機電設備故障診斷技術發(fā)展探析

1、機電設備故障診斷技術發(fā)展探析羅亞（湖北三峽職業(yè)技術學院，湖北宜昌，443000）【摘 要】機電設備故障診斷技術已發(fā)展為一門獨立的跨學科的綜合信息處理技術， 本文介紹了目前機電設備故障診斷所使用的幾種常用的傳統(tǒng)技術和方法， 分析了目前存在的突出問題， 通過分析指出， 引入跨學科的理論和技術，把先進的理論與實踐應用相結(jié)合，進一步完善目前的技術，將是今后主要的發(fā)展方向?！娟P鍵詞】機電設備故障診斷發(fā)展The Research of Development on Fault Diagnosis for Mechanical EquipmentLuo Ya（ Hubei Three Gorges Voca

2、tional and Technical College，Hubei Yichang，443000）Abstract: As a treated technology, the fault diagnosis has become to be independent and multi-subjects. This paper introduces several classical approaches technologies and methods, analyes the prominent problems at present. Through analysis, the pape

3、r points out that the promisingdirections on the modern theory with advanced technology to prefect the present technology is the primary development direction for a long time.Key words: mechanical equipment; fault diagnosis; development機電設備故障診斷技術是目前國內(nèi)外一項發(fā)展迅速、備受歡迎的重要技術，是一門了解和掌握設備在使用過程中的工作狀態(tài)， 檢測設備故障隱患

4、， 確定其整體和局部是否正常， 早期發(fā)現(xiàn)設備的故障及其產(chǎn)生原因， 并對故障發(fā)生部位、 性質(zhì)做出估計， 能夠預報故障發(fā)展趨勢的技術。 由于它可及時發(fā)現(xiàn)機器故障和預防設備惡性事故發(fā)生，從而避免人員傷亡、 環(huán)境污染和造成巨大經(jīng)濟損失， 還可為設備維修管理提供依據(jù)， 具有保障生產(chǎn)正常運行、防止突發(fā)事故、節(jié)約維修成本等顯著特點，在確保設備安全運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約維修費用，降低成本，在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，越來越受到人們普遍重視。一、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀現(xiàn)代化生產(chǎn)中機械設備的故障診斷技術越來越受到重視，人們投人大量精力進行研究，機電設備故障診斷技術取得了很大的進展： 探索出一系列新的理論方法與

5、技術應用于實際， 增加了對設備故障判斷的效率， 奠定了對設備實施故障診斷分析與修復的堅實基礎，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。機電設備診斷技術最初來自軍事上的需要， 在第二次世界大戰(zhàn)初期問世。 當時能用儀表進行設備狀態(tài)參數(shù)測定，相繼又開發(fā)了快速、多功能自動監(jiān)測儀器； 20 世紀 60 年代以來，隨著航天工業(yè)的發(fā)展，可靠性理論的應用，使設備診斷技術迅速發(fā)展； 70 年代，隨著微電子技術的發(fā)展，計算機技術、傳感器技術的應用，機械設備故障診斷技術更加完善，主要用于航天、核電等部門；20 世紀末已經(jīng)在冶金礦山、交通運輸、化工、發(fā)電、農(nóng)業(yè)和機械制造等部門的機械設備上開始應用設備診斷技術， 其發(fā)展日新月異

6、， 經(jīng)濟效益日益明顯； 進入新世紀，這一技術迅速滲透到國民經(jīng)濟各部門， 應用已相當普及， 設備故障診斷技術水平的提高， 開始向智能化方向發(fā)展?；仡櫄v史，不難看出機械故障診斷技術的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個階段：診斷結(jié)果取決于領域?qū)＜业母泄偌皩I(yè)知識和經(jīng)驗對診斷信息判斷的初級階段； 以傳感器、動態(tài)監(jiān)測技術為手段， 基于計算機信號處理的現(xiàn)代診斷技術；實現(xiàn)診斷系統(tǒng)智能化，向監(jiān)測、診斷、管理和調(diào)度的集成化發(fā)展。美國從 1967 年在美宇航局和海軍研究所的倡導下，由企業(yè)和大學參加成立了機械故障診斷技術的研究組織，開展機械設備的故障機理，檢測、診斷和預測等方面的研究。 另外俄亥俄州立大學開展了根據(jù)振動的解析對軸承

