故障診斷參數(shù)獲取的可視化建模系統(tǒng)

摘 要： 給出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷參數(shù)，并采用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ê途幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備的建模工具，該工具為獲得這些診斷參數(shù)提供了合理有效的途徑。

關(guān)鍵詞： 故障診斷　建?！∶嫦?qū)ο蟆∧：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)

機(jī)械設(shè)備故障診斷方法可選用的特征信號有多種，如振動、噪聲、力、扭矩、壓力、溫度、功率、電、磁、光、超聲波等信號。按照所選用的狀態(tài)信號，設(shè)備的診斷除了常用的振動診斷，還有超聲診斷、聲發(fā)射診斷、油光譜分析診斷、紅外監(jiān)測診斷等方法。這些方法對不同的機(jī)械設(shè)備有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，有個合理選用的問題，本文則主要針對振動診斷法。當(dāng)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部發(fā)生異常時，一般都會隨之出現(xiàn)振動加大和性能變化。該方法診斷信息獲取方便、信息量豐富，設(shè)備內(nèi)大部分部件的狀況在其中均有反映，適宜于發(fā)展成為在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。具體實(shí)施方法很多，其中基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷就是一種有效的診斷策略，而網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)則是診斷的關(guān)鍵信息。有了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸入節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，經(jīng)過推理可非常簡便地在輸出節(jié)點(diǎn)中獲得故障的可信度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的模糊規(guī)則很容易地構(gòu)造各故障的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但在實(shí)際中如何合理而有效地定義和獲取網(wǎng)絡(luò)的輸入診斷參數(shù)，則是一個復(fù)雜的問題。本文就此討論了這些診斷參數(shù)的定義，并采用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ê途幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了簡便獲取這些參數(shù)信息的建模工具。

１ 特征量的定義

振動診斷中的重要因素是故障特征量的提取，它反映故障的部位，故障的嚴(yán)重程度，是故障診斷的基礎(chǔ)。由故障機(jī)理分析可知，如某一故障產(chǎn)生，則它的故障特征頻率基頻和諧頻點(diǎn)能量會不同程度地有較大增加，且不同特征頻率處的譜值變化對故障影響的程度不同。因?yàn)槭鼙O(jiān)測裝置、轉(zhuǎn)速等條件的影響，盡量不要以絕對值作為異常診斷的依據(jù)，而要與初始值或正常值做比較，用比值作為監(jiān)測參數(shù)來進(jìn)行診斷。為此診斷的監(jiān)測參數(shù)定義為：

為相對于的待檢狀態(tài)故障譜值，的正常狀態(tài)功率譜值。

因?yàn)槟骋槐O(jiān)測量只能反映某一方面的故障信息，具有一定的局限性，所以實(shí)際中僅靠一個參數(shù)作為判斷依據(jù)是不夠的，應(yīng)綜合多種參數(shù)，并給不同參數(shù)以不同的權(quán)，這樣才合理，可靠。

２ 診斷網(wǎng)絡(luò)的輸入

有了特征量后，就可將其經(jīng)過一定的處理后送入網(wǎng)絡(luò)診斷?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理是解決診斷中的不確定性的一個有效的方法，其輸入是故障征兆的監(jiān)測量，即不同的FS值，由于FS并不一定在[0,1]之間，所以首先應(yīng)確定FS的上界和下界，將實(shí)際的監(jiān)測量FS通過其上、下界歸一化處理成[0,1]區(qū)間上的值。歸一化后的輸入值再通過網(wǎng)絡(luò)的前向推理得到輸出節(jié)點(diǎn)輸出故障發(fā)生的可信度，該可信度也取值于[0,1]之間。

根據(jù)故障機(jī)理和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出故障類型和特征參數(shù)的關(guān)系，得出故障集和征兆集的模糊規(guī)則，然后根據(jù)模糊規(guī)則來建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如軸類故障有：軸不平衡、軸線不對中、軸產(chǎn)生裂紋三種，分別對應(yīng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為shaft1.net、shaft2.net、shaft3.net三個網(wǎng)絡(luò)，shaft1.net和shaft2.net網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的輸入為一階、二階軸頻處的相對幅值比，shaft3.net網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的輸入為一階、二階、三階軸頻處的相對幅值比。表１為基本零部件的故障名、對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)名及網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)。因篇幅關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在此不一一畫出。

的頻率計算及各頻率處的相對幅值比在診斷過程中是非常重要的，它反映了故障的信息，是故障診斷中必不可少的參數(shù)。但在實(shí)際中機(jī)械設(shè)備構(gòu)造的不同使這些參數(shù)的求解成為一個復(fù)雜的問題。因此，為了可靠地診斷設(shè)備故障，需掌握設(shè)備的構(gòu)造特點(diǎn)，根據(jù)其機(jī)械傳動關(guān)系建立設(shè)備診斷模型，并根據(jù)此模型方便有效地計算故障診斷參數(shù)，以便能在診斷中根據(jù)這些信息就此對象模型得到正確的診斷結(jié)論。為此需提供一個建立診斷對象的建模工具。

３ 建模系統(tǒng)

3.1診斷過程

首先根據(jù)以上的思想其診斷過程如下：由機(jī)械傳動關(guān)系建立診斷對象模型，輸入主軸轉(zhuǎn)速（rpm），系統(tǒng)自動計算出每一個零部件的故障特征頻率。并且根據(jù)頻譜圖尋找譜圖中峰值點(diǎn)對應(yīng)的特征頻率，計算與正常譜圖的相對幅值比，找到具有此特征頻率值的零件。查看是否滿足相應(yīng)診斷網(wǎng)絡(luò)所需的要求，如果滿足，則調(diào)用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷推理，最后得到不同故障類型的嚴(yán)重程度。過程如圖１所示，其中虛線所示為本節(jié)主要討論部分。

