2. 工业设备故障机理与可测参数

预测性维护的起点不是传感器，而是故障机理。只有先弄清一台设备“会怎么坏、坏的时候物理世界发生了什么变化”，才能判断哪些物理量值得测、测点该放在哪里、报警阈值该依据什么设定。本节围绕旋转机械、电气设备、流体设备三类工业现场最常见的对象，梳理典型故障模式，并建立“故障—可测物理量—特征表现”的映射关系。

一、旋转机械：振动是主信号，温度与超声是辅证

旋转机械包括电机、风机、泵、齿轮箱、压缩机等，其故障大多与“转动”相关。常见故障模式可归为几类：转子不平衡、轴系不对中、轴承磨损或点蚀、齿轮啮合异常、松动与摩擦、皮带或联轴器缺陷。这些故障在力学上都会引起周期性激振力，因此振动是最直接、信息量最大的可测物理量。

关键在于，不同故障在频域上留下的“指纹”不同。以转速频率 f_r（即 1×，转频）为基准：不平衡通常表现为 1× 转频处径向振动幅值突出，且随转速平方增长；不对中常出现 2× 转频分量升高，并伴随轴向振动增大；滚动轴承早期点蚀会在高频段产生冲击，形成以轴承故障特征频率（BPFO、BPFI、BSF、FTF）为间隔的边带，用包络解调（gE）更容易捕捉；齿轮故障则集中在啮合频率 f_m = 齿数 × 转频及其边带上。因此振动测量不仅要看总有效值（RMS），更要看频谱与包络谱。

温度是旋转机械的第二类可测参数。轴承润滑不良、过载、冷却失效都会使轴承座或绕组温度上升，但温度响应慢、灵敏度低，通常作为趋势量而非早期报警量。超声检测则对早期润滑失效、微小泄漏和电气放电敏感，适合作为巡检补充。

二、电气设备：温度、局放与电流特征量

电气设备包括电机、变压器、开关柜、电缆与变频器。其故障机理与旋转机械不同，核心是绝缘劣化、接触电阻增大、局部放电、绕组匝间短路和三相不平衡。对应的可测物理量主要有四类：温度（红外热像、接触式测温）、局部放电（超声、暂态地电压 TEV、特高频 UHF）、电气量（电流、电压、功率、谐波、绝缘电阻）以及振动（针对电机本体）。

以电机为例，绕组匝间短路会使三相电流不平衡度上升，并在电流频谱中产生以电源频率 f_s 为中心的边带，间隔为转差频率的倍数；转子断条则表现为转频附近的电流边带。开关柜内部接触不良会先表现为局部温升，红外测温可发现相间温差超过 10 K 的异常点；而绝缘内部微小放电在早期几乎不发热，却能被超声或 TEV 传感器捕捉，因此电气设备往往需要“温度 + 局放”组合判断。绝缘电阻与介质损耗因数则用于停电或在线评估整体绝缘状态。

三、流体设备：压力、流量、温度与超声泄漏

泵、风机、阀门、管道和换热器属于流体设备。常见故障模式有：汽蚀、堵塞、泄漏、阀门内漏、轴承与密封磨损、叶轮腐蚀。流体设备的可测参数以过程量为主：进出口压力、压差、流量、介质温度，辅以振动和超声。

汽蚀是泵的典型故障，发生时泵内局部压力低于介质饱和蒸气压，气泡溃灭产生高频冲击，表现为振动高频能量上升、出口压力波动、流量下降，同时伴随特征性噪声。堵塞则表现为压差增大、流量减小、电机电流下降（离心泵）或上升（容积泵），需要结合泵特性曲线判断。阀门内漏和管道泄漏在压力、流量上可能变化很小，但超声检漏仪能捕捉到泄漏产生的高频湍流信号，是流体设备早期泄漏检测的有效手段。

四、映射关系的工程用法

把上述内容整理成一张“故障—参数—特征”对照表，是现场制定监测方案最实用的工具。下表给出示例参数与判断方向，实际阈值需结合设备型号、工况和基线数据标定。

需要强调的是，同一物理量在不同设备上的敏感度差异很大。振动对旋转机械极为有效，但对静止的变压器绕组变形几乎无用；温度对接触类故障灵敏，却难以发现早期绝缘放电。因此，故障机理分析不是理论装饰，而是决定“测什么、在哪测、怎么判”的第一道工程决策。