設(shè)備故障診斷的發(fā)展概況

設(shè)備故障診斷的發(fā)展概況摘要：設(shè)備故障診斷是指設(shè)備在運(yùn)行中或者在基本不解體設(shè)備的情況下，對(duì)設(shè)備故障的性質(zhì)、原因、部位、程度等進(jìn)行識(shí)別診斷，并提供維修維護(hù)措施。設(shè)備故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是企業(yè)實(shí)際需要的結(jié)果，主要是設(shè)備的安全性、維修成本的壓力。對(duì)于設(shè)備故障診斷來說，主要狀態(tài)參數(shù)有功能參數(shù)、損傷參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和開關(guān)量等。在故障診斷學(xué)領(lǐng)域中，將那些對(duì)故障反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定可靠的物理量稱之為故障特征參數(shù)（或稱故障特征量值）。目前，診斷技術(shù)根據(jù)不同的信號(hào)類型，分為振聲診斷、溫度診斷、油液分析和光譜分析等。隨著人工智能的發(fā)展，診斷自動(dòng)化，智能化的要求逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)。設(shè)備智能診斷技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，不少領(lǐng)域的技術(shù)都可在其中得以應(yīng)用，加強(qiáng)這些方面的理論研究具有重要的意義關(guān)鍵詞：故障診斷、設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)測(cè)量、智能診斷、展望一、設(shè)備故障診斷概述設(shè)備故障診斷是指設(shè)備在運(yùn)行中或者在基本不解體設(shè)備的情況下，對(duì)設(shè)備故障的性質(zhì)、原因、部位、程度等進(jìn)行識(shí)別診斷，并提供維修維護(hù)措施。設(shè)備故障診斷分為簡(jiǎn)易診斷和精密診斷兩個(gè)層次：簡(jiǎn)易診斷：即設(shè)備的“健康檢查”。具體實(shí)施時(shí)，往往是監(jiān)測(cè)設(shè)備的某一個(gè)特征量值和它的劣化趨勢(shì)，根據(jù)量值的范圍判斷設(shè)備是正常還是異常以及故障的嚴(yán)重程度，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以得到一些有規(guī)律的東西，借此進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。其作用是監(jiān)測(cè)和保護(hù)，目的是對(duì)設(shè)備的狀態(tài)做出迅速而有效的定性的概括和評(píng)價(jià)。簡(jiǎn)易診斷一般由設(shè)備的操作者或點(diǎn)檢員來實(shí)施，所用的儀器簡(jiǎn)單、便攜、操作簡(jiǎn)易，其判斷標(biāo)準(zhǔn)也很簡(jiǎn)單、故障診斷迅速、有效、因而診斷費(fèi)用也低。它是由點(diǎn)檢和監(jiān)視兩種方式來完成的。精密診斷：是在簡(jiǎn)易診斷基礎(chǔ)上更深層次的診斷，通常需要更多的信息。目的是定量的判斷故障的性質(zhì)、原因、部位、程度以及故障的發(fā)展趨勢(shì)等，并提供設(shè)備檢修或治理的決策。精密診斷由專業(yè)診斷技術(shù)人員來實(shí)施，所用的儀器、操作、判斷過程都比較復(fù)雜和比較精密。因而診斷費(fèi)用較高。近幾年以來，由于科技的高速發(fā)展，各種高精度多功能的便攜式數(shù)據(jù)采集器廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷。在現(xiàn)場(chǎng)也可以同時(shí)進(jìn)行頻譜分析、有的還能作細(xì)化譜、相位測(cè)量、波形觀察等，已不僅僅是滿足于對(duì)設(shè)備的狀態(tài)做出正常與否的概括和評(píng)價(jià)了。設(shè)備故障診斷技術(shù)實(shí)際上包含運(yùn)行中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷兩個(gè)部分內(nèi)容，這兩者既有密切聯(lián)系又有區(qū)別。狀態(tài)監(jiān)測(cè)：即對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備，不斷獲取其在運(yùn)行中或相對(duì)于靜態(tài)條件下的狀態(tài)信息---它包括采用各種檢測(cè)、監(jiān)視、分析和判斷等方法，及時(shí)報(bào)告設(shè)備當(dāng)前狀況參數(shù)并進(jìn)行顯示、紀(jì)錄、異常狀態(tài)報(bào)警。所以說，它是故障診斷的基礎(chǔ)。故障診斷：即對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備，通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)所得到的信息，并結(jié)合設(shè)備的歷史狀況，應(yīng)用專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位和發(fā)展趨勢(shì)以及預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命，為指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行、備品備件管理和按狀態(tài)維修（狀態(tài)維修）提供技術(shù)基礎(chǔ)，以及進(jìn)一步提出對(duì)設(shè)備的改造、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行方式等方面的建議。也就是說設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)又是設(shè)備預(yù)知維修的基礎(chǔ)。