机械故障诊断综述.pdf

1 3 0 中国自动化学会中南六省 区 2 0 1 0年第 2 8届年会 论文集 机械故障诊断综述 Survey on Faults Diagnosis of Machine 赵宏伟1 2 张清华1 夏路易2 邵龙秋1 1广东石油化工学院 计算机与电子信息学院 广东 茂名5 2 5 0 0 0 2太原理工大学 信息工程学院 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 本文较系统的介绍了故障诊断的基本过程 原理 在此基础上对故障诊断方法做了详细 系统的论述 并进一步对故障 诊断技术的发展做了展望 关键词 故障诊断 诊断原理 维修制度 A b s t r a c t I n t h i s p a p e r t h e b a s i c p r o c e s s a n d p r i n c i p l e o f f a u l t d i a g n o s i s a r e i n t r o d u c e d O n t h a t b a s i s t h e m a i n m e t h o d o f f a u l t d i a g n o s i s i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l F i n a l l y t h e d e v e l o p m e n t o n t e c h n i q u e o f f a u l t s d i a g n o s i s i s l o o k e d f o r w a r d K e y Wo r d s F a u l t s D i a g n o s i s D i a g n o s i s P r i n c i p l e m a i n t e n a n c e 1 引言 七十年代以来 计算机和电子技术飞跃发展 促 使工业生产向现代化 机器设备向大型化 连续化 高速化 自动化发展 与此同时 现代化机械设备的 应用一方面大大促进了生产的发展 另一方面也潜伏 着一个很大的危机 即一旦发生故障所造成的直接和 间接的损失将是十分严重 为解决这一问题 机械故 障诊断技术孕育而出 这门新技术也是一门以高等数 学 物理 化学 电子技术 机电设备失效学为基础 的新兴学科 它的宗旨就是运用当代一切科技的新成 就发现设备的隐患 以期对设备事故防患于未然 如 今它已是现代化设备维修技术的重要组成部分 并且 成了设备维修管理工作现代化的一个重要标志 2 设备维修制度 目前 与故障诊断技术紧密相关的设备维修制度 共有三种 1 事后维修制度 P O M 这是一种早期的维修制 度 主要特点是 不坏不修 坏了再修 这种维修制 度对发生事故难以预料 并往往会造成设备的严重损 坏 既不安全且又延长了检修时间 2 预防维修制度 P M 又称以时间为基础的设备 维修制度 T B M 或计划维修制度 这是一种静态维修 制度 主要特点是当设备运行达到计划规定的时间或 吨公里时便进行强制维修 它比前一种维修制度大大 前进了一步 对于保障设备和人身安全 起到了积极 作用 同时 这种维修制度也存在明显的缺陷 即过 剩维修和失修的问题 以滚动轴承为例 同一型号的 滚动轴承 其实际的使用寿命有时相差达数十倍 在 预防维修制度行监测与诊断故障的方法 具体包括声 音监听法 频谱分析法和声强法 温度信号监测诊断技术包括物体温度的直接测量 和热红外分析技术 实际工业中不恰当的温度变化往 往意味着热故障的发生 从被测设备的某一部分的温 1 3 1 两化融合 综合开发与应用 度异常变化可以判断设备是否存在故障 润滑油的分析诊断技术即监测润滑系统中的某些 物化特性 从中获取设备内部的故障信息 主要有 油品的理化性能分析技术 油样所含磨损金属颗粒的 铁谱分析技术以及润滑油的光谱分析技术 其他无损检测诊断技术是在不损坏工件或原材料 工作状态的前提下 对被检验部件的表面和内部质量 进行检查的一种测试手段 常规无损检测方法有 超 声检测 Ul t r a s o n i c T e s t i n g UT 射线检测 R a d i o g r a p h i c T e s t i