故障診斷視角在智能化要求下的轉(zhuǎn)變

摘要故障診斷的背景是從預(yù)防事故開始，從事后事故反向倒推進(jìn)入到對(duì)故障階段的分析而產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)單一故障和耦合故障的分別研究，論證目前故障診斷的理論是在故障階段介入和發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)故障模型各自對(duì)立、并層層故障細(xì)分的規(guī)則方法，這種方法使研究對(duì)象成為一個(gè)發(fā)散的系統(tǒng)，并不可求解。采取實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)故障的全過(guò)程跟蹤，利用數(shù)據(jù)分析證明了故障是在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)相互構(gòu)建的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，并隨著故障狀態(tài)時(shí)間“正進(jìn)”的階段變化而表現(xiàn)出相應(yīng)的“同質(zhì)”特征，并層層展開的過(guò)程。所以故障診斷理論的應(yīng)用都應(yīng)該還原于其所產(chǎn)生的統(tǒng)一整體并全過(guò)程的系統(tǒng)之中，要求轉(zhuǎn)變故障診斷的方向，視界倒轉(zhuǎn)，基于時(shí)間歷程“正進(jìn)”和故障性質(zhì)“同質(zhì)”的方法，在統(tǒng)一整體并全過(guò)程中掌握故障的主要發(fā)展規(guī)律，奠定智能診斷更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞反向倒推故障細(xì)分正進(jìn)同質(zhì)智能診斷

中圖分類號(hào) TP277

AbstractThebackgroundof faultdiagnosisisfromthepreventionof accidentsandfromthereverseprogressionofaccidents to the fault subdivision of the failure stage . By studying the single fault and the coupled fault separatelythis paperdemonstrates that the current theory of fault diagnosis has been intervened and developed in the fault stageand it isa rulemethod of subdividing the fault models into opposite and parallel layers . This method makes the research object a divergent systemand cannot be solved . The whole process of laboratory experiments and field failures is trackedand data analysis proves thatfailures are dynamic links that build each other in the rotor systemand show the corresponding “ homogeneous“ characteristicswith the change of the “ forward” phase of the fault state timeand expand the process layer by layer.Thereforethe application offault diagnosis theory should be restored to the unified whole and the whole process systemwhich requires changing the directionof fault diagnosisreversing the horizonand mastering the main law of fault development in the unified whole and the wholeprocess based on the \" forward\" and \" homogeneous\" methods of time history and fault natureso as to lay a more solid theoreticalbasis for intelligent diagnosis .

Key wordsReverse backwards;Fault subdivision;Forward;Homogeneity;Intelligent diagnosis

Corresponding author ： HU Jun ，E-mail ： hujun_ag@126.com ，F(xiàn)ax ：+86-412-6735293

Manuscript received 20201130 in revised form 20210113.

引言

我們所處的時(shí)代是一個(gè)追求智能的時(shí)代，國(guó)務(wù)院2015年5月8 日提出了《中國(guó)制造2025》是部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略文件，是中國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。其中“著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化”對(duì)智能工廠、智能裝備、智能診斷提出了全面而深刻的要求。

智能診斷是當(dāng)代故障診斷領(lǐng)域所有從業(yè)人員的使命。智能診斷簡(jiǎn)而言之就是用計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果來(lái)替代人的主觀分析結(jié)果，近年來(lái)，涉及機(jī)械故障智能診斷的相關(guān)研究層出不窮[1-2]，產(chǎn)生了“大數(shù)據(jù)”[3-4]、“自學(xué)習(xí)”[5]、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”[6]、“灰色理論”[7]、“統(tǒng)計(jì)識(shí)別”[8]、“遷移、深度遷移”[9-11]等方法，以及利用這些方法做出的大量的探索。

如果把智能診斷事業(yè)比喻為故障診斷行業(yè)需要建造的一座大廈，在目標(biāo)明確后，首先要做的并不是立即開始砌筑，而是先要核查一下我們建造這座大廈的基礎(chǔ)是否已經(jīng)具備且牢固，是否足夠支撐起這座大廈。

支撐起這座大廈的基礎(chǔ)就是現(xiàn)有的故障理論規(guī)則，智能診斷能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是現(xiàn)有故障理論規(guī)則的普遍必然性。國(guó)內(nèi)外有眾多專家及科研工作者對(duì)設(shè)備典型故障機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論分析和研究工作。美國(guó)學(xué)者 Sohre J S [12]歸納了典型的故障共9類37種，是早期診斷機(jī)理研究。 Agnes Muszynska[13]研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障機(jī)理并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 BachschmidN 等[14-16]研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋故障的動(dòng)力學(xué)特性。陳予恕[17]研究了混沌和分岔理論。褚福磊等[18]確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩位置。

