機械設備故障診斷技術的現狀及趨勢

鄒　芳

（臺州方林汽車檢測有限公司，浙江臺州　318000）

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機械設備故障診斷技術的現狀及趨勢

鄒芳

（臺州方林汽車檢測有限公司，浙江臺州318000）

摘要：現代化工業生產過程中機械設備得到普遍應用，機械設備故障診斷技術的發展對于現代工業化生產能夠起到重要的保障作用，也能夠保障宏觀經濟的安全運轉。因此，對機械設備故障診斷技術進行研究既具有重要的理論意義，也具有重要的現實意義。

關鍵詞：機械設備；故障診斷技術；現狀及趨勢

隨著生產力的解放和科技水平的不斷提高，現代化工業生產過程中機械設備也得到越來越普遍的應用，其自動化水平越來越高，設備構造越來越精細化和復雜化。在現代工業中，由于機械設備的使用，勞動力得到了極大解放，生產效率也大大提升，對整個經濟、社會發揮著無可替代的作用。而與機械設備的廣泛應用相伴隨的是機械設備故障診斷技術的發展。機械設備經過長時間、不間斷的運轉，難免會出現磨損、變形、斷裂、腐蝕等一系列問題，如果這些隱患得不到及時的發現和處理，就會使設備出現故障，影響機器的運轉，導致機械設備自身的損壞，甚至會導致出現重大事故和損失。機械設備故障診斷技術對現代工業生產具有非常重要的作用，能夠檢測機械設備的運行情況及自身狀況，及時發現可能存在的故障隱患，并分析診斷故障產生的原因，提出有效地解決辦法排除故障，從而保障機械設備的運轉，確保生產安全，提高經濟效益。甚至從更宏大的角度來說，機械設備故障診斷技術的發展對于現代工業化生產能夠起到重要的保障作用，也能夠保障宏觀經濟的安全運轉。因此，對機械設備故障診斷技術進行研究即具有重要的理論意義，也具有重要的現實意義。本文將就機械設備故障的發展歷史、診斷技術及發展趨勢進行梳理和分析探討。

1　機械設備故障診斷技術的發展史

從定義上來講，機械設備故障診斷全稱為狀態檢測與故障診斷，其主要內容有二：檢測設備運行狀態、分析診斷設備故障。其作為一種技術，是現代化生產的產物，自工業化生產出現以來就存在，它是隨著機械設備的管理和維修所發展起來的，而其作為一門學科，則是20世紀60年代以后才逐漸形成的。機械設備故障診斷技術最早開始被研究是從美國開始的。20世紀60年代美國的阿波羅計劃出現了一系列設備故障，為此他們成立了“美國機械故障預防小組（MFPG）”，專門負責研究和開發機械設備故障診斷技術。1972年，德國大眾公司率先發明了微機診斷系統，其后又研制成功了車輛設備診斷用傳感器和連接器，對診斷設備的制造起到了巨大的推進作用。另外，在隨后的二三十年里，美國哈米爾頓標準公司、美國通用公司、福特汽車公司、日本豐田公司、日產公司等都研發了獨特的機械設備故障診斷設備，極大的推動了機械設備故障診斷技術的發展。而我國對于機械設備故障診斷的研究和應用開始于1983年，并隨即在冶金、化工、航空等制造行業得到了迅速推廣和廣泛應用，產生了巨大的經濟價值和社會效益。

隨著科技水平尤其是計算機技術的不斷提高，機械設備故障診斷技術也獲得了突飛猛進的發展。其發展到今天，已經成為一門較為完整的、獨立的、跨學科的新興的綜合性工程學科。它以檢測設備運行狀態和分析診斷設備故障為主要內容，以可靠性理論、信息論、系統論、控制論為理論基礎，以計算機和現代化儀器為手段，以建立新的維修體系和探索各種診斷對象的特殊規律為目標，從而日益成為一門熱點學科。經過多年的研究和發展，機械設備故障診斷技術已經廣泛應用于工業生產中，甚至在航天飛機、人造衛星、核反應堆、飛機自動駕駛等高精尖領域也得到了廣泛應用。

盡管機械設備故障診斷技術已經取得了巨大的發展進步，但是我們必須要承認，其作為一門新興學科，在很多方面還尚不完善，具體來說，表現在以下幾個方面：一是發展存在一定程度的不平衡。不同類型的機械設備其相應診斷技術的發展程度不盡相同，如旋轉式機械設備的故障診斷及實踐相對比較成熟，而往復式機械設備的故障診斷理論及實踐還有待于提高。二是機械設備故障診斷儀器與測量分析儀器往往是脫離的，沒有很好的聯合。如放大儀、傳感器、頻譜儀等便攜式設備往往只是分析系統，而沒有對設備進行診斷和特征數據收集的功能。而高端的設備則多維專用的、固定的，服務對象固化，應用范圍不廣。三是針對現場的設備故障診斷系統尚不完善，簡易儀表單一、精度低，而精密分析儀價格昂貴、專業程度高，操作難度大。

