減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的應(yīng)用

李云鵬，王躍輝(山東新華制藥股份有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

診斷專家系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備智能化檢修的重要發(fā)展趨勢，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的異常狀態(tài)，盡快找出異常原因，分析故障的影響程度，便于開展有針對、有計(jì)劃的檢修工作。傳統(tǒng)的減速機(jī)故障診斷對專家經(jīng)驗(yàn)依賴較大，在信息處理、反應(yīng)速度、精確程度等方面存在不足之處，所以，加強(qiáng)減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的研究是十分必要的。

1 機(jī)械設(shè)備故障診斷和診斷專家系統(tǒng)內(nèi)涵簡析

1.1 機(jī)械設(shè)備故障診斷

機(jī)械設(shè)備故障往往是從某種缺陷開始逐步擴(kuò)大而形成的，主要包括破壞性故障、性能故障等類型，使機(jī)械設(shè)備無法維持正常工作。故障診斷需要借助現(xiàn)代儀器和技術(shù)手段，收集機(jī)械設(shè)備的各種信息參數(shù)，分析故障的部位、類別、程度、性質(zhì)等基本情況，以此作為制定解決辦法的重要依據(jù)。故障診斷具有一定的復(fù)雜性，不能僅僅依賴某種方法就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，需要綜合運(yùn)用多種方法。根據(jù)方法難易程度，可以分為簡易診斷法和精密診斷法；根據(jù)診斷方式，可以分為離線診斷法和在線診斷法，每種診斷方法都有其適用范圍，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

1.2 診斷專家系統(tǒng)

診斷專家系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，依靠有關(guān)知識進(jìn)行邏輯推理，達(dá)到解決難題的目的。所以，必須掌握研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析查明故障原因。診斷專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、人機(jī)接口、知識學(xué)習(xí)、解釋程序。知識庫用來存放大量的書本知識、常識性知識、試驗(yàn)性知識等內(nèi)容，綜合數(shù)據(jù)庫是反映具體問題在當(dāng)前求解狀態(tài)下的符號或事實(shí)的集合，推理機(jī)能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，充分利用知識庫，采用合適的推理策略開展推理分析，人機(jī)接口能夠進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，用于用戶與系統(tǒng)之間的交流溝通，知識學(xué)習(xí)是專家系統(tǒng)自我完善的關(guān)鍵部分，能夠主動和被動的對知識庫進(jìn)行補(bǔ)充修改，解釋機(jī)制能夠?qū)唧w問題給出解釋，而且具有自我發(fā)現(xiàn)、糾正錯(cuò)誤的作用[1]。

2 減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

減速機(jī)主要由傳動軸、齒輪、箱體、滾動軸、電動機(jī)、聯(lián)軸器等零部件組成，也是故障分析的主要對象。零部件的磨損、變形、腐蝕、溫度變化等都屬于一次性故障，而且常常伴隨異常振動的情況，隨著時(shí)間的推移，可能會產(chǎn)生噪聲變大、龜裂、破損、性能降低等二次故障。導(dǎo)致減速機(jī)故障的原因有很多，常見的如：轉(zhuǎn)子不平衡、軸不對中、裂紋、摩擦、機(jī)械松動、軸承損傷、齒輪損傷、共振等，這些問題發(fā)生時(shí)，會產(chǎn)生一定特征的振動信號，所以，加強(qiáng)振動信號分析就可以找到故障規(guī)律。

2.1 振動信號分析技術(shù)