通過(guò)對(duì)故障機(jī)理研究的簡(jiǎn)要回顧，可以發(fā)現(xiàn)，故障細(xì)分是傳統(tǒng)的故障診斷機(jī)理研究的一項(xiàng)基本原則。目前故障診斷的基本方法是：細(xì)分的故障理論規(guī)則與故障現(xiàn)象的符合性診斷，是指我們賴以得出的診斷結(jié)論的理論規(guī)則必須與實(shí)測(cè)的信號(hào)相符合，即對(duì)號(hào)入座。如此才能得到有依據(jù)的診斷結(jié)論。但是，現(xiàn)有的故障理論規(guī)則是基于典型故障動(dòng)力學(xué)模型的靜態(tài)分析結(jié)果，而故障現(xiàn)象是隨故障狀態(tài)變化而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)的故障特征，而非靜態(tài)的擺放物。于是，靜態(tài)的故障理論規(guī)則與動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象的符合性勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，造成理論規(guī)則與動(dòng)態(tài)故障現(xiàn)象之間的矛盾，從而“故障理論規(guī)則往往不能必須符合動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象”，使得目前故障診斷的基本方法不能有效的智能化的解決實(shí)際問(wèn)題。因此，現(xiàn)有的故障理論規(guī)則體系并不足以支撐智能診斷這座大廈，不支持的關(guān)鍵并不是懷疑我們的故障診斷理論正確與否，而是推斷現(xiàn)有故障理論規(guī)則研究的方向出了問(wèn)題。既然不能“細(xì)分的故障理論規(guī)則必須符合故障現(xiàn)象”，那么是否能設(shè)想觀念倒轉(zhuǎn)一下，能否是“動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象必須符合某種同質(zhì)的故障理論”！

如果要討論故障診斷理論研究的方向，就要回溯到故障診斷理論的起源。

故障診斷史就是故障史。早在20世紀(jì)60年代以前，國(guó)內(nèi)外因機(jī)械設(shè)備故障而引起的災(zāi)難性事故屢有發(fā)生。例如我國(guó)三峽工地塔帶機(jī)斷裂事故、美國(guó)哥倫比亞號(hào)載人航天飛機(jī)失事、美國(guó)空軍 F15戰(zhàn)機(jī)空中解體事件等[19]。若能準(zhǔn)確及時(shí)的識(shí)別設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中故障的萌生和演變，以確保機(jī)械系統(tǒng)的安全運(yùn)行，則能夠減少或避免重大災(zāi)難性事故。為此，美國(guó)國(guó)家航空航天局（ NASA）開展了為期10 a 的航空安全專項(xiàng)研究（ Aviation Safety Program ，AvSP），并將新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役中性能蛻變、損傷演化和疲勞等的檢測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)防問(wèn)題列為重要的研究?jī)?nèi)容之一。我國(guó)國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃（2006～2020年）和《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告（2011～2020年）》，均將重大產(chǎn)品和重大設(shè)施運(yùn)行可靠性、安全性、可維護(hù)性關(guān)鍵技術(shù)列為重要的研究方向。“檢測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)防問(wèn)題”的提出標(biāo)志著故障診斷的開始，從這一方面我們也可以說(shuō)故障診斷起源于“問(wèn)題”。

故障診斷史也就是故障診斷技術(shù)的研究方法史。一切新技術(shù)的出現(xiàn)都是為了解決問(wèn)題，故障診斷技術(shù)也不例外，由上文的背景資料可知故障診斷的最初目的就是為了應(yīng)對(duì)災(zāi)難性事故。要想達(dá)到防患于未然的目的，就要求事后暴露的問(wèn)題要在事前被發(fā)現(xiàn)和解決，因此故障診斷自然而然由事后事故反推→進(jìn)入到故障狀態(tài)，并以故障正在進(jìn)行的狀態(tài)作為故障診斷研究的門徑，所以故障診斷研究的方法普遍遵循一個(gè)從事故倒推到故障狀態(tài)，并在故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)預(yù)知、預(yù)防判斷的邏輯過(guò)程，如圖1反向倒推的故障診斷所示。按照這種邏輯，旋轉(zhuǎn)機(jī)械以轉(zhuǎn)子振動(dòng)為核心，專家學(xué)者細(xì)分了各種典型或非典型故障類型，作為單一故障模式，它們的故障機(jī)理和特征已經(jīng)成熟并成為經(jīng)典，并由此形成了目前的“細(xì)分的故障理論規(guī)則必須符合故障現(xiàn)象”對(duì)號(hào)入座的診斷方法。

但是單一故障模型的結(jié)論是理想化的，各個(gè)模型之間彼此是互不相容的，在工程實(shí)際中單一故障模型也是不存在的，它們只是構(gòu)建故障診斷理論體系的材料，而不是理論體系本身。

