創(chuàng)新診斷技術 護航機械“健康”
——訪西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任何正嘉

文/高妍 楊進平

創(chuàng)新診斷技術 護航機械“健康”
——訪西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任何正嘉

文/高妍 楊進平

隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，國民經濟各行業(yè)的機械設備日趨大型化、高速化、集成化和自動化。如百萬千瓦大型發(fā)電機組、百萬噸級乙烯及重催成套裝備、超過300公里時速高速列車、航空航天運載工具、大型連軋機組、大型艦船、大型掘進裝備等，這些關鍵機械設備一旦出現(xiàn)事故，將帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。國內外因機械設備故障失效而引起的災難性事故屢有發(fā)生，對機械故障診斷提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

機械故障診斷通過研究設備在運行過程中動態(tài)性能的變化規(guī)律，掌握其運行狀況，以期盡早發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并預報故障發(fā)展趨勢。該技術能夠保障生產安全和人身安全，預防惡性事故的發(fā)生；提高設備運行的可靠性、安全性和有效性，降低故障損失；同時，能夠為設備的優(yōu)化升級提供數(shù)據(jù)和信息支撐。

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

我國的機械故障診斷技術雖然起步較晚，但經過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、載人航天等領域都已得到廣泛應用。在一批機械故障診斷專家的共同努力下，近年我國的機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)測診斷產品，足可媲美國際。

如果把機械比作一個“人體”，那么它的構成部件就是各個“器官”，而機械設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”健康保駕護航的“醫(yī)生”。

西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任何正嘉，就是這樣一位運用高超“醫(yī)術”護航機械“健康”的“醫(yī)生”。他從事工礦企業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷研究及應用40余年，在機械設備結構裂紋定量識別、非平穩(wěn)信號故障診斷和智能預示等方面開展了基礎理論研究和重要工程應用，取得了諸多創(chuàng)新性成果，對推動我國機械設備診斷發(fā)展作出了突出貢獻。

發(fā)明裂紋動態(tài)定量診斷新技術

裂紋動態(tài)定量診斷新技術是何正嘉近期取得的代表性成果之一，其研究始于上世紀90年代中后期。何正嘉帶領團隊經過10余年的潛心研究和探索，發(fā)現(xiàn)并揭示了裂紋位置、裂紋深度與裂紋動態(tài)響應信號之間的內在聯(lián)系，發(fā)明了基于小波有限元模型的三線相交結構裂紋的動態(tài)定量診斷方法，實現(xiàn)了大型回轉機械結構裂紋動態(tài)定量診斷，解決了裂紋位置與深度的動態(tài)定量診斷這一國內外故障診斷領域的前沿與挑戰(zhàn)性難題。

在研究過程中，何正嘉首先建立了適宜結構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)有限元的多項式插值函數(shù)，實現(xiàn)了結構裂紋的高精度建模；隨后提出了一種經驗模式分解與拉普拉斯小波相結合的機械設備運行模態(tài)參數(shù)精確識別新方法，從而獲得了裂紋定量診斷所需的結構前三階固有頻率；最后，結合結構裂紋的小波有限元模型與運行模態(tài)參數(shù)的提取，發(fā)明了基于小波有限元的結構動態(tài)響應三線相交裂紋定量診斷方法，根據(jù)三條固有頻率響應曲線的交點，動態(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)出了機械結構裂紋定量診斷儀，可應用于汽輪機和航空發(fā)動機轉子等結構的裂紋診斷，對關鍵設備安全運行與避免災難性事故發(fā)生意義重大。

