往复机械故障诊断技术进展综述.pdf

第3 7 卷第5 期化工机械 6 7 l 往复机械故障诊断技术进展综述 赫伟荚裴峻峰 ( 常州大学) 摘要回顾了往复机械故障诊断技术的发展历程，并对其故障诊断技术的进展进行综速。 关键词往复机械故障诊断技术进展 中圈分类号T Q 0 5 0 7 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 枷9 4 ( 2 0 1 0 ) 0 5 J 0 6 7 1 0 5 往复机械种类很多，包括往复压缩机、内燃 机( 柴油机及汽油机) 、往复泵等，其工业应用十 分广泛，因此对往复机械进行状态监测与故障诊 断具有十分重要的意义。设备故障诊断技术发展 到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处 理技术，它能实现设备在带负荷运行时或基本不 拆卸的情况下，通过对其状态参数的检测和分析 对故障进行分级，判断故障的位置和原因，并对设 备的未来状态进行预测，从而有助于实现往复机 械的视情维修和科学管理。 本文回顾了机械故障诊断的发展历程，分析 了国内外往复机械故障诊断的研究现状，并总结 了目前该领域的的进展情况，就今后的发展趋势 提出了自己的观点。 1 国内外往复机械故障诊断的发展历程 设备故障诊断技术是2 0 世纪6 0 年代初，由 于军工、航天的需要发展起来的一门新技术，最早 开展这方面研究的是美国。1 9 6 5 年快速傅立叶 算法的出现为故障诊断技术奠定了技术基础。2 0 世纪7 0 年代末期，电子测量技术和频谱分析技术 被应用到机械故障诊断领域中，国外大型机械的 状态监测与故障诊断技术开始进入实用化阶段。 到了2 0 世纪8 0 年代中期，以微型计算机为中心 的现代机械故障诊断技术得到迅速的发展，出现 了许多商业化的机械设备故障诊断与监测系统， 如美国的E N T E c K 公司针对电动机、风机、齿轮 箱和机床等机械设备的预测维修系统。随着传感 器技术的发展，除了可以利用振动信号进行机械 设备的故障诊断外，还可以利用噪声、温度、力和 磁等多种信息作为设备诊断的信息源，由此发展 了油液分析技术、噪声监测技术、红外测温技术、 声发射技术以及无损探伤技术等；随着人工智能 的发展，还出现了许多智能诊断方法如模糊逻辑、 专家系统以及神经网络等。 我国的故障诊断技术是从2 0 世纪8 0 年代初 开始的，许多高校和科研机构都开展了故障诊断 技术的研究工作，取得了许多可喜的研究成果。 在理论与方法研究方面，如统计自学习分类技术、 灰色系统理论及其在故障诊断中的应用、全息谱 技术、时间序列诊断技术、智能诊断技术等；在应 用研究开发方面也取得了较大的进展，取得了一 定的经济效益和社会效益。并已形成了学科体系， 尤其在理论方面的研究已接近国际的先进水平， 但在智能诊断仪器、传感器、信号采集与分析器等 方面与发达国家还有一定的差距。 在往复机械故障诊断方面，由于往复机械结 构复杂、激励源多、机器故障产生大量的冲击、摩 擦以及运行速度不稳定等特点，导致大量非平稳 信号，因此从目前来看，无论是国内还是国外，故 障诊断的研究重点都仅限于旋转机械，而往复机 械的研究则相对薄弱一些。 2 往复机械故障诊断技术的进展 2 1 基于模型的故障仿真技术成为研究热点 由于往复机械结构复杂，可拆性差，故障样本 赫伟英，女，1 9 8 4 年4 月生，硕士研究生。江苏省常州市。2 1 3 0 1 6 。 万方数据 6 7 2化工机械 2 0 1 0 年 的获取往往具有破坏性和难以再现性，成本较高。 近年来基于模型的故障仿真技术成为了研究热 点。如基于模型的内燃机故障诊断等的研究已见 报道1 t 引。 所谓基于模型的方法，是在建立诊断对象的 数学模型的基础上，根据有模型获得的预测形态 和所测量的形态之间的差异计算出被诊断系统的 最小诊断。此法优点有二：一是通过建立故障诊 断的仿真系统进行故障诊断可以大大降低成本和 时间，二是不依赖于对象的诊断实例和经验，可用 于对新的、未有故障实例的系统进行故障诊断；不 足之处是此法的诊断精度严重依赖于模型的精 度，一旦模型有所偏差，就会导致诊断失败或误 诊，复杂模型的准确度有待提高。 文献 3 提出了一改进的通用的故障诊断方 法，通过建立船用柴油机的热力学仿真模型，其中 包括发动机、燃油喷射系统、进排气系统、增压器 和冷却器等模型，然后利用校准好的模型，结合现 场汽缸压力以及外部参数可充分预测主发动机和 辅助机的运行状态，为柴油机故障自诊断提供良 好的开发和验证平台。文献 4 采用模型化方 法，对柴油机( 进气系统和喷射系统) 两系统组件 进行半实物的动态模拟，动态试验表明，通过合理 的计算可进行实时故障诊断。