杜 陽(yáng)

河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究

杜 陽(yáng)

河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)制造的快速發(fā)展，機(jī)電設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，在推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。我們?cè)趯?duì)機(jī)械設(shè)備使用的同時(shí)，還要注重對(duì)其的保養(yǎng)維護(hù)，進(jìn)一步延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而故障診斷是設(shè)備維護(hù)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在設(shè)備出現(xiàn)故障后，隨著其進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生變化，機(jī)械設(shè)備表現(xiàn)出了非平穩(wěn)和強(qiáng)噪聲特性的動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性和正確性造成一定的影響。本位主要圍繞我國(guó)故障診斷技術(shù)發(fā)展歷程，重點(diǎn)分析了機(jī)電設(shè)備中智能診斷方法，希望能夠給今后的機(jī)電設(shè)備故障診斷提供參考。

機(jī)電設(shè)備；振動(dòng)信號(hào)；故障診斷

械設(shè)備智能診斷與動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)就是為適應(yīng)工程需要而形成和發(fā)展起來的。動(dòng)態(tài)測(cè)控就是采用各種測(cè)量和監(jiān)視方法，記錄和顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常狀態(tài)做出報(bào)警，為設(shè)備的故障分析提供數(shù)據(jù)和信息，并反饋執(zhí)行元件對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和控制，使得設(shè)備盡可能處于允許的運(yùn)行狀態(tài)之下，保障設(shè)備的輸出性能和效率。智能診斷則是根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)控所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)行信息及歷次維修記錄，對(duì)已經(jīng)發(fā)生或者可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷、分析和預(yù)報(bào)，以確定故障的類別、部位、程度和原因，提出維修對(duì)策，使設(shè)備恢復(fù)到正常狀態(tài)。

一、故障診斷技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展歷程

故障檢測(cè)及診斷技術(shù)是是一項(xiàng)國(guó)內(nèi)外倍受關(guān)注、且發(fā)展迅速的現(xiàn)代新興技術(shù)檢測(cè)手段，是以當(dāng)前較為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)，以及信號(hào)分析、處理技術(shù)等為基礎(chǔ)的一種綜合性技術(shù)應(yīng)用方法。其故障診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的定量檢測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行具體診斷，來對(duì)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效掌握和了解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備自身的安全性，以及穩(wěn)定性和工作持續(xù)性作出正確的預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題、故障以及破壞程度等進(jìn)行相對(duì)科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)和識(shí)別。并據(jù)此結(jié)果來采取相應(yīng)的解決對(duì)策和處理措施，也就是我們常說的通過利用狀態(tài)檢測(cè)以及故障診斷等作業(yè)方法對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果來明確設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的未來狀況。故障檢測(cè)診斷技術(shù)最初出現(xiàn)是出于軍事的需要，主要運(yùn)用儀表檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，隨即多功能、自動(dòng)化的檢測(cè)儀器不斷涌現(xiàn)，各種新技術(shù)也不斷得以應(yīng)用，隨著航天技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)也日趨完善。

二、近似推理算法

目前已經(jīng)提出了多種近似推理算法，這些算法都采取一定的方式在運(yùn)行時(shí)間和推理精度上尋求一個(gè)折中，力求在較短的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)滿足精度要求的結(jié)果，這些算法隨著計(jì)算時(shí)間的增長(zhǎng)，其計(jì)算精度越高。目前近似推理算法主要分為兩大類：

1、機(jī)模擬方法。模擬方法又稱為 Monte Carlo 法。該方法首先對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表示的聯(lián)合概率分布進(jìn)行隨機(jī)抽樣，以產(chǎn)生足夠的樣本，然后根據(jù)這些樣本，通過頻率計(jì)算來獲得變量的概率值，而不是直接利用聯(lián)合概率分布進(jìn)行計(jì)算。

2、基于搜索的方法?；谒阉鞯姆椒俣ǜ怕蕟栴}是一類組合問題，所以可以將所需要計(jì)算的各個(gè)變量的不同組合看作一個(gè)狀態(tài)空間，在這個(gè)狀態(tài)空間中有些狀態(tài)對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，而另外一些狀態(tài)則影響甚微。

