淺談機械設備狀態監測與故障診斷技術

【摘 要】機械設備狀態監測與故障診斷技術在現代化工業生產中占有十分重要的地位。設備的故障診斷，就是利用科學的監測技術，對設備所處的狀態進行監測，預測設備運行的可靠性，確定其整體或局部是正常或異常。它能對設備故障的發展作出早期預報，對出現故障的原因、部位、危險程度等進行識別和評價，預報故障的發展趨勢，迅速地查找故障源，提出對策建議，并針對具體情況迅速地排除故障，避免或減少事故的發生。

【關鍵詞】狀態監測；故障診斷；設備運行

1、故障診斷與狀態監測技術的發展

故障診斷（FD）始于（機械）設備故障診斷，其全名是狀態監測與故障診斷（CMFD）。它包含兩方面的內容：一是對設備的運行狀態進行監測；二是在發現異常情況后對設備故障進行分析、診斷。

設備故障診斷是隨設備管理和設備維修發展起來的。歐洲各國在歐洲維修團體聯盟（FENMS）的推動下，主要以英國倡導的設備綜合工程學為指導；美國以后勤學（Logistics）為指導；日本吸收兩者特點，提出了全員生產維修（TPM）的觀點。美國自1961年開始執行阿波羅計劃后，出現一系列因設備故障造成的事故，導致1967年在美國宇航局（NASA）倡導下，由美國海軍研究室（ONR）主持成立了美國機械故障預防小組（MFPG），并積極從事技術診斷開發。英國在60—70年代，以Collacott為首的英國機器保健和狀態監測協會（MHMGCMA）最先開始研究故障診斷技術。英國在摩擦磨損、汽車和飛機發電機監測和診斷方面具有領先地位。日本的新日鐵子1971年開發診斷技術，1976年達到實用化。日本診斷技術在鋼鐵、化工和鐵路等部門處于領先地位。

我國在故障診斷技術方面起步較晚，1979年才初步接觸設備診斷技術。目前我國診斷技術在化工、冶金、電力等行業應用較好。故障診斷技術經過三十年的研究與發展，已經用于飛機自動駕駛、人造衛星、航天飛機、核反應堆、汽輪發電機組、大型電網系統、石油化工過程和設備、飛機和船舶發動機、汽車、冶金設備、礦山設備和機床等領域。

故障診斷技術自身發展過程，大致可以歸納為3個階段：

1.1離線的FFT分析儀階段

20世紀80年代初、中期，通過磁帶記錄儀到現場記錄振動信號，然后回實驗室輸入FFT分析儀回放，進行頻譜分析，只有功率譜波形，少數配置雙通道時才能看到軸心軌跡，分析方法單一，基本上只能查幅值、頻率。

1.2離線或在線的計算機輔助監測、診斷階段

20世紀80年代末至90年代中期，通過計算機完成信息采集、信號分析、數據管理、甚至給出診斷結論，有各種圖譜，分析方法多樣，甚至更加注重幅值、頻率、相位信息的全面、綜合利用，同時涌現出專家輔助診斷系統。

1.3網絡化監測、診斷階段

20世紀90年代末以來，充分利用企業內部局域網和Internet網絡，做到資源共享、節省投資、遠程診斷，所監測的參數不再局限于振動、軸位移、轉速，進一步擴展到流量、壓力、溫度等工藝過程量，對設備運行狀態的把握更加全面、準確，實現了真正意義上的專家遠程診斷。有專家預言：基于人工智能的故障診斷專家系統和基于人工神經網絡理論的診斷系統將是故障診斷技術進一步發展的方向。

2、狀態監測與故障診斷技術的含義

機械設備在運行中受到電、熱、環境等各種因素的作用，其性能逐漸劣化，最終導致故障。特別是機械設備大多為鋼鐵材料，容易在外界因素作用下發生老化。機械設備是組成機械系統的基本元件，一旦出現故障，必將引起整個生產線的停產，從而造成企業巨大的經濟損失。

“監測”一詞的含義是為了特殊的目的而進行的注視、觀察與校核。設備的狀態監測是利用各種傳感器和測量手段對反映設備運行狀態的物理、化學量進行檢測，其目的是為了判明設備是否處于正常狀態。“診斷”一詞原是一醫學名詞，指醫生對收集到的病人癥狀（包括醫生的感觀所感覺到的、病人自身主觀陳述以及各種化驗檢測所得到的結果）進行分析處理、尋求患者的病因、了解疾病的嚴重程度及制訂治療措施與方案的過程。設備的“故障診斷”借用了上述概念，其含義是指這樣的過程：專家根據狀態監測所得到的各測量值及其運算處理結果所提供的信息，采用所掌握的關于設備的知識和經驗，進行推理判斷，找出設備故障的類型、部位及嚴重程度，從而提出對設備的維修處理建議。簡言之，“狀態監測”是特征量的收集過程，而“故障診斷”是特征量收集后的分析判斷過程。

3、狀態監測與故障診斷技術的意義

機械設備特別是大型機械設備發生突發性故障，會造成巨大的經濟損失和操作人員的傷亡。提高機械設備的可靠性，一種辦法是提高設備的質量，選用優質材料及先進工藝，優化設計，合理選擇設計裕度，力求在工作壽命內不發生故障。但這樣會導致制造成本增加。此外，設備在運行中，總會逐漸老化，而大型設備不可能象一次性工具那“用過即丟”。因此，另一方面，必須對設備進行必要的檢查和維修，這構成了企業生產部門的重要工作內容。

早期是對設備使用直到發生故障，然后維修，稱為事故維修。但是，如前所述，對于大型設備，突發性事故將造成巨大損失。

4、狀態監測與故障診斷的特點

狀態監測一般由現場操作人員進行。故障診斷則一般由專門人員進行，他們只是在確定設備已發生異常的基礎上對異常設備進行處理，提取故障特征，識別設備狀態并提出診斷決策。雖然理論上兩者是有根本差異的，但實際中由于兩者的密切相關性，往往把狀態監測也劃歸在故障診斷的研究范疇中，統稱為設備的故障診斷與監測或簡稱為故障診斷。由于狀態監鋇，）是故障診斷的前提，因此有時也把狀態監測稱為故障診斷實施的第一階段，而把狹義故障診斷稱為故障診斷實施的第二階段。

5、故障診斷的基本流程及實施步驟

故障診斷包括診斷文檔建立和診斷實施兩大部分。診斷實施過程是故障診斷的中心工作，它可以細分為4個基本步驟：

（1）信號檢測。按不同診斷目的選擇最能表征設備狀態的信號，對該類信號進行全面地檢測，并將其匯集在一起，形成一個設備工作狀態信號子集，該子集稱為初始模式向量。

（2）特征提取（或稱信號處理）。將初始模式向量進行維數變換、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。

（3）狀態識別。將待檢模式與樣板模式（故障檔案）對比，進行狀態分類。

（4）診斷決策。根據判別結果采取相應的對策。對策主要是指對設備及其工作進行必要的預測和干預。

【參考文獻】

[1]黃志堅，等.機械設備振動故障監測與診斷[M].化學工業出版社，2010.

[2]中國機械工程學會設備與維修工程分會.設備狀態監測與故障診斷技術及其工程應用[M].機械工業出版社，2010.