目前，該成果從基礎理論、技術實現(xiàn)到儀器開發(fā)，已經形成了一整套技術，在東方汽輪機公司、某航空發(fā)動機維修廠、西門子信號有限公司、上海寶鋼等50余家企業(yè)得到應用，獲得了良好的經濟效益與社會效益。東方汽輪機公司對北京京能熱電股份有限公司的200MW機組轉子進行通流擴容改造時，就利用小波有限元裂紋診斷技術，提前診斷出汽輪機轉子裂紋，比傳統(tǒng)方法效率提高了約10倍；針對某型號航空發(fā)動機高壓轉子內部裂紋因探頭不可到達而難以無損探傷，利用小波有限元建模和動態(tài)測試，實現(xiàn)了裂紋定量診斷，成為某廠航空發(fā)動機安全維修中一種重要檢測技術。實踐證明，何正嘉所研制的機械結構裂紋定量診斷儀對裂紋位置與深度的定量識別誤差均在5％以內。

這一成果填補了國內外在機械結構裂紋動態(tài)定量診斷領域的技術空白，能夠確保設備安全運行，避免因裂紋引起的災難性事故發(fā)生。

與該成果相關的“機械結構裂紋的小波有限元定量診斷技術與應用”項目獲2008年教育部技術發(fā)明一等獎，“大型回轉機械結構裂紋的動態(tài)定量診斷技術與應用”獲2009年國家技術發(fā)明二等獎，并出版專著《小波有限元理論及其工程應用》。為紀念裂紋研究50周年，國際權威期刊MSSP于2008年出版專刊，大篇幅引用該成果，并評價該方法是一種精確的新方法；國內業(yè)內權威專家也對該成果作出評價：“裂紋動態(tài)定量診斷屬原始創(chuàng)新，解決了國際難題，屬于國際先進水平。”

何正嘉(前右一)在進行汽輪機轉子缺陷診斷

開拓非平穩(wěn)高精度診斷新領域

在裂紋動態(tài)定量診斷新技術研究之前，何正嘉的主攻方向在機械故障非平穩(wěn)高精度診斷領域。

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是數(shù)學上的內積變換，由此揭示了不同機械故障高精度診斷的內積變換數(shù)學原理，并指出，構造和運用性能優(yōu)良的基函數(shù)與動態(tài)信號進行內積變換，是提高機械監(jiān)測診斷合理性和準確性的關鍵技術；他率先將先進的非平穩(wěn)信號處理方法引入機械監(jiān)測診斷領域，提出了變工況非平穩(wěn)機械設備運行故障診斷方法，從多尺度、多分辨時頻域提取故障信號特征，克服了采用傳統(tǒng)平穩(wěn)信號診斷方法難以準確提取變工況運行設備非平穩(wěn)故障特征的不足；最終開發(fā)了機械故障非平穩(wěn)高精度診斷系列新技術，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、自適應多小波等方法，實現(xiàn)了故障特征精確提取。

機車走行部故障檢測

在上述成果的基礎上，何正嘉開發(fā)了機車走行部、發(fā)電機組等關鍵機械設備運行監(jiān)測診斷系列實用技術和在線監(jiān)測診斷網絡系統(tǒng)，開拓了機械故障非平穩(wěn)高精度診斷的新領域。

目前，該技術和系統(tǒng)已經在株洲南車時代電氣公司、西固熱電廠等企業(yè)開展了重要工程應用。開發(fā)了JZT——1型機車走行部狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷車載裝置，實現(xiàn)了機車軸承、齒輪等關鍵部件的在線監(jiān)測診斷與報警，成功診斷多起故障，為保障鐵路安全運行發(fā)揮了重要作用，經廣州鐵路集團公司科委組織鑒定，整體技術國內領先。

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

應用該技術的“大型機械設備變工況非平穩(wěn)動態(tài)分析與監(jiān)測診斷關鍵技術”項目，解決了工礦企業(yè)急需，經國際聯(lián)機檢索、國內專家評審和鑒定，研究成果分別具有國際先進和國際領先水平，獲得1999年國家科技進步三等獎。“機械設備現(xiàn)場動態(tài)分析與變工況監(jiān)測診斷技術”項目也獲得1996年國家教委科技進步一等獎。另外，何正嘉總結該先進成果，與團隊成員一起出版了《機械設備非平穩(wěn)信號的故障診斷原理及應用》(2001年)等論著。

