基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李銳

摘 要：本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的要求，結(jié)合鐵譜分析技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，深入研究和開發(fā)了基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。主要思路是把計(jì)算機(jī)圖像處理及識(shí)別技術(shù)與鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合，并根據(jù)本文設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)來識(shí)別磨粒類型和故障原因，實(shí)現(xiàn)了鐵譜的自動(dòng)分析，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性和效率。

關(guān)鍵詞：鐵譜分析；故障診斷；專家系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)

鐵譜分析技術(shù)是一類被普遍應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備磨損故障診斷和磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的技術(shù)手段。發(fā)動(dòng)機(jī)作為一類復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，研究和開發(fā)高效、實(shí)用的故障診斷系統(tǒng)，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障苗頭，減少或杜絕設(shè)備故障的發(fā)生具有重要意義。

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的要求，結(jié)合鐵譜分析技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，深入研究和開發(fā)了基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

由于鐵譜分析的對(duì)象最終是鐵譜譜片上的磨粒，本質(zhì)是磨粒識(shí)別問題。因此，把計(jì)算機(jī)圖像處理及識(shí)別技術(shù)與鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合，便成了機(jī)械故障診斷和鐵譜分析領(lǐng)域的熱門研究方向之一。本文所研制系統(tǒng)采用了鐵譜圖像識(shí)別的方法， 其整體思路是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖譜進(jìn)行采集、處理，提取出各種磨粒的主要特征，比如：周長(zhǎng)、長(zhǎng)短軸比、圓度、面積等，建立磨粒圖像的數(shù)據(jù)庫。把樣本圖譜中的主要特征參數(shù)與已有圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而識(shí)別出被檢測(cè)磨粒的類型。這種方法實(shí)現(xiàn)了鐵譜的自動(dòng)分析，從而為診斷專家系統(tǒng)對(duì)鐵譜信息的自動(dòng)獲取和利用創(chuàng)造了條件。專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想就是為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性和效率，利用鐵譜信息的自動(dòng)獲取，建立專家知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)及零部件失效方面的智能監(jiān)測(cè)與診斷。

2 具體工作

2.1 建立數(shù)據(jù)庫

標(biāo)準(zhǔn)磨粒樣本庫是整個(gè)數(shù)據(jù)庫的核心，其中包含了正常滑動(dòng)磨粒、球狀磨粒、切削磨粒、層狀磨粒、疲勞磨粒、嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒等多個(gè)子數(shù)據(jù)庫。在各個(gè)子數(shù)據(jù)庫中記錄了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磨粒樣本的主要特征參數(shù)值。本系統(tǒng)建立樣本庫時(shí)主要記錄了兩類特征參數(shù)，一類是包括面積、長(zhǎng)度、長(zhǎng)短軸比、周長(zhǎng)、等效面積圓直徑的形狀特征參數(shù)。另一類是包括圓度值和RGB值的顏色特征參數(shù)。本樣本庫之所以采用兩類特征參數(shù)，是因?yàn)閷?duì)圖譜識(shí)別時(shí)，由于鐵譜圖譜的多樣性，計(jì)算機(jī)不會(huì)識(shí)別出所有的特征參數(shù)，有時(shí)僅會(huì)識(shí)別出兩三個(gè)參數(shù)。所以此樣本庫幾乎涵蓋了識(shí)別圖譜所需要的顯著參數(shù)值，并且在形狀特征參數(shù)類，通過其中兩個(gè)參數(shù)就可以推出另外的數(shù)值。提高了識(shí)別圖譜中磨粒的效率和準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖譜進(jìn)行采集、處理，提取各種磨粒的主要特征，再結(jié)合文獻(xiàn)中的詳細(xì)資料建立數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫采用Fortran開發(fā)工具設(shè)計(jì)，并儲(chǔ)存在Excel里，方便程序進(jìn)行鏈接和訪問，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的增添、修改，而不影響系統(tǒng)程序的運(yùn)行。

2.2 設(shè)計(jì)診斷系統(tǒng)

Fortran中自帶界面的設(shè)計(jì)，用戶只要根據(jù)自己需要，設(shè)計(jì)出所需的界面。在本系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)置的選擇框有鐵譜參數(shù)、數(shù)值輸入、開始診斷、磨粒類型、故障原因五個(gè)。在鐵譜參數(shù)下拉菜單里有之前建立樣本數(shù)據(jù)庫時(shí)所選取的兩類特征。如果需要添加更多的特征，只需在建立的數(shù)據(jù)庫里進(jìn)行添加，無需修改代碼。在數(shù)值輸入中隨意輸入一個(gè)數(shù)值時(shí)，進(jìn)行計(jì)算，程序運(yùn)行，找出磨粒類型，并得到發(fā)動(dòng)機(jī)的故障原因。

2.3 故障診斷過程

Image J軟件是一種圖像識(shí)別軟件，可以對(duì)采集到的鐵譜圖譜進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，從而得出磨粒的基本參數(shù)，并將得出的數(shù)據(jù)用記事本制作成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)得到的磨粒參數(shù)，輸入到之前設(shè)計(jì)系統(tǒng)的診斷界面，在后臺(tái)與樣本庫進(jìn)行對(duì)比，得出發(fā)動(dòng)機(jī)故障類型。

3 案例分析

3.1 采集鐵譜圖，分析得出特征參數(shù)

磨粒特征的提取，需要對(duì)鐵譜進(jìn)行圖片處理，才能測(cè)量出具體的數(shù)值特征。打開Image J軟件，輸入一張圖譜，點(diǎn)擊菜單欄中的Image->Adjust->Color Threshold，運(yùn)行后可以得到具體的顏色參數(shù)，繼續(xù)點(diǎn)擊菜單欄中的Analyze->Analyze Particies，運(yùn)行后最終得到具體的形狀參數(shù)，結(jié)果如下圖。

3.2 輸入特征參數(shù)，得出故障類型

打開診斷界面，在形狀參數(shù)列表選擇面積，在數(shù)值處輸入28，在顏色參數(shù)列表選擇RGB，在數(shù)值處輸入867329。點(diǎn)擊診斷，得出磨粒類型和故障原因如下圖。

再在形狀參數(shù)列表選擇長(zhǎng)短軸比，在數(shù)值處輸入1.05，在顏色參數(shù)列表選擇圓度，在數(shù)值處輸入0.97.點(diǎn)擊診斷，得出磨粒類型和故障原因如下圖。

3.3 歸納總結(jié)，得出最終發(fā)動(dòng)機(jī)故障

由以上系統(tǒng)診斷，得出鐵譜圖中既有正常滑動(dòng)磨粒，又有球狀磨粒，可估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑工作正常，但滾動(dòng)軸承有些許疲勞裂紋，并且發(fā)動(dòng)機(jī)中具有相對(duì)滑動(dòng)或滾動(dòng)表面的零件安裝不良或其表面有開裂。因此，根據(jù)判斷出的故障，可以確定維修方法為更換發(fā)動(dòng)機(jī)中的滾動(dòng)軸承，檢查更換受損部件后全部潤(rùn)滑并重新安裝。