旋转机械系统故障诊断方法综述

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ
ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｓｕｃｈ
ａｓ
ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ
ａｎｄ
ｆｕｚｚｙ
ｔｈｅｏｒｙ，ｅｘｐｅｒｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｆａｕｌｔ
ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｏｖｅｒｖｉｅｗ
故障诊断技术自２０世纪７０年代开展以来，已历经了一个从简单信号测量到人工智能，再到人机协 作的发展过程，快速发展的故障诊断技术已在工程应用中发挥了重要作用．传统故障诊断技术对于比较 简单的设备和单一故障，常能发挥其独特作用，但是对于大型复杂设备的多故障交互工况环境，却显得 力不从心，而采用智能故障诊断理论或方法则是一种合理而有效的选择．为了有利于故障诊断方法的选 择，本文对传统和智能故障诊断中的主要方法予以分析和归纳．
及可能发生的原因Ｈ。】；美国的ＢＥＮＴＬＹ ＮＥＶＡＤＡ公司也曾对转子一轴承系统典型故障做过大量实验
研究№】，积累了许多宝贵的现场故障处理经验．但由于某些疑难故障的机理和特征行为还不十分清楚，
且多数故障的动力学方程表现出ｊ暑线性特性和数学模型的简化与假设不同，因此，所得的解差别很大， 很难适用所有的情况．
２．Ｍｅｃｈａｒｄｃａｌ
Ｃｏｌｌｅｇｅ。Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｉａｎｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：０ｎ
ｔｈｅ
ｂａｓｉｓ
ｏｆ
ｔｈｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ
ｔｈｅ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｏｆ
ｆａｉｌｕｒｅ
ａｂｏｕｔ
ｒｏｔａｔｉｎｇ
ａｒｅ
ｆａｕｌｔ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ。２００２，ｌｏ（５）．．４９３－５０９．
ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ
ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ
Ｏｉｌ
Ｎｅｕｒａｌ
Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，
ＩｎｔｅＩｌｉｇｅｎｃｅ。１９９７，７（１）：５７—５８．
【６】ＪＯＵＬ Ｄ，ＷＡＮＧ Ｙ．Ｗａｖｅｌｅｔ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＳＰ Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９７（１）：１２３—１４３． 【７１ ＢＡＮＧＵＲＡ Ｊ，ＤＥＭＥＲＤＡＳＨ
果¨８１；定性的或是语言化的信息不仅无法在神经网络中直接使用或嵌入，而且难以用训练好的神经网络 的输入输出映射关系来解释实际意义的故障诊断规则．
２．２．４基于信息融合的方法
基于信息融合的故障综合诊断也是当前故障诊断技术发展中一个重要方面，已引起国内外学者的
高度重视¨８＿１ ９１．Ｒａｎｇｗａｌａｔ２０ｌ等运用人工神经网络方法研究了智能工具状态监测问题，赵方口¨运用多技 术信息融合研究了油液分析中的特征描述与监测问题，梁建成【２２１研究了神经网络与模式识别，在传感器 融合技术的理论方法及其在铣刀磨损定量监测和破损中的应用，邱静【２３＿２４１研究了柔性加工系统多传感 器与方法的模糊融合监测模型与方法．
参考文献：
【ｌ】郝丽娜，徐心和．粗集神经网络系统在故障诊断中的应用［Ｊ】．控制理论与应用，２００１，１８（５）：６８２—６８６． 【２】曾黄麟．粗集理论及其应用【Ｍ１．重庆：重庆大学出版社，１９９６． 【３】韩崇昭，朱洪艳，段战胜．多源信息融合［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００６． 【４】ＨＳＵ Ｃ，ＬＩＮ Ｃ．Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ－ｃｌａｓｓ ２００２，１３（２）：４１５－４２５． 【５】ＦＥＲＥＴ Ｍ，ＧＬＡＳＧＯＷ Ｊ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｃａｓｅ・ｂａｓｅｄ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ－ｂａｓｅｄ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｅｖｉｃｅ｛Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｓｙｓｔｅｍｓ，ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ｔｏ ｂｅ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，