文献 5 提出一种 利用振动信号诊断柴油机重要部件异常间隙的新 方法，所谓的“基线”参数通过理论模型获得，因 此无需实测正常状态参数。 2 2 多种故障信息处理技术和不同的故障识别 方法的综合应用 可以集成多种信息处理技术取长补短，利用 时、频域分析( 针对振动信号) 、图像处理( 针对铁 谱图) 、模糊逻辑、粗糙集等信息处理方法提取状 态信息的故障特征，结合模糊识别法、神经网络、 专家系统等不同的故障识别方法实现故障诊 断M 柚 。文献 7 利用信息熵理论从振动信号中 提取5 种熵特征，结合支持向量机对往复压缩机 气阀进行故障诊断研究。信息熵的非线性特征识 别率高，支持向量机可解决小样本分类问题，两者 结合其来诊断效果很好。文献 8 由振动信号提 取并选择6 个特征参数，由统计方法获得标准模 糊矢量，后利用模糊聚类方法成功对大型柴油机 进行故障诊断。 2 3 往复机械故障检测常用方法 往复机械故障检测常用方法有性能参数监 测、油样监测和声振监测等，其中性能参数( 气 量、压力、温度) 监测、油样监测和振动监测在往 复机械中研究的比较深入4 ”1 ，声发射监测应用 还相对较少。近年来学者对后者进行了积极探 索1 引。 声发射监测是一种动态无损检测方法，当机 械部件受外力作用时，金属内部晶格将发生滑移 或重新排列，这个过程中能量的变化以弹性波的 形式释放出来，即产生了声发射信号。它与其他 无损检测方法不同之处是它是在外部条件作用下 产生的，可以检测到微米数量级的显微裂纹变化， 检测灵敏度很高。此外，因为绝大多数材料都具 有声发射特性，所以声发射检测不受材料限制，可 以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警，这 是声发射检测优于其他无损检测的地方。 从往复机械的故障现象来看，其故障主要有 两类，一类是结构性故障，另一类是性能方面的故 障。显然，结构性故障会反映在机器的性能中，性 能评定也可以反映结构性故障的存在及其严重程 度。但在实际工作中，由于采用性能分析法诊断 故障属于间接诊断，不直接，影响因素较多，而且 难度也比较大，所用传感器价格昂贵，寿命较短， 因此对于往复机械的监测和诊断，一般以振动诊 断法应用较多。 在振动监测方面，以快速傅立叶变换( FF r 1 1 ) 为核心的经典信号处理技术在许多情况下已经不 能胜任了，时域或频域分析只适用基于平稳或准 平稳过程振动信号。往复机械其组件众多，结构 复杂，故振源众多，其振动信号在通频带范围内均 有大量能量分布，时- 频分析弥补了仅用时域或频 域分析的分辨率不足的问题，主要方法有短时傅 里叶变换( S T F V r ) 、W i g n e r 时频分布、小波变换 ( w a v e l e tT r a n s f o 咖) 等。新兴的时频分析方法在 故障诊断中的应用研究持续不断，其中利用小波 技术处理信号得到故障特征的研究十分活 跃0 4 一引。如文献 1 5 利用小波变换分别对三缸 泵动力断和液力端进行故障诊断，并得出分别与 动力端齿轮的啮合状态、液力端运行状态相对应 的小波变换信息；文献 1 8 提出利用小波变换构 建了基于神经网络的内燃机专家系统。 万方数据 第3 7 卷第5 期化工机械 6 7 3 智能化是机械工业发展的必然趋势，智能油 液分析技术的研究重点有两个，一是磨粒自动识 别方法23 | ，二是各种机械设备的油液分析判断 标准。油液监测的方法有铁谱分析、光谱分析、红 外光谱分析、颗粒计数、油品理化分析等。一次完 整的油液分析所获得的数据量很大，数据种类很 多，如何整合这些纷繁复杂的数据以获得有用的 信息，已成为油液监测技术发展的一个瓶颈问题。 2 4 基于多源信息融合故障诊断的技术 润滑油诊断技术与振动诊断技术是现代故障 诊断技术的两大主力，它们各有自己的优势和不 足。通常，一种方法或技术在判断故障中起重要 作用，另一种起辅助作用。一般来讲，对低速回转 机械及往复式机械，利用振动和噪声监测技术判 断故障往往较为困难，若对设备定期采集油样比 较方便时，油液分析技术便成为一种行之有效的 方法。在低速( 小于5 r m i n ) 运转的机械设备及 早期故障诊断方面，油样监测比振动法效果要好。 如振动监测能对磨损部位做出较准确的判断，却 难以确定磨损的原因，而油液监测能诊断出磨损 状态及原因。实际应用中，当只用其中一种方法 进行故障诊断时，只能检测出3 0 一4 0 的故 障1 ，若将振动分析与油液分析相结合对往复机 械磨损故障的诊断具有明显的优越性，这方面的 研究方兴未艾口”1 。 2 5 实时、在线故障诊断技术忙“圳 如何及时诊断故障、预测机械运行状态的发 展趋势，成为当前研究的一个热点，而如何开发集 成软硬件结合的系统进行在线诊断，将是实时诊 断成败的关键。 