工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是一門了解和掌握設(shè)備運(yùn)行過程中的狀態(tài)，進(jìn)而確定其整體或局部是否正常，以便早期發(fā)現(xiàn)故障、查明原因，并掌握故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)，其目的是避免故障的發(fā)生，最大限度地提高工程機(jī)械的使用效率。其中狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指對(duì)機(jī)器的某些特征參數(shù)(如振動(dòng)、噪音和溫度等)進(jìn)行測(cè)取，將測(cè)定值與正常值進(jìn)行比較，從而判斷機(jī)器工作是否正常。故障診斷對(duì)機(jī)器發(fā)生故障的原因、部位及程度等作出判斷，從而確定維修方案。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是基礎(chǔ)，故障診斷是在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。工作過程如圖1所示。
 
    1.設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)現(xiàn)狀
 
    我國(guó)開展設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究始于80年代初。經(jīng)過二十年的發(fā)展，從理論到實(shí)踐都取得了較大的進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)檢測(cè)診斷技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
 
    1.1 傳感技術(shù)研究
 
    傳感技術(shù)是反映設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的儀表技術(shù)。國(guó)內(nèi)先后開發(fā)了各種類型的傳感器，象電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器等；最近開發(fā)的傳感技術(shù)有光
 
導(dǎo)纖維、激光、聲發(fā)射等。
 
    1.2 關(guān)于信號(hào)分析與處理技術(shù)的研究
 
    從傳統(tǒng)的譜分析、時(shí)序分析和時(shí)域分析，開始引入了一些先進(jìn)的信號(hào)分析手段，如短時(shí)傅立葉分析，Wigner譜分析和小波變換等。這類新方法的引入彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分析方法
 
的不足。
 
    1.3 關(guān)于人工智能和專家系統(tǒng)的研究
 
    這方面的研究已成為診斷技術(shù)的發(fā)展主流，目前已有“工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)”，但這一技術(shù)在工程方面的研究尚未達(dá)到人們所期望的水平。
 
    1.4 關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究
 
    比如旋轉(zhuǎn)機(jī)械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類系統(tǒng)等的研究已經(jīng)取得了應(yīng)用，取得了滿意的效果。
 
    1.5 關(guān)于診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究
 
    從單機(jī)巡檢與診斷到上下位機(jī)式的主從機(jī)結(jié)構(gòu)，直至以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，實(shí)時(shí)性越來越高。
 
    1.6 專門化與便攜式診斷儀器和設(shè)備的研制與開發(fā)。
 
    2. 幾種常規(guī)檢測(cè)診斷技術(shù)(方法)
 
    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的設(shè)備診斷儀器不斷出現(xiàn)，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷提供了方便。
 
    2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)
 
    工程機(jī)械狀態(tài)的振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷是應(yīng)用最普遍、最基本的診斷技術(shù)。它利用正常設(shè)備與故障設(shè)備振動(dòng)特性(位移、速度、加速度、聲響等)的差異來判斷故障，根據(jù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量、處理、分析及識(shí)別來判斷設(shè)備運(yùn)行是否存在問題，進(jìn)而判斷故障部位、原因以及故障惡化程度，最后對(duì)故障采取相應(yīng)的措施。一般說來，工程機(jī)械故障約有60%～70%是通過振動(dòng)和由振動(dòng)輻射出的噪聲反應(yīng)出來。振動(dòng)監(jiān)測(cè)用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸組件的平衡性能和滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪的沖擊和噪聲，具有方便、準(zhǔn)確、靈敏的特點(diǎn)，是比較有效的監(jiān)測(cè)手段。振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷一般包括以下幾個(gè)步驟：
 
    (1) 診斷對(duì)象要有全面了解。對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行必要的機(jī)理分析，如：機(jī)器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性(齒輪與軸承規(guī)格、特征頻率等)，機(jī)器的相關(guān)機(jī)件連接情況(如動(dòng)力源、基座等)；掌握機(jī)器的運(yùn)行條件(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等)及維修技術(shù)檔案(如故障、維修、潤(rùn)滑、改造等)；掌握異常振動(dòng)的形態(tài)和特性。
 