ｐａｐｅｒ
ｐｕｔｓ
ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｉｓｓｕｅｓ
ｓｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｆａｕｌｔ
ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ
１
机电设备故障机理的研究
机电设备故障机理的研究是一项十分重要且研究较困难的基础性课题，其目的是了解机械故障的
形成和发展过程，掌握故障的内在本质及特征，通过建立恰当的物理或数学模型，求出模型的解析解或
近似解，从中总结出一般性的规律．国内外学者已对转子一轴承系统、齿轮、机床等设备的典型故障的机
理进行了大量的理论和实验研究¨－３Ｊ，国外的研究用清晰而又简洁的表格形式描述了典型机械故障症状
收稿日期：２０１０－－＇０４—０１ｌ修回日期：２０１０－０４—２３ 基金项目：黑龙江省自然科学基金资助喷目（Ｅ２００９３８）；黑龙江省教育厅科技研究项目（１１５５１３９６） 作者简介：刘亚娟（１９６４－），女，黑龙江克山人，副教授，主要从事机械传动设计和故障诊断方法研究
万方数据
２０１０年第２期
刘亚娟，等：旋转机械系统故障诊断方法综述
ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ
Ｎ．Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ
ｂｒｏｋｅｎ ｂａｒｓ ａｎｄ
ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｓｑｕｉｒｒｅｌ－ｃａｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ】．ＩＥＥＥ
ｂｙ
ａ
ｔｉｍｅ－ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｄ ｆｉｎｉｔｅ
３总结与展望
尽管国内外在旋转机械故障诊断领域进行了大量的研究，但是仍然有许多问题需要解决，其中主要 有：①将基于结构和行为的模型应用于大型电路时会出现一些问题，尤其在复杂行为器件的描述方法 上仍然是个问题；②结构／行为模型使用的是准确模型，当改变模型的结构时，模型也就不再完整，如何 改进这一问题；③模型的问题在于如何使复杂性和完整性相统一；④面对新产品，通用案例的收集是 否可行；⑤对诊断信息的收集越来越困难． 故障诊断技术是一门综合性学科，在基础学科的发展基础上，与当代前沿科学相互融合、取长补短 是故障诊断技术的发展方向．将遗传算法、模糊推理、神经网络和专家系统等人工智能领域中的各种方 法加以综合利用，有利于克服故障判断中的非此即彼的绝对性，使推理过程与客观实际更加相符，同时 也克服了传统的故障诊断专家系统中所存在的知识获取“瓶颈”问题，知识“窄台阶”问题及容易出现的 “匹配冲突”、“组合爆炸”及“无穷递归”等问题．将人工智能领域中的各种方法有机结合，可以大大提高 故障诊断的水平和效率．因此，基于知识的智能故障诊断技术是故障诊断领域中最为引人注目，且最有 发展前途的方向之一，是今后故障诊断领域中的研究热点．
摘
要：在分析旋转机械系统故障产生机理的基础上，归纳和概括了传统故障诊断方法以及模糊
理论、专家系统、神经网络和信息融合等智能故障诊断方法，提出了目前需要解决的问题及研究
方向．
关键词：旋转机械；故障诊断；综述 中图分类号：ＴＰ２０６．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—５４７５（２０１０）０２—０００６—０３
第２１卷第２期 ２０１０年６月
苏州市职业大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖ０１．２１．Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．，２０１０
旋转机械系统故障诊断方法综述
刘亚娟１，王致杰２
（１．黑龙江工程学院机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０；２．上海电机学院机械学院，上海２２０２４５）
万方数据
苏州市职业大学学报
第２ｌ卷