提出故障智能預示新方法

在對機械設備故障診斷理論方法的貢獻中，何正嘉還有一項創(chuàng)新性成果，那就是他在機械設備早期故障智能預示方面提出的新方法。在主持國家自然科學基金重點項目“大型復雜機電系統(tǒng)早期故障智能預示的理論與技術”期間，何正嘉通過大量的理論研究和實踐探索，總結提出了機械設備的早期微弱故障特征增強、復合故障特征解耦、混合智能診斷與運行可靠性評估等方法，為重大機械裝備早期故障智能預示和運行安全保障提供了新理論和新技術。

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

此外，何正嘉還為企業(yè)培訓相關技術人員千余人，提高了企業(yè)自身的機械設備故障診斷能力。鑒于在故障診斷學術界和工程界的廣泛影響，受全國機械振動與沖擊標準化技術委員會委托，何正嘉還擔任了國家標準GB/T 2298——2010《機械振動、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測詞匯》制定的直屬工作組組長，歷時兩年制定該新標準并獲國標委批準，為工程振動領域基礎標準的制定作出了貢獻，促進了機械設備故障診斷的發(fā)展。

打造一流科研教學團隊

何正嘉在精于科研、推動應用的同時，始終遵循嚴謹治學、團隊至上的準則，兢兢業(yè)業(yè)，執(zhí)著付出。

科研中，他以西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室系統(tǒng)監(jiān)控與診斷方向學術帶頭人的身份，領導開創(chuàng)了諸多創(chuàng)新性理論、技術與系統(tǒng)，推動了中國機械設備故障診斷的發(fā)展，被評為“全國優(yōu)秀科技工作者”。

教學中，他負責并組織建設了機械基礎實驗教學國家級示范中心和3門國家級精品課程，被評為“陜西省師德標兵”。

團隊里，他又是必不可少的主心骨和學術帶頭人。由他組建的“裝備智能診斷與控制”科研教學團隊更是精干有力的精英團隊，目前該團隊擁有教授16名，其中教育部長江學者1名、新世紀優(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，為裝備制造學科的發(fā)展凝聚了CAD/CAM、數(shù)控技術、故障診斷和減振降噪等領域一批骨干力量。

繼承、發(fā)揚、探索、進步，社會在傳承與創(chuàng)新中不斷向前。“繼往開來”，這四個字飽含著多少人的艱辛與付出，凝結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械故障診斷專家的執(zhí)著探索、無私奉獻，才有了我國機械故障診斷事業(yè)的發(fā)展。路漫漫兮其修遠，中國機械設備故障診斷的進步是一個長期而艱巨的過程，必將隨著科技進步與社會發(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。

西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任何正嘉

何正嘉，教授、博士生導師，西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任。

從事工礦企業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷研究及應用40余年，在機械設備結構裂紋定量識別、非平穩(wěn)信號故障診斷和智能預示等方面開展了基礎理論研究和重要工程應用，取得了諸多創(chuàng)新性成果，對推動我國機械設備診斷發(fā)展作出了突出貢獻。

以第一完成人獲國家技術發(fā)明二等獎1項，國家科技進步三等獎1項，獲省部級一等獎2項、二等獎1項，獲得授權發(fā)明專利5項，出版著作7部，發(fā)表論文350篇。

何正嘉，教授、博士生導師，西安交通大學機械裝備診斷與控制研究所所長、機械基礎實驗教學國家級示范中心主任。1968年畢業(yè)于西安交通大學應用力學專業(yè)，1982年獲西安交通大學機械制造工學碩士學位，1998年獲日本九州工業(yè)大學信息工學博士學位。現(xiàn)擔任中國振動工程學會常務理事、故障診斷學會副理事長職務，為國際標準化組織ISO/TC108/SC5中國專家組成員。以第一完成人獲國家技術發(fā)明二等獎1項、國家科技進步三等獎1項，獲省部級一等獎2項、二等獎1項，獲得授權發(fā)明專利5項。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，論著被國內外引用3613次，其中專著《機械故障診斷學》被引用1426次。