3.2 建模工具

設(shè)計建模工具采用了面向?qū)ο蟮姆治龇椒?，具有柔性、開放性、靈活性等特點(diǎn)。機(jī)械設(shè)備一般由軸、軸承、齒輪等零部件有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了各種傳動鏈。我們可以把這些軸、軸承、齒輪等零部件與面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的對象結(jié)合起來，把各種零部件抽象成不同的對象類，形成各種零部件類。各個零部件有相對的獨(dú)立性，它們之間互不干擾。不同零部件之間的聯(lián)系通過消息間相互傳遞進(jìn)行，并且對象的具體處理方法由各個零部件類自己來完成，而發(fā)送消息給它的零部件類并不需要知道它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過程，有利于系統(tǒng)的維護(hù)。零部件類的屬性和功能的修改或增加并不影響到其它類。所以設(shè)備對象的建模系統(tǒng)適合采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。零部件的類與面向?qū)ο蟮膶ο箢悓?yīng)起來，零部件的狀態(tài)與對象的屬性相對應(yīng)，操作零部件的動作與對象的方法相對應(yīng)。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了面向?qū)ο蟮恼Z言Boraland C++5.0，利用其OWL(Object Windows Library)編程思想。

該系統(tǒng)提供了軸、軸承、齒輪、剪切等編輯工具，可根據(jù)實(shí)際的傳動關(guān)系畫出設(shè)備的機(jī)械構(gòu)造示意圖，并通過友好的人機(jī)接口賦予各對象一定的必要信息，如軸承滾動體的個數(shù)、接觸角、節(jié)徑、直徑、所在軸的編號等；齒輪的齒數(shù)、編號、所在軸編號、嚙合齒輪編號等；軸的編號等。模型被初始化即模型中的某根軸被賦予一定的轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)則根據(jù)對象間的消息傳遞自動搜索其傳動鏈上的傳動關(guān)系并根據(jù)（3）～（7）公式自動計算各零部件的特征頻率，同時把這些搜索出的信息與計算出的特征頻率值保存在各零部件對象中。用戶可通過屬性對話框來查詢搜索后的結(jié)果。這樣大大節(jié)省了工程技術(shù)人員的計算任務(wù)。同時它還提供了和其它數(shù)據(jù)庫的接口，如與信號分析數(shù)據(jù)庫連接后，可根據(jù)故障信號譜值和正常信號譜值比計算FS并實(shí)時顯示此模型設(shè)備各部件的故障診斷參數(shù)，包括特征頻率值、特征頻率處的故障信號譜值與正常信號譜值、相對幅值比、歸一化值等；和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫相連后，將顯示各零部件診斷時所調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)信息及網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)。獲得網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)（或故障診斷參數(shù)）的過程如圖２所示。

４ 建模實(shí)例

選擇六安汽車齒輪箱總廠的產(chǎn)品LC5T81變速箱，輸入轉(zhuǎn)速為n=1600±16rpm，負(fù)載為M=255±2.55N/M，檔位有四檔，分別對應(yīng)著不同的齒輪嚙合。其中四檔為變速箱的直接檔，它的齒輪總是嚙合的，I軸為輸入軸，III軸為輸出軸。其簡單的機(jī)械傳動示意圖如圖３（a），選取第三檔的齒輪作為研究對象，其傳動齒輪的傳動示意圖如圖 ３（b），根據(jù)圖３（b）所建立的診斷對象的傳動模型如圖 ３（c）所示。

分別打開軸、軸承、齒輪對象的參數(shù)屬性對話框，輸入計算特征頻率參數(shù)時所用的屬性如齒輪的齒數(shù)、軸承的滾動體個數(shù)、滾動體直徑、滾動體節(jié)徑和滾動體接觸角等參數(shù)，便于系統(tǒng)初始化后能根據(jù)傳動關(guān)系計算各零部件的特征頻率。對圖３（a）的Ｉ軸初始化，并調(diào)用從第三檔齒輪所測得的正常信號、故障信號的譜值數(shù)據(jù)庫。從而得到各零部件的故障診斷參數(shù)。例如，圖 ４（ａ）為第三檔上齒數(shù)為２７的齒輪的診斷參數(shù)，圖 ４（ｂ）為Ｉ軸上的軸承診斷參數(shù)。歸一化后的值送入相對應(yīng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則完成故障的診斷推理。

本文總結(jié)了各零部件對應(yīng)故障的診斷參數(shù)，它們是網(wǎng)絡(luò)推理診斷的輸入?yún)?shù)，是關(guān)鍵的診斷信息。為了方便有效地尋找出這些信息，研究并開發(fā)了機(jī)械設(shè)備的建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了一組界面友好、功能齊全的開發(fā)工具，使用戶擁有良好的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，并有良好的開放性和擴(kuò)展性。

實(shí)際中，根據(jù)設(shè)備的傳動關(guān)系可通過此視圖工具對設(shè)備建模，當(dāng)對此傳動鏈上的任意一根軸賦予一定的轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)會自動計算出該軸的工作頻率，同時發(fā)送消息給傳動鏈上的其它相關(guān)對象，當(dāng)這些對象接收到消息后，則根據(jù)一定的傳動關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而得到零部件對象的工作頻率。響應(yīng)迅速、可靠，減輕了工作人員的計算任務(wù)。調(diào)用信號分析數(shù)據(jù)庫所獲得的故障診斷參數(shù)在診斷中是不可缺少的參數(shù)信息，根據(jù)這些信息可從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫中調(diào)用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷。系統(tǒng)在故障診斷的運(yùn)用中取得了良好的效果。