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1、创新研修课机械设备智能故障诊机械设备智能故障诊断的知识获取技术断的知识获取技术黄文涛黄文涛哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学引言在连续生产系统中，如果某台关键设备因故障而在连续生产系统中，如果某台关键设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大的经济损失。因此，对于连续生产系统，而造成巨大的经济损失。因此，对于连续生产系统，例如电力系统的汽轮发电机组、冶金过程及化工过程例如电力系统的汽轮发电机组、冶金过程及化工过程的关键设备等，故障诊断具有极为重要的意义。的关键设备等，故障诊断具有极为重要的意义。对于某些关键机床设备，因故障存
2、在而导致加工对于某些关键机床设备，因故障存在而导致加工质量降低，使整个机器产品质量不能保证，这时故障质量降低，使整个机器产品质量不能保证，这时故障诊断技术也不容忽视。诊断技术也不容忽视。引言挑战者号失事-1986哥伦比亚号失事-2003 故障诊断的基础是建立在能量耗散原理上的。所故障诊断的基础是建立在能量耗散原理上的。所有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，有设备的作用都是能量转换与传递，设备状态愈好，转换与传递过程中的附加能量损耗愈小。例如机械设转换与传递过程中的附加能量损耗愈小。例如机械设备，其传递的能量是以力、速度两个主要物理参数来备，其传递的能量是以力、速度两个主要物理参数来表
3、征，附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现。表征，附加能量损耗主要通过温度及振动参数表现。随着设备劣化程度加大，附加能量损耗也增大。因此，随着设备劣化程度加大，附加能量损耗也增大。因此，监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度。监测附加能量损耗的变化，可以了解设备劣化程度。设备的寿命曲线磨合期磨合期正常使用期正常使用期耗损期耗损期故故障障率率%图图1111浴盆曲线浴盆曲线设备的劣化曲线绿区绿区(G)包括浴盆曲线的正常使包括浴盆曲线的正常使用阶段，即故障率最低的阶段用阶段，即故障率最低的阶段黄区黄区(Y)包括浴盆曲线包括浴盆曲线区的初区的初始阶段，故障率已有抬高的趋势始阶段，故障率已有抬高的
4、趋势红区红区(R)包括浴盆曲线包括浴盆曲线区故区故障率已大幅度上升的阶段障率已大幅度上升的阶段停机日期停机日期报警日期报警日期故故障障率率时间时间报警值报警值危险值危险值故障诊断的内容v运行状态的监测运行状态的监测根据机械设备在运行时产生的信息判根据机械设备在运行时产生的信息判断设备是否运行正常，其目的是为了早期（尽早）发现设断设备是否运行正常，其目的是为了早期（尽早）发现设备故障的苗头。备故障的苗头。v设备运行状态的趋势预报设备运行状态的趋势预报在状态监测的基础上进一步在状态监测的基础上进一步对设备运行状态的发展趋势进行预测，其目的是为了预知对设备运行状态的发展趋势进行预测，其目的是为了预知
5、设备劣化的速度以便为生产安排和维修计划提前作好准备。设备劣化的速度以便为生产安排和维修计划提前作好准备。v故障类型、程度、部位、原因的确定故障类型、程度、部位、原因的确定最重要的是故障最重要的是故障类型的确定，它是在状态监测的基础上，当确认机器已处类型的确定，它是在状态监测的基础上，当确认机器已处于异常状态时所需要进一步解决的问题，其目的是为最后于异常状态时所需要进一步解决的问题，其目的是为最后的诊断决策提供依据。的诊断决策提供依据。故障诊断的基本方法v难易程度分类，可分为简易诊断法和精密诊断法。难易程度分类，可分为简易诊断法和精密诊断法。v按机械故障诊断的测试手段来分类，主要分为直按机械故障
6、诊断的测试手段来分类，主要分为直接观察法、振动噪声测试法、无损检测法、磨损接观察法、振动噪声测试法、无损检测法、磨损物测定法、机器性能参数测定法。物测定法、机器性能参数测定法。简易诊断法简易诊断法指主要采用便携式的简易诊断仪简易诊断法指主要采用便携式的简易诊断仪器，如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外点温器，如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外点温仪对设备进行人工巡回监测，根据设定的标准或仪对设备进行人工巡回监测，根据设定的标准或人的经验分析，了解设备是否处于正常状态。若人的经验分析，了解设备是否处于正常状态。若发现异常，通过对监测数据分析进一步了解其发发现异常，通过对监测数据分析进一步了解其发展