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一定的振動，如果發(fā)生故障，振動特征會出現(xiàn)明顯變化，所以，通過分析振動信號就可以有效檢測機(jī)械狀態(tài)，及時(shí)采取預(yù)防性措施，能夠有效降低故障損壞程度，做到及時(shí)止損。隨著理論研究的不斷深入以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)，通過分析相關(guān)振動指標(biāo)，就可以判斷故障產(chǎn)生的原因，常用的振動參數(shù)有振幅、頻率、相角、振動形式、振型，在進(jìn)行故障診斷分析時(shí)，應(yīng)該注意振動信號的發(fā)展變化，分析振動的頻率成分，研究振動的方向性和幅值的穩(wěn)定性，同時(shí)，加強(qiáng)對邊頻、波形變化、軸心軌跡、轉(zhuǎn)速的分析。振動信號分析技術(shù)是故障診斷的常用方法，對于故障診斷專家系統(tǒng)的有效應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)性作用，針對減速機(jī)典型故障，均可以通過分析振動信號特征查找原因。比如轉(zhuǎn)子不平衡的振動信號頻率成分明朗而單一，轉(zhuǎn)子的基頻等于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率，振動信號的原始時(shí)域波形為正弦波，剛性轉(zhuǎn)子的振動幅值和偏心距、偏心質(zhì)量呈現(xiàn)出一定比例的變化，轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動量在軸向和徑向上是不一樣的，軸向振動要小于徑向振動[2]。

2.2 診斷知識的表述

知識庫是診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)，而診斷效率與知識表示方式密切相關(guān)。減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)是以頻譜分析、轉(zhuǎn)子動力學(xué)為基礎(chǔ)建立知識庫的，分析減速機(jī)典型故障，總結(jié)各類故障振動信號特征，并且運(yùn)用模糊關(guān)系矩陣和產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行描述，將復(fù)雜的振動診斷知識存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫。模糊關(guān)系矩陣通過m行故障類型和n列特征值表示，每一種故障都可以表示成一組向量，在工作時(shí)，只要檢驗(yàn)樣本貼近模糊關(guān)系矩陣標(biāo)準(zhǔn)樣本，就可以初步判斷故障類型，產(chǎn)生式規(guī)則知識庫能夠體現(xiàn)故障類型和振動信號特征之間的因果關(guān)系，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的故障類型判斷。

2.3 診斷系統(tǒng)推理的實(shí)現(xiàn)

在減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)工作時(shí)，需要收集減速機(jī)振動信號，提取頻譜特征值，將檢測樣本與標(biāo)準(zhǔn)故障樣本進(jìn)行比較。通過二者之間的貼近程度，可以過濾掉一些可能性較小的故障原因，然后根據(jù)其他征兆事實(shí)，運(yùn)用產(chǎn)生式規(guī)則庫，對最終結(jié)論進(jìn)行確定。這樣經(jīng)過模糊識別和產(chǎn)生式規(guī)則的共同作用，便完成了診斷流程。模糊診斷理論有利于處理一些邊界不明的問題，比如：振動太大、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等，運(yùn)用模糊集合概念能夠更有效判斷具有模糊征兆的故障，通常以論域、隸屬函數(shù)、模糊集合來進(jìn)行描述，盡可能做出定量判斷。在進(jìn)行振動信號分析時(shí)，如果存在頻譜征兆之外的其他征兆事實(shí)，那么就會調(diào)用產(chǎn)生式規(guī)則庫，最終得出不精確推理結(jié)果。為了提高結(jié)果的可信度，需要對征兆匹配相應(yīng)的權(quán)值，采用加權(quán)模糊推理的方式，計(jì)算最終診斷結(jié)果的可信度。

2.4 基于灰色理論的設(shè)備趨勢預(yù)測

設(shè)備趨勢預(yù)測主要是根據(jù)設(shè)備在正常狀態(tài)下達(dá)到異常狀態(tài)的時(shí)間進(jìn)行判斷的，這主要利用了灰色理論中數(shù)列預(yù)測功能模塊。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行是相對復(fù)雜的過程，在各種內(nèi)外因素的干擾下，系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)很難全面反映真實(shí)情況，如果直接建模預(yù)測，那么會大大降低預(yù)測的準(zhǔn)確性，灰色預(yù)測則是在科學(xué)處理原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立灰色模型，進(jìn)而尋找系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)合理預(yù)測的目的。數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對樣本的要求較高，而且計(jì)算量較大，可能存在定性分析與量化結(jié)構(gòu)不符的問題，而灰色系統(tǒng)則可以避免這一問題，能夠從離散的、有限的、雜亂的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，設(shè)備狀態(tài)預(yù)測主要應(yīng)用了灰色系統(tǒng)預(yù)測中的數(shù)列預(yù)測，掌握系統(tǒng)變量的未來行為。