設(shè)備故障診斷技術(shù)是一門了解和掌握設(shè)備在使用過程中的工作狀態(tài)，確定其整體和局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障及其產(chǎn)生原因,能夠預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。它一直與設(shè)備維修緊密聯(lián)系，與維修發(fā)展階段對(duì)應(yīng)經(jīng)歷了事后維修階段、預(yù)防維修階段、狀態(tài)監(jiān)測(cè)階段和的智能管理階段。由于它具有保障生產(chǎn)正常運(yùn)行、防止突發(fā)事故、節(jié)約維修成本等顯著特點(diǎn)，在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，越來越受到人們普遍重視。人們投人大量精力進(jìn)行研究，設(shè)備故障診斷技術(shù)取得了很大的進(jìn)展探索出一系列新的理論方法與技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際，增加了對(duì)設(shè)備故障判斷的效率，奠定了對(duì)設(shè)備實(shí)施故障診斷分析與修復(fù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二、設(shè)備故障診斷的作用和意義設(shè)備故障診斷技術(shù)產(chǎn)生、發(fā)展并被廣泛應(yīng)用的原因來自三個(gè)方面，即：流程工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需要，故障診斷理論、測(cè)試技術(shù)和儀器的發(fā)展完善以及國家相關(guān)的政策。首先，設(shè)備故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是企業(yè)實(shí)際需要的結(jié)果，主要是設(shè)備的安全性、維修成本的壓力。20世紀(jì)60年代以來，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)越來越現(xiàn)代化。設(shè)備和生產(chǎn)朝著大型化、高速化、自動(dòng)化、連續(xù)化、智能化、環(huán)?；确较虬l(fā)展。一方面設(shè)備更加精密復(fù)雜，許多故障很難靠人的感官發(fā)現(xiàn)，而且有些設(shè)備精密復(fù)雜，不允許隨便解體檢查；另一方面設(shè)備突發(fā)性事故造成的損失越來越大；三是設(shè)備的維修成本占總的生產(chǎn)成本越來越大。所以追求設(shè)備的高可靠性和最合理的維修方式是企業(yè)設(shè)備工程管理的焦點(diǎn)。其次，從技術(shù)背景方面看，20世紀(jì)60年代是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展的年代，F(xiàn)FT算法語言的出現(xiàn)，把信號(hào)處理分析技術(shù)從硬件到軟件，推向了全新的高度。此外可靠性工程、零部件失效機(jī)理的研究等，都為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。20世紀(jì)70年代以后，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)在發(fā)達(dá)國家得到了快速推廣和發(fā)展，特別是美國、英國、日本、德國等國家。我國從80年代初期開始引進(jìn)并應(yīng)用設(shè)備診斷技術(shù)，20年來,此項(xiàng)技術(shù)在中國各個(gè)行業(yè)得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，也受到我國政府的重視。經(jīng)過多年發(fā)展，設(shè)備故障診斷技術(shù)已成為現(xiàn)代化管理的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前我國的設(shè)備維修體制，已開始從早期的事后維修和長期的按計(jì)劃維修體制，過渡到現(xiàn)代的、具有預(yù)知性的狀態(tài)維修階段。在企業(yè)推廣設(shè)備故障診斷技術(shù)，可以達(dá)到以下目的和作用：（1）保障設(shè)備安全運(yùn)行，防止突發(fā)事故；（2）保證設(shè)備工作精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量；（3）實(shí)施預(yù)防維修與按狀態(tài)維修，節(jié)約維修費(fèi)用；（4）避免因設(shè)備事故造成的環(huán)境損壞和其它危害；（5）給企業(yè)帶來較大的間接經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)開展設(shè)備故障診斷的最終目的是：服從和服務(wù)于生產(chǎn)經(jīng)營大局，提高對(duì)設(shè)備狀態(tài)、劣化趨勢(shì)的認(rèn)知和控制能力；提高設(shè)備的作業(yè)率、延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用；為保證設(shè)備處于最佳狀態(tài)而對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行改進(jìn)。三、描述設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)及其測(cè)量方法描述設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)很多，對(duì)于設(shè)備故障診斷來說，主要有功能參數(shù)、損傷參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和開關(guān)量等。在故障診斷學(xué)領(lǐng)域中，將那些對(duì)故障反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定可靠的物理量稱之為故障特征參數(shù)（或稱故障特征量值）。（見下頁表）設(shè)備狀態(tài)信息的獲得有很多種方法，其中振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)是目前較普遍采用的方法之一。