7、的趋势。因此，简易诊断法主要解决的是状态展的趋势。因此，简易诊断法主要解决的是状态监测和一般的趋势预报问题。监测和一般的趋势预报问题。精密诊断法精密诊断法指对已产生异常状态的原因采用精密诊断法指对已产生异常状态的原因采用精密诊断仪器和各种分析手段精密诊断仪器和各种分析手段(包括计算机辅助分包括计算机辅助分析方法、诊断专家系统等析方法、诊断专家系统等)进行综合分析，以期了进行综合分析，以期了解故障的类型、程度、部位和产生的原因及故障解故障的类型、程度、部位和产生的原因及故障发展的趋势等问题。精密诊断法主要解决的问题发展的趋势等问题。精密诊断法主要解决的问题是分析故障部位、程度、原因和较准确地确定
8、发是分析故障部位、程度、原因和较准确地确定发展趋势。展趋势。直接观察法传统的直接观察法，如传统的直接观察法，如“听、摸、看、闻听、摸、看、闻”是早已存在的古老方法，并一直沿用到现在，在一是早已存在的古老方法，并一直沿用到现在，在一些情况下仍然十分有效。但因其主要依靠人的感觉些情况下仍然十分有效。但因其主要依靠人的感觉和经验，故有较大的局限性。随着技术的发展和进和经验，故有较大的局限性。随着技术的发展和进步，目前出现的便携式测振仪、泄漏听诊仪、光纤步，目前出现的便携式测振仪、泄漏听诊仪、光纤内窥镜、红外热像仪、激光全息摄影等现代手段，内窥镜、红外热像仪、激光全息摄影等现代手段，大大延长了人的感观
9、器官，使这种传统方法又恢复大大延长了人的感观器官，使这种传统方法又恢复了青春活力，成为一种有效的诊断方法。了青春活力，成为一种有效的诊断方法。振动噪声测定法机械设备在运动状态下机械设备在运动状态下(包括正常和异常状态包括正常和异常状态)都会产生振动和噪声。进一步的研究还表明，振动都会产生振动和噪声。进一步的研究还表明，振动和噪声的强弱及其包含的主要频率成分和故障的类和噪声的强弱及其包含的主要频率成分和故障的类型、程度、部位和原因等有着密切的联系。大多数型、程度、部位和原因等有着密切的联系。大多数机械设备是定速运转设备，各零部件的运动规律决机械设备是定速运转设备，各零部件的运动规律决定了它的振动
10、频率。由于是定速运转，其振动频率定了它的振动频率。由于是定速运转，其振动频率即为该零件的特征频率，观测特征频率的振动幅值即为该零件的特征频率，观测特征频率的振动幅值变化，可以了解该零部件的运动状态和劣化程度。变化，可以了解该零部件的运动状态和劣化程度。无损检验无损检验是一种从材料和产品的无损检验技无损检验是一种从材料和产品的无损检验技术中发展起来的方法，它是在不破坏材料表面及术中发展起来的方法，它是在不破坏材料表面及内部结构的情况下检验机械零部件缺陷的方法。内部结构的情况下检验机械零部件缺陷的方法。它使用的手段包括超声、红外、它使用的手段包括超声、红外、x射线、射线、射线、射线、声发射、磁粉探
11、伤、渗透染色等。声发射、磁粉探伤、渗透染色等。磨损残余物测定法机器的润滑系统或液压系统的循环油路中携机器的润滑系统或液压系统的循环油路中携带着大量的磨损残余物带着大量的磨损残余物(磨粒磨粒)。它们的数量、大。它们的数量、大小、几何形状及成分反映了机器的磨损部位、程小、几何形状及成分反映了机器的磨损部位、程度和性质，根据这些信息可以有效地诊断设备的度和性质，根据这些信息可以有效地诊断设备的磨损状态。磨损状态。机器性能参数测定法机器的性能参数主要包括显示机器主要功能机器的性能参数主要包括显示机器主要功能的一些数据，如泵的扬程，机床的精度，压缩机的一些数据，如泵的扬程，机床的精度，压缩机的压力，流量
12、，内燃机的功率、耗油量，破碎机的压力，流量，内燃机的功率、耗油量，破碎机的粒度等。一般这些数据可以直接从机器的仪表的粒度等。一般这些数据可以直接从机器的仪表上读出，由此可以判定机器的运行状态是否离开上读出，由此可以判定机器的运行状态是否离开正常范围。正常范围。简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）状态监测（简易诊断）内容：内容：v识别有无故障识别有无故障v明确故障严重程度明确故障严重程度v作出故障趋势分析作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进由设备维修人员在现场进行行故障诊断（精密诊断）故障诊断（精密诊断）内容：v确定故障部位确定故障部位v确定故障原因确定故障原因v提出维修建议提出维修建议由设
13、备诊断人员在现场或中心进行状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常状态监测和故障诊断的作用v监测与保护监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。故障。v分析与诊断分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。v处理与预防处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。给出消除故障的措施。防止发生同类故障。设备维修制度的发展v事后维修，故障维修事后维修，故障维修 设备坏了后才去修理。设备坏了后才去修理。v定
