空壓機故障診斷技術

賈 文，李玉虎，張耀明

（山西焦煤集團有限責任公司，山西太原 030000）

0 引言

國外對機械故障診斷技術研究的時間較早，美國航天局于1967 年建立了一個機械故障預防小組，以深入研究故障診斷技術[1]。隨后，英國也組建了一個機械研究維護中心用于研究機械故障診斷，20 世紀70 年代后期隨著科學技術的蓬勃發展，電子測量技術和頻譜分析技術被應用于機械故障診斷，標志著該技術從理論向實際跨出了巨大的一步。

20 世紀80 年代中期，隨著微計算機技術的不斷發展，現代故障診斷技術與微計算機控制融合技術逐漸成熟并成為主流[2]。各個國家隨后研究設計了多個不同故障診斷系統，這些系統都具有穩定的工作性能以及完善的診斷功能，其中比較典型的有紫寶石故障自動診斷系統、DDM 系統和TDM 系統以及PSAD 故障診斷系統等。

我國在故障診斷技術方面研究的時間較晚，1979 年，我國首次對全體員工進行機械設備檢測與維護技術培養。1983 年，在中國南京首次舉辦了機械設備故障診斷技術交流會，以深入交流學習相關故障診斷技術。其中很多大學和科研機構參加了這次交流會，隨后故障診斷技術得到推廣，很多學者及研究人員參與研究，并獲得了大量的研究成果[3]。

空氣壓縮機故障診斷系統可用于對有故障的空氣壓縮機診斷和維護，能夠有效提高設備的工作穩定性，保證空壓機長時間持續穩定工作，避免因故障造成安全事故，為企業降低成本提高經濟效益。使用故障診斷系統對空氣壓縮機故障進行診斷分析是礦山重要機械設備總體發展先進性的主要指標?？諝鈮嚎s機故障診斷系統是世界高新技術發展的趨勢之一，具有廣闊的理論研究和實際應用前景。

1 構建空氣壓縮機故障樹模型

設備故障與不同組件間故障的邏輯關系可通過模型樹進行表述。其中故障樹是對故障產生的原因進行細化分類，產生故障的原因可以有人為因素也可有外界因素[4]。從故障樹的結構中，可以直觀地看出不同故障原因之間的邏輯關系。與門和或門是最常見的邏輯門：與門是指當且僅當所有輸入事件都發生時，輸出才能發生；或門是指當輸入所有的事件中，至少有一個發生就能導致輸出發生。圖1 為一個簡單的故障樹模型。使用故障樹分析錯誤產生原因有以下5 個步驟：

圖1 簡單故障樹模型

（1）選擇頂事件。將系統中最可能發生或產生故障最嚴重的作為頂事件。

（2）確定邊界條件。邊界條件可以對模型樹范圍進行控制，通常包括不可能事件、不允許發生事件、無法可避免事件和不完整事件。

（3）創建故障樹。將頂事件確定為根，再逐步確定故障樹的主干和分支。

（4）定性分析。

（5）定量分析。

在本文中，選擇空壓機系統故障作為頂事件，自頂向下逆推理，逐步細化推理出可能導致故障發生的事件。根據推理過程可兩者間的邏輯關系可用或門連接。由此可得空氣壓縮機故障之間存在一種倒樹結構[5-7]。空壓機故障樹的6 個次級節點分別為排氣溫度過高、排氣量過低、空壓機的振動過大、軸承溫度過高、潤滑油系統有故障以及冷卻水泵系統有故障（圖2）。

以次級節點作為初始根向下進行逆推，得到各次級節點分支故障樹（圖3～圖8）。

圖2 空壓機系統故障樹結構

圖3 空壓機潤滑油故障邏輯圖

圖4 空壓機排氣溫度故障邏輯圖

圖5 空壓機排氣故障邏輯圖

2 空壓機故障診斷系統結構設計

空壓機故障診斷系統采用故障樹邏輯推理作為基礎，通過現有知識和經驗對故障產生原因進行分類細化，結合故障產生條件對故障推理過程進行融合，保證再次推理時有足夠的準確性、合理性。實現空壓機故障診斷系統與其故障樹深層次大范圍緊密融合。

空壓機故障診斷系統的總體結構如圖9 所示，由6 個部分組成：知識庫，數據庫，人機界面，推理機，知識獲取和解釋機制。它同時也是一個智能集成系統，包括數據采集、信號處理、專家診斷、對故障進行預測以及多個子系統準確定位?？諌簷C故障診斷系統的核心是建立故障知識庫并從根據系統診斷從故障知識庫中推理匹配合理的故障原因。通過對空壓機運行狀態監測和信號分析處理實現對空壓機故障診斷，通過故障樹可對空壓機產生原因進行細化，再根據空壓機運行狀態監測實現對空壓機故障原因以及故障程度的檢測，找到起故障產生的原因和故障發生位置，做出反饋便于人員準確快速的維修，并對空壓機性能變化與故障變化程度進行預測做出預警，便于檢修人員提前對問題進行處理。

圖6 空壓機軸承溫度故障邏輯圖

圖7 空壓機振動故障邏輯圖

圖8 空壓機冷卻水泵系統故障邏輯圖

圖9 空壓機故障診斷系統整體結構

（1）知識庫。系統知識數據庫用于存儲有關空氣壓縮機系統錯誤，現場經驗和規則等的知識。設計知識庫的優點是可以有效地管理、使用和存儲有關故障系統的知識。

（2）數據庫。數據庫用于監測工作中空壓機的工作狀態和各項參數?？諝鈮嚎s機故障診斷系統和空氣壓縮機遠程監控系統共享一個數據庫，以便于訪問、檢索和診斷空氣壓縮機數據。

