淺談機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

【摘 要】機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。設(shè)備的故障診斷，就是利用科學(xué)的監(jiān)測技術(shù)，對設(shè)備所處的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)測設(shè)備運(yùn)行的可靠性，確定其整體或局部是正?；虍惓?。它能對設(shè)備故障的發(fā)展作出早期預(yù)報(bào)，對出現(xiàn)故障的原因、部位、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行識別和評價(jià)，預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢，迅速地查找故障源，提出對策建議，并針對具體情況迅速地排除故障，避免或減少事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；設(shè)備運(yùn)行

1、故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

故障診斷（FD）始于（機(jī)械）設(shè)備故障診斷，其全名是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷（CMFD）。它包含兩方面的內(nèi)容：一是對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；二是在發(fā)現(xiàn)異常情況后對設(shè)備故障進(jìn)行分析、診斷。

設(shè)備故障診斷是隨設(shè)備管理和設(shè)備維修發(fā)展起來的。歐洲各國在歐洲維修團(tuán)體聯(lián)盟（FENMS）的推動(dòng)下，主要以英國倡導(dǎo)的設(shè)備綜合工程學(xué)為指導(dǎo)；美國以后勤學(xué)（Logistics）為指導(dǎo)；日本吸收兩者特點(diǎn)，提出了全員生產(chǎn)維修（TPM）的觀點(diǎn)。美國自1961年開始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后，出現(xiàn)一系列因設(shè)備故障造成的事故，導(dǎo)致1967年在美國宇航局（NASA）倡導(dǎo)下，由美國海軍研究室（ONR）主持成立了美國機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG），并積極從事技術(shù)診斷開發(fā)。英國在60—70年代，以Collacott為首的英國機(jī)器保健和狀態(tài)監(jiān)測協(xié)會(huì)（MHMGCMA）最先開始研究故障診斷技術(shù)。英國在摩擦磨損、汽車和飛機(jī)發(fā)電機(jī)監(jiān)測和診斷方面具有領(lǐng)先地位。日本的新日鐵子1971年開發(fā)診斷技術(shù)，1976年達(dá)到實(shí)用化。日本診斷技術(shù)在鋼鐵、化工和鐵路等部門處于領(lǐng)先地位。

我國在故障診斷技術(shù)方面起步較晚，1979年才初步接觸設(shè)備診斷技術(shù)。目前我國診斷技術(shù)在化工、冶金、電力等行業(yè)應(yīng)用較好。故障診斷技術(shù)經(jīng)過三十年的研究與發(fā)展，已經(jīng)用于飛機(jī)自動(dòng)駕駛、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、核反應(yīng)堆、汽輪發(fā)電機(jī)組、大型電網(wǎng)系統(tǒng)、石油化工過程和設(shè)備、飛機(jī)和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、冶金設(shè)備、礦山設(shè)備和機(jī)床等領(lǐng)域。

故障診斷技術(shù)自身發(fā)展過程，大致可以歸納為3個(gè)階段：

1.1離線的FFT分析儀階段

20世紀(jì)80年代初、中期，通過磁帶記錄儀到現(xiàn)場記錄振動(dòng)信號，然后回實(shí)驗(yàn)室輸入FFT分析儀回放，進(jìn)行頻譜分析，只有功率譜波形，少數(shù)配置雙通道時(shí)才能看到軸心軌跡，分析方法單一，基本上只能查幅值、頻率。

1.2離線或在線的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測、診斷階段

20世紀(jì)80年代末至90年代中期，通過計(jì)算機(jī)完成信息采集、信號分析、數(shù)據(jù)管理、甚至給出診斷結(jié)論，有各種圖譜，分析方法多樣，甚至更加注重幅值、頻率、相位信息的全面、綜合利用，同時(shí)涌現(xiàn)出專家輔助診斷系統(tǒng)。

1.3網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測、診斷階段

20世紀(jì)90年代末以來，充分利用企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)，做到資源共享、節(jié)省投資、遠(yuǎn)程診斷，所監(jiān)測的參數(shù)不再局限于振動(dòng)、軸位移、轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步擴(kuò)展到流量、壓力、溫度等工藝過程量，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的把握更加全面、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的專家遠(yuǎn)程診斷。有專家預(yù)言：基于人工智能的故障診斷專家系統(tǒng)和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的診斷系統(tǒng)將是故障診斷技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。

