機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測的常用方法及其發(fā)展趨勢

【關(guān)鍵詞】機(jī)器設(shè)備；故障診斷；監(jiān)測方法；發(fā)展趨勢

引言

隨著各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用越來越普遍，這些設(shè)備的運(yùn)用對(duì)于提高工廠的生產(chǎn)效率和推動(dòng)其向現(xiàn)代化方向的轉(zhuǎn)變起著至關(guān)重要的作用。若機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)問題，無疑會(huì)妨礙生產(chǎn)流程的順利進(jìn)行，甚至可能引發(fā)安全事故。因此，為了有效管理機(jī)械設(shè)備的狀況，人們逐步開發(fā)出許多故障診斷和監(jiān)控的手段，這些都為機(jī)械設(shè)備的故障預(yù)防和及時(shí)處理提供了幫助。隨著社會(huì)、科技的持續(xù)進(jìn)步，為更有效地管理機(jī)器設(shè)備，其檢查和檢驗(yàn)手段也在向智能化和自動(dòng)化的方向持續(xù)推進(jìn)。

一、機(jī)械故障診斷和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷和監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用是確保其正常運(yùn)作的關(guān)鍵方法，同時(shí)也是現(xiàn)代生產(chǎn)進(jìn)步的必備技術(shù)。1960年，美國國家宇航局成立了美國的機(jī)器故障預(yù)防小組，英國也創(chuàng)辦了一個(gè)機(jī)器維護(hù)中心，同時(shí)也開始研究關(guān)于機(jī)器故障的診斷與檢測方法。在接下來的幾十年里，伴隨著理論探索和實(shí)踐運(yùn)用的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)取得了飛速的進(jìn)步，同時(shí)也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)影響[1]。

盡管我國的設(shè)備監(jiān)控和故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)較晚，但多年來的快速進(jìn)步使得無論是在技術(shù)理念上還是在實(shí)踐運(yùn)用上，都有了明顯的進(jìn)步。在國內(nèi)已經(jīng)成功開發(fā)出了各種類型的傳感器，如電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器以及溫度傳感器等。此外，還采用了一些尖端的信息處理方法，例如快速傅里葉變換、Wigner 光譜分析以及小波變換等。此外，許多情況下，還利用人工智能和專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，比如，日常設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)。

伴隨著自動(dòng)化科技的持續(xù)進(jìn)步，工業(yè)裝置的生產(chǎn)以及工程體系的復(fù)雜度顯著上升。確保系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，不僅是確保經(jīng)濟(jì)收益與社會(huì)收益的核心元素，同時(shí)也構(gòu)成了中國高端設(shè)備生產(chǎn)以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化改革的主要支撐。所以，各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)械設(shè)備故障的診斷與監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用日益關(guān)注。伴隨科技的持續(xù)進(jìn)步，機(jī)器設(shè)備的故障檢測與監(jiān)控技術(shù)的演變呈多樣性，例如，依賴于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程檢查技術(shù)、依賴于AI的智能檢查技術(shù)等。隨著這些創(chuàng)新科技的進(jìn)步，對(duì)于機(jī)器故障檢測與跟蹤科學(xué)的進(jìn)步也帶來了全新的可能性與挑戰(zhàn)。

二、機(jī)械設(shè)備故障診斷和監(jiān)控的手段

（一）振動(dòng)監(jiān)測診斷技術(shù)

振動(dòng)監(jiān)測診斷技術(shù)是通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和處理，提取出能夠反映機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)特征的特征參數(shù)。常見的振動(dòng)特征參數(shù)包括峰值、脈沖指數(shù)、裕度、峭度等。通過提取振動(dòng)特征參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地診斷機(jī)械系統(tǒng)的故障原因。

（二）溫度檢測診斷技術(shù)

