出现振动、温升或异常磨损时,必然伴随局部故障,尽管此时还没有引起机械设备停车,但若操作者不采取任何措施,将不可避免引发事故。
1.2设备发生故障的原因及故障分类
(1)机械设备故障发生的原因十分复杂,一般认为机械设备发生故障的主要原因包括设备因素,如:机械的设计缺陷、零部件的质量缺陷或润滑油的质量问题等,还有人为因素,如违规操作等。
(2)机械设备故障大致可分为系统性故障和随机性故障两类。系统故障指设备或某些部件在运行中不断老化,直到出现故障;随机故障多为突发性故障,无明显征兆,很难预测。具体故障类型可归纳如下:设备老化、环境条件恶化、操作失误。
1.3从机械角度分析诊断设备的故障
从机械角度分析诊断事故发生概率及原因时,主要可通过观察机械设备运行参数,如转速、各部分温度、输入输出电流和电压等来判断参数是否超出正常使用范围,如果通过调节不能使参数恢复正常,则预示机械系统可能出现了故障。此外平稳运转的机械若突然产生异常振动和噪声,则显示机械系统已发生局部故障,从机械角度观察和排除设备隐患具有直观性,易于实现。应当指出,机械设备运转参数的变化往往源于机械设备的内部矛盾,由于响应滞后,根据机械设备运转参数的变化并不一定能够及时判断机械设备的故障,而很多机械故障具有潜伏期,当出现噪声、振动和温度异常时,故障早已发生。为此,有必要对一些重要设备安装传感器实行设备运转状况在线监测,以便避免重大事故的发生。
1.4机械设备故障维修
针对设备的不同故障形式,可以采用不同的方法进行设备维修。主要的维修方式包括定期维修、后维修、预知维修。定期维修即预防维修,要求在设备运转到规定的时间后,不论设备状况如何,均进行规定内容的检修和修理,以便消除设备隐患。该方法在煤矿综采设备修理应用极为普遍,它要求定期维修和更换,成本较高。后维修是在故障发生后进行的维修,当因未及时发现和处置局部故障而引发一系列故障时,则必须进行后维修,其成本较高且影响正常生产。预知维修立足于运转设备的状况监测,在预知某部位可能发生故障时,通过及时进行针对性的维修而消除故障隐患,故预知维修是最理想的维修方法。

2油液监测与设备故障诊断技术
几乎所有机械设备都离不开润滑,而设备故障与润滑失效密切相关,虽然润滑油可能仅占设备全部运转费用的0.5%～1.5%,但40%以上的机械设备故障是因为润滑油使用不当或润滑油质量不合格。所以必须大力推广应用高性能润滑油,以延长设备换油期,减少设备故障,节省维修费用,提高设备使用寿命。可以将源于润滑油的设备故障归于两个方面:即润滑油本身的质量问题和润滑油在使用过程中性能指标变化。必须定期监测设备用油的理化指标和润滑油的摩擦学性能,以便及时采取预防措施,避免不必要的损失。
通过分析润滑油性能参数的变化可以间接了解机械主要部位的工作状态,及时准确地监测设备的工作情况。就油液监测与诊断,其主要内容包括润滑油物理化学性能指标变化、润滑油运转参数如油压的变化、润滑油摩擦学性能的变化。首先,油液监测是摩擦学系统监测过程,监测内容主要包括油品自身劣化、油品污染、金属磨损颗粒和摩擦学等4个方面。监测手段主要包括油品红外光谱分析、颗粒计数、油品性能指标和摩擦学性能测试分析等。由于大量机械设备的故障起因于润滑不良,因此通过对油品自身劣化和污染进行监测,有利于及时消除设备的故障隐患,延长设备的大修周期。其次,早期油液监测以监测诊断设备的磨损故障为目的,其技术方法以铁谱技术为代表,但铁谱技术往往用于发生事故后的油液诊断。目前油液分析技术已从早期的油样分析和磨屑逐步过渡到现代在线油液监测。现代在线油液监测技术将润滑油和机械备视作统一的整体,强调从摩擦学角度出发考察润滑失效和设备故障。而通过分析润滑油的理化指标和摩擦学性能指标可以准确预测设备发生磨损故障的发展趋势。