2、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的含義

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中受到電、熱、環(huán)境等各種因素的作用，其性能逐漸劣化，最終導(dǎo)致故障。特別是機(jī)械設(shè)備大多為鋼鐵材料，容易在外界因素作用下發(fā)生老化。機(jī)械設(shè)備是組成機(jī)械系統(tǒng)的基本元件，一旦出現(xiàn)故障，必將引起整個(gè)生產(chǎn)線的停產(chǎn)，從而造成企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

“監(jiān)測”一詞的含義是為了特殊的目的而進(jìn)行的注視、觀察與校核。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測是利用各種傳感器和測量手段對反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理、化學(xué)量進(jìn)行檢測，其目的是為了判明設(shè)備是否處于正常狀態(tài)?！霸\斷”一詞原是一醫(yī)學(xué)名詞，指醫(yī)生對收集到的病人癥狀（包括醫(yī)生的感觀所感覺到的、病人自身主觀陳述以及各種化驗(yàn)檢測所得到的結(jié)果）進(jìn)行分析處理、尋求患者的病因、了解疾病的嚴(yán)重程度及制訂治療措施與方案的過程。設(shè)備的“故障診斷”借用了上述概念，其含義是指這樣的過程：專家根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所得到的各測量值及其運(yùn)算處理結(jié)果所提供的信息，采用所掌握的關(guān)于設(shè)備的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理判斷，找出設(shè)備故障的類型、部位及嚴(yán)重程度，從而提出對設(shè)備的維修處理建議。簡言之，“狀態(tài)監(jiān)測”是特征量的收集過程，而“故障診斷”是特征量收集后的分析判斷過程。

3、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的意義

機(jī)械設(shè)備特別是大型機(jī)械設(shè)備發(fā)生突發(fā)性故障，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和操作人員的傷亡。提高機(jī)械設(shè)備的可靠性，一種辦法是提高設(shè)備的質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇設(shè)計(jì)裕度，力求在工作壽命內(nèi)不發(fā)生故障。但這樣會(huì)導(dǎo)致制造成本增加。此外，設(shè)備在運(yùn)行中，總會(huì)逐漸老化，而大型設(shè)備不可能象一次性工具那“用過即丟”。因此，另一方面，必須對設(shè)備進(jìn)行必要的檢查和維修，這構(gòu)成了企業(yè)生產(chǎn)部門的重要工作內(nèi)容。

早期是對設(shè)備使用直到發(fā)生故障，然后維修，稱為事故維修。但是，如前所述，對于大型設(shè)備，突發(fā)性事故將造成巨大損失。

4、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的特點(diǎn)

狀態(tài)監(jiān)測一般由現(xiàn)場操作人員進(jìn)行。故障診斷則一般由專門人員進(jìn)行，他們只是在確定設(shè)備已發(fā)生異常的基礎(chǔ)上對異常設(shè)備進(jìn)行處理，提取故障特征，識別設(shè)備狀態(tài)并提出診斷決策。雖然理論上兩者是有根本差異的，但實(shí)際中由于兩者的密切相關(guān)性，往往把狀態(tài)監(jiān)測也劃歸在故障診斷的研究范疇中，統(tǒng)稱為設(shè)備的故障診斷與監(jiān)測或簡稱為故障診斷。由于狀態(tài)監(jiān)鋇，）是故障診斷的前提，因此有時(shí)也把狀態(tài)監(jiān)測稱為故障診斷實(shí)施的第一階段，而把狹義故障診斷稱為故障診斷實(shí)施的第二階段。

5、故障診斷的基本流程及實(shí)施步驟

故障診斷包括診斷文檔建立和診斷實(shí)施兩大部分。診斷實(shí)施過程是故障診斷的中心工作，它可以細(xì)分為4個(gè)基本步驟：

（1）信號檢測。按不同診斷目的選擇最能表征設(shè)備狀態(tài)的信號，對該類信號進(jìn)行全面地檢測，并將其匯集在一起，形成一個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)信號子集，該子集稱為初始模式向量。

（2）特征提?。ɑ蚍Q信號處理）。將初始模式向量進(jìn)行維數(shù)變換、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。

（3）狀態(tài)識別。將待檢模式與樣板模式（故障檔案）對比，進(jìn)行狀態(tài)分類。

（4）診斷決策。根據(jù)判別結(jié)果采取相應(yīng)的對策。對策主要是指對設(shè)備及其工作進(jìn)行必要的預(yù)測和干預(yù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃志堅(jiān)，等.機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測與診斷[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)備與維修工程分會(huì).設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.