設(shè)備內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，一般都會(huì)伴隨著出現(xiàn)異常振動(dòng)、聲音和設(shè)備性能的變化。而振動(dòng)信號(hào)中含有豐富的信息，很多設(shè)備故障都能以振動(dòng)狀態(tài)的異常反映出來。通過對(duì)設(shè)備振動(dòng)信息的測(cè)量和分析，往往可以不停機(jī)或不解體設(shè)備就可以對(duì)設(shè)備劣化的部位和故障的性質(zhì)做出判斷。由于振動(dòng)測(cè)試的理論、技術(shù)和儀器都比較成熟，因而在企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。所以利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和診斷的設(shè)備故障已成為當(dāng)前各種監(jiān)測(cè)技術(shù)中的主要方法。狀態(tài)參數(shù)分類描述測(cè)量方法功能參數(shù)生產(chǎn)能力、能耗、工藝參數(shù)（電、磁）…輸出功率、效率、能耗…損傷參數(shù)承載件裂紋及擴(kuò)展參數(shù)、接觸運(yùn)動(dòng)副的磨損參數(shù)、腐蝕環(huán)境的腐蝕參數(shù)…目測(cè)、光學(xué)、射線、超聲、磁粉、滲透、電渦流、聲發(fā)射…環(huán)境參數(shù)振動(dòng)參數(shù)感官、機(jī)械式測(cè)量、非電量測(cè)量、光學(xué)振動(dòng)測(cè)量…噪聲參數(shù)感官（耳朵）、聲強(qiáng)、聲壓、聲功率…溫度參數(shù)熱電偶、熱電阻、紅外、光纖檢測(cè)…油污染參數(shù)污染度、磁性磨屑、鐵譜、光譜…排氣成分參數(shù)CO濃度、HC濃度、NOx濃度…開關(guān)參數(shù)開關(guān)量、繼電器動(dòng)作信號(hào)等記錄四、設(shè)備智能診斷技術(shù)的研究識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)為正?；虍惓＃@是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能判斷為異常后再進(jìn)行原因分析，這才是診斷的實(shí)質(zhì)。目前，診斷技術(shù)根據(jù)不同的信號(hào)類型，分為振聲診斷、溫度診斷、油液分析和光譜分析等。隨著人工智能的發(fā)展，診斷自動(dòng)化，智能化的要求逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)。其中基于知識(shí)的專家系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱專家系統(tǒng)）的研究起步最早，目前在診斷中已有成功的應(yīng)用。信號(hào)分析和處理方法的研究是設(shè)備診斷技術(shù)的核心之一，也是理論研究的熱點(diǎn)之一，它實(shí)際上就是診斷技術(shù)中的特征因子敏感因子提取技術(shù)傳感器拾取的信號(hào)，稱為原始信號(hào)，一部分可直接利用，如溫度、位移等但大部分不可直接利用，如振動(dòng)雖然經(jīng)過放大，由于含有噪聲，一般從單個(gè)波形上反映不了問題，必須利用信號(hào)分析與處理技術(shù)，把信號(hào)轉(zhuǎn)化在不同的域內(nèi)進(jìn)行分析，才能得到更能敏感反映機(jī)器狀態(tài)的特征因子濾波技術(shù)和頻譜分析技術(shù)是傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法近年來出現(xiàn)的數(shù)字濾波技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、小波分析技術(shù)等極大豐富了信號(hào)處理技術(shù)的內(nèi)容以頻譜分析技術(shù)為例，有FFT分析、倒譜分析、短時(shí)Fourier分析和Wigner分布等，在傳統(tǒng)的工程中占有非常重要的地位變換和倒譜分析對(duì)平穩(wěn)信號(hào)的分析非常有效為了對(duì)工程中廣泛存在的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析，引人了短時(shí)Fourier變換和Wigner分布，但二者對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析能力不理想近年來出現(xiàn)的小波分析技術(shù)為此提供了強(qiáng)有力的支持它不僅適合分析平穩(wěn)信號(hào)，而且適合分析非平穩(wěn)信號(hào)從根本上講，小波分析將有望取代傳統(tǒng)的Fourier分析技術(shù)另外，近年來發(fā)展起來的分形幾何技術(shù)，也為信號(hào)處理提供了嶄新的手段陰模糊技術(shù)的應(yīng)用也豐富了信號(hào)處理的內(nèi)容一叨由于特征因子提取的重要性，信號(hào)處理中每一種新技術(shù)在設(shè)備診斷中的應(yīng)用，都是對(duì)診斷技術(shù)的一次重大變革設(shè)備智能診斷技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，不少領(lǐng)域的技術(shù)都可在其中得以應(yīng)用，加強(qiáng)這些方面的理論研究具有重要的意義，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：（1）進(jìn)一步開展智能診斷理論和技術(shù)的研究，充分應(yīng)用各種當(dāng)代前沿科學(xué)的研究成果,推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，使故障診斷技術(shù)獲得生機(jī)和活力，模糊診斷、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等仍將是今后發(fā)展方向；（2）診斷系統(tǒng)將由集中式向分布式發(fā)展，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化、軟件設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)范化和模塊化，以