n g R T 磁粉检测 Ma g n e t i c p a r t i c l e T e s t i n g MT 渗透检验 P e n e t r a n t T e s t i n g P T 涡流 检测 E d d y c u r r e n t T e s t i n g E T 非常规无损检测技术 有 声发射 A c o u s t i c E m i s s i o n A E 泄漏检测 L e a k T e s t i n g L T 光全息照相 O p t i c a l H o l o g r a p h y 红外热 成像 I n f r a r e d Th e r mo g r a p h y 微波检测 Mi c r o w a v e T e s t i n g 第二个阶段诊断技术的发展出现了两个比较明显 的分支 这就是以人工智能 AI 技术为支持的基于知 识的智能诊断和以新的信息处理工具为基础的新型信 息诊断 在智能诊断中 以数据处理为核心的诊断过程被 以知识处理为核心的诊断过程所代替 虽然此时的信 号检测与数据处理仍起着十分重要的作用 甚至占着 诊断工作的大部分或绝大部分 然而在诊断过程中起 主导作用的是人类专家的知识 包括人类专家所拥有的 领域知识 求解问题的方法和能力 诊断过程从信息 检测到特征提取 从状态识别到故障分析 从干预决 策到维修计划都实现了知识化 达到了信号检测 数 据处理与知识处理的统一 这一分支发展很快 目前 对它的研究也很多 在各行各业均有大量的应用成果 出现 但是由于AI 技术本身有很多的分支 所以诊断 当中根据采用的AI 技术的不同又形成了很多的诊断技 术 如基于案例的诊断技术 基于产生式规则的诊断 技术 基于模型的诊断技术等等 这些诊断技术分别 可以表示不同类型的诊断 分别适用于某种特定的环 境 与此同时 传统的信息诊断在新的信息处理工具 的出现下 重新焕发出新的活力 成为诊断领域发展 的另一分支 目前 小波分析 分形 混沌等新的信 息处理工具在诊断中的应用报道很多 模糊理论和人 工神经网络 ANN 作为信息软处理的最新技术在诊断 领域中也得到了广泛的应用 小波分析作为 数学显 微镜 具有很优秀的 探微 能力 无论多么复杂的 信号 只要选取适当的小波 进行适当次数的变换 就可以发现其中所包含的诊断信息 从而应用于诊断 领域 分形和混沌则模拟自然界的方式来处理信息 ANN模拟人类大脑神经网络的方式来处理信息 以其 优秀的非线性映射和万能逼近能力为工程界提供了一 条有很大潜力的解决问题的捷径 而模糊理论的出现 则解决了不确定性问题 这些工具的成功运用 解决 了传统的诊断技术不能解决的一些问题 给诊断领域 的发展带来了新的活力 2 3 4 4 故障诊断技术的发展展望 故障诊断多种方法各有利弊 有许多学者融合不 同方法的优点也颇有成就 有人将模糊诊断和人工神 经网络结合 借助神经网络逼近能力来实现模糊系统 的功能 使结合的系统同时具有神经网络并行处理 分布存储 自组织 低层次学习 计算能力和模糊系 统的高层次推理 决策能力 即在故障检测系统中融 入模糊神经网络技术 通过人工智能的控制 从而实 现检测的稳定准确 5 6 也有些学者将小波分析和模糊 理论结合 采用二进离散小波变换获取有效的故障特 征向量 利用模糊诊断方程进行故障模式分类 通过 选择足够的样本对故障诊断方程进行训练 将代表故 障的信息输入训练好的诊断方程 由输出结果判定故 障类型 7 有些由于应用场合或故障的特殊性 也采用特殊 的故障诊断技术 比如在石化工业领域符号定向图 S D G S i g n e d D i r e c t e d G r a p h 方法得到广泛重视 在危险 识别 故障诊断和安全评价方面取得了重大进展 8 为解决齿轮多重状态或故障分类中的特征提取问题 有学者提出了利用频域特征和遗传编程对齿轮箱盖多 类状态振动信号进行特征提取的方法 为了使诊断结 果更好地可视化 利用遗传编程结果的固有随机性 提取两个新特征指标 该方法对振动数据可以进行准 确的多重故障分类 9 遗传编程 G e n e t i c P r o g r a m m i n g 简称GP 算法其灵活的动态模型结构表示和借鉴生物 界自然选择与遗传机制的全局搜索能力使得它在数据 挖掘 