于是，面對(duì)實(shí)際問(wèn)題，在單一故障模型基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出大量的耦合故障研究成果。現(xiàn)在僅以對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生直接破壞的碰摩耦合故障的研究為例，碰摩耦合故障包括裂紋-碰摩、松動(dòng)-碰摩、不對(duì)中-碰摩、油膜失穩(wěn)-碰摩等耦合故障形式。 Muszynska A 等首先研究了帶有松動(dòng)和碰摩故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[20];劉元峰等對(duì)含碰摩與裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究[21-22]。

本文將以最常見的松動(dòng)-碰摩耦合為分析的切入點(diǎn)，列舉一些松動(dòng)-碰摩耦合故障的典型文獻(xiàn)，雖然不是最新，但是集中代表了松動(dòng)-碰摩耦合理論的核心觀念。

羅躍綱、劉長(zhǎng)利等[23-28]研究了多種松動(dòng)-碰摩動(dòng)力學(xué)模型。昂雪野等[29]考慮了定子本身運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)發(fā)生松動(dòng)-碰摩時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型和微分方程。王宗勇等[30]考慮了質(zhì)量慢變的影響。孫保蒼等[31]、張靖等[32]、蘇長(zhǎng)青等[33]研究分段線性剛度模擬軸承非線性油膜力的影響。陳果[34]分析轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、滾動(dòng)軸承間隙、碰摩剛度、轉(zhuǎn)子偏心量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。盧艷軍等[35]針對(duì)雙盤懸臂立式轉(zhuǎn)子建立了力學(xué)模型。

雖然展現(xiàn)了大量的耦合故障的研究成果，但是，正如《機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”》[36]一文中提出的“故障機(jī)理研究不足”的問(wèn)題，說(shuō)明有關(guān)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障發(fā)生的機(jī)理方面還沒(méi)有更充分被揭示。針對(duì)“故障機(jī)理研究不足”的問(wèn)題，本文將從理論分析入手，反思基于“倒推”和“細(xì)分”的傳統(tǒng)故障診斷理論，提出應(yīng)視界倒轉(zhuǎn)而成為基于“正進(jìn)”和“同質(zhì)”的觀點(diǎn)，希望為實(shí)現(xiàn)智能化目標(biāo)在故障診斷理論研究方向上做一點(diǎn)補(bǔ)充。

1 “倒推”和“細(xì)分”的傳統(tǒng)故障診斷理論存在的問(wèn)題

幾乎所有的故障診斷的從業(yè)人員都是從研究不平衡、不對(duì)中、齒輪故障、軸承故障等等細(xì)分后的單一故障理論模型開始故障診斷生涯的。因?yàn)榻榻B故障診斷理論書籍的普遍結(jié)構(gòu)是先介紹振動(dòng)的基本知識(shí)，然后是信號(hào)處理的基本知識(shí)，隨后進(jìn)入故障診斷的正文—各類典型故障的判別方法。

即使是最簡(jiǎn)單的單盤轉(zhuǎn)子的故障種類也是多樣化的，而且每種故障都有自己的故障模型，所以故障理論建立的過(guò)程就是一個(gè)“細(xì)分”的過(guò)程，正是故障的“細(xì)分”構(gòu)建了當(dāng)今故障診斷理論的大廈。

1.1故障“細(xì)分”的問(wèn)題

傳統(tǒng)把 Jeffcott 轉(zhuǎn)子類設(shè)備（為使問(wèn)題的分析簡(jiǎn)潔和典型，所以本文以 Jeffcott 轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象）的故障分為兩類：轉(zhuǎn)子軸系類故障和轉(zhuǎn)子軸承支撐類故障。轉(zhuǎn)子軸系類故障包括：初始系統(tǒng)不平衡（包含初始軸彎曲、軸裂紋）、初始系統(tǒng)不對(duì)中、松動(dòng)、碰摩;轉(zhuǎn)子軸承支撐類故障包括：油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、松動(dòng)、碰摩。這種以單一故障分類的方法概念清晰，故障模型明確，部分故障能夠求出解析解，因而判別規(guī)則一目了然。

綜合這種傳統(tǒng)方法的研究成果，故障診斷研究基本集中于如圖1所示的對(duì)故障狀態(tài)預(yù)知預(yù)防的橫向的區(qū)域。在此故障狀態(tài)階段的故障診斷理論都是“完備”的，并且這些理論對(duì)特定故障在“平穩(wěn)的”發(fā)生發(fā)展階段的診斷也是“有效”的。因?yàn)槭菍?duì)典型故障的結(jié)果而非過(guò)程的診斷，所以這種“有效”是有條件的。