    (2) 對(duì)可能的異常振動(dòng)部位進(jìn)行檢測(cè)。包括設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)試工況，確定監(jiān)測(cè)參數(shù)(位移、速度、加速度)，辨別振動(dòng)方向等，通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的分析，來檢查機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)是否正常，以超過允許值的大小來確定故障的嚴(yán)重程度。經(jīng)過定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)，即可獲得機(jī)器狀態(tài)變化的規(guī)律，從而掌握故障可能的發(fā)展趨勢(shì)。
 
    (3) 故障診斷。對(duì)機(jī)器出現(xiàn)的部位、原因和嚴(yán)重程度進(jìn)行深入的分析，然后作出判斷。內(nèi)容包括：振動(dòng)波形識(shí)別、相關(guān)時(shí)差定位、包絡(luò)分析、頻響特性與相干分析、瞬時(shí)頻率變化與相位分析、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法診斷、診斷專家系統(tǒng)。
 
    完成上述三步后，即可針對(duì)故障采取相應(yīng)的措施。比如內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)不正常響聲，通過機(jī)理分析，大多為配合間隙增大或工作不正常引起的零件間撞擊聲。通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)異響部位表面振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的振動(dòng)特征進(jìn)行比較，從而分析出異響產(chǎn)生的部位，確定故障的嚴(yán)重程度。所用設(shè)備有振動(dòng)加速度傳感器或頻譜顯示儀等。
 
    2.2 油樣分析
 
    油樣分析監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過對(duì)機(jī)油中雜質(zhì)的種類、數(shù)量等的檢測(cè)，來判定機(jī)器中摩擦副的磨損程度。目前應(yīng)用較多的有光譜分析和鐵譜分析。光譜分析是利用元素的原子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷時(shí)要吸收或發(fā)射特點(diǎn)頻率光量子的特性，分析油樣中金屬磨粒的種類、數(shù)量和增長(zhǎng)率從而判斷配合副磨損程度和磨損趨勢(shì)；鐵譜分析是利用磁場(chǎng)將油中金屬磨粒分離出來，按序排列用以觀察和分析磨粒的種類、數(shù)量、尺寸分布和形貌，從而判斷配合副的磨損程度和磨損性質(zhì)。在上述兩種油樣分析技術(shù)中，光譜分析只能從磨損產(chǎn)物的數(shù)量中取得信息，鐵譜分析除了磨損產(chǎn)物數(shù)量之外，還可以通過磨粒形貌取得磨損性質(zhì)的信息，因而比光譜分析更加敏銳。目前，機(jī)油中金屬雜質(zhì)的檢測(cè)設(shè)備有發(fā)射光譜測(cè)定儀、原子吸收光譜測(cè)定儀、鐵譜儀等。通過對(duì)機(jī)油中金屬成份的檢測(cè)，與各金屬元素在機(jī)油中含量的允許界限比較，超出允許界限的，其可能來源的部件就需要更換或修理。
 
    2.3 機(jī)械性能測(cè)試技術(shù)
 
    應(yīng)用各種儀器測(cè)量機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能參數(shù)，從而判斷機(jī)械性能降低程度以及機(jī)械性能是否滿足使用要求。一般通過機(jī)械設(shè)備性能參數(shù)下降程度來決定它何時(shí)修理。
 
    (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)試
 
    發(fā)動(dòng)機(jī)是工程機(jī)械的心臟，其功率的大小直接關(guān)系到工程機(jī)械能否正常工作。當(dāng)一臺(tái)機(jī)械無力，人工診斷不準(zhǔn)是動(dòng)力不足，還是底盤性能不佳或液壓系統(tǒng)功率不足時(shí)，可以采用功率檢驗(yàn)設(shè)備測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在無外載情況下的功率，確定是否為動(dòng)力不足。目前，功率檢測(cè)設(shè)備有“無外載加速測(cè)試儀”。
 