7、、齒輪、發(fā)動機及一般回轉(zhuǎn)機械的診斷技術研究。相繼鍋爐、壓力容器等靜止機械的檢測診斷中心，根據(jù)美國機械工程學會 （ ASME）的規(guī)定開展靜止機械的故障診斷技術研究，制定了一系列規(guī)程標準。 同時一些監(jiān)測儀器設備公司也研制并生產(chǎn)各類型檢測診斷儀器，如Atlanta公司開發(fā)的 M600旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測裝置在實際應用取得良好效果。日本、英國、德國、瑞典等國的機械設備故障診斷技術的研究工作也起步較早，并在某些方面處于領先地位。我國機械設備故障診斷技術的研究工作起步較晚， 但發(fā)展較快。西安交通大學在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷進行了研究。天津大學開展了軸承和齒輪的狀態(tài)監(jiān)測研究。 華中理工大學和哈爾濱工業(yè)大學開展了汽車發(fā)

8、動機和汽輪機狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。 石化系統(tǒng)研究和應用紅外診斷和聲發(fā)射定位系統(tǒng)。 機械部門繼一汽、 二汽之后洛陽軸承廠開發(fā)了軸承故障診斷系統(tǒng)； 冶金部門繼太鋼、 寶鋼之后武鋼進行離心鼓風機和透平壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷；中國礦業(yè)大學開發(fā)了 KTD型旋轉(zhuǎn)鐵譜儀及計算機磨屑圖像分析系統(tǒng)。 北京科技大學對礦用汽車故障診斷有較深的研究探討。此外， 設備診斷儀器的開發(fā)取得較大進展， 為設備診斷提供各類儀器。 這些發(fā)展為我國設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的推廣應用奠定了穩(wěn)固的基礎。我國機械設備的維修制度正在經(jīng)歷由以運轉(zhuǎn)時間為基礎的定期維修制度向以機械技術狀況為基礎按需維修制度發(fā)展。正常運轉(zhuǎn)設備可不停車， 在發(fā)

9、現(xiàn)故障征兆后及時停車， 按診斷故障性質(zhì)和部位有目的地進行檢修。實現(xiàn)按需維修的前提， 必須應用先進的設備故障診斷技術與手段， 提高對設備運行的狀態(tài)檢測和故障診斷的準確性，以保證設備安全、 穩(wěn)定運行，增加機械設備正常運轉(zhuǎn)時間， 大幅度提高勞動生產(chǎn)率， 產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益。二、常用的傳統(tǒng)技術方法機電設備故障診斷技術發(fā)展到今天，已形成了一門集數(shù)學、物理、化學、電子技術、計算機技術、通訊技術、信息處理、模式識別、基礎與信息科學、系統(tǒng)科學和人工智能等多學科交叉的綜合性技術。但傳統(tǒng)的診斷技術仍然在大量地使用，主要包括：振動監(jiān)測技術、噪聲監(jiān)測技術、紅外測溫技術以及，射線掃描技術等。1. 振動監(jiān)測診斷技術振動監(jiān)測

10、診斷技術是通過檢測設備的振動參數(shù)及其特征來分析設備的狀態(tài)和故障的方法。由于振動的廣泛性、參數(shù)多維性、 測振方法的無損性、 在線性，決定了人們將機械設備振動監(jiān)測診斷作為機械設備故障診斷的首選方法。機械運行過程中要產(chǎn)生振動，機械狀態(tài)特征凝結(jié)在振動信息中。機械振動的測量參數(shù)有速度、加速度和位移，可根據(jù)機械設備頻率來選擇測量的參數(shù)和傳感器。 為了檢測到足夠數(shù)量， 又能真實地反映機械狀態(tài)的信號，要恰當?shù)剡x擇振動測量點。 通常選擇能夠?qū)C械振動狀態(tài)作全面反映的機械振動敏感點， 離機械診斷的核心部位最近的關鍵點和容易發(fā)生劣化現(xiàn)象的易損點，以保證機械振動信號測量的有效性。通過各種振動傳感器檢測的設備狀態(tài)信號經(jīng)

