創(chuàng)新診斷技術(shù) 護(hù)航機(jī)械“健康”
——訪西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任何正嘉

文/高妍 楊進(jìn)平

創(chuàng)新診斷技術(shù) 護(hù)航機(jī)械“健康”
——訪西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任何正嘉

文/高妍 楊進(jìn)平

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的機(jī)械設(shè)備日趨大型化、高速化、集成化和自動(dòng)化。如百萬千瓦大型發(fā)電機(jī)組、百萬噸級(jí)乙烯及重催成套裝備、超過300公里時(shí)速高速列車、航空航天運(yùn)載工具、大型連軋機(jī)組、大型艦船、大型掘進(jìn)裝備等，這些關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備一旦出現(xiàn)事故，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。國內(nèi)外因機(jī)械設(shè)備故障失效而引起的災(zāi)難性事故屢有發(fā)生，對(duì)機(jī)械故障診斷提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

機(jī)械故障診斷通過研究設(shè)備在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)性能的變化規(guī)律，掌握其運(yùn)行狀況，以期盡早發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢。該技術(shù)能夠保障生產(chǎn)安全和人身安全，預(yù)防惡性事故的發(fā)生；提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，降低故障損失；同時(shí)，能夠?yàn)樵O(shè)備的優(yōu)化升級(jí)提供數(shù)據(jù)和信息支撐。

上世紀(jì)60年代中后期，美國宇航局倡導(dǎo)成立了機(jī)械故障預(yù)防小組，是為近代機(jī)械故障診斷技術(shù)研究的開端。我國診斷技術(shù)的發(fā)展始于70年代末，而1983年南京首屆設(shè)備診斷技術(shù)專題座談會(huì)的召開，則被公認(rèn)為我國機(jī)械故障診斷技術(shù)的真正起步。

我國的機(jī)械故障診斷技術(shù)雖然起步較晚，但經(jīng)過30年的努力，已基本跟上國際步伐，在電力、石化、煉油、冶金、交通、航空、載人航天等領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。在一批機(jī)械故障診斷專家的共同努力下，近年我國的機(jī)械故障診斷已在某些理論研究方面形成了自身特色，并研發(fā)出了一批自主創(chuàng)新的監(jiān)測診斷產(chǎn)品，足可媲美國際。

如果把機(jī)械比作一個(gè)“人體”，那么它的構(gòu)成部件就是各個(gè)“器官”，而機(jī)械設(shè)備故障診斷專家就是能夠及早診斷“人體”和“器官”疾病，并將其扼殺在搖籃中，為“人體”健康保駕護(hù)航的“醫(yī)生”。

西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任何正嘉，就是這樣一位運(yùn)用高超“醫(yī)術(shù)”護(hù)航機(jī)械“健康”的“醫(yī)生”。他從事工礦企業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷研究及應(yīng)用40余年，在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)裂紋定量識(shí)別、非平穩(wěn)信號(hào)故障診斷和智能預(yù)示等方面開展了基礎(chǔ)理論研究和重要工程應(yīng)用，取得了諸多創(chuàng)新性成果，對(duì)推動(dòng)我國機(jī)械設(shè)備診斷發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

發(fā)明裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷新技術(shù)

裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷新技術(shù)是何正嘉近期取得的代表性成果之一，其研究始于上世紀(jì)90年代中后期。何正嘉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10余年的潛心研究和探索，發(fā)現(xiàn)并揭示了裂紋位置、裂紋深度與裂紋動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)之間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)明了基于小波有限元模型的三線相交結(jié)構(gòu)裂紋的動(dòng)態(tài)定量診斷方法，實(shí)現(xiàn)了大型回轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷，解決了裂紋位置與深度的動(dòng)態(tài)定量診斷這一國內(nèi)外故障診斷領(lǐng)域的前沿與挑戰(zhàn)性難題。