传感技术、虚拟仪器技术的迅速发展，将电子 测试技术与故障诊断引入到更高的结合层次，为 在线故障诊断提供了前提条件。国内先后开发了 各种类型的传感器，如电涡流传感器、速度传感 器、加速度传感器和温度传感器等，最近开发的传 感技术有光导纤维、激光和声发射等。虚拟仪器 由计算机、软件开发工具( 如L a b v i e w ) 和仪器硬 件( 数据采集卡、接口、传感器等) 组成，其在机械 故障诊断中功能主要是数据的实时采集和存贮、 信号的实时显示与分析，也可以在离线条件下对 存储的采集结果进行各种处理，如用专家系统、神 经网络、故障树等方法进行故障分析和诊断。 2 6 计算机网络化的故障诊断p 2 ”1 网络化将是往复机械故障诊断的发展趋势之 一。利用光纤光缆、微波、无线通信及计算机网络 等通信方式，将故障诊断系统与数字信号系统结 合起来组成网络，能够实现对多台机组的有效管 理，减少监测设备的投资，提高系统的利用率。 3结束语 由于往复机械的复杂性、计算机技术的不完 善、人工智能领域的专家系统和神经网络技术的 初步使用，故障诊断技术在往复机械的应用仍处 于探索阶段，离工程实际应用还有很长的路要走。 考虑到往复机械的复杂性，对往复机械进行故障 诊断不仅需要在理论上进行研究，掌握机械设备 发生故障的机理，而且需要大量的实验研究和经 验的积累，同时在检测方法上也不能单一化。在 应用振动检测的同时，还要适当结合油样分析技 术、温升及性能参数测定等方法进行综合检测，并 进行细致的分析，以便尽早发现故障，准确地判断 故障原因，采取切实可行的处理措施。 参 考文献 l N y b e r gM M o d e l B a s e dD i a g n o s i so fa nA u t o m o t i V eE n g i n eU s i n gS e v e 陋lT y p e so fF a u l lM o d e l s I E E ET r a n s a c t i o no nC o n t m lS y 8 t e m 8T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，1 0 ( 5 ) ：6 7 9 6 8 9 2 杨建国，张晓铭，王洪锋船用智能柴油机故障仿真研 究航海工程，2 0 0 8 ，3 7 ( 3 ) ：4 0 一4 5 。3L a m a r i sVT ，H o u n t a l a sDT AG e n e r a lP u r p o s eD i a g n o 争 t i cT e c h n i q u ef o rM a r i n eD i e s e lE n g i n e B - A p p l i c a t i o no n t h eM a i nP r o p u l s i o na n dA u x i l i a r yD i e s e lU n i t 8o faM a r i n eV e s s e l E n e r g yC 0 n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t ，2 0 0 9 ， 5 l ( 4 ) ：7 4 0 7 5 3 4K i m m i c hF S c h w a r t eA 。I s e 珊a n nR F a u l tD e t e c t i o nf o r M o d e mD i e s e lE n g i n e sU 8 i n gS i g n a la n dP r o c e 吕sM o d e l B a s e dM e t h o d s C o n t r o I E n g i n e e r i n gP r a c “c e ，2 0 0 5 ，1 3 ( 2 ) ：1 8 9 2 0 3 5L iY u j u n ，T s ePW ，Y a n gX i ne ta 1 E M D B a s e dF a u l t D i 8 9 n o s i sf o rA b n o 哪a lC l e a r a n c eB e t w e e nC o n t a c t i n g C o m p o n e n t 8i naD i e s e lE n g i n e M e c h a n i c a lS y s t e m sa n d S i g n a lP r o c e s s i n g ，2 0 1 0 ，2 4 ( 1 ) ：1 9 3 2 1 0 6 段礼祥油田关键往复机械智能诊断方法和技术研 究： 博士论文 北京：中国石油大学，2 0 0 