从油液监测出发进行机械设备故障诊断,能够较为准确地预测故障的原因及部位,更全面地监测设备的运转情况,并能利用早期预报及时发现和排除设备的故障隐患,减少损失。经过十几年的发展,油液监测技术已成为摩擦学监测和故障诊断的重要技术方法。目前,国内在油液监测方面仍存在认识及实践的误区,如将油液监测简单地等同于油品质量常规检测、用铁谱或光谱,铁谱联用等单一的手段取代油液状态监测系统、忽略常规监测和油质分析,仅对用油量大的设备进行监测等。实际上油液监测技术是一门涉及摩擦学和其他多学科交叉的综合应用技术,作为涵盖设备当前润滑与磨损状态的完整监测系统,其核心在于根据监测对象的结构特征与监测目标,恰当地选用不同的监测方法,以最经济的方式达到最佳的监测效果。油液监测十分强调生产实践和经验的积累,这有助于提高诊断的准确性。
目前,最先进的工业摩擦磨损诊断方法以润滑油诊断为基础,通过对润滑油系统进行分析,进而指导设备维修和保养。由于设备运转过程中磨损表面磨屑进入润滑油中,因此通过分析润滑油的性质可以判断机械的运转状态。在某些场合,异常振动是设备故障的先兆,而对磨屑进行分析可以获取机械内部的相关信息。将润滑油物理化学测试与润滑油中的磨屑分析相结合,有助于进行机械诊断和预防综合分析。而磨屑监测利用分析磨屑形貌和组成来判断系统是否邻近或达到故障状态。常用的磨屑检测方法主要包括原子发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法、铁粉记录法以及电磁铁和磁屑检测方法。应当注意的是磨屑作为事后诊断仅能在一定程度上起故障诊断作用。以蜗轮蜗杆箱润滑油下的蜗轮磨损监测为例,磨屑分析结果表明润滑油的机械杂质含量高达5%,光谱分析结果润滑油中铁、铜、硅严重超标,铁谱监测显示结果异常,拆机检查发现蜗轮磨损严重。而实际上,仅从油中杂质含量超标或光谱分析中的铁等金属元素浓度异常即可判断拆机检查。几种常用的工业摩擦磨损自动监测设备如下:自动黏度测量计,如振荡黏度测量仪;Houillon黏度计等样品吸入毛细管后,可自动进行清洗、采集、记录并完成报告,测量过程仅需5min,并可在40℃～100℃范围内进行恒温测量。傅立叶红外光谱仪,根据新油与旧油的红外光谱差异可以确定旧油的化学变化,并确定各种污染物成分,可用于检测水、积炭、化学组成以及由氧化引起的润滑油变质。发射光谱仪主要用于测量金属磨损、污染元素和添加剂,可以同时测定磷、硼、锌、镁、铁等20多种元素,为及时准确地评定润滑油质量、判断润滑油使用性能提供依据。

3油液监测与诊断技术在煤矿的应用
作为煤矿企业机,械设备使用条件恶劣,机械设备损坏严重,影响到正常生产与安全,有必要建立完善的监测体系以提高设备完好率,减少不必要的投入。特别有时监测不到位,小事故酿成大事故,损失巨大。煤矿企业建立油液监测体系应做好以下3项工作:
(1)配备品质精良、功能齐全的各类油品检查仪器设备,具备检测项目多、数量大、速度快等特点,为快速判断故障提供准确及时的数据。硬件设施除需配备发射光谱、红外光谱、铁谱、颗粒计数等磨损污染颗粒监测仪器外,还需配备黏度、闪点、水分、总酸值、总碱值、倾点、泡沫、不溶物、机械杂质等10种常规油品检测手段。软件方面:第一,建立实验室及监测数据局域网,将主要设备如采煤机、运输机、主通风机、空压机等监测数据及油品检测数据传输给机电科及矿主要领导,以便相应采取措施;第二,建立功能齐全的数据库管理系统和报告生成系统,生成各种格式的油液监测报告;第三,建立基于专家知识的计算机智能诊断系统,提高判断问题的准确性和科学性。
(2)应当具有符合规范标准要求,保证测试结果足够准确的检测能力,考虑到经济性,以最少的检测项目达到最佳监测效果;对于具有国家标准以及ISO和ASTM等国际标准的检测方法,应严格按照标准方法进行检测,以保证监测诊断结论的合理性及公正性
(3)应当建立具有丰富经验积累的高素质、高水平的专家型油品监测技术队伍。通过与高等院校和科研院所合作,培养具有扎实理论基础,同时具有在油液监测和诊断实际经验的监测人员,并在解决实际问题的过程中不断发挥专业人员的技术价值。
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