在研究過程中，何正嘉首先建立了適宜結(jié)構(gòu)裂紋故障診斷的小波有限元理論，采用多分辨多尺度小波函數(shù)替代傳統(tǒng)有限元的多項(xiàng)式插值函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)裂紋的高精度建模；隨后提出了一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馀c拉普拉斯小波相結(jié)合的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行模態(tài)參數(shù)精確識(shí)別新方法，從而獲得了裂紋定量診斷所需的結(jié)構(gòu)前三階固有頻率；最后，結(jié)合結(jié)構(gòu)裂紋的小波有限元模型與運(yùn)行模態(tài)參數(shù)的提取，發(fā)明了基于小波有限元的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)三線相交裂紋定量診斷方法，根據(jù)三條固有頻率響應(yīng)曲線的交點(diǎn)，動(dòng)態(tài)定量診斷出裂紋的位置與深度。基于上述創(chuàng)新理論與方法，何正嘉最終研發(fā)出了機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋定量診斷儀，可應(yīng)用于汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)的裂紋診斷，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備安全運(yùn)行與避免災(zāi)難性事故發(fā)生意義重大。

目前，該成果從基礎(chǔ)理論、技術(shù)實(shí)現(xiàn)到儀器開發(fā)，已經(jīng)形成了一整套技術(shù)，在東方汽輪機(jī)公司、某航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修廠、西門子信號(hào)有限公司、上海寶鋼等50余家企業(yè)得到應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。東方汽輪機(jī)公司對(duì)北京京能熱電股份有限公司的200MW機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行通流擴(kuò)容改造時(shí)，就利用小波有限元裂紋診斷技術(shù)，提前診斷出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋，比傳統(tǒng)方法效率提高了約10倍；針對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)部裂紋因探頭不可到達(dá)而難以無損探傷，利用小波有限元建模和動(dòng)態(tài)測試，實(shí)現(xiàn)了裂紋定量診斷，成為某廠航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全維修中一種重要檢測技術(shù)。實(shí)踐證明，何正嘉所研制的機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋定量診斷儀對(duì)裂紋位置與深度的定量識(shí)別誤差均在5％以內(nèi)。

這一成果填補(bǔ)了國內(nèi)外在機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷領(lǐng)域的技術(shù)空白，能夠確保設(shè)備安全運(yùn)行，避免因裂紋引起的災(zāi)難性事故發(fā)生。

與該成果相關(guān)的“機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋的小波有限元定量診斷技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲2008年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，“大型回轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋的動(dòng)態(tài)定量診斷技術(shù)與應(yīng)用”獲2009年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，并出版專著《小波有限元理論及其工程應(yīng)用》。為紀(jì)念裂紋研究50周年，國際權(quán)威期刊MSSP于2008年出版專刊，大篇幅引用該成果，并評(píng)價(jià)該方法是一種精確的新方法；國內(nèi)業(yè)內(nèi)權(quán)威專家也對(duì)該成果作出評(píng)價(jià)：“裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷屬原始創(chuàng)新，解決了國際難題，屬于國際先進(jìn)水平。”

何正嘉(前右一)在進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子缺陷診斷

開拓非平穩(wěn)高精度診斷新領(lǐng)域

在裂紋動(dòng)態(tài)定量診斷新技術(shù)研究之前，何正嘉的主攻方向在機(jī)械故障非平穩(wěn)高精度診斷領(lǐng)域。

何正嘉在研究中發(fā)現(xiàn)，傅里葉變換、小波變換、第二代小波變換、多小波變換等的共同本質(zhì)是數(shù)學(xué)上的內(nèi)積變換，由此揭示了不同機(jī)械故障高精度診斷的內(nèi)積變換數(shù)學(xué)原理，并指出，構(gòu)造和運(yùn)用性能優(yōu)良的基函數(shù)與動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積變換，是提高機(jī)械監(jiān)測診斷合理性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)；他率先將先進(jìn)的非平穩(wěn)信號(hào)處理方法引入機(jī)械監(jiān)測診斷領(lǐng)域，提出了變工況非平穩(wěn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行故障診斷方法，從多尺度、多分辨時(shí)頻域提取故障信號(hào)特征，克服了采用傳統(tǒng)平穩(wěn)信號(hào)診斷方法難以準(zhǔn)確提取變工況運(yùn)行設(shè)備非平穩(wěn)故障特征的不足；最終開發(fā)了機(jī)械故障非平穩(wěn)高精度診斷系列新技術(shù)，其中包括小波包自回歸譜、小波包分解頻帶能量監(jiān)測、第二代小波解調(diào)、自適應(yīng)多小波等方法，實(shí)現(xiàn)了故障特征精確提取。

