兗礦集團(tuán)山東百業(yè)設(shè)備租賃有限公司 王 可

機(jī)電系統(tǒng)故障診斷的理論與應(yīng)用研究

兗礦集團(tuán)山東百業(yè)設(shè)備租賃有限公司 王 可

故障檢測與診斷是一門相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)，該技術(shù)是隨設(shè)備管理和設(shè)備維修發(fā)展起來的，對(duì)生產(chǎn)的延續(xù)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響意義重大。因此，了解機(jī)電系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，研究信號(hào)處理方法在機(jī)電系統(tǒng)故障檢測診斷中的進(jìn)展、方法，對(duì)增強(qiáng)機(jī)電系統(tǒng)故障診斷水平，提升機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性具有十分重要的意義。

故障診斷；小波理論；機(jī)電系統(tǒng)

0 引言

故障檢測與診斷是一門相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)，該技術(shù)主要包括對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測以及發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象后對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析、診斷等方面的內(nèi)容。該技術(shù)是在設(shè)備管理和維修日益受到重視的過程中發(fā)展起來的，對(duì)生產(chǎn)的延續(xù)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響意義重大。因此，了解機(jī)電系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，研究信號(hào)處理方法在機(jī)電系統(tǒng)故障檢測診斷中的進(jìn)展、方法，對(duì)增強(qiáng)機(jī)電系統(tǒng)故障診斷水平，提升機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)電系統(tǒng)故障診斷核心問題研究

1.1 機(jī)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)分類

機(jī)電系統(tǒng)故障檢測診斷按照采用的方法和思想主要分成兩類，一類是建立被診斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、化工等有條件獲得機(jī)電系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)故障診斷中，通過建立機(jī)電控制系統(tǒng)包含故障特征的微分方程，采用參數(shù)或狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)和特征函數(shù)進(jìn)行預(yù)測、估計(jì)和判斷；另一類是以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的診斷分析技術(shù)。該技術(shù)以觀測數(shù)據(jù)與故障信息間存在必然聯(lián)系為基本出發(fā)點(diǎn)，通過信號(hào)處理技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從中提取和分析故障相關(guān)的特征量，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷，了解和把握系統(tǒng)故障的性質(zhì)、發(fā)生位置以及嚴(yán)重程度。以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的診斷分析技術(shù)由于回避了抽取機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)，所以適用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1.2 機(jī)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)核心問題研究

在機(jī)電系統(tǒng)故障檢測診斷中，最核心的問題是如何提取故障特征信息。故障特征信息提取的數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到故障診斷的準(zhǔn)確率和故障早期預(yù)報(bào)的可靠性。但在實(shí)際的研究過程中發(fā)現(xiàn)，通過傳感器輸出的故障特征信號(hào)往往較弱，而非故障信號(hào)的強(qiáng)度卻很強(qiáng)，在一定程度上阻礙了故障特征信號(hào)的表現(xiàn)，但這些故障特征信號(hào)是能夠直接反映系統(tǒng)故障，或是通過加工處理后得到新的模型參數(shù)來間接反應(yīng)系統(tǒng)的故障性質(zhì)、位置等信息。所以需要采用現(xiàn)代信號(hào)處理理論來分析和處理故障信號(hào)信息，來處理和解決機(jī)電系統(tǒng)故障特征信息提取這一關(guān)鍵性問題。雖然不同的機(jī)電系統(tǒng)的故障點(diǎn)、故障原理存在差別，但是故障特征的提取方法卻可以相同。例如頻譜分析方法就可以廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域的機(jī)電系統(tǒng)故障診斷中。應(yīng)用信號(hào)處理分析方法對(duì)故障特征信息進(jìn)行提取必須遵循：突出和放大故障特征信號(hào)，抑制和降低非故障特征信號(hào)強(qiáng)度的原則。

2 機(jī)電系統(tǒng)故障檢測與診斷常用方法研究

機(jī)電系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)經(jīng)過多年的實(shí)踐和理論研究，目前已有多種成熟的理論和方法，具體總結(jié)如下：

（1）頻譜分析法。因?yàn)槎鄶?shù)的機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)都具有周期性特征，所以頻譜分析方法成為目前最具操作性和特征分析方法。其中，功率譜分析是最常用的頻譜分析方法，傳統(tǒng)的帶通濾波器的模擬譜分析技術(shù)已經(jīng)被逐漸取代。尤其是需要提取或剔除與多個(gè)通道有關(guān)的特征時(shí)，這些方法的使用都能起到很好的效果。

（2）非高斯信號(hào)處理法。故障診斷分析中，一般會(huì)假定被分析信號(hào)服從高斯分布。但實(shí)際信號(hào)往往否定了假定。所以，在應(yīng)用中非高斯信號(hào)處理方法研究逐漸被重視并在逐步深入。分析非高斯信號(hào)的主要數(shù)學(xué)工具是高階統(tǒng)計(jì)量和相應(yīng)的高階譜。