5 7C u iH o u x i ，Z h a n gL a i b i n ，K a n gR o n g y ue ta 1 L a nR e s e a r c ho nF a u l tD i a g n o s i sf b rR e c i p r o c a “n gC o m p r e B s o r 万方数据 6 7 4化工机械2 0 1 0 年 V 8 l v eU s i n gI n f o 咖a t i o nE n t m p ya n dS V MM e t h o d J o u r n a lo fL 8P M v e n t i o ni nt l I eP r e 8 8I n d u s t r i e s 2 0 0 9 ，2 2 ( 6 ) ：8 “一8 6 7 8 L i a n gW e i ，Z h a n gL a i b i n ，W a n gZ h h u ie ta 1 U s i n g F u z z yM e t h o dt oE v a l u a t eS a f b t yC o n d i t i o no fB i gD i e s e l E n g i n e J o u m a lo fL 0 8 8P r e v e n t i o ni nt h eP r e s 8I n d u 8 _ t r i e 8 ，2 0 0 9 ，2 2 ( 6 ) ：9 2 8 9 3 3 9 舒服华运用粗糙集与小波神经网络诊断往复泵故 障石油机械，2 0 0 6 ，3 4 ( 4 ) ：3 8 4 l l O S t e i n k a m pC C o n d i t i o nM o n i t o r i n gf b rR e c i p r o c a t i n g C o m p 弛8 8 0 墙S “I t eo ft h eA n I n t e m a t i o n 8 lC o n f e 阳n c e o nC o m p M 8 8 0 r Ba n dT h e i rS y s t e m 8 L o n d o n ，2 0 0 7 4 3 l 一4 4 5 l lC a n e c aAR ，P i m e n t e IM F ，H a r m pR Ke t 丑1 A s s e s 8 - m e n to fI n f h 弛dS p e c t o p y 且n dM u l t i v a r i a t eT e c h - n i q u e Bf o rM o n “o r i gt h eS e r v i c eC o n d i t i o no fD i e 5 e lE n g i n eL u b r i c a t i n g0 i l s T a l a n t a ，2 0 0 6 ，7 0 ( 2 ) ：3 4 4 3 5 2 1 2 E L - G h 8 m r yMH ，R e u b e nRL ，S t e e lJA T h eD e v e l o p - m e n to fA u t o m a t e dP a t t e mR e c o g n i t i o na n dS t a t i 8 t i c a l F e a t u 弛1 8 0 l a t i o nT e c h n i q u e 8f o rt h eD i a g n o s i so fR e c i p r o c a t i n gM a c h i n e r yF a u l t sU 8 i n gA c o u s t i cE m i s s i o n M e c h a n i c a lS y 8 t e m sa n dS i g n a lP m c e 8 s i n g ，2 0 0 3 ，1 7 ( 4 ) ： 8 0 5 _ 8 2 3 1 3 马波，高金吉，江志农往复压缩机活塞杆断裂早期 预警技术的研究机械强度，2 0 0 8 ，3 0 ( 3 ) ：“5 4 4 9 1 4 彭恒义，轩建平，史铁林基于小波包分析的往复式 天然气压缩机故障诊断系统机床与液压，2 0 0 4 ( 7 ) ： 1 8 0 _ 1 8 2 1 5 K o n gF 蛐B e n ，C h e nR u h e n g AC o m b i n e dM e t h o df o r T r i p l e xP u m pF a u l tD i a g n o s i sB a 8 e do nW a v e l e tT m n s - f o 瑚F u z z yL o g i ca n dN