14、期维修，预防维修定期维修，预防维修 定期地检查和大修。定期地检查和大修。v预测维修，视情维修预测维修，视情维修 周期的监测，必要时才去维修。周期的监测，必要时才去维修。事后维修体制定义：设备运行到坏了再进行修理。设备运行到坏了再进行修理。优点v不需要安排计划。不需要安排计划。v对一些设备，更换比修理更便宜。对一些设备，更换比修理更便宜。缺点v意外停机引起生产损失。意外停机引起生产损失。v可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。v库存备件投资多。库存备件投资多。定期维修体制定义：按预订的时间间隔或检修周期，对设备作按预订的时间间隔或检修周期，对设备作维修、
15、调整和更换备件。维修、调整和更换备件。优点v机器寿命较长。机器寿命较长。v减少意外停机。减少意外停机。v备件库存较少。备件库存较少。缺点v意外停机引起生产损失。意外停机引起生产损失。v过剩维修导致维修费用增加。过剩维修导致维修费用增加。v过剩维修引起人为维修故障。过剩维修引起人为维修故障。预测维修体制定义：有计划地对设备作检查和测试，以确定其有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态，必要时才进行维修。健康状态，必要时才进行维修。优点v减少非计划停机损失。减少非计划停机损失。v维修时间间隔可以延长。维修时间间隔可以延长。v维修费用大为减少。维修费用大为减少。v备件库存最小。备件库存最小。缺点
16、v需要初始投资。需要初始投资。v需学习和培训。需学习和培训。不同制度的维修成本的比较大型钢铁企业维修费用花了多少？美国1980年税收总额$7500亿，维修费为$2460亿,估计其中过剩维修费为$750亿。我国1987年国营公交企业40万个，固定资产￥7000亿,维修费约为固定资产的 35。我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，维修费有多少？能节省多少？停产一天的损失有多大？300MW发电机组，损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置，损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元故障机理的研究故障机理是反映故障的原因和效应，
17、加强故障机理研究是认识客观事物的科学实践，是通过理论或大量试验分析得到反映设备故障状态信号与设备系统参数之间联系的表达式，依之改变系统的参数可改变设备的状态信号。1986年屈梁生院士就把机械设备分为齿轮、轴承和旋转轴系三大基础零部件，并归纳总结了它们的故障原因、现象和在动态信号中的特征。1993年高金吉院士在他的博士学位论文中总结并发展了上世纪六十年代国外提出的高速旋转机械故障种类及其动态响应特征。2007年陈予恕院士全面分析了大型旋转机械可建模系统和不可建模系统中某些重大振动故障的非线性机理。随着科学技术的迅速发展，新颖、大型、高速机械设备，如数万吨锻压设备、大功率盾构机、铁路动车组等，新的
18、故障机理有待承前启后地深入研究，为机械诊断和故障预示奠定基础。故障机理的研究机械设备故障往往表现为不同尺度损伤相互作用，产生更大尺度上的裂纹导致材料破坏，其故障发生的过程通常是一种跨尺度演化的过程。机械故障建模研究设备运行过程中不可避免产生损伤和出现早期故障，它具有潜在性和动态响应的微弱性。故障动态响应信号的微弱性表现在两个方面：一是故障动态信号本身非常微弱；二是故障特征信号被机械系统多干扰源和强噪声所淹没，信噪比低。如现有微弱损伤信号处理方法可从抑制噪声和利用噪声两个角度出发，达到提高信号信噪比和微弱特征提取的目的。机械故障特征提取与动态预示目前，通过抑制噪声改变信噪比的方法有多种，而利用噪
19、声增强微弱信号的方法是近年来提出的一种新思路，比较有效的方法主要包括随机共振(SR)和总体平均经验模式分解(EEMD)。复合故障是指关键设备同时发生两个或多个互相关联、交叉影响的故障，其动态信号一般表现为多个故障特征的相互祸合与调制。需要实现复合故障耦合特征的一次性分离与识别。机械故障特征提取与动态预示故障的定量诊断是指识别损伤的部位、故障的种类以及故障的程度，为机械设备的安全性分析、可靠性评估和寿命预测提供基础性依据。机械故障的定量诊断由于科学技术和计算机技术的迅速发展，人工智能是一个非常活跃的研究和应用领域，并大量渗透到机械设备智能诊断与预示的研究和应用中。近年来，该领域在贝叶斯理论、神经网络、模糊集合理论、D-S证据推理、遗传算法、聚类分析、人工免疫、支持向量机、混合智能、专家系统、粒计算分类等智能诊断与预示取得了可喜的成绩。智能诊断与预示机械设备智能诊断与预示的人工智能方法和技术，必须建立在故障机理、早期和动态故障监测诊断以及设备故障的定量诊断这些底层基础研究之上，才能形成知识丰富、推理正确、判断准确、预示合理、结论可靠的设备智能诊断与预示的实用技术。智能诊断与预示