故障診斷的最基本的理論來(lái)自運(yùn)動(dòng)微分方程

Ma + CV +KX =F t （1）

式中， M、C、K 分別為系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣; a 、 V、X 分別為系統(tǒng)的廣義加速度、速度和位移向量;F （t）為系統(tǒng)的廣義載荷向量。針對(duì)于F （t）開始了單一故障：如不平衡、不對(duì)中、軸承故障、齒輪故障等等的細(xì)分。

首先故障在“故障狀態(tài)”下，并且是在“平穩(wěn)”階段的診斷，相對(duì)于整個(gè)生命歷程的縱向領(lǐng)域而言，“故障狀態(tài)”還只是個(gè)中間過(guò)程，我們做頻譜分析時(shí)所面向的是同一時(shí)間橫斷面的各種信息，按照傳統(tǒng)的單一故障判斷原則，單一故障只能有針對(duì)此故障的特征頻譜，而不應(yīng)包含其它特征，如圖2所示。

如果是不平衡故障就不應(yīng)該是不對(duì)中故障;如果是不對(duì)中故障就不應(yīng)該是齒輪故障;如果是齒輪故障就不應(yīng)該是軸承故障。單一故障就是純粹的故障。純粹故障判斷原則是相互對(duì)立的，互不相容的，于是本來(lái)統(tǒng)一的設(shè)備在這些純粹故障的判斷原則面前被肢解了。但是，純粹的故障是不存在的，從現(xiàn)實(shí)設(shè)備上測(cè)得的信號(hào)特征往往不是純粹的。

以簡(jiǎn)單不平衡故障為例展開分析，不平衡變形下的轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示。很明顯，轉(zhuǎn)子在不平衡故障發(fā)生變形時(shí)會(huì)誘發(fā)不對(duì)中現(xiàn)象，軸承也將處于非正常受力狀態(tài)，安裝于變形轉(zhuǎn)子上的齒輪嚙合出現(xiàn)異常。

從這個(gè)簡(jiǎn)單不平衡故障為例展開的分析我們可以比較透徹的解釋一切可能的故障其實(shí)都在系統(tǒng)整體的故障結(jié)構(gòu)中存在。而多種故障在系統(tǒng)整體的故障結(jié)構(gòu)中存在的同等原始性常遭忽視。這是因?yàn)槲覀円恢眱A向于或習(xí)慣于用單一故障來(lái)解釋故障根源，這也為故障細(xì)分指明其淵源。

故障細(xì)分后，以典型故障模型為基礎(chǔ)預(yù)制件而構(gòu)建和鑲嵌起來(lái)的理論體系帶有以下不可忽視的問(wèn)題，故障細(xì)分給診斷帶來(lái)的直接的消極作用包括：易于局部故障代替整體故障或零部件故障代替整機(jī)故障，從而忽視了系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)性;易于單一故障代替多重故障或復(fù)合故障，從而造成漏判甚至誤判。

由于存在理論上單一故障判斷規(guī)則的互不相容性和生產(chǎn)實(shí)踐中并不存在理想的單一故障的矛盾，所以故障診斷開始進(jìn)入耦合故障的研究。

1.2故障耦合仍存在的細(xì)分局限

故障耦合的方式類似單一故障之間的排列組合，形式多種多樣。現(xiàn)在以研究最普遍，也是現(xiàn)場(chǎng)最為常見的一種耦合形式：松動(dòng)-碰摩耦合為例作詳細(xì)分析。

1.2.1松動(dòng)與碰摩耦合的初步較早的研究成果，不考慮軸徑的運(yùn)動(dòng)，考察松動(dòng)與碰摩耦合故障對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與碰摩力模型如圖4所示。

假定支座的一端發(fā)生松動(dòng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

式中， Fx 和 Fy 為碰摩力， m 1為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，松動(dòng)的支座質(zhì)量為 m2，c 1 和 k 1 為軸的阻尼系數(shù)， u 為質(zhì)量偏心量系數(shù)，ω為轉(zhuǎn)子角速度。 c2 和 k2分別為地面對(duì)于支座的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)。

初步結(jié)論：隨著頻率比的變化，系統(tǒng)響應(yīng)主要是以陣發(fā)性分岔進(jìn)入混沌，以陣發(fā)性分岔或倍周期倒分岔離開混沌，進(jìn)入 p-k 分頻運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)響應(yīng)隨頻率比變化，除高頻分量外，在低頻處有很高的幅值峰值，特別在0.4～0.5倍工頻處。

1.2.2考慮定子本身的運(yùn)動(dòng)松動(dòng)與碰摩耦合的改進(jìn)如圖5所示。

圖5中， m2為定子的質(zhì)量， c2和 k2為定子的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)， m3為松動(dòng)質(zhì)量， c3和 k3分別為地面對(duì)于支座的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)。