機(jī)車走行部故障檢測

在上述成果的基礎(chǔ)上，何正嘉開發(fā)了機(jī)車走行部、發(fā)電機(jī)組等關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測診斷系列實(shí)用技術(shù)和在線監(jiān)測診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開拓了機(jī)械故障非平穩(wěn)高精度診斷的新領(lǐng)域。

目前，該技術(shù)和系統(tǒng)已經(jīng)在株洲南車時(shí)代電氣公司、西固熱電廠等企業(yè)開展了重要工程應(yīng)用。開發(fā)了JZT——1型機(jī)車走行部狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷車載裝置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車軸承、齒輪等關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測診斷與報(bào)警，成功診斷多起故障，為保障鐵路安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，經(jīng)廣州鐵路集團(tuán)公司科委組織鑒定，整體技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先。

西固熱電廠 5號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組長期存在不規(guī)則的劇烈振動(dòng)，致使機(jī)組出力不到一半。何正嘉利用該系統(tǒng)診斷，發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)汽管膨脹不均勻造成汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙變化，引發(fā)蒸汽激振，從而徹底解決了這個(gè)老大難問題，保障了機(jī)組正常發(fā)電。相關(guān)成果經(jīng)陜西省科委鑒定為國際先進(jìn)水平、部分成果為國際領(lǐng)先水平。

應(yīng)用該技術(shù)的“大型機(jī)械設(shè)備變工況非平穩(wěn)動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)測診斷關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，解決了工礦企業(yè)急需，經(jīng)國際聯(lián)機(jī)檢索、國內(nèi)專家評(píng)審和鑒定，研究成果分別具有國際先進(jìn)和國際領(lǐng)先水平，獲得1999年國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。“機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場動(dòng)態(tài)分析與變工況監(jiān)測診斷技術(shù)”項(xiàng)目也獲得1996年國家教委科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。另外，何正嘉總結(jié)該先進(jìn)成果，與團(tuán)隊(duì)成員一起出版了《機(jī)械設(shè)備非平穩(wěn)信號(hào)的故障診斷原理及應(yīng)用》(2001年)等論著。

提出故障智能預(yù)示新方法

在對(duì)機(jī)械設(shè)備故障診斷理論方法的貢獻(xiàn)中，何正嘉還有一項(xiàng)創(chuàng)新性成果，那就是他在機(jī)械設(shè)備早期故障智能預(yù)示方面提出的新方法。在主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)早期故障智能預(yù)示的理論與技術(shù)”期間，何正嘉通過大量的理論研究和實(shí)踐探索，總結(jié)提出了機(jī)械設(shè)備的早期微弱故障特征增強(qiáng)、復(fù)合故障特征解耦、混合智能診斷與運(yùn)行可靠性評(píng)估等方法，為重大機(jī)械裝備早期故障智能預(yù)示和運(yùn)行安全保障提供了新理論和新技術(shù)。

自2007年至今，何正嘉已應(yīng)用該技術(shù)在工程中診斷出百余起重要機(jī)械故障，其中為蘭州煉油化工總廠、太原重型機(jī)械集團(tuán)、上海寶鋼、西門子信號(hào)有限公司、西安北方光電公司、東方機(jī)械廠、山西焦煤集團(tuán)、天津津華無線電廠等診斷出了軸瓦松動(dòng)、軋機(jī)齒輪軸承損傷、轉(zhuǎn)轍機(jī)螺桿裂紋、燙金模切機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)裂紋、磨床砂輪主軸承損傷、蝸桿磨損、錄音機(jī)機(jī)芯抖晃等種種故障，有效避免了事故發(fā)生和重大損失，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，相關(guān)成果獲得國家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、電子工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