11、放大濾波處理后， 送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入數(shù)據(jù)處理分析診斷裝置進行時域分析、頻域分析、時序模型分析、倒譜分析、共軛解調(diào)分析以及三維全息譜分析等分析處理后以振動位移隨時間變化的曲線和頻譜圖形式輸出， 作為診斷的依據(jù)， 以判定設備運行狀態(tài)，并采取相應的措施。 由于振動監(jiān)測診斷技術能實時地、 直觀地、精確地表征機械動態(tài)特征及其變化過程，監(jiān)測診斷方法簡單實用，而被廣泛應用。2. 油液磨屑分析檢測診斷技術通過對油液磨屑粒形狀態(tài)識別或觀察油液介質(zhì)的物理、 化學成分的變化來判斷機械運行狀況。 主要用于機械設備潤滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。 油液中磨屑微粒來自磨損和污染， 機械摩擦幅的金屬表

12、面間不同磨損方式和磨損速度造成油液中微粒總量、 尺寸分布和形態(tài)的差異， 可以根據(jù)金屬微粒的總量判斷磨損所處階段； 根據(jù)尺寸分布判斷磨損的程度；根據(jù)微粒形態(tài)判斷磨損類型；根據(jù)化學成分判斷磨損部位。油液分析方法如下所述。利用各種元素受到一定能量激發(fā)時具有發(fā)射或吸收特定波長光的特性，當各類型光譜儀對油液發(fā)射光譜化學分析時就可檢測到油液中各種物質(zhì)在特定條件下發(fā)出具有特定波長的光確定其化學成分和含量，就可準確地判斷設備的磨損部位和程度。其特點分析速度快，診斷方便、準確，適用于磨屑粒徑小于10的磨損狀態(tài)分析。3. 紅外測溫診斷技術通過對機械設備各部位的不同溫度或溫度變化來分析判斷機械設備運行狀態(tài)的方法。

13、機械磨損、發(fā)動機排煙管堵塞、液壓系統(tǒng)油液性能優(yōu)劣、 電器接點燒壞等常見故障都會造成相應部位溫度升高， 另外材料機械性能也與溫度有關，機械故障的溫度檢測占有重要地位，占工業(yè)檢測 %左右。對高速旋轉(zhuǎn)機件采用一般傳感器測溫不能獲得準確測量值，而紅外測溫儀具有顯著優(yōu)越性；可以遠距離，非接觸式測溫，具有信息處理、運算和判斷功能，可精確地確定儀器工作環(huán)境溫度狀態(tài)與變化情況， 如農(nóng)業(yè)機械經(jīng)常處于暴曬或風雨雪的露天作業(yè)，環(huán)境溫度影響監(jiān)測系統(tǒng)溫度。 因而可對測量數(shù)據(jù)進行修正與補償， 減少溫度誤差， 提高測量準確度。 測量數(shù)據(jù)存取使用方便， 具有通用接口可與計算機通信， 便于實現(xiàn)全系統(tǒng)監(jiān)控， 易于實現(xiàn)有關常數(shù)設定

14、與更換如報警裝置的設定于更換。通過測溫判斷機械狀態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)如磨損加劇、油液劣化及材料缺陷，以便采取相應措施，改善性能，保證機械正常運轉(zhuǎn)以提高使用壽命。4. 射線掃描技術射線掃描是一項用于工藝設備過程故障檢測診斷的新技術，其優(yōu)點明顯、應用范圍廣闊。基本原理是運用射線在物質(zhì)中的衰減服從 Lamber一 Beer 指數(shù)規(guī)律，結(jié)合工藝設備的特點對設備的掃描檢測得到反映設備內(nèi)介質(zhì)密度變化關系的圖譜，通過系統(tǒng)分析掃描圖譜以確定設備故障，為故障修復提供依據(jù)。三、存在的問題雖然機電設備故障診斷技術得到很大發(fā)展，但是至今為止尚未形成一套完整的理論體系和有效的診斷技術。絕大多數(shù)技術都是針對特定的故障、 特定的設