考慮定子本身運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

考慮定子本身運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)論：在超臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，系統(tǒng)響應(yīng)非常復(fù)雜，交替出現(xiàn)了周期k 的分頻運(yùn)動(dòng)、擬周期運(yùn)動(dòng)和混沌等運(yùn)動(dòng)形式。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子響應(yīng)由擬周期或陣發(fā)性分岔進(jìn)人混沌，而由擬周期或倍周期倒分岔離開混沌，且在3/2倍臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。

1.2.3考慮到軸承影響的改進(jìn)

如圖6所示。

考慮軸承影響時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

考慮到軸承的影響，再次改進(jìn)的結(jié)論：轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)具有松動(dòng)-碰摩耦合故障時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)以混沌和周期的交替運(yùn)動(dòng)為主，期間只有短暫的擬周期運(yùn)動(dòng)，且隨著松動(dòng)支座質(zhì)量的增大，擬周期運(yùn)動(dòng)逐漸消失，演變?yōu)橹芷谶\(yùn)動(dòng)。進(jìn)入混沌的道路主要以陣發(fā)為主，而以倍周期到分岔離開混沌運(yùn)動(dòng)。

以上耦合故障的力學(xué)模型建立的原理相同，并且

微分方程的建立基本上是對(duì) mn x（¨） n+ cn x（.）n+ kn xn= Fx-y + mn uω2+mn g 這一基本形，做以各種參數(shù)的改變和替換，結(jié)論中的關(guān)鍵詞包括：擬周期、倍周期、分岔、混沌，也都極相似。

耦合形式的多樣性說(shuō)明耦合并不能涵蓋所有故障，碰摩分別與其它故障的耦合其本質(zhì)還是不同類型碰摩故障在種類上的細(xì)分。而通過(guò)松動(dòng)與碰摩耦合多次故障模型和微分方程的深入研究，也可以說(shuō)明這些研究成果其本質(zhì)是對(duì)特定的松動(dòng)與碰摩耦合故障再次進(jìn)行的多次細(xì)分。耦合細(xì)分與單一故障細(xì)分的不同之處就在于：?jiǎn)我还收鲜菍?duì)故障“點(diǎn)”的細(xì)分，而耦合故障細(xì)分出來(lái)的是“線段”。總之，故障耦合到目前為止還只是在故障某一階段的局部研究，是綜合和復(fù)雜化的故障細(xì)分。

如果對(duì)故障耦合再作進(jìn)一步的追問(wèn)，如：為什么會(huì)發(fā)生耦合故障，耦合故障之前發(fā)生了什么？這種耦合的依據(jù)是什么？是主觀想象的“硬”耦合嗎？耦合故障是故障的最終形式嗎？因?yàn)槲覀冄芯康闹皇邱詈瞎收媳旧恚矣蓴?shù)值解得到的結(jié)論只是故障的各種個(gè)別現(xiàn)象，因此要達(dá)到消除故障的目的還有較大距離。

故障耦合的進(jìn)步是毫無(wú)疑問(wèn)的，但是故障耦合細(xì)分后更為深遠(yuǎn)的影響還在于：故障細(xì)分將越分越細(xì)，建模越來(lái)越失去實(shí)際依托，求解析解越來(lái)越困難，只能求數(shù)值解;沒(méi)有解析解，只有數(shù)值解，對(duì)故障狀態(tài)的評(píng)價(jià)只能來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)特例;針對(duì)種類繁多且經(jīng)過(guò)耦合后更加變化無(wú)窮的故障表現(xiàn)特征，要做出簡(jiǎn)潔而有效的標(biāo)準(zhǔn)，其難度可想而知。這也將是目前智能診斷必須要面對(duì)的問(wèn)題。

由于采用單一或耦合的方式在故障階段研究故障，所以不能及時(shí)掌握設(shè)備的性能退化過(guò)程以及故障的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。因?yàn)楝F(xiàn)在診斷針對(duì)的僅僅是故障本身，所以目前故障診斷一般并不更深入的探討故障最初的由來(lái)，同時(shí)也往往忽略了故障最后階段的變化。

為了避免事故而必須作預(yù)防性的故障機(jī)理研究，為了作預(yù)防性的故障機(jī)理研究而必須作使故障診斷理論走向如圖1所示反向倒推的故障橫向細(xì)分的研究道路，由此以來(lái)，以上問(wèn)題看似避免不了。究其原因，則是我們從故障的事后結(jié)果開始反推到故障正在進(jìn)行的狀態(tài)，從典型故障研究而后開始了故障細(xì)分的橫向研究過(guò)程，使故障建模逐漸轉(zhuǎn)向更細(xì)致深入的個(gè)性化故障，于是細(xì)分層層展開多種可能性，每一種細(xì)分又都有其特性，由此看來(lái)我們所研究的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)無(wú)終點(diǎn)的發(fā)散的系統(tǒng)。

