空壓機(jī)故障診斷技術(shù)

賈 文，李玉虎，張耀明

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原 030000）

0 引言

國(guó)外對(duì)機(jī)械故障診斷技術(shù)研究的時(shí)間較早，美國(guó)航天局于1967 年建立了一個(gè)機(jī)械故障預(yù)防小組，以深入研究故障診斷技術(shù)[1]。隨后，英國(guó)也組建了一個(gè)機(jī)械研究維護(hù)中心用于研究機(jī)械故障診斷，20 世紀(jì)70 年代后期隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)和頻譜分析技術(shù)被應(yīng)用于機(jī)械故障診斷，標(biāo)志著該技術(shù)從理論向?qū)嶋H跨出了巨大的一步。

20 世紀(jì)80 年代中期，隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代故障診斷技術(shù)與微計(jì)算機(jī)控制融合技術(shù)逐漸成熟并成為主流[2]。各個(gè)國(guó)家隨后研究設(shè)計(jì)了多個(gè)不同故障診斷系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具有穩(wěn)定的工作性能以及完善的診斷功能，其中比較典型的有紫寶石故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)、DDM 系統(tǒng)和TDM 系統(tǒng)以及PSAD 故障診斷系統(tǒng)等。

我國(guó)在故障診斷技術(shù)方面研究的時(shí)間較晚，1979 年，我國(guó)首次對(duì)全體員工進(jìn)行機(jī)械設(shè)備檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)培養(yǎng)。1983 年，在中國(guó)南京首次舉辦了機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)交流會(huì)，以深入交流學(xué)習(xí)相關(guān)故障診斷技術(shù)。其中很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)參加了這次交流會(huì)，隨后故障診斷技術(shù)得到推廣，很多學(xué)者及研究人員參與研究，并獲得了大量的研究成果[3]。

空氣壓縮機(jī)故障診斷系統(tǒng)可用于對(duì)有故障的空氣壓縮機(jī)診斷和維護(hù)，能夠有效提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性，保證空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定工作，避免因故障造成安全事故，為企業(yè)降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益。使用故障診斷系統(tǒng)對(duì)空氣壓縮機(jī)故障進(jìn)行診斷分析是礦山重要機(jī)械設(shè)備總體發(fā)展先進(jìn)性的主要指標(biāo)?？諝鈮嚎s機(jī)故障診斷系統(tǒng)是世界高新技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，具有廣闊的理論研究和實(shí)際應(yīng)用前景。

1 構(gòu)建空氣壓縮機(jī)故障樹(shù)模型

設(shè)備故障與不同組件間故障的邏輯關(guān)系可通過(guò)模型樹(shù)進(jìn)行表述。其中故障樹(shù)是對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行細(xì)化分類，產(chǎn)生故障的原因可以有人為因素也可有外界因素[4]。從故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)中，可以直觀地看出不同故障原因之間的邏輯關(guān)系。與門(mén)和或門(mén)是最常見(jiàn)的邏輯門(mén)：與門(mén)是指當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入事件都發(fā)生時(shí)，輸出才能發(fā)生；或門(mén)是指當(dāng)輸入所有的事件中，至少有一個(gè)發(fā)生就能導(dǎo)致輸出發(fā)生。圖1 為一個(gè)簡(jiǎn)單的故障樹(shù)模型。使用故障樹(shù)分析錯(cuò)誤產(chǎn)生原因有以下5 個(gè)步驟：

圖1 簡(jiǎn)單故障樹(shù)模型

（1）選擇頂事件。將系統(tǒng)中最可能發(fā)生或產(chǎn)生故障最嚴(yán)重的作為頂事件。

（2）確定邊界條件。邊界條件可以對(duì)模型樹(shù)范圍進(jìn)行控制，通常包括不可能事件、不允許發(fā)生事件、無(wú)法可避免事件和不完整事件。

（3）創(chuàng)建故障樹(shù)。將頂事件確定為根，再逐步確定故障樹(shù)的主干和分支。

（4）定性分析。

（5）定量分析。

在本文中，選擇空壓機(jī)系統(tǒng)故障作為頂事件，自頂向下逆推理，逐步細(xì)化推理出可能導(dǎo)致故障發(fā)生的事件。根據(jù)推理過(guò)程可兩者間的邏輯關(guān)系可用或門(mén)連接。由此可得空氣壓縮機(jī)故障之間存在一種倒樹(shù)結(jié)構(gòu)[5-7]?？諌簷C(jī)故障樹(shù)的6 個(gè)次級(jí)節(jié)點(diǎn)分別為排氣溫度過(guò)高、排氣量過(guò)低、空壓機(jī)的振動(dòng)過(guò)大、軸承溫度過(guò)高、潤(rùn)滑油系統(tǒng)有故障以及冷卻水泵系統(tǒng)有故障（圖2）。

以次級(jí)節(jié)點(diǎn)作為初始根向下進(jìn)行逆推，得到各次級(jí)節(jié)點(diǎn)分支故障樹(shù)（圖3～圖8）。

圖2 空壓機(jī)系統(tǒng)故障樹(shù)結(jié)構(gòu)

