基于條件規(guī)則與故障樹(shù)法的燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷*

尚 文，王維民，齊鵬逸，崔 津，曾詠奎

(北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

0 引 言

海上采油/氣平臺(tái)和大型浮動(dòng)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、卸貨油輪，由于其遠(yuǎn)離陸地，所采用的電力系統(tǒng)具有它的獨(dú)立性和特殊性。具有效率高、啟動(dòng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、能源自主性強(qiáng)等特點(diǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組完全符合海上作業(yè)要求。然而由于海上惡劣的工作環(huán)境，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組頻繁發(fā)生故障，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷與可靠性維護(hù)顯得尤為重要。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷與預(yù)測(cè)是利用已掌握的故障診斷知識(shí)，對(duì)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定位與診斷;結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)故障模式，利用診斷方法分析一定時(shí)間內(nèi)的性能參數(shù)和振動(dòng)性能變化趨勢(shì)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生或者可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷、分析和預(yù)報(bào)，以確定故障的類(lèi)別、部位、程度和原因，提出維修對(duì)策［1-4］。隨著研究的深入，研究人員總結(jié)并應(yīng)用多種燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷方法，包括有:故障樹(shù)分析法、小波分析法［5］、條件規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法［6］、模糊診斷法、氣路分析法［7］等診斷方法。

然而，有的方法是獨(dú)立使用于不同的故障現(xiàn)象和故障部位，有的需要進(jìn)行復(fù)雜的公式推導(dǎo)和程序編輯。這就要求燃?xì)廨啓C(jī)的操作技術(shù)員要掌握多種的故障診斷方法和多種的數(shù)據(jù)分析能力，甚至需要進(jìn)行復(fù)雜程序編輯，難度較大［8-10］。因此，尋求開(kāi)發(fā)一種燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷方法，既可以讓燃?xì)廨啓C(jī)的操作技術(shù)人員和維修技術(shù)人員快速熟練地掌握并應(yīng)用于工程實(shí)踐，又可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障分析及推理，確定故障部位及故障原因。

本研究采用故障樹(shù)分析法與條件規(guī)則法相結(jié)合的綜合診斷方法，將其應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障診斷研究中，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得以驗(yàn)證，對(duì)于使用燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)作業(yè)的企業(yè)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 故障樹(shù)法和條件準(zhǔn)則法在燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷中的應(yīng)用

1.1 建立燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)

由于燃?xì)廨啓C(jī)的故障特點(diǎn)與其他動(dòng)力設(shè)備的故障特點(diǎn)存在一定不同，燃?xì)廨啓C(jī)各組件之間存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系，從而產(chǎn)生復(fù)雜故障模式關(guān)系;同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的故障具有很大的隨機(jī)性和突發(fā)性。故障樹(shù)分析法能夠根據(jù)故障產(chǎn)生和發(fā)展的邏輯關(guān)系以及故障模式關(guān)系進(jìn)行故障樹(shù)分析，并得到系統(tǒng)所有的故障原因和故障發(fā)生部位。因此，故障樹(shù)分析法比較適合于燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷研究［11］。

本研究從燃?xì)廨啓C(jī)的主要故障機(jī)理及失效模式入手，通過(guò)研究分析工程實(shí)踐中記錄的燃?xì)廨啓C(jī)故障失效模式及現(xiàn)場(chǎng)維修案例，尋求燃?xì)廨啓C(jī)故障案例的直接原因、間接原因，乃至根本原因，從分析失效因果關(guān)系中的頂事件開(kāi)始直至尋找導(dǎo)致故障發(fā)生的底事件，由果及因、自下而上進(jìn)行，以5類(lèi)常見(jiàn)的故障失效模式(轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障、葉片故障、冷卻系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障和燃燒室系統(tǒng)故障)為中間事件，以循序漸進(jìn)地找出每類(lèi)事件發(fā)生的所有可能出現(xiàn)的原因，并分解到基本事件為止。本研究繪制出的燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)圖

燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)(如圖1所示)共考慮了34個(gè)不同的底事件。圖1中各符號(hào)所代表的事件如表1所示。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)基本事件表

1.2 基于條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)法研究

由于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)法存在一定的模糊性和不確定性，對(duì)故障診斷結(jié)果的精度產(chǎn)生不良影響，本研究提出一種基于條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)法對(duì)傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以提高故障診斷結(jié)果的精度。

基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法就是在故障樹(shù)的中間事件和底端事件上，增加一定的條件規(guī)則，進(jìn)行物理和邏輯判斷，所添加的條件規(guī)則可以為單步判斷，也可以分多步進(jìn)行精確判斷，確定故障樹(shù)每個(gè)分支的診斷選擇，以便準(zhǔn)確地得出故障發(fā)生的原因和故障部位。從頂事件出發(fā)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地方，分別添加相應(yīng)的條件規(guī)則，不但可以明確故障診斷的思路及方案，也可以迅速地縮小診斷范圍，極大地提升故障診斷的精確度。

燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷中的條件規(guī)則一般為:性能參數(shù)或振動(dòng)參數(shù)(功率、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和振幅等數(shù)值)是否變化，是否偏高、偏低、偏大、偏小，以及各種的信號(hào)特征是否出現(xiàn)等。條件規(guī)則需要技術(shù)人員進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)得到相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障特征征兆，以便進(jìn)行相應(yīng)的故障分析和判斷，從而進(jìn)一步推理得出燃?xì)廨啓C(jī)故障的根本原因。在建立燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)的基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)歸納總結(jié)大量的故障案例和維修資料，構(gòu)建了基于條件規(guī)則的邏輯推理模型。本節(jié)主要以燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障為例，主要設(shè)計(jì)出帶有條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障樹(shù)(如圖2所示)，通過(guò)基于條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)故障樹(shù)對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)的目標(biāo)機(jī)組進(jìn)行故障診斷，燃?xì)廨啓C(jī)診斷技術(shù)員就可以針對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象，獲得診斷所需的振動(dòng)數(shù)據(jù)和信息，運(yùn)用基于條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)故障樹(shù)法的分析，準(zhǔn)確地確定故障發(fā)生部位及故障根本原因。

圖2 基于條件規(guī)則的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障樹(shù)

2 基于條件規(guī)則與故障樹(shù)法的診斷實(shí)例分析

本研究對(duì)某海上石油作業(yè)區(qū)的4臺(tái)MARS100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組A、B、C、D進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。使用針對(duì)該型號(hào)機(jī)組的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的5個(gè)軸承處轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀況進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集、分析和處理，并在線(xiàn)監(jiān)測(cè)5個(gè)軸承處轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況，通過(guò)時(shí)域譜圖、頻域譜圖、階次譜圖、Bode圖、瀑布圖、軸心軌跡等分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的狀態(tài)檢測(cè)及故障診斷。觀(guān)察在線(xiàn)監(jiān)測(cè)顯示的振動(dòng)信息，其中A、B、D號(hào)機(jī)組振動(dòng)幅值均明顯小于報(bào)警值，轉(zhuǎn)子處于安全振動(dòng)范圍內(nèi)。然而，C號(hào)機(jī)4、5號(hào)軸承處振動(dòng)較大。監(jiān)測(cè)4、5號(hào)軸承間轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為8 640 r/min左右;故該目標(biāo)轉(zhuǎn)子的一倍頻在144 Hz左右。4號(hào)軸承X方向的頻域譜圖如圖3所示，4號(hào)軸承Y方向的時(shí)域分析圖如圖4所示，5號(hào)軸承處的軸心軌跡圖如圖5所示。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)子頻譜圖

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)子時(shí)域譜圖

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖

本研究運(yùn)用基于條件規(guī)則的故障樹(shù)法進(jìn)行C號(hào)機(jī)的故障分析與診斷:

(1)通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)失效故障樹(shù)的5個(gè)中間事件的條件規(guī)則逐一進(jìn)行分析，得出條件規(guī)則1:振動(dòng)幅值接近閾值符合故障規(guī)則條件，繼而進(jìn)行中間事件A1燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障的分析;

(2)目標(biāo)轉(zhuǎn)子頻譜圖如圖3所示，147 Hz頻率成分幅值突出，低階頻率成分及高階頻率成分都較低;通過(guò)分析轉(zhuǎn)子振動(dòng)子故障樹(shù)中條件規(guī)則6.1～12.1得出條件規(guī)則8.1:監(jiān)測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)子的頻譜圖中出現(xiàn)極高的一倍頻成分符合故障規(guī)則條件，繼而進(jìn)行條件規(guī)則8.2的分析;

(3)目標(biāo)轉(zhuǎn)子時(shí)域譜圖如圖4所示，目標(biāo)轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形近似于正弦波，通過(guò)分析條件規(guī)則8.2:監(jiān)測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形為正弦波符合故障規(guī)則條件，繼而進(jìn)行條件規(guī)則8.3的分析;

(4)目標(biāo)轉(zhuǎn)子軸心軌跡如圖5所示，目標(biāo)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡近似于橢圓，通過(guò)分析條件規(guī)則8.3:監(jiān)測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓形符合故障規(guī)則條件，由于對(duì)目標(biāo)機(jī)組的監(jiān)測(cè)過(guò)程中并未進(jìn)行啟停機(jī)，轉(zhuǎn)速基本恒定，不進(jìn)行Bode圖及瀑布圖分析。

在此，對(duì)于C號(hào)機(jī)組4、5號(hào)軸承振動(dòng)過(guò)大的故障分析完畢，通過(guò)基于條件規(guī)則的故障樹(shù)法分析，可得出目標(biāo)轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大的根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)子不平衡故障?？煽紤]對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)子做現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，以解決此類(lèi)振動(dòng)故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)失效故障的分析調(diào)研，根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于研究解決燃?xì)廨啓C(jī)失效故障的有效資料，采用基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法，結(jié)合維修案例實(shí)踐，設(shè)計(jì)并建立了符合燃?xì)廨啓C(jī)故障機(jī)理的條件規(guī)則故障樹(shù)。結(jié)合某海上石油作業(yè)區(qū)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障案例，事實(shí)證明，基于條件規(guī)則的故障樹(shù)法具有很?chē)?yán)密的邏輯分析能力，可在一定程度上提高燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷效率，提高燃?xì)廨啓C(jī)可靠性維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。同時(shí)，采用此法可以防止誤判和漏判，具有很高的適用性和針對(duì)性，并大大地減輕了故障診斷和機(jī)組維護(hù)的難度，從而使燃?xì)廨啓C(jī)的操作人員和維修人員快速、熟練地掌握并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

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