一個(gè)發(fā)散的系統(tǒng)是不能求解的。現(xiàn)實(shí)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)毫無(wú)疑問(wèn)是周期性的，以實(shí)測(cè)信號(hào)為證，所以，設(shè)備的故障應(yīng)該是可以求解的，而且它們的解也必然是一個(gè)周期信號(hào)，但是，按照狄利克雷信號(hào)存在傅里葉變換的充分不必要條件：

（1）在一周期內(nèi)，連續(xù)或只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn);

（2）在一周期內(nèi)，極大值和極小值的數(shù)目應(yīng)是有限個(gè);

（3）在一周期內(nèi)，信號(hào)是絕對(duì)可積的。

很明顯，故障細(xì)分后所形成的這種無(wú)終點(diǎn)的發(fā)散系統(tǒng)是不滿足狄利克雷條件的，因而是不能夠求解的，所以，我們只能利用大數(shù)據(jù)這個(gè)載體踏上“模糊”而“灰色”的道路。

然而，我們反思到，無(wú)論我們把故障細(xì)分到什么程度，歸根結(jié)底這些故障是在統(tǒng)一的整體內(nèi)發(fā)生和進(jìn)行的，是以統(tǒng)一的整體存在為基本條件的，因而故障診斷不能只有對(duì)部分的思考而沒(méi)有對(duì)全部的思考。按照目前的故障診斷方法，在試圖確定一種故障的同時(shí)，也就是在努力與其他故障劃清界線，故障診斷在這樣做的同時(shí)往往會(huì)忘記了整體化并全過(guò)程的前提，極容易誤把個(gè)別故障自身變成全體。

單一純粹的故障是不存在的，簡(jiǎn)單的耦合也不能反映故障的全體。因?yàn)楣收鲜窃谵D(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)相互構(gòu)建的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，并隨著故障狀態(tài)時(shí)間“正進(jìn)”的階段變化而表現(xiàn)出相應(yīng)的“同質(zhì)”特征，并層層展開。我們?nèi)绾文軌蛟谝粋€(gè)統(tǒng)一的整體內(nèi)共容這些相互對(duì)立的細(xì)分故障？如果以上分析的對(duì)，那么這個(gè)問(wèn)題的解答也一定以某種方式準(zhǔn)備好了：故障診斷理論的方向需要轉(zhuǎn)變，應(yīng)該是“動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象必須符合同質(zhì)的故障理論”。

2 基于時(shí)間歷程“正進(jìn)”和故障性質(zhì)“同質(zhì)”的故障診斷理論方向

2.1設(shè)備全壽命周期

故障診斷有兩個(gè)開端：一種如上文所述的從事后開始的反向倒推的故障診斷;另一種則是從設(shè)計(jì)開始的正向發(fā)展的包含設(shè)備全壽命周期的時(shí)間歷程。因?yàn)闀r(shí)間會(huì)按照特定的規(guī)律呈現(xiàn)出故障發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)。

如果從時(shí)間歷程“正進(jìn)”開始，那么我們需要正確地著手提出問(wèn)題，即預(yù)先確定一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械普遍存在的運(yùn)行起始點(diǎn)，即故障發(fā)生、發(fā)展的初始點(diǎn)，并先行科學(xué)的描繪出一條道路，借以把在設(shè)備全壽命周期中發(fā)生的相互關(guān)聯(lián)的更廣泛的故障形式收入眼底，通過(guò)解答故障連續(xù)發(fā)展變化的規(guī)律，并加以規(guī)定，最終完成消除故障，直到重新連接到起始點(diǎn)或初始點(diǎn)并使其成為消除故障后的終點(diǎn)。

這個(gè)初始點(diǎn)必然具有初始不平衡、不對(duì)中的特征。對(duì)于一個(gè)近似封閉機(jī)構(gòu)的 Jeffcott 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，故障的起因和條件必定與系統(tǒng)之外無(wú)關(guān)，而故障又絕不是憑空出現(xiàn)的，所以是內(nèi)因在起決定性的作用。

本文的設(shè)備全壽命周期是指一個(gè)從初始不平衡、不對(duì)中缺陷構(gòu)成的初始點(diǎn)開始，在內(nèi)因作用下由互為條件和因果的故障環(huán)節(jié)彼此雙向聯(lián)結(jié)，并能在各環(huán)節(jié)返回最終初始點(diǎn)的多層次循環(huán)系統(tǒng)。

以最常見的松動(dòng)-碰摩故障為基本形式，建立一個(gè)最普通的設(shè)備全壽命周期模型如圖7。

耦合故障在設(shè)備全壽命周期的定位，如前文所言，耦合故障就只能出現(xiàn)在故障的發(fā)生、發(fā)展階段，耦合故障是對(duì)故障片段的研究，還沒(méi)有擺脫“倒推”和“細(xì)分”的局限如圖8。