3 減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的運(yùn)行保障

3.1 軟硬件配置

減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的順利運(yùn)行需要良好的運(yùn)行環(huán)境作為支撐，必須滿足基礎(chǔ)的硬件要求，在軟件配置上，可以采用 Powerbuilder作為前端開發(fā)工具，采用Microsoft的SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，Powerbuilder具有操作簡單、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，擁有面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)和開放的數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)，而且Data window能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)據(jù)顯示方式，有利于快速開發(fā)和使用，SQL Server的功能也十分強(qiáng)大，對故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫管理十分便捷[3]。

3.2 總體結(jié)構(gòu)

減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)需要設(shè)置多個(gè)功能模塊，主要包括診斷任務(wù)管理、診斷信息獲取、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、診斷知識庫維護(hù)、故障診斷、趨勢預(yù)測、用戶管理等。診斷任務(wù)管理模塊能夠進(jìn)行故障檔案和診斷任務(wù)的創(chuàng)建及查詢，故障檔案詳細(xì)記錄了故障發(fā)生過程的各種數(shù)據(jù)，有利于掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，積累故障診斷經(jīng)驗(yàn)，從而持續(xù)提升診斷專家系統(tǒng)的綜合能力。診斷信息獲取模塊能夠收集診斷推理的相關(guān)信息，有些信息通過自動測試平臺就能夠獲取，有些信息則需要經(jīng)過分析論證后才能夠獲取，所以可以分為自動獲取和人機(jī)交互獲取兩種方式?；A(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊涵蓋了設(shè)備振動、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)、使用工況、診斷參數(shù)等諸多數(shù)據(jù)。診斷知識庫維護(hù)模塊主要為知識庫的建立和維護(hù)提供支持，主要包括模糊診斷關(guān)系矩陣和診斷規(guī)則庫，用戶可以通過該模塊更新維護(hù)知識庫。故障診斷模塊是故障診斷專家系統(tǒng)的核心，主要包括模糊模式識別診斷、不精確規(guī)則診斷、綜合診斷，通過分析振動信號特征，能夠?qū)崿F(xiàn)自動診斷的效果，最終出具診斷報(bào)告。趨勢預(yù)測模塊有利于開展故障診斷和設(shè)備監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)提前預(yù)防維修的目標(biāo)，可以通過振動趨勢圖表預(yù)測可能會產(chǎn)生的故障類型。用戶管理模塊可以設(shè)置用戶權(quán)限，讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。

3.3 工作流程

減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的工作流程如下：記錄日常檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)設(shè)備正常數(shù)據(jù)，更新振動標(biāo)準(zhǔn)。如果不存在異常數(shù)據(jù)，則可以根據(jù)某個(gè)時(shí)間段振動數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢預(yù)測，并采取針對性的維護(hù)措施；如果存在異常數(shù)據(jù)，則需要分析振動信號頻譜，輸入頻率特征向量，進(jìn)行模糊故障診斷。如果有其他信號特征，則補(bǔ)充其他信號特征，并進(jìn)行規(guī)則診斷；如果沒有其他信號特征，只需進(jìn)行模糊故障診斷，最后輸出診斷結(jié)果，檢查診斷結(jié)果是否與實(shí)際情況相符。如果不相符，則需要對模糊關(guān)系矩陣和診斷規(guī)則庫進(jìn)行修改，重復(fù)進(jìn)行模糊故障診斷和規(guī)則診斷，如果診斷結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況相符，那么建立診斷檔案，采取相應(yīng)技術(shù)措施[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文首先闡述了機(jī)械設(shè)備故障診斷和診斷專家系統(tǒng)的內(nèi)涵，然后分析了減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，最后研究了軟硬件配置、總體架構(gòu)、工作流程等方面的內(nèi)容。希望能夠起到積極的現(xiàn)實(shí)意義，充分認(rèn)識減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的運(yùn)行原理，利用科學(xué)手段，達(dá)到快速診斷、提前預(yù)測的目的，以保證減速機(jī)的運(yùn)行效率。