（3）人機界面。所謂的人機界面是用戶界面，用戶可以通過該界面與系統進行通信交互，通過輸入空壓機故障診斷命令經過診斷系統分析匹配輸出故障診斷結果。

（4）推理引擎。推理引擎通過對故障邏輯推理進行任務診斷，確定各種錯誤原因或搜索計算機程序，以及調用壓縮機診斷任務相對應知識庫中的相關知識。用戶界面（人機界面）輸入故障檢測任務調用知識庫中相關知識，根據特定規則進行精確匹配，推導出空氣壓縮機的故障原因和維護方法。通過解釋程序向用戶反饋診斷過程和結果。

（5）知識獲取機制?？梢允占諌簷C各類故障產生原因和維護信息，并根據自身信息將知識庫中不合理內容進行修改補充。

（6）解釋機制。解釋機制是實現系統解釋功能的程序模塊。解釋機制可以對檢測過程進行分析，推理過程發現不合理的地方，由專家對其進行調整。

3 空壓機故障診斷系統知識庫構建

科學基礎是整個故障檢測系統的核心。所有系統操作都必須鏈接到知識庫。故障維修專家可以利用輸入的知識接口，它使用知識轉換程序[8]存儲在知識庫中，并且空氣壓縮機故障，故障診斷和維護的許多情況都存儲在知識庫中。解決實際問題時，系統需要從知識庫中獲取相關知識。在解決實際問題時，系統需要從知識庫中獲取適當的知識，并對錯誤的原因和處理方法進行適當分析，這是空氣壓縮機故障診斷系統知識庫的逐步創建，而該知識庫無法在瞬間實現。在系統的實際運行中，必須對其進行多次修改和倍增，以實現最佳的系統性能，并最終實現更準確的診斷。診斷系統所需的錯誤知識將在該知識的基礎上進行處理和獲取。

顯示知識庫的方法應包括指示性方法、管理方法等。如果使用基于知識的池結構指示性視圖等，則框架可以是獨立的錯誤報告或排除樹上的相關模塊?？蚣茴愋涂梢苑譃橹苯涌蚣芎烷g接框架。直接幀類型通常設置為零，間接幀類型設置為1。直接框架類型是指不需要進一步的評估和分析，就可以直接識別系統故障的原因，但可以直接得到錯誤和處理的結果。系統的故障通常在日志的底部，而間接的框架錯誤只能通過進一步的推理和分析來實現（圖10）。

空氣壓縮機故障診斷系統的知識庫是建立在原理表示的基礎上的，現在已經是眾所周知的表示。結論必須在條件的基礎上得出，這符合人們邏輯思維的日常習慣，表達比例清晰、易懂，原則的表述是模塊化的，適合于系統的改進、修正、增刪[9]。

圖10 知識庫框架表示法的兩種結構

4 空壓機故障診斷系統推理機設計

故障發動機是壓縮機故障檢測系統的重要組成部分，對壓縮機系統故障診斷結果的準確性有著重要影響，因此，在設計輸入發動機時，需要研究解釋方法、方向和控制策略。

4.1 關閉點火發動機的方法

解釋和診斷錯誤的方法分為正確解釋和錯誤解釋。正確解釋的結果被認為是正確的。其他解釋方法在解釋條件下不能產生即時的解釋結果，因果關系并非不可避免。然而，在現實中，系統故障不確定性的征兆往往是錯誤的，無法達到正確的邏輯精度和準確性。描述規則如下：

其中，Xi表示征兆條件，Yj表示故障結論，CF（Xi|Yj）表示故障Yj在征兆條件Xi成立的前提下為真對應可信度。

4.2 航空發動機的方向

在診斷中，有效的錯誤檢測和策略控制系統是非常重要的3種方法，分別用于改進錯誤檢測系統，提高結論的有效性和正確性。

程序檢測到系統錯誤。首先，根據情況，把癥狀包含在實際的基礎上。如果在正確的基礎上滿足了條件，則立即做出決定；如果滿足條件的癥狀不是真實的，則系統將自動匹配基本規則的癥狀，直至達到平衡。如果調整成功，輸出系統將無法工作。相反的結論是：先假設制度是錯誤的，然后再尋找案件的證據。如果證據符合事實或規則，那么案件是有效的，結論也是有效的。問題的結果是空的，如果錯誤的情況不是真的，它將失敗。該系統采用了進步與逆轉的混合推理，避免了進步與逆轉推理的缺點，兼顧了兩者的優點，保證了決策過程更貼近人們的思維方式（圖11）。

圖11 正反向混合推理結構流程

5 結論

（1）通過分析空壓機主要故障診斷系統，對空壓機故障診斷技術進行研究。

（2）通過構建空壓機故障樹，以故障樹作為整個診斷系統基礎，建立知識庫和推理機為核心，包括數據采集、信號分析、專家診斷、故障預測功能，由知識庫、數據庫、人機接口、推理機、知識獲取機制和解釋機制6 個部分組成的智能集成化系統。

（3）知識庫與推理機作為診斷系統核心部分，通過采用規則表示法構建空壓機故障診斷系統知識庫，根據前提條件推出結論，表達條理清晰、通俗易懂，而且規則表示靈活性較強，便于系統對其進行修改、添加和去除；同時，推理機作為診斷系統邏輯推理的核心，推理方法與控制策略在整個推理機系統中十分重要。采用可信度良好的正反混合推理方法，將發揮出正反推理的各自優點，保證整個推理方案的合理、準確性。