《大學(xué)》云：“物有本末，事有終始;知所先后，則近道矣。”，當(dāng)我們離開事后事故，視界倒轉(zhuǎn)，從正向發(fā)展的設(shè)備全壽命周期的時(shí)間歷程，如圖9所示，倒轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)故障診斷“倒推”和“細(xì)分”的基于結(jié)果的分析認(rèn)識(shí)過(guò)程，轉(zhuǎn)變成為“正進(jìn)”和“同質(zhì)”的基于演變過(guò)程的分析認(rèn)識(shí)過(guò)程，不僅對(duì)故障的出現(xiàn)有一個(gè)正確和主動(dòng)性的認(rèn)識(shí)，而且把故障置身于統(tǒng)一整體并全過(guò)程這個(gè)更宏觀的領(lǐng)域來(lái)觀察。這樣，傳統(tǒng)故障診斷的方法以其完備和有效性就作為設(shè)備全壽命周期中的組成單元（單一故障）和環(huán)節(jié)（耦合故障）被保留和展開。

例如：從初始點(diǎn)的不平衡、不對(duì)中開始 Ma +CV+ KX =F （t），由于剛度 K 變小，使不平衡、不對(duì)中被放大，引發(fā)松動(dòng)故障;由于轉(zhuǎn)子的變形位移量 X （被放大的不平衡、不對(duì)中量值）超過(guò)靜、轉(zhuǎn)子之間的設(shè)計(jì)間隙值，造成碰摩破壞;由于剛度的變化，引起固有頻率的變化，固有頻率的變化會(huì)趨向靠近碰摩產(chǎn)生的次諧波或高次諧波，最終激發(fā)共振。可以看到故障是按照不同的形式和環(huán)節(jié)有規(guī)律的展開同一轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即 Ma + CV +KX =F （t）。

“正進(jìn)”能夠明晰各個(gè)故障環(huán)節(jié)的產(chǎn)生和進(jìn)化次序，“同質(zhì)”能夠明晰各個(gè)故障環(huán)節(jié)的共同本質(zhì)是對(duì)上一環(huán)節(jié)故障的放大或加強(qiáng)。這本質(zhì)上是“動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象必須符合同質(zhì)的故障理論”的過(guò)程。

為能更有效的說(shuō)明問(wèn)題，下面通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋“正進(jìn)”和“同質(zhì)”的基于演變的分析認(rèn)識(shí)過(guò)程。

2.2由故障開始進(jìn)入故障發(fā)展跟蹤與分析的實(shí)驗(yàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

由預(yù)設(shè)的初始不對(duì)中故障開始分析故障的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。

2.2.2儀器組成

單轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、CSI2130數(shù)據(jù)采集器。

2.2.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）初始不對(duì)中的故障設(shè)置如圖10。

（2）在初始不對(duì)中的條件下，經(jīng)過(guò)連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生狀態(tài)劣化，在頻譜中大量的次諧波成分出現(xiàn)如圖11所示，說(shuō)明松動(dòng)故障的產(chǎn)生。

（3）在松動(dòng)故障的條件下，持續(xù)運(yùn)行，在頻譜中轉(zhuǎn)頻幅值升高，白噪聲出現(xiàn)，說(shuō)明出現(xiàn)碰摩現(xiàn)象如圖12。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過(guò)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障，觀察故障的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子由不對(duì)中故障誘發(fā)松動(dòng)故障，持續(xù)發(fā)展為碰摩故障，最后發(fā)生諧波共振。

故障發(fā)展的歷程：初始不對(duì)中故障...→松動(dòng)故障→碰摩故障...→共振。

2.3由現(xiàn)場(chǎng)的故障開始進(jìn)入故障跟蹤與分析的實(shí)驗(yàn)

故障設(shè)備是某冶金企業(yè)熱軋生產(chǎn)線新采用的 ZD 系列高壓除磷泵如圖13、圖14，電機(jī)轉(zhuǎn)頻在46 Hz ～49 Hz 之間。

（1）2014年6月11日（圖15）測(cè)試水泵在額定轉(zhuǎn)速下水泵在初始不平衡、不對(duì)中的狀態(tài)下工作。

（2）2014年6月24日（圖16）測(cè)試水泵發(fā)生松動(dòng)故障。

（3）2014年6月30日（圖17、圖18）測(cè)試水泵發(fā)生碰摩故障。

（4）實(shí)際驗(yàn)證

水泵返廠2014年8月13日解體后發(fā)現(xiàn)水泵中段高低壓區(qū)隔斷密封處有較大面積刮碰如圖19。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