控制理论 电子工程 模式识别等研究领域取 得了广泛的成功 它是计算智能理论中进化算法的重 要分支之一 它让计算机自动发现系统内在的规律并 自动建立故障诊断系统模型已成为计算智能的研究热 点 1 0 对旋转机械智能故障诊断 有学者提出用数据 1 3 2 中国自动化学会中南六省 区 2 0 1 0年第 2 8届年会 论文集 库知识发现 k n o w l e d g e d i s c o v e r y i n d a t a b a s e K D D 和粗 糙集理论结合的思路 1 1 也有学者提出人工免疫结合 无量纲指标的想法 人工免疫系统 A r t i f i c i a l I mmu n e S y s t e m A I S 是对生物免疫系统的模拟 具有强大的 信息处理能力 生物免疫系统在缺乏先验知识的情况 下 能准确地识别和记忆各种非己物质 在自主学习 过程中不断提高免疫功能 对机体进行在线自主故障 检测和健康监控 由此衍生而来的免疫算法能有效地 识别被检测对象 该算法为故障诊断领域提供了新思 路和方法 1 2 实际中人们发现有些时候往往并不是单一故障发 生 有多种故障并发的情况 在这种情况下常用的方 法有两种 一是B J 检测滤波器法 即将观测器的残差 固定于不同的方向 使之敏感于不同的故障 二是降 阶观测器法 由于其实时性差 有学者提出基于动态 观测器的诊断方法 其思想是只设计一个动态观测 器 但其结构可不断变换 使每次变换后的动态观测 器对相应的故障具有鲁棒性 而对其他故障都敏感 通过判别残差来实现故障检测和诊断 通过 组合 多 种故障分配矩阵的方法重构故障模式 可有效地诊断 出耦合故障 1 3 还有学者对传统的振动信息时域分析 做改进 利用并发故障与单一故障基于无量纲参数的 关系 提出无量纲参数诊断法 1 4 还有学者结合误差 反向传播并行B P 和自适应谐振理论ART 两种神经网络 对故障进行诊断识别 其中B P 网络具有较强的非线性 逼近能力 而ART 模型采用无监督的竞争学习规则 不存在B P 算法对样本知识的强烈依赖性问题 能正确 识别出新故障 且识别速度快 1 5 发展至今 关于故障诊断的研究范畴正在被扩 展 其中数据分类 优化故障模式搜索途径 提高故 障模式的搜索匹配效率等问题 已被融入了智能故障 诊断技术的研究中 而且多种故障诊断方式的优势互 补也为故障诊断的研究提供了新的思路 故障诊断技 术也逐渐由理论性研究发展到与实际紧密结合 发展 至将来故障诊断技术将会实现诊断与控制的结合 根 据当前设备的健康状况决定设备运行方式或策略 最终 要预知故障 从而防止故障的发生 是最高级的集成化 趋势 它是把诊断系统和控制系统进一步的结合 达 到了集监测 诊断 控制 管理于一身 参考文献 1 王桂荣 机械故障诊断技术简介 J 电气设备自动化 2 0 0 6 0 4 2 郑君 张冬泉 故障诊断技术 J 电气时代 2 0 0 8 0 5 3 罗锦 孟晨 苏振中 故障诊断技术的发展和展望 J 自动 化与仪器仪表 2 0 0 3 0 2 4 赵中敏 机械设备故障特征提取分析及维修决策研究 J 起重 运输机械 2 0 0 8 1 0 5 李冬辉 叶利涛 基于模糊神经网络的故障诊断方法研究 J 组合机床与自动化加工技术 2 0 0 5 0 4 6 金林 张洪才 一种基于模糊神经网络的故障诊断方法的研究 J 西北工业大学学报 2 0 0 4 0 5 7 沈颂华 刘强 基于小波模糊网络的电厂汽轮发电机组故障诊 断 J 电网技术 2 0 0 5 1 6 8 王春利 张卫华 吴重光 故障诊断技术理论与发展趋势及其 在石化领域的应用 J 石油化工自动化 2 0 0 8 0 6 9 轩建平 史铁林 廖广兰等 利用遗传编程提取齿轮多重故障 分类特征 J 振动工程学报 2 0 0 6 0 1 1 0 章政 基于遗传编程的电力变压器绝缘故障诊断模型研究 D 博士学位论文 上海 上海交通大学 2 0 0 7 1 1 赵荣珍 黄义仿 张力等 旋转机械智能故障诊断技术的发展 趋势 J 兰州理工大学学报 2 0 0 8 0 5 1 2 李红芳 张清华 谢克明 旋转机械的并发故障诊断技术研究 进展 J 噪声与振动控制 2 0 0 8 0 3 1 3 张晓梅 多重故障诊断方法研究 J 计算机应用研究