２．２．５综合诊断与容错的诊断方法 故障综合诊断是对疑难故障进行诊断和处理的有效方法，是故障诊断领域的一个新的发展方向．到 目前为止，故障的综合诊断与处理问题远没有形成一个体系完整、技术方法有效、外延和内涵明确的专 门的研究领域．综合诊断在工业上，尤其是在矿井提升机等大型机械故障诊断中的应用是现实的，有广 阔的前景． 容错控制是指当控制系统中某些部件（如传感器失效，执行器损坏）发生故障后，系统仍能保证稳 定．目前的设计方法主要有硬件冗余和软件冗余方法．硬件冗余方法是通过对主要部件以及容易发生故 障的部件甚至整个控制器设置备份，以达到提高系统的容错性能的目的．它包括静态的“硬件冗余”和动 态的“硬件冗余”，该技术已经成为提高工程可靠性技术的一种基本方法．容错控制发展至今只有２０多年 的历史，是一门新兴交叉学科，它与鲁棒控制、故障检测与诊断、自适应控制、智能控制等有密切的联系． 综上所述，目前的故障诊断方法多是依据特定的故障特征信息类型，对于大型设备的这类复杂系 统，单靠某种理论或某种方法很难实现在复杂环境下准确、及时地对设备进行故障诊断．因此，使用新的 方法对多种诊断技术的机理进行有效的综合或集成，是一种研究复杂系统故障问题的有效途径．
能有效地增强故障特征的识别性能，该方面的研究主要使用小波分析的方法【ｌ们．
传统诊断方法多是基于单参数、单特征的，而面对日趋复杂的设备或多重故障的情况，会导致不准 确甚至错误的诊断结果．当用其他单参数方法，如振动和温度等情况时，也存在同样的问题，所以单参数 的诊断方法存在固有的局限性【１１１． ２．２智能诊断方法 ２．２．１基于模糊理论和可能性理论的方法 目前用于智能故障诊断的模糊技术主要有两种【１ ２１，一种是基于模糊关系及逻辑运算的诊断方法，另 一种是基于模糊理论的知识处理诊断方法． 可能性理论是Ｚａｄｅｈ在其模糊集理论的基础上提出的另一种不确定性推理的方法¨３１，文献［１４】针对 柴油机的磨损故障，建立了能够处理润滑油光谱分析数据的可能性线性模型，进而利用模糊线性规划 方法对磨损状态进行识别，得到了比以往方法较好的效果．文献［１５】将可能性理论应用于模糊专家系统 中，用可能性分布来表示不确定和模糊知识，使得在智能系统中进行模糊推理时，得到比概率方法更好 的结果． ２．２．２专家系统的方法 基于专家系统的诊断方法具有诊断过程简单和快速等优点，该方法主要应用的是反演推理，因而不 是一种能确保唯一性的推理方法．它存在着如何有效获取知识的瓶颈，并且只能利用专家提供的“规则” 形式的信息进行故障诊断，通常仅能诊断单个故障，难以诊断多重故障【ｌ
Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ
Ｍｅｔｈｏwk.baidu.comｓ
ｆｏｒ Ｒｏｔａｔｉｎｇ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ＬＩＵ
Ｙａ－ｊｕａｎｌ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｊｉｅ２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００５０，Ｃｈｉｎａ
６１．
在许多专家系统的知识库中，大都采用产生式系统这种典型结构．但是，产生式系统也存在不足，如
计算机在执行规则时会形成死循环，即由数个规则的前提和结论形成一个循环链，最后由末尾规则的结
果子旬推出起始规则的前提部分．近年来出现的条件事件代数在确保规则概率与条件概率相容的情况 下，克服了传统谓词逻辑在推理过程中的局限性¨７１． ２．２．３神经网络的方法 神经网络用于设备故障诊断是近几十年迅速发展起来的一个新的研究领域．其不足之处是问题的 解决要依赖于神经网络结构的选择，而训练过度或不足、较慢的收敛速度等原因都可能影响诊断的效
ｅｌｅｍｅｎｔ－ｓｔａｔｅ ｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｅｎｅｒｇｙ
ＥＣ，１９９９，１４（４）：１１６卜１１７６．
ｔｏ
【８】ＣＯＭＢＡＳＴＥＬ
Ｃ，ＬＥｓＥｃＱ Ｓ，ＰＥＴＲＯＰＯＬ Ｓ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌ—ｂａｓｅｄ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｔ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ
ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｏｎ－ｌｉｎｅ
２诊断方法
２．１传统诊断方法 用于旋转机械系统故障诊断的传统方法常是以信号处理为基础的，其中的频域方法是利用频谱中
微弱的特征信号来定位和识别故障．频域方法的研究目前已日趋成熟，并已成为实际诊断系统的主要方
法之一ｉ７１．具有代表性的时域方法是基于数学模型的诊断方法¨ｑ１，这种方法与频域方法相比有较小的 计算负荷．若时域方法与频域中时间的尺度变换相结合，就能在特定的时间窗下提高频率分辨率，从而