e u m N e t w o r k s S y s t e m 8a n d S i g r I a lP m c e 8 s i n g ，2 0 0 4 ，1 8 ( 1 ) ：1 6 l 1 6 8 1 6 段礼祥基于小波包理论的往复泵故障特征提取研 究石油矿场机械，2 0 0 7 ，3 6 ( 1 ) ：l 一4 1 7 A 8 0 kK S e n ，L i t a kG ，T a c c a n iRe ta 1 W a v e l c tA n a l y s i 8 o fC y c l e t o - C y c l eP 托8 s u 陀V a r i a t i o n si na nI n t e m a l C o m b u 8 t i o nE n g i n e C h a o s ，S o l i t o n s F m c t a l 6 ，2 0 0 8 ，3 8 ( 3 ) ：8 8 6 8 9 3 1 8W uJ i a n d a ，L i uC h i u h o n g A nE x p e r tS y 8 t e mf b rF a u l t D i a g n o s i si nI n t e m a lC o m b u s t i 仰E n g i n e 8U 8 i n gW a v e l e t P a c k e tT m n s f o 珊a n dN e u r a IN e t w o r k E x p e nS y s t e m B w i t hA p p l i c a t i o n s ，2 0 0 9 ，3 6 ( 3 ) ：4 2 7 8 4 2 8 6 1 9S t a c h o w i a kGW P o d s i a d l oP C h a r a c t e r i z a l i o na n d C l 酗8 墒c a t i o no fW e 盯P a n i c l e B 蚰dS u r f a c e 8 W e a r 2 0 0 l ，2 4 9 ( 3 4 ) ：1 9 4 2 0 0 2 0 吕植勇磨粒检测数字化方法的研究： 博士论文 武汉：武汉理工大学，2 0 0 5 2 lR a 8 d n u iS W e a rP a r t i c l eA n a l y 8 i 8 一U t i l i z a t i o no fQ u 肌一 t i t 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8 n c e C h e n g d u ，2 0 0 6 4 1 7 4 2 2 3 l 黄欣娜基于故障诊断的虚拟仪器系统研究计算机 工程与应用，2 0 0 6 ，4 2 ( 3 5 ) ：1 8 4 一1 8 7 3 2 段礼祥，张来斌，王朝晖往复机械故障诊断的现代 方法及展望石油机械，2 0 0 4 ，3 2 ( 1 1 ) ：6 6 6 9 3 3 张天宏，左洪福发动机远程故障诊断若干关键技术 研究航空动力学报，2 0 0 3 ，1 8 ( 1 ) ：1 9 7 2 0 2 ( 收稿日期：2 0 1 0 0 3 _ 2 2 ，修回日期：2 0 l o J D 5 1 1 ) ( 下转第6 7 8 页) 万方数据 6 7 8化工机械 2 0 1 0 年 析天然气工业，2 0 0 l ，2 1 ( 2 ) ：9 4 9 6 l l 于畅，田贯三住宅管道燃气系统安全性事故树分 析山东建筑大学学报，2 0 0 9 ，2 4 ( 5 ) ：3 9 2 3 9 5 1 2 王心敏，任彦兵天然气管道穿孔和开裂典型事故树 分析评价石油化工应用，2 0 0 6 ，2 6 ( 5 ) ：3 5 3 8 1 3 于京春，解东来，马冬莲等城镇燃气管网风险评估 研究进展及建议煤气与热力，2 0 0 7 ，3 0 ( 1 2 ) ：3 8 4 2 1 4 王剑友燃气输配系统事故统计分析及对策煤气 与热力，2 0 0 l ，2 l ( 2 ) ：1 7 8 一1 7 9 1 5 姚安林论我国管道风险评价技术的发展战略，天然 气工业，1 9 9 9 。1 9 ( 4 ) ：6 6 6 9 1 6 姚安林，赵忠刚，李又绿等油气管道完整性管理技 术的发展趋势天然气工业，2 0 0 9 ，2 9 ( 8 ) ：9 7 一1 0 0 1 7 徐培德，刘明亮，董献洲基于P R A 方法的风险分析 系统设计武汉理工大学学报，2 0 0 3 ，2 5 ( 3 ) ：1 3 4 一 l 加 1 8 沈斐敏，伍良管道燃气火灾爆炸事故树分析( 续) 工业安全与环保，2 0 0 3 ，2 9 ( 2 ) ：3 7