一種經(jīng)常被應(yīng)用于機(jī)器設(shè)備的故障檢查與跟蹤技術(shù)就是溫度檢測。利用對(duì)設(shè)備溫度的監(jiān)控，能夠確定其是否處于正常工作狀態(tài)。通常設(shè)備的溫度上升表明設(shè)備可能出現(xiàn)過載、摩擦或者熱故障等狀況。溫度檢測能夠通過各種類型的溫度探測器來完成，例如熱電偶、紅外線溫度探測器、觸摸式和非觸摸式溫度探測器等。這些傳感器具備對(duì)物體的外觀、內(nèi)在以及周圍環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測的功能。通過分析這些信息，可以判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和其是否存在超載、摩擦或熱損害等問題。比如，在電機(jī)里如果電機(jī)軸承發(fā)生了磨損或者松動(dòng)的問題，這將使得電機(jī)在運(yùn)作過程中的摩擦力增大從而使得電機(jī)的溫度上升。所以，能夠通過觀察電機(jī)的溫度來確定電機(jī)軸承是否出現(xiàn)了問題。同樣，當(dāng)機(jī)器設(shè)備的負(fù)荷超標(biāo)或者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生磨損等問題都可能使得設(shè)備在工作期間釋放更多的熱能，從而使得設(shè)備的溫度上升。由此，能夠通過觀察設(shè)備的溫度來確定其是否出現(xiàn)了超負(fù)荷或摩擦等問題。

在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，也能利用溫度檢測來進(jìn)行設(shè)備的故障識(shí)別與預(yù)警。利用對(duì)設(shè)備的歷史溫度記錄的研究能夠辨認(rèn)出其故障類型及其特性，從而推斷出其使用年限及其可能的問題。紅外測溫診斷技術(shù)的核心理念便是基于溫度的視點(diǎn)，通過檢查、評(píng)估并解讀機(jī)器設(shè)備的所有部位的溫度數(shù)據(jù)，并觀察其溫度的波動(dòng)。這樣，可以確定機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并找到故障原因。

比如，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域能夠通過觀察氣缸的表面溫度波動(dòng)來預(yù)估其使用年限和保養(yǎng)需求，這樣就能夠提前進(jìn)行維護(hù)和替換，防止設(shè)備受損或者生產(chǎn)停滯。又如：檢查機(jī)械零件的磨損程度、檢查發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道是否出現(xiàn)阻塞情況，還有檢查液壓系統(tǒng)的油液特性等。機(jī)械特性與溫度之間存在著密切的關(guān)系，因此，對(duì)于整個(gè)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控，溫度檢測的比例超過了一半。

然而，普通的傳感器測溫?zé)o法得到精準(zhǔn)的溫度數(shù)值，只有引入紅外測溫儀才能發(fā)揮有效的測溫診斷功效，同普通的傳感器測溫儀器相比，紅外測溫儀具有明顯的測溫優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、遙控式測溫，同時(shí)能夠?qū)λ@得信息進(jìn)行處理、診斷、運(yùn)算等，也能夠?qū)C(jī)械設(shè)備應(yīng)該在什么樣的環(huán)境中工作、具體的工作溫度應(yīng)該是多少等做出準(zhǔn)確的估計(jì)[2]。

（三）油液分析

對(duì)于機(jī)械設(shè)備的故障，油液分析被認(rèn)為是一種高效的檢查與跟蹤手段。通過對(duì)設(shè)備所用油質(zhì)的研究，能夠評(píng)估出設(shè)備的磨損、污染和氧化等狀況。比如，油中的金屬微粒能夠揭示設(shè)備的機(jī)械磨損程度，同時(shí)，油中的水分和酸性也能揭示設(shè)備的腐蝕狀態(tài)。

主要的油液分析手段是收集在設(shè)備操作期間的油質(zhì)樣品，然后在物理、化學(xué)及生物等多個(gè)層次上進(jìn)行研究，從而得出關(guān)于設(shè)備操作情況的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于油液的檢測，涵蓋了對(duì)其質(zhì)量的評(píng)估、對(duì)其鐵譜的測定、對(duì)其光譜的研究、對(duì)其紅外光譜的研究，還有對(duì)其中的顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)等多個(gè)方面。

對(duì)于油品的質(zhì)量，會(huì)通過評(píng)估其粘性、亮度、含水率、酸性和機(jī)械顆粒的含量來確定其是否受到了污染或者被氧化。通過運(yùn)用鐵譜儀，能夠有效地將油液和雜質(zhì)區(qū)別開來，這就是鐵譜分析在機(jī)械磨損檢測中的主要作用。此外，還可以依據(jù)不同的磨粒數(shù)、大小、形態(tài)和分布模式，對(duì)磨屑的性能和數(shù)量做出精確的評(píng)估，從而能夠在最短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)的磨損區(qū)域和磨損嚴(yán)重程度做出精確的判斷。