機械設備故障診斷技術取得了巨大的成就，也存在著若干不足。但是，我們可以預見，機械設備故障診斷技術在未來有著十分廣闊的前景，其將為人類社會的技術進步提供充分地保障和推動力，而同時，科學技術的進步也能夠反過來推動機械設備故障診斷技術的進一步發展。

2　機械設備故障診斷的研究現狀

機械故障診斷經過30多年的發展已經初步形成了較為完整的學科體系，其相關研究也漸趨豐富。從技術手段的角度來說，機械設備故障診斷技術以油樣分析、振動診斷、無損探傷及溫度檢測為主要檢測手段。其中，振動診斷憑借越來越發達的計算機技術，發展最為成熟，所涉及領域面最廣、理論基礎更雄厚，研究成果更豐碩。在對振動信號的分析處理上，既有傳統的時頻域分析、統計分析、參數辨識、時序模型分析等分析方法，也得益于科技的發展出現了新式的三維全息譜分析、倒譜分析、軸心軌跡分析、頻率細化技術、共振解調分析、小波變換等等更加多樣的分析手段。

而隨著技術的發展，人工智能逐漸在機械設備故障診斷中嶄露頭角，為機械故障診斷注入了新的活力，而在人工智能領域也出現了一個新的研究熱點，即機械故障診斷領域中人工神經網絡的研究，雖然目前該研究還大多處于實驗室階段，但是其發展前景非常樂觀。另外，在人工智能方面的專家系統也是該領域最顯著的成就之一，在理論上和實踐上都取得了極大發展。其主要內容包括診斷知識的表達、診斷推理方法、診斷知識的獲取等。傳統的基于模型的故障診斷技術對模型有著高度的依賴性，而基于專家系統的診斷方法則有了很大的改進，其有效地擺脫了對模型的高度依賴，其有效性和可行性都得到了很好的驗證，成為機械設備故障診斷的一個有效方法。近年來，學術界和應用界都開始探索把人工神經網絡與專家系統相結合，試圖打造一個結合二者優勢，彌補二者缺陷的神經系統專家系統。

如今，機械設備故障診斷技術作為一門學科獲得了前所未有的發展，其相應的診斷理論和方法日益豐富和完善，在實踐中也深入到了現代工業生產的各個領域。從學科發展角度來講，機械設備故障診斷技術應該要更加注重對故障機理和特性進行研究，使其具有先進性，從而從理論上指導故障診斷，而各種理論和方法要不斷地創新，并且能夠及時、深入的應用到實踐中去。另外，要不斷加強與深化故障診斷的各種理論與方法技術的相互融合、相互滲透，使二者能夠產生“1+1＞2”的效果，不斷地擴展故障診斷技術的應用范圍，豐富故障診斷技術及可檢測故障的內容，將故障的檢測診斷與故障的管理、保養、維修緊密結合起來。

3　機械設備故障診斷的主要方法

機械設備故障診斷方法經歷了從一斷臆斷到智能、從簡易到精密、從單機到網絡的發展過程。針對機械設備故障診斷的方法，有很多的分類標準，目前來講，主流的分類是將其分為基于系統數學模型的故障診斷方法和基于非模型的故障診斷方法這兩類，這種分類方法主要是以系統采用的決策方法和特征描述為標準而進行劃分的。

（1）基于系統數學模型的診斷方法。這種診斷方法是利用一種構造觀測器，其主要作用是將系統輸出進行估計，并把系統輸出的實際測量值與估計的結果進行對比，通過對比就可以得知設備的運行情況以及故障的相關信息。該方法的指導思想是現代控制理論和優化方法，其運行基礎是系統的數學模型，通過構造觀測器、濾波器、等價空間方程以及參數辨識和模型估計等方法來進行數據信息的比較分析，產生殘差，然后在用一定的準則對殘差進行評價，得出結果?；谙到y數學模型的診斷方法有效地結合了控制系統，能夠為機械設備的運行檢測、設備管理、問題修復以及容錯控制提供數據參考和解決問題的前提條件。