圖3 空壓機(jī)潤(rùn)滑油故障邏輯圖

圖4 空壓機(jī)排氣溫度故障邏輯圖

圖5 空壓機(jī)排氣故障邏輯圖

2 空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)采用故障樹(shù)邏輯推理作為基礎(chǔ)，通過(guò)現(xiàn)有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)故障產(chǎn)生原因進(jìn)行分類細(xì)化，結(jié)合故障產(chǎn)生條件對(duì)故障推理過(guò)程進(jìn)行融合，保證再次推理時(shí)有足夠的準(zhǔn)確性、合理性。實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)與其故障樹(shù)深層次大范圍緊密融合。

空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖9 所示，由6 個(gè)部分組成：知識(shí)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)，人機(jī)界面，推理機(jī)，知識(shí)獲取和解釋機(jī)制。它同時(shí)也是一個(gè)智能集成系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、專家診斷、對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)以及多個(gè)子系統(tǒng)準(zhǔn)確定位。空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)的核心是建立故障知識(shí)庫(kù)并從根據(jù)系統(tǒng)診斷從故障知識(shí)庫(kù)中推理匹配合理的故障原因。通過(guò)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析處理實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)故障診斷，通過(guò)故障樹(shù)可對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)生原因進(jìn)行細(xì)化，再根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)故障原因以及故障程度的檢測(cè)，找到起故障產(chǎn)生的原因和故障發(fā)生位置，做出反饋便于人員準(zhǔn)確快速的維修，并對(duì)空壓機(jī)性能變化與故障變化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)做出預(yù)警，便于檢修人員提前對(duì)問(wèn)題進(jìn)行處理。

圖6 空壓機(jī)軸承溫度故障邏輯圖

圖7 空壓機(jī)振動(dòng)故障邏輯圖

圖8 空壓機(jī)冷卻水泵系統(tǒng)故障邏輯圖

圖9 空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

（1）知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)有關(guān)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)錯(cuò)誤，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則等的知識(shí)。設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地管理、使用和存儲(chǔ)有關(guān)故障系統(tǒng)的知識(shí)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)用于監(jiān)測(cè)工作中空壓機(jī)的工作狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)?？諝鈮嚎s機(jī)故障診斷系統(tǒng)和空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于訪問(wèn)、檢索和診斷空氣壓縮機(jī)數(shù)據(jù)。

（3）人機(jī)界面。所謂的人機(jī)界面是用戶界面，用戶可以通過(guò)該界面與系統(tǒng)進(jìn)行通信交互，通過(guò)輸入空壓機(jī)故障診斷命令經(jīng)過(guò)診斷系統(tǒng)分析匹配輸出故障診斷結(jié)果。

（4）推理引擎。推理引擎通過(guò)對(duì)故障邏輯推理進(jìn)行任務(wù)診斷，確定各種錯(cuò)誤原因或搜索計(jì)算機(jī)程序，以及調(diào)用壓縮機(jī)診斷任務(wù)相對(duì)應(yīng)知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)知識(shí)。用戶界面（人機(jī)界面）輸入故障檢測(cè)任務(wù)調(diào)用知識(shí)庫(kù)中相關(guān)知識(shí)，根據(jù)特定規(guī)則進(jìn)行精確匹配，推導(dǎo)出空氣壓縮機(jī)的故障原因和維護(hù)方法。通過(guò)解釋程序向用戶反饋診斷過(guò)程和結(jié)果。

（5）知識(shí)獲取機(jī)制。可以收集空壓機(jī)各類故障產(chǎn)生原因和維護(hù)信息，并根據(jù)自身信息將知識(shí)庫(kù)中不合理內(nèi)容進(jìn)行修改補(bǔ)充。

（6）解釋機(jī)制。解釋機(jī)制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解釋功能的程序模塊。解釋機(jī)制可以對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行分析，推理過(guò)程發(fā)現(xiàn)不合理的地方，由專家對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

3 空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

科學(xué)基礎(chǔ)是整個(gè)故障檢測(cè)系統(tǒng)的核心。所有系統(tǒng)操作都必須鏈接到知識(shí)庫(kù)。故障維修專家可以利用輸入的知識(shí)接口，它使用知識(shí)轉(zhuǎn)換程序[8]存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中，并且空氣壓縮機(jī)故障，故障診斷和維護(hù)的許多情況都存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中。解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)需要從知識(shí)庫(kù)中獲取相關(guān)知識(shí)。在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)需要從知識(shí)庫(kù)中獲取適當(dāng)?shù)闹R(shí)，并對(duì)錯(cuò)誤的原因和處理方法進(jìn)行適當(dāng)分析，這是空氣壓縮機(jī)故障診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的逐步創(chuàng)建，而該知識(shí)庫(kù)無(wú)法在瞬間實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，必須對(duì)其進(jìn)行多次修改和倍增，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能，并最終實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的診斷。診斷系統(tǒng)所需的錯(cuò)誤知識(shí)將在該知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理和獲取。