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期并提高診斷系統(tǒng)的可靠性,是今后長期努力的方向；（3）診斷技術(shù)的發(fā)展應(yīng)促進(jìn)傳統(tǒng)的設(shè)備定期維修方式向更科學(xué)的狀態(tài)維修方式過渡，為此應(yīng)開展對(duì)設(shè)備的綜合診斷，除振動(dòng)診斷外，應(yīng)進(jìn)行工況參數(shù)的診斷，必要時(shí)，采用多種診斷手段，如鐵譜技術(shù)、紅外技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、無損探傷技術(shù)等，以提高診斷正確性；（4）網(wǎng)絡(luò)化是今后發(fā)展方向，利用各種通訊手段將故障診斷系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合起來組成網(wǎng)絡(luò)，有利于對(duì)機(jī)組的管理，減少設(shè)備投資，提高系統(tǒng)利用率，必要時(shí)可與企業(yè)的局域網(wǎng)系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)，將有助于促進(jìn)企業(yè)管理現(xiàn)代化。五、設(shè)備故障診斷存在的問題和未來展望雖然設(shè)備故障診斷技術(shù)得到很大發(fā)展，但是至今為止未形成一套完整的理論體系和有效的診斷技術(shù)。絕大多數(shù)技術(shù)都是針對(duì)特定的故障、特定的設(shè)備來研究，目前設(shè)備故障診斷的研究都是根據(jù)故障的種類、特定的設(shè)備、特定的層次建立自己的設(shè)備故障診斷技術(shù)。這些理論和方法在實(shí)際中廣泛應(yīng)用的較少，即使在實(shí)際得到應(yīng)用也沒有一個(gè)完善的評(píng)價(jià)體系對(duì)其效果做出合理的評(píng)價(jià)。目前,設(shè)備故障診斷技術(shù)是一個(gè)開放性課題，有必要建立一套完整的理論方法體系來指導(dǎo)設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究。目前存在的具體問題有（1）模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、智能方法等研究熱點(diǎn)主要停留在理論研究上,實(shí)際應(yīng)用較少；（2）搭建的故障診斷操作平臺(tái)繁瑣且可操作性差。應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中既不便操作,也不便管理；（3）許多設(shè)備故障診斷技術(shù)主要注重故障的診斷而沒有考慮設(shè)備故障的修復(fù),為后面的修復(fù)工作帶來不便；（4）企業(yè)對(duì)設(shè)備故障診斷的重視不夠,追求短期效益,成熟的診斷技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的較少。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、無線通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是傳感器的精密化、多維化,診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術(shù)的智能化。成熟的技術(shù)將大量運(yùn)用到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中，促進(jìn)國家和軍隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè)。從目前的研究資料來看，今后設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向可歸納如下（1）故障樹分析法具有圖文兼?zhèn)?、表達(dá)清晰、簡(jiǎn)明直觀、可讀性好等特點(diǎn),在實(shí)際運(yùn)用中效果明顯。將模糊理論和灰色系統(tǒng)黑匣子引人故障樹分析法，進(jìn)一步分析故障發(fā)生的根本原因及概率，增強(qiáng)故障樹分析法的指導(dǎo)性，使故障樹分析法更加具有發(fā)展?jié)摿Α＃?）基于復(fù)合知識(shí)庫的專家系統(tǒng)故障診斷方法把傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理巧妙結(jié)合，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如何進(jìn)一步提高專家系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、診斷精度與速度、專家知識(shí)的豐富程度和專家知識(shí)水平,把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)機(jī)制引人專家系統(tǒng),提高專家系統(tǒng)的判斷準(zhǔn)確性,是今后研究的重點(diǎn)。（3）將模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析方法等有機(jī)結(jié)合起來,把最新傳感技術(shù)、最新信號(hào)處理方法、多元傳感器信息等與設(shè)備故障診斷與檢測(cè)相融合,運(yùn)用現(xiàn)代線形和非線性理論和智能方法,引人醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的診斷思想,必將提高設(shè)備故障識(shí)別的準(zhǔn)確性,是一個(gè)重要的發(fā)展方向。（4）復(fù)雜設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用以及維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)密不可分。進(jìn)行設(shè)備故障診斷,必須考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造材料、故障檢測(cè)的信號(hào)傳輸和處理等因素,把設(shè)備故障的檢測(cè)、傳輸、診斷與修復(fù)融為一體,為快速修