    (2) 液壓系統(tǒng)功率測(cè)試
 
    液壓系統(tǒng)是工程機(jī)械的手臂，其功率大小關(guān)系到工程機(jī)械的工作效率，甚至正常工作。目前，檢測(cè)設(shè)備有動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過安裝在液壓系統(tǒng)中若干壓力傳感器，將系統(tǒng)工作時(shí)的壓力脈沖信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)叫盘?hào)采集系統(tǒng)中，將信號(hào)調(diào)制、放大、濾波、傳輸與診斷等，從而作出關(guān)鍵回路原件以及整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和性能描述，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)存貯、輸出過程。此項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)波形的診斷比較，可以較準(zhǔn)確地判別液壓系統(tǒng)中液壓泵吸空，溢流閥卡滯等故障，結(jié)合壓力表、流量計(jì)和輔助診斷可以判斷液壓泵輸出功率，液壓系統(tǒng)的泄漏等故障。
 
    (3) 工程機(jī)械底盤檢測(cè)、診斷
 
    常用的檢測(cè)儀器有光學(xué)測(cè)量?jī)x、五輪儀等。
 
    3.現(xiàn)代監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)
 
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展，在設(shè)備診斷工程領(lǐng)域中引進(jìn)了人工智能的理論和方法，形成診斷工程中的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)。
 
    3.1 計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)
 
該技術(shù)是在機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷過程中建立一種以計(jì)算機(jī)輔助診斷為基礎(chǔ)的多功能自動(dòng)化診斷系統(tǒng)，通過配備的自動(dòng)診斷軟件，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信號(hào)的采集、特征提取和狀態(tài)識(shí)別的自動(dòng)化。如果故障超過允許值，即發(fā)出警報(bào)指令，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成故障性質(zhì)、程度、類別、不為、原因及趨勢(shì)的診斷和預(yù)報(bào)，并能將大量的機(jī)械或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)資料貯存起來，工程技術(shù)人員可通過人機(jī)對(duì)話調(diào)出查閱，作出診斷決策。這種診斷方法特別適用于各類工程機(jī)械的在線監(jiān)測(cè)和自診斷。
 
   3.2 機(jī)械專家診斷系統(tǒng)
 
    該系統(tǒng)是一種具有人工智能的軟件系統(tǒng)，又稱知識(shí)庫咨詢系統(tǒng)。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。它不僅包括從信號(hào)監(jiān)測(cè)到狀態(tài)識(shí)別，而且包括從決策形成到干預(yù)的全過程。不但具有計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)的全部功能，而且將機(jī)械診斷專家的寶貴經(jīng)驗(yàn)、思想方法同當(dāng)代計(jì)算機(jī)巨大的存貯、運(yùn)算與分析能力結(jié)合起來，形成人工智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它事先將有關(guān)的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)分類，形成規(guī)則存入計(jì)算機(jī)構(gòu)成知識(shí)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)采集或人工輸入的原始數(shù)據(jù)，通過專家系統(tǒng)的推理機(jī)，模擬專家推理判斷思維過程來建立故障檔案，解決故障識(shí)別和診斷決策中的各種復(fù)雜問題，最后給出用戶正確的咨詢答案、處理對(duì)策和操作指導(dǎo)。其缺點(diǎn)是存在知識(shí)獲取的“瓶頸”問題。一方面專家知識(shí)有一定的局限性，另一方面專家知識(shí)表述有相當(dāng)大的難度。兩者造成診斷知識(shí)庫的不完備。
圖2 診斷專家系統(tǒng)框圖
 
    3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)
 
    模擬人腦結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種全新的、有前景的故障診斷方法。在知識(shí)獲取上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)不需要整理、總結(jié)消化專家的知識(shí)，避免了專家知識(shí)的表述難題，只需要領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q問題的實(shí)例或范例來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的知識(shí)獲取與專家系統(tǒng)相比，既具有更多的時(shí)間效率，又能保證更高的質(zhì)量。其缺點(diǎn)是未能充分利用專家積累起來的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，只利用了一些明確的故障診斷事例，而且沒有專家系統(tǒng)的邏輯思維能力，診斷推理過程不能解