利用光譜技術(shù)，可以對(duì)油液的各種元素進(jìn)行分析，從而評(píng)估設(shè)備的耐用性以及其摩擦表面的物理性能。利用紅外光譜技術(shù)，可以對(duì)油液內(nèi)的有害成分進(jìn)行探查，從而評(píng)估設(shè)備的磨損程度及其泄漏狀態(tài)。通過對(duì)油液內(nèi)的微粒數(shù)目與大小的測定，可以評(píng)估設(shè)備的磨耗水平以及摩擦表面的物理性能。油質(zhì)檢測的使用范圍極其廣泛，能夠被運(yùn)用在眾多的機(jī)械裝置上。比如，在液壓系統(tǒng)里，能夠通過研究液壓油的質(zhì)量，來判斷液壓泵、液壓缸等設(shè)備的磨損程度和泄漏狀態(tài)。在保養(yǎng)系統(tǒng)里，能夠通過研究保養(yǎng)油的成分，來評(píng)估軸承、齒輪等設(shè)備的磨損程度和保養(yǎng)狀態(tài)。

另外，新的油液檢測設(shè)備和監(jiān)控技術(shù)不斷出現(xiàn)，例如在線油液檢測系統(tǒng)、智能潤滑系統(tǒng)等，這些都有助于更精確地了解設(shè)備的油液狀態(tài)，并提供更精確的信息。

（四）噪聲監(jiān)測

通常，會(huì)通過觀察機(jī)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器發(fā)出的聲音，以獲取其內(nèi)部的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以幫助了解機(jī)器的設(shè)計(jì)和操作情況，進(jìn)一步確定機(jī)器的可能出現(xiàn)的問題。一般來說，噪音檢測被廣泛運(yùn)用在高溫和強(qiáng)酸性的環(huán)境中。針對(duì)那些不能進(jìn)行振動(dòng)檢測的機(jī)器，實(shí)施噪音檢查的診斷結(jié)果相當(dāng)理想。通過噪音檢測，能夠獲取到設(shè)備的噪音數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的故障識(shí)別。噪音檢測是一種無需直接接觸的檢測手段，能夠在設(shè)備運(yùn)作期間進(jìn)行檢測，其操作簡潔且易于實(shí)施，而且檢測速度迅速，特別適合早期的機(jī)械設(shè)備故障檢測。盡管如此，噪音檢測仍會(huì)受到周邊環(huán)境的制約，若周邊的噪音過于強(qiáng)烈，就可能引發(fā)一些信號(hào)的干擾，從而使得噪音檢測的結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差[3]。

三、機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測的未來發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代科學(xué)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備的故障檢測和監(jiān)控技術(shù)也在不斷提升。尤其在信息和傳感器領(lǐng)域的突破，使得對(duì)于機(jī)械設(shè)備的故障檢測有了更豐富的數(shù)據(jù)處理手段。未來的故障檢測和監(jiān)控將會(huì)趨于智能和自動(dòng)化。

（一）研發(fā)精度更高的傳感器、監(jiān)測儀

目前，必須對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備的檢測傳感器以及檢測工具的檢測準(zhǔn)確率、安全系數(shù)以及穩(wěn)定性等各個(gè)環(huán)節(jié)做出改良與提升。必須設(shè)計(jì)出精確度和真實(shí)性極高的傳感器，以持續(xù)提升監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展水平。為了保證故障檢查與監(jiān)控的精確度與實(shí)用性，必須維護(hù)好檢測設(shè)備的正常功能。未來的檢測設(shè)備與控制設(shè)備必須擁有高效運(yùn)轉(zhuǎn)以及多元化的特性，并且可以在最短的時(shí)間里完成檢查。