（2）基于非模型的故障診斷方法。這種故障診斷方法目前應用較為廣泛，其也發展出多種形式。一是基于可測信號處理的方法，常用的有頻譜分析、功率分析、概率分析、相關分析等，其主要原理是將系統輸出的頻率、相位、幅值等數據與故障源的輸出進行相關性分析，從而確定是否具有故障及故障的形式。二是基于專家系統的故障診斷方法，該方法與以往的以數據為處理對象不同，其目標是獲取、處理和利用專家的知識，注重知識表示和推理方法，其結構可概括為：知識+推理=專家系統。三是基于故障模式識別的方法，這是一種靜態的診斷方法，其核心技術是模式識別技術，通過對故障模式特征量的選擇和提取來確定故障。四是基于故障樹分析法的診斷方法，故障樹分析法又稱為失效樹分析法，它以事件為中心，采用演繹分析方法，將系統不希望發生的事件（故障）作為分析目標，分析各種事件及其原因，并按照層級推理下去，并將其邏輯關聯用樹狀的形式畫出，從而形成一個樹狀的邏輯結構圖，能夠對系統故障和各種事件原因進行詳細的劃分。五是基于模糊數學的故障診斷方法，其核心是利用征兆來診斷故障，這種故障的征兆則用隸屬度來描述，故障狀態和征兆之間存在著映射關系，但是這種關系具有一定的模糊性，所以往往依據模糊邏輯合成算法，同時使用經驗判斷以及模糊統計矩陣，然后再進行機械設備故障的模糊綜合評判。六是基于人工神經網絡的故障診斷段方法，該方法具有大規模并行、分布式存儲和處理、自組織、自適應和學習能力，適用于處理不精確和模糊的信息。

4　機械設備故障診斷技術的發展趨勢

（1）不解體化。機械設備故障診斷技術將通過對可預埋在發動機內的傳感器的研究和開發，來進行不解體檢測的研究。其中美國、日本等國家取得了較為先進的成果。他們通過在發動機內預埋一種超薄型傳感器，主要功能是可以檢測發動機的溫度以及主要部件的配合間隙，從而診斷可能的故障。另外，發動機的轉速波動也是體現故障的一個重要指標，一些國家則研制了光纖傳感器，專門用來檢測這一指標。

（2）高精度化。高精度化是指在處理信號技術的時候，通過一定的方法，來提高信號分析的信噪比。一般來講，高精度化可以從以下幾個方面來理解。一是小波理論，一些復雜的運動系統如柴油機等，其信號往往是瞬態的、突變的、非平穩的，高精度化就是可以用小波理論來分析處理這些信號，來極大的提高其信號的分辨率。二是分形幾何，其認為分形具有不必是整數的分形維數，傳統的幾何方法依靠的是整數維數，而分形幾何則將其擴展成了連續正數，這種方法在處理瞬態的、突變的、非平穩的信號上也有廣闊前景。三是全息譜分析方法，這往往應用在振動信號的處理上，它將幅、頻、相三者結合起來，而普通付氏譜往往只考慮幅和頻，因此，該方法能夠有效彌補這一不足，在對振動信號的獲取上更加全面，更加系統。

（3）智能化。所謂智能化，是指一套能夠自動完成數據處理、分析、故障識別等一系列工作的開發型專家系統。機械設備故障診斷技術的智能化能夠大大減輕診斷工作量，也能夠大大提升機械設備故障診斷的效率和準確性。而要建立故障診斷專家系統，必須要對機械設備故障的形成機理進行細致的研究分析，讓系統的知識庫不斷充實完善起來，從而能夠擺脫制約專家系統發展的瓶頸，使其能夠更好、更有效地發揮作用。另外，機械設備故障診斷技術的智能化還需要把模糊神經網絡方法與專家系統相結合，讓模糊神經網絡具有自學習、自組織以及聯想等智能化功能，從而推動機械設備故障診斷系統的自我發展和完善。而機械設備故障診斷系統也逐漸從集中式發展為分布式，通過系統軟硬件生產設計的規范化、標準化、模塊化，來縮短機械設備故障診斷系統的開發周期，大大地提高其可靠性。

（4）網絡化。機械設備故障診斷技術在新世紀要取得長足的發展，網絡化是一個無法回避的重要方面。計算機技術及通訊技術的飛速發展使得機械設備故障診斷技術網絡化成為可能。如今各種通訊手段已經連接成為一個網絡，憑借這種網絡，能夠有效聯系多個故障診斷系統，使相互之間的信息、資源共享成為可能，這也有助于提升機械設備故障診斷的質量。另外，由故障診斷系統與數據采集系統組成的網絡也具有非常重要的作用，它能夠對機組實施有效地管理，對企業來說，這樣既能夠減少其設備投資，也能夠提高設備利用率，甚至還可以與企業的MIS系統相聯結，促進企業管理的一體化和現代化。

參考文獻

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Current Situation and Trend of Machinery Fault Diagnosis Technology

ZOU Fang
（Fanglin Automobile Detection CO.，LTD.，Taizhou，Zhejiang 318000，China）

Abstract：The application of Machinery and equipment is more and more wide in modern industry production，the development of mechanical equipment fault diagnosis technology can guarantee the smooth operation of macro economy.Thus，the study of mechanical equipment fault diagnosis technology has important theoretical significance as well as important practical significance.

Key words:mechanical equipment；fault diagnosis technology；current situation and trend

作者簡介：鄒芳，主要研究方向：機械。

收稿日期：2016-01-11

中圖分類號：TH165.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0008-03