（3）非線性信號(hào)處理方法。當(dāng)機(jī)電系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生某類故障呈現(xiàn)某些非線性特性時(shí)，基于非線性信號(hào)處理理論的特征提取方法就顯得很有必要，而混沌與分形動(dòng)力系統(tǒng)理論中的新方法恰恰可以解決這個(gè)問題。

（4）非穩(wěn)態(tài)信號(hào)處理方法。非穩(wěn)態(tài)信號(hào)按其普遍性主要可分為3類：諧和變頻信號(hào)、寬帶變譜信號(hào)、瞬態(tài)信號(hào)。目前，已有多種針對(duì)這三類不同形態(tài)的信號(hào)分析方法。

（5）診斷推理中的方法。診斷推理過程中采用的方法較多，主要分為5類：基于控制模型的故障診斷方法、基于模式識(shí)別的故障診斷方法、基于人工智能的故障診斷方法、基于模糊理論的故障診斷方法以及基于粗糙集理論的故障診斷方法。這五種方法隸屬于不同的學(xué)科體系，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的原理和模型分別采用其中的一種或幾種方法，提高診斷推理的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3 基于小波理論的故障診斷方法研究

3.1 小波理論的主要思想

小波變換的核心思想是用小波函數(shù)系去表示或逼近一個(gè)信號(hào)或函數(shù)，小波函數(shù)系是通過一個(gè)基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和伸縮構(gòu)成。小波函數(shù)的最顯著特點(diǎn)就是時(shí)寬與帶寬乘積很小，且在時(shí)間和頻率軸上都很集中。

3.2 小波理論在故障信號(hào)分析中的應(yīng)用

（1）利用小波變換檢測信號(hào)的突變。在故障診斷中，信號(hào)的突變點(diǎn)一般都包含重要的故障信息。小波變換具有自動(dòng)改變窗長的功能，利用小波變換將信號(hào)在空間和頻率上局部化，可以突出信號(hào)突變的特點(diǎn)，增強(qiáng)信號(hào)的局部奇異性。利用小波變換進(jìn)行故障信號(hào)奇異性檢測主要有2個(gè)方面的考慮，首先是通過小波變化檢測故障發(fā)生時(shí)間，其次是通過小波變換區(qū)分故障信號(hào)不同的突變類型。

（2）利用觀測信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行故障診斷。振動(dòng)系統(tǒng)的故障通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)觀測信號(hào)的頻率發(fā)生變化。離散正交小波變換和連續(xù)正交小波變換恰恰能夠描述信號(hào)頻譜隨時(shí)間變化的情況或信號(hào)在某時(shí)刻附近的頻率分布，在這種情況下不難檢測出系統(tǒng)故障。

（3）分析噪聲特征進(jìn)行故障診斷。電氣系統(tǒng)在發(fā)生故障前或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)往往表現(xiàn)為輸出噪聲增多的現(xiàn)象。這些增多的噪聲能夠在很大程度上反映故障發(fā)生的部位、環(huán)節(jié)甚至直接顯示出某一器件發(fā)生了故障，因此，利用小波變換對(duì)噪聲進(jìn)行特征提取和分析，是一項(xiàng)很有效的技術(shù)和方法。對(duì)于多個(gè)部件或是環(huán)節(jié)的并發(fā)故障，其噪聲或呈現(xiàn)不同的時(shí)頻特性，通過小波函數(shù)，可以對(duì)不同頻率進(jìn)行信號(hào)頻帶通道分離，這樣就可以將多個(gè)故障信息分離并一一識(shí)別和檢測出來。

（4）瞬態(tài)信號(hào)檢測。瞬態(tài)信號(hào)本質(zhì)上是強(qiáng)時(shí)變的短時(shí)段信號(hào)，針對(duì)這類信號(hào)處理的原則是獲取樣本信號(hào)與實(shí)際相符的瞬態(tài)頻譜。而小波變化通過多重分辨率刻畫信號(hào)局部特性的能力，正好可以用于提取和分析出正常信號(hào)中的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象，并通過局部放大等手段展現(xiàn)信號(hào)的成分和組成。

4 結(jié)論

機(jī)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。特別是對(duì)大型的機(jī)電系統(tǒng)的故障診斷，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全有序運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本文通過對(duì)機(jī)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)核心技術(shù)、常用方法以及基于小波理論的故障診斷方法研究，對(duì)指導(dǎo)機(jī)電系統(tǒng)故障的診斷和維護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

［1］武和雷.集成智能故障診斷策略及其應(yīng)用研究［D］.浙江大學(xué)，2003.

［2］林京.基于連續(xù)小波變換的信號(hào)檢測技術(shù)與故障診斷.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（12）：95－100.

［3］沈標(biāo)正編著.電機(jī)故障診斷技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［4］張中民等.基于小波系數(shù)包絡(luò)譜的滾動(dòng)軸承故障診斷.振動(dòng)工程學(xué)報(bào).1998，11（1）：65－69.

2012－03－15）