（二）利用小波分析作為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)的故障診斷

小波分析屬于時(shí)-頻信號(hào)分析法，是建立在數(shù)學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上的分析法，小波分析的基函數(shù)是很多尺度可變的簡諧函數(shù)，體現(xiàn)出相應(yīng)的時(shí)-頻定性特征，也能夠針對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，不斷提升適應(yīng)能力。機(jī)械設(shè)備故障問題等的診斷分析過程中，因?yàn)樵O(shè)備零件具有不同的功能構(gòu)造，存在很多不確定因素，通過小波分析法能夠確保各種頻率的信號(hào)信息被均衡分配到對(duì)應(yīng)的頻道序列中，以此為發(fā)現(xiàn)故障問題來供應(yīng)科學(xué)理論，因?yàn)樾〔ǚ治鲶w現(xiàn)出良好的時(shí)域分析能力、頻域分析能力等等，這樣就能夠確保其在瞬間變化信號(hào)分析中更加精準(zhǔn)、更為真實(shí)有效。

（三）向著智能化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方向發(fā)展

人工智能技術(shù)是一種創(chuàng)新的現(xiàn)代技術(shù)，涉及了自然語言處理技術(shù)，生物技術(shù)等等。未來的機(jī)器設(shè)備問題檢測技術(shù)肯定會(huì)轉(zhuǎn)向人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測，該網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)仿真了人類的大腦結(jié)構(gòu)、作用和特點(diǎn)，并且擁有可調(diào)整、靈活和可修復(fù)的屬性。

人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有非線性映射的能力，能執(zhí)行多種任務(wù)。此外，它的運(yùn)算過程非常簡單、易操作，能夠?qū)C(jī)器設(shè)備的某些組成部分的傷痕、破碎等情況做出科學(xué)、智能地記載與闡釋。這種能力最大化地發(fā)揮了基礎(chǔ)判斷能力，因此能明顯增強(qiáng)診斷的效果，確保故障診斷的精度與效能。

（四）多學(xué)科融合

伴隨著科技的進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域的相互關(guān)聯(lián)與整合愈加緊湊，這也為故障檢測與監(jiān)控技術(shù)的革新與進(jìn)步開辟出了寬廣的舞臺(tái)。若要深入探索和運(yùn)用機(jī)械故障診斷和監(jiān)控技術(shù)，除了需要掌握機(jī)械系統(tǒng)的基本理念、運(yùn)行特性和失效原理外，還需要熟知各類機(jī)械材料、制造流程、潤滑和密封等機(jī)械工程相關(guān)的知識(shí)。

電子科學(xué)與技術(shù)對(duì)于故障檢測和監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵作用，這主要得益于傳感器、信息處理和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的協(xié)助。比如，各類電子傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備的溫度、振動(dòng)、壓力等數(shù)據(jù)，為故障診斷和預(yù)測提供信息。電子科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新對(duì)于故障檢測和跟蹤技術(shù)的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化進(jìn)步起到了關(guān)鍵的作用。借助基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的故障檢測與跟蹤方法，我們能夠運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)手段來處理并解讀大批的數(shù)據(jù)，從而發(fā)掘出更多的寶貴數(shù)據(jù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了故障檢查與預(yù)判的精度。對(duì)于故障檢測和監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步，人工智能也發(fā)揮了重要作用，如模型辨認(rèn)、預(yù)警和保養(yǎng)。

因此，未來的故障檢測與監(jiān)控技術(shù)將主要朝著智能化的維護(hù)與自動(dòng)化的操作方向發(fā)展。利用自動(dòng)化和人工智能技術(shù)，我們能夠讓設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化保養(yǎng)和智能操作，從而增強(qiáng)設(shè)備的生產(chǎn)效益和設(shè)備管理質(zhì)量。智慧保養(yǎng)是通過收集設(shè)備的操作信息，并結(jié)合專業(yè)系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等科學(xué)手段，來預(yù)先識(shí)別出設(shè)備的隱患以及其功能上的缺陷，以便實(shí)施適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)策略，防止設(shè)備的破損以及維護(hù)費(fèi)用的上漲，以此來提高設(shè)備的穩(wěn)定性與使用效率。

結(jié)語

總的來說，許多的診斷和監(jiān)測手段被應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的故障處理，它們各自擁有獨(dú)特的基礎(chǔ)理論和優(yōu)越性。伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，必須在研究過程中掌握機(jī)械設(shè)備故障的診斷和監(jiān)測技術(shù)的未來走向，并持續(xù)深化對(duì)相關(guān)檢查和評(píng)估手段的探索，這也是該領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)專注的研究主題。

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