轉(zhuǎn)子通過(guò)初始的不平衡、不對(duì)中故障，誘發(fā)松動(dòng)故障，進(jìn)而發(fā)生碰摩故障，最后發(fā)生諧波共振。

在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)兩種實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)松動(dòng)→碰摩耦合研究的故障現(xiàn)象雖然是一致的，但是，單純的松動(dòng)→碰摩耦合研究割斷了故障前后的因果聯(lián)系，所以它的研究結(jié)果就只能是各種故障特征和現(xiàn)象的無(wú)序堆積，而不是故障環(huán)節(jié)的層層展開。故障是按次序生長(zhǎng)出來(lái)的，如果由傳統(tǒng)的“倒推”和“細(xì)分”的橫向觀察和研究，轉(zhuǎn)向?yàn)榛诔跏键c(diǎn)的縱向“正進(jìn)”的時(shí)間歷程，這樣，我們就擺脫了不連續(xù)和發(fā)散而獲得了一條故障產(chǎn)生、發(fā)展、最后消除的封閉路徑。知道了起點(diǎn)和終點(diǎn)，再標(biāo)識(shí)了路徑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那么我們就對(duì)故障有了完整和全面的把握，此時(shí)，故障診斷就轉(zhuǎn)化為對(duì)故障轉(zhuǎn)折點(diǎn)的研究。

從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)兩種故障的跟蹤和判斷，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)→碰摩耦合故障都源于相同的初始設(shè)備缺陷自主生成的，而且故障的發(fā)展路徑都極為相似，其本質(zhì)是對(duì)初始故障的放大和加強(qiáng)。所以可以設(shè)想，相同的故障源，按照本質(zhì)相同的發(fā)展過(guò)程，就可以建立更通用的故障模型，而且易于求出解析解，解析解可以科學(xué)的定義故障轉(zhuǎn)折點(diǎn)，解析解也能夠科學(xué)的解釋耦合故障所觀察到的如備周期、分岔、混沌等現(xiàn)象的物理意義。如此一來(lái)，基于時(shí)間歷程“正進(jìn)”和故障性質(zhì)“同質(zhì)”的故障診斷理論方向研究故障，就會(huì)使故障的產(chǎn)生、變化、發(fā)展一目了然，而且故障源清晰，故障各個(gè)階段標(biāo)志特征明確，從而輕而易舉的從根本上消除故障。

3 結(jié)論

故障診斷的終點(diǎn)是消除故障，使設(shè)備的功能、狀態(tài)、精度得以恢復(fù)，故障在設(shè)備全壽命周期是故障運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)與起點(diǎn)相遇的循環(huán)，單一故障和耦合故障構(gòu)成了這一循環(huán)的材料和環(huán)節(jié)。

故障在設(shè)備全壽命周期循環(huán)中的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律不是單純偶然的而是普遍必然的，因此典型故障的橫向研究是必要的，但確定故障階段在循環(huán)過(guò)程中的位置是作出準(zhǔn)確判斷的關(guān)鍵，在這個(gè)統(tǒng)一整體并全過(guò)程中的每種故障都只作為一個(gè)有機(jī)的環(huán)節(jié)出現(xiàn)，并在這個(gè)環(huán)節(jié)中展開其具體的運(yùn)動(dòng)形式和獨(dú)有的信號(hào)特征，所以關(guān)于故障診斷機(jī)理的任何研究最終都要還原于其所產(chǎn)生的統(tǒng)一整體并全過(guò)程的系統(tǒng)之中，利用這些在系統(tǒng)中的研究成果，我們將更深入地分析故障這一現(xiàn)象，這不僅會(huì)使故障診斷的視角以煥然一新和更加科學(xué)的方法來(lái)逼視在系統(tǒng)之中存在的故障整體結(jié)構(gòu)，而且也會(huì)開辟出一條道路，可藉以把握故障的原始生成，并實(shí)現(xiàn)在故障的任何環(huán)節(jié)直接返回到故障起點(diǎn)的目的和作用。

本文作者認(rèn)為故障診斷理論研究方向轉(zhuǎn)變更重要的意義在于，基于時(shí)間歷程“正進(jìn)”和故障性質(zhì)“同質(zhì)”，可以研究故障轉(zhuǎn)子的連續(xù)運(yùn)動(dòng)變化，沿著此研究方向，強(qiáng)調(diào)建立能動(dòng)的把故障過(guò)程展開的理論，使得故障現(xiàn)象一層一層的把故障本質(zhì)表現(xiàn)發(fā)展出來(lái)，并在此過(guò)程中充分掌握全過(guò)程的主要發(fā)展規(guī)律，完成“動(dòng)態(tài)的故障現(xiàn)象必須符合同質(zhì)的故障理論”的實(shí)踐過(guò)程，能夠?yàn)橹悄茉\斷奠定更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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