15、備來研究， 目前設備故障診斷的研究都是根據(jù)故障的種類、 特定的設備、特定的層次建立自己的機電設備故障診斷技術。 這些理論和方法在實際中廣泛應用的較少， 即使在實際中得到應用，也沒有一個完善的評價體系對其效果做出合理的評價。此外，故障診斷準確性也是一個急于解決的問題。 提高故障診斷準確性的關鍵在于確定故障與特征 （信號）間的因果關系， 但這是一個比較復雜的問題。 因為故障與特征間的關系可能是多元的， 往往不能認為是一一對應關系。如機械制造、 材質(zhì)和安裝運行維護上的差異可導致振動特征相差很大。 振動響應的非線性， 在多因素產(chǎn)生特征的疊加時，有用和無用信號混在一起，要用信號提純、分解、融合等方法加以

16、處理難免產(chǎn)生誤差。有時故障可能是間歇性的， 不一定連續(xù)出現(xiàn)， 監(jiān)測儀表的功能、 質(zhì)量和可靠性也影響診斷的準確性。 故障診斷是依賴于人們認識和經(jīng)驗的學科，診斷從分析機械狀態(tài)特征入手，但人們認識局限性以及對事物認識永無止境，機械及其組成零件的個體差異， 使得通過特征來判斷設備狀態(tài)帶有某些不確定性， 特別是機械設備狀態(tài)的正常與異常中間無明確界限， 多為漸變性過渡的， 一些設備狀態(tài)處于邊緣狀態(tài)也使診斷人員做出定性的結(jié)論是困難的。目前，機電設備故障診斷技術是一個開放性課題，有必要建立一套完整的理論方法體系來指導機電設備故障診斷技術的研究。目前存在的具體問題有：模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、智能方法等研究

17、熱點主要停留在理論研究上，實際應用較少；搭建的故障診斷操作平臺繁瑣且可操作性差，應用在實際生產(chǎn)中既不便操作，也不便管理；許多機電設備故障診斷技術主要注重故障的診斷而沒有考慮設備故障的修復， 為后面的修復工作帶來不便；企業(yè)對設備故障診斷的重視不夠，追求短期效益，成熟的診斷技術應用于生產(chǎn)實際的較少。四、發(fā)展趨勢隨著傳感器技術、數(shù)據(jù)處理技術、人工智能技術、無線通信技術等相關技術的發(fā)展，機電設備故障診斷技術的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化，診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術的智能化。成熟的技術將大量運用到國民經(jīng)濟建設和國防建設中， 促進國家和軍隊的現(xiàn)代化建設。 從目前的研究資料來看， 今后機電設備

18、故障診斷技術的發(fā)展方向可歸納如下：1. 基于 Internet 的遠程協(xié)作診斷技術。將設備診斷技術和計算機網(wǎng)絡技術、信息技術、數(shù)據(jù)庫與決策支持技術相結(jié)合形成遠程協(xié)作診斷技術， 它用多臺計算機監(jiān)測儀器在各企業(yè)、 大型工程施工工程和機械化作業(yè)農(nóng)場中的大型關鍵機械設備建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設備運行狀態(tài)并采集狀態(tài)信號， 在技術水平高經(jīng)驗豐富的科研院所建立分析診斷中心， 為企業(yè)、大型施工工程和機械化作業(yè)農(nóng)場提供遠程診斷的支持和保證。 網(wǎng)絡化的遠程設備故障診斷系統(tǒng)中儲存了多種設備的故障診斷知識和經(jīng)驗， 可響應不同監(jiān)測現(xiàn)場用戶的使用要求， 不同的監(jiān)測現(xiàn)場可以與同一個診斷中心建立聯(lián)系， 使得用戶的使用頻率很高。

19、 這樣一來可以避免系統(tǒng)的重復開發(fā)和維護，顯著降低了系統(tǒng)的費用。 另一方面，由于構(gòu)造于網(wǎng)絡之上， 系統(tǒng)知識庫中的專家知識來源廣泛， 可以得到不斷充實，診斷規(guī)則可以是來自現(xiàn)場的企業(yè)單位的經(jīng)驗， 也可來自于從事設備故障理論研究的科研單位， 知識庫比較豐富，相應地診斷能力也增強了?；诰W(wǎng)絡的遠程設備診斷專家系統(tǒng)將管理部門、監(jiān)測現(xiàn)場、診斷專家、設備供應商聯(lián)系起來， 形成一個真正開放的系統(tǒng)。 它能夠充分利用更多的技術經(jīng)驗和診斷數(shù)據(jù)共享， 從而提高設備診斷的準確性， 并能在診斷中心中對企業(yè)、工程和農(nóng)場等的設備監(jiān)測診斷動態(tài)管理，實現(xiàn)資源利用充分， 生產(chǎn)效率高、成本低，施工質(zhì)量好的綜合目標。 基于網(wǎng)絡的設備故障