顯示知識(shí)庫(kù)的方法應(yīng)包括指示性方法、管理方法等。如果使用基于知識(shí)的池結(jié)構(gòu)指示性視圖等，則框架可以是獨(dú)立的錯(cuò)誤報(bào)告或排除樹(shù)上的相關(guān)模塊。框架類型可以分為直接框架和間接框架。直接幀類型通常設(shè)置為零，間接幀類型設(shè)置為1。直接框架類型是指不需要進(jìn)一步的評(píng)估和分析，就可以直接識(shí)別系統(tǒng)故障的原因，但可以直接得到錯(cuò)誤和處理的結(jié)果。系統(tǒng)的故障通常在日志的底部，而間接的框架錯(cuò)誤只能通過(guò)進(jìn)一步的推理和分析來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖10）。

空氣壓縮機(jī)故障診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)是建立在原理表示的基礎(chǔ)上的，現(xiàn)在已經(jīng)是眾所周知的表示。結(jié)論必須在條件的基礎(chǔ)上得出，這符合人們邏輯思維的日常習(xí)慣，表達(dá)比例清晰、易懂，原則的表述是模塊化的，適合于系統(tǒng)的改進(jìn)、修正、增刪[9]。

圖10 知識(shí)庫(kù)框架表示法的兩種結(jié)構(gòu)

4 空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)推理機(jī)設(shè)計(jì)

故障發(fā)動(dòng)機(jī)是壓縮機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響，因此，在設(shè)計(jì)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要研究解釋方法、方向和控制策略。

4.1 關(guān)閉點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法

解釋和診斷錯(cuò)誤的方法分為正確解釋和錯(cuò)誤解釋。正確解釋的結(jié)果被認(rèn)為是正確的。其他解釋方法在解釋條件下不能產(chǎn)生即時(shí)的解釋結(jié)果，因果關(guān)系并非不可避免。然而，在現(xiàn)實(shí)中，系統(tǒng)故障不確定性的征兆往往是錯(cuò)誤的，無(wú)法達(dá)到正確的邏輯精度和準(zhǔn)確性。描述規(guī)則如下：

其中，Xi表示征兆條件，Yj表示故障結(jié)論，CF（Xi|Yj）表示故障Yj在征兆條件Xi成立的前提下為真對(duì)應(yīng)可信度。

4.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的方向

在診斷中，有效的錯(cuò)誤檢測(cè)和策略控制系統(tǒng)是非常重要的3種方法，分別用于改進(jìn)錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)，提高結(jié)論的有效性和正確性。

程序檢測(cè)到系統(tǒng)錯(cuò)誤。首先，根據(jù)情況，把癥狀包含在實(shí)際的基礎(chǔ)上。如果在正確的基礎(chǔ)上滿足了條件，則立即做出決定；如果滿足條件的癥狀不是真實(shí)的，則系統(tǒng)將自動(dòng)匹配基本規(guī)則的癥狀，直至達(dá)到平衡。如果調(diào)整成功，輸出系統(tǒng)將無(wú)法工作。相反的結(jié)論是：先假設(shè)制度是錯(cuò)誤的，然后再尋找案件的證據(jù)。如果證據(jù)符合事實(shí)或規(guī)則，那么案件是有效的，結(jié)論也是有效的。問(wèn)題的結(jié)果是空的，如果錯(cuò)誤的情況不是真的，它將失敗。該系統(tǒng)采用了進(jìn)步與逆轉(zhuǎn)的混合推理，避免了進(jìn)步與逆轉(zhuǎn)推理的缺點(diǎn)，兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，保證了決策過(guò)程更貼近人們的思維方式（圖11）。

圖11 正反向混合推理結(jié)構(gòu)流程

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析空壓機(jī)主要故障診斷系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究。

（2）通過(guò)構(gòu)建空壓機(jī)故障樹(shù)，以故障樹(shù)作為整個(gè)診斷系統(tǒng)基礎(chǔ)，建立知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)為核心，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、專家診斷、故障預(yù)測(cè)功能，由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)、知識(shí)獲取機(jī)制和解釋機(jī)制6 個(gè)部分組成的智能集成化系統(tǒng)。

（3）知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)作為診斷系統(tǒng)核心部分，通過(guò)采用規(guī)則表示法構(gòu)建空壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，根據(jù)前提條件推出結(jié)論，表達(dá)條理清晰、通俗易懂，而且規(guī)則表示靈活性較強(qiáng)，便于系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行修改、添加和去除；同時(shí)，推理機(jī)作為診斷系統(tǒng)邏輯推理的核心，推理方法與控制策略在整個(gè)推理機(jī)系統(tǒng)中十分重要。采用可信度良好的正反混合推理方法，將發(fā)揮出正反推理的各自優(yōu)點(diǎn)，保證整個(gè)推理方案的合理、準(zhǔn)確性。