三、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械故障診斷模型與診斷推理

根據(jù)對(duì)機(jī)械故障診斷的認(rèn)識(shí)，機(jī)械故障可以通過若干屬性來描述，這些屬性變量集的各種取值組合就構(gòu)成了該故障的狀態(tài)空間。這些屬性變量之間存在著一定的系（獨(dú)立或者依賴），根據(jù)以往的研究我們可以把這些屬性劃分為故障征兆和故障原因，所以通過對(duì)它們的研究可以得到故障的知識(shí)表示模型。在不確定的環(huán)境下，故障原因和故障征兆往往含有幾個(gè)狀態(tài)。比如，一個(gè)故障征兆可能有三種狀態(tài)：極高，偏高，正常。我們可以用一個(gè)多值變量來表示這種多值命題。而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為一種模擬人類推理過程中因果關(guān)系的有向圖，其節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)多值變量，此外貝葉斯網(wǎng)絡(luò)還具有一個(gè)表示條件獨(dú)立性的自然方式――由有限個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成有向無(wú)環(huán)圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而我們可以利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基本元素描述機(jī)械故障診斷知識(shí)。

1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)可以表示故障診斷領(lǐng)域中的故障征兆和故障原因，在節(jié)點(diǎn)間的有向連接弧表示征兆與原因之間可能的因果關(guān)系。故障征兆和故障原因的狀態(tài)多為二元狀態(tài)，即其取值只為 1 或者0，分別表示相應(yīng)的故障和征兆是否出現(xiàn)。故障原因和故障征兆各自構(gòu)成兩個(gè)樣本集，且兩個(gè)樣本集中的元素是相互獨(dú)立的，即故障之間或故障征兆之間是無(wú)必然的因果關(guān)系。但是這并不意味著它們相互排斥，即一臺(tái)機(jī)組可以同時(shí)發(fā)生幾種不同的故障，同樣多個(gè)故障征兆的出現(xiàn)也是正常的。

2、條件概率表。貝葉斯每一節(jié)點(diǎn)都附有與該變量相聯(lián)系的條件概率分布函數(shù)，如果變量是離散的，則它表現(xiàn)為給定其父節(jié)點(diǎn)狀態(tài)時(shí)該節(jié)點(diǎn)取不同值的條件概率表 CPT。CPT 表明了故障原因與故障征兆之間的概率依賴關(guān)系，是對(duì)故障診斷知識(shí)進(jìn)行定量描述。由此可見，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)故障診斷領(lǐng)域數(shù)據(jù)變量間潛在關(guān)系進(jìn)行定性定量的描述，它圖形結(jié)構(gòu)指定了一組條件關(guān)系獨(dú)立關(guān)系聲明和用于刻畫概率依賴強(qiáng)度的條件概率的數(shù)值。由于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表示了因果過程的總體結(jié)構(gòu)，故它可被看做是擁有許多不同組合的一個(gè)抽象知識(shí)庫(kù)。它的語(yǔ)義可以從兩個(gè)方面來理解，其一是將網(wǎng)絡(luò)看作一種聯(lián)合概率分布的表示，即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)完整緊湊地表示了網(wǎng)絡(luò)中各變量的聯(lián)合分布概率。其二是將網(wǎng)絡(luò)看作條件獨(dú)立關(guān)系聲明集合的一種表示。這兩種觀點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是等價(jià)的，而且在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)、學(xué)習(xí)、推理算法中得到了統(tǒng)一。

四、結(jié)束語(yǔ)

近年來，不斷進(jìn)步的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力，使我國(guó)機(jī)械設(shè)備呈現(xiàn)出大型化、高速化、連續(xù)化、集中化、自動(dòng)化、精密化的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械設(shè)備越來越復(fù)雜的組成、結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境導(dǎo)致設(shè)備的某一部分或者工業(yè)流程的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，就會(huì)對(duì)正常的生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，給設(shè)備應(yīng)用企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重情況下還會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的人員傷亡、環(huán)境污染和惡劣的社會(huì)影響。由此可見，加強(qiáng)對(duì)智能診斷與動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用，能夠使設(shè)備的可靠性與維修性及設(shè)備的管理水平得到進(jìn)一步提高，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到有效保障，防止出現(xiàn)重大事故，使事故危害性降到最低，從而獲得潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］何正嘉；訾艷陽(yáng)；孟慶豐等；機(jī)械設(shè)備非平穩(wěn)信號(hào)的故障診斷原理及應(yīng)用［M］；北京：高等教育出版社；2011