20、診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是今后發(fā)展的必由之路， 可以直接提高企業(yè)設備管理和維護水平，對提高企業(yè)效益和國際競爭力具有巨大作用。2. 人工智能專家系統(tǒng)。 把傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗與現(xiàn)代計算機數(shù)據(jù)管理巧妙結(jié)合， 把人工神經(jīng)網(wǎng)絡與專家系統(tǒng)相結(jié)合、將神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習機制引人專家系統(tǒng)， 提高專家系統(tǒng)的判斷準確性。 人工智能是一門綜合了計算機技術、生理學和哲學的交叉學科。 人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡方法力圖模擬人的大腦一些基本特征如自適應性、 自組織性和容錯性能， 用于模式識別、 系統(tǒng)辨識領域取得了良好效果。 由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有聯(lián)想記憶能力、 自適應自學習能力，其非線性映射能力和逼近能力能解決很多問題。 計算簡便、評估客觀。在神經(jīng)網(wǎng)絡模

21、型中知識信息分布存儲，個別單元損壞，容錯能力強，可靠性高。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡與專家系統(tǒng)相結(jié)合建立智能診斷模型，在機器學習診斷實時性等方面性能的改善是提高診斷準確性、 有效性的關鍵。它利用領域?qū)＜医鉀Q問題的實例來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡獲取知識信息， 采用隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡知識， 自動產(chǎn)生的知識用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和權值表示。 對同一問題若干知識表示在同一網(wǎng)絡中， 便于知識自動獲取及聯(lián)想推理， 并通過神經(jīng)源間相互作用實現(xiàn)， 通過自學習不斷完善診斷系統(tǒng)提高診斷準確性。3. 小波分析。小波分析是一種信號的時間尺度分析方法， 它具有多分辨率分析的特點， 在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率， 在高頻部分具有較低的頻率

22、分辨率和較高的時間分辨率， 很適合探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分， 被譽為分析信號的顯微鏡。 在實際設備故障診斷中， 利用小波變換進行動態(tài)系統(tǒng)故障檢測與診斷具有良好的效果： 連續(xù)小波變換可以檢測信號的奇異性， 區(qū)分信號突變和噪聲漓散小波變換可以檢測隨機信號頻率結(jié)構(gòu)的突變。 其故障診斷機理是利用觀測器信號的奇異性進行故障診斷，以及利用觀測器信號頻率結(jié)構(gòu)的變化進行故障診斷。 小波分析方法具有良好的時頻定位特性， 特別適合于分析時變、瞬態(tài)及非線性信號， 具有一般譜分析所不具備的時域和頻域同時定位的能力， 為設備故障診斷檢測提供了新的強有力的分析手段。 將小波理論與分形理論、 小波分析與

23、神經(jīng)網(wǎng)絡有機結(jié)合是提高故障診斷可靠性的重要方法之一。4. 研究和改進傳感器與監(jiān)測儀器。 機械設備檢測的傳感器有多種類型， 但存在檢測水平低， 可靠性差，監(jiān)測儀器只使用于單一目標決策， 方法簡單。必須研究開發(fā)新型傳感器和監(jiān)測儀器， 提高監(jiān)測技術水平； 監(jiān)測設備的參量有振動、溫度、噪音、扭矩、油液中磨屑及其形態(tài)，但每種方法對不同故障敏感程度不同，因此選擇最有效的參量是提高診斷準確性的前提， 高效多功能儀器對診斷設備的幾何量、 物理量快速準確的檢測與識別是研究故障診斷的基礎工作。復雜設備的設計、制造、安裝、使用以及維護等各個環(huán)節(jié)密不可分。進行設備故障診斷，必須考慮設備的結(jié)構(gòu)特點、 制造材料、故障檢測的信號傳輸和處理等因素， 把設備故障的檢測、 傳輸、診斷與修復融為一體，為快速修復故障設備奠定基礎。五、結(jié)語總之，機電設備故障診斷技術無論如何發(fā)展， 人們越來越重視實際中的應用及效果