此外，何正嘉還為企業(yè)培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)人員千余人，提高了企業(yè)自身的機(jī)械設(shè)備故障診斷能力。鑒于在故障診斷學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛影響，受全國機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委托，何正嘉還擔(dān)任了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2298——2010《機(jī)械振動(dòng)、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測詞匯》制定的直屬工作組組長，歷時(shí)兩年制定該新標(biāo)準(zhǔn)并獲國標(biāo)委批準(zhǔn)，為工程振動(dòng)領(lǐng)域基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定作出了貢獻(xiàn)，促進(jìn)了機(jī)械設(shè)備故障診斷的發(fā)展。

打造一流科研教學(xué)團(tuán)隊(duì)

何正嘉在精于科研、推動(dòng)應(yīng)用的同時(shí)，始終遵循嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、團(tuán)隊(duì)至上的準(zhǔn)則，兢兢業(yè)業(yè)，執(zhí)著付出。

科研中，他以西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)監(jiān)控與診斷方向?qū)W術(shù)帶頭人的身份，領(lǐng)導(dǎo)開創(chuàng)了諸多創(chuàng)新性理論、技術(shù)與系統(tǒng)，推動(dòng)了中國機(jī)械設(shè)備故障診斷的發(fā)展，被評(píng)為“全國優(yōu)秀科技工作者”。

教學(xué)中，他負(fù)責(zé)并組織建設(shè)了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心和3門國家級(jí)精品課程，被評(píng)為“陜西省師德標(biāo)兵”。

團(tuán)隊(duì)里，他又是必不可少的主心骨和學(xué)術(shù)帶頭人。由他組建的“裝備智能診斷與控制”科研教學(xué)團(tuán)隊(duì)更是精干有力的精英團(tuán)隊(duì)，目前該團(tuán)隊(duì)擁有教授16名，其中教育部長江學(xué)者1名、新世紀(jì)優(yōu)秀人才6名、全國百篇優(yōu)秀博士論文獲得者1名、陜西科技之星1名，為裝備制造學(xué)科的發(fā)展凝聚了CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、故障診斷和減振降噪等領(lǐng)域一批骨干力量。

繼承、發(fā)揚(yáng)、探索、進(jìn)步，社會(huì)在傳承與創(chuàng)新中不斷向前。“繼往開來”，這四個(gè)字飽含著多少人的艱辛與付出，凝結(jié)著多少人的汗水與心血。正是有了以何正嘉為代表的老一輩機(jī)械故障診斷專家的執(zhí)著探索、無私奉獻(xiàn)，才有了我國機(jī)械故障診斷事業(yè)的發(fā)展。路漫漫兮其修遠(yuǎn)，中國機(jī)械設(shè)備故障診斷的進(jìn)步是一個(gè)長期而艱巨的過程，必將隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展呈現(xiàn)出嶄新的面貌，而這，需要新老兩輩人的共同努力，傳承、創(chuàng)新，并肩求索。

西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任何正嘉

何正嘉，教授、博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任。

從事工礦企業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷研究及應(yīng)用40余年，在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)裂紋定量識(shí)別、非平穩(wěn)信號(hào)故障診斷和智能預(yù)示等方面開展了基礎(chǔ)理論研究和重要工程應(yīng)用，取得了諸多創(chuàng)新性成果，對(duì)推動(dòng)我國機(jī)械設(shè)備診斷發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

以第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲得授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)，出版著作7部，發(fā)表論文350篇。

何正嘉，教授、博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)機(jī)械裝備診斷與控制研究所所長、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心主任。1968年畢業(yè)于西安交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)專業(yè)，1982年獲西安交通大學(xué)機(jī)械制造工學(xué)碩士學(xué)位，1998年獲日本九州工業(yè)大學(xué)信息工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)擔(dān)任中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、故障診斷學(xué)會(huì)副理事長職務(wù)，為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC108/SC5中國專家組成員。以第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲得授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)。出版著作7本，發(fā)表論文350篇，其中SCI收錄72篇、EI收錄100篇，論著被國內(nèi)外引用3613次，其中專著《機(jī)械故障診斷學(xué)》被引用1426次。