机械产品故障诊断

摘要在简要介绍故障诊断理论的基础上，着重评述了当前最具应用性的基于知识的故障诊断方法，将其分为5大类，即：专家系统故障诊断方法；模糊故障诊断方法；故障树故障诊断方法；神经网络故障诊断方法和数据融合故障诊断方法。并以此为基础，对现有的机械产品（汽车）故障诊断方法进行了小结。再以汽车玻璃升降器常见故障诊断为案例来深化体会。关键词：故障诊断；方法；集成化；汽车玻璃升降器21．故障诊断理论简述目前，故障诊断已成为一个十分活跃的研究领域。所谓故障，广义的讲，可以理解为任何系统的异常现象，使系统表现出所不期望的特性。故障诊断技术主要包含三方面的内容：故障检测、故障隔离、故障辨识。所谓故障检测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻；故障隔离就是在检测出故障后确定故障的位置和类型；故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法。现有的故障诊断方法，概括起来可分为三大类:（1）基于信号处理的方法；（2）基于解析模型的方法；（3）基于知识的诊断方法。所谓基于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。所谓基于解析模型的方法，是在明了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理诊断，它可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法。目前此种方法得到了深入的研究；但在实际情况中，常常难以获得对象的精确数学模型，这就大大限制了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果。近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障诊断技术提供了新的理论基础，产生了基于知识的故障诊断方法，此方法由于不需要对象的精确数学模型，而且具有某些“智能”特性，因此是一种很有生命力的方法。基于知识的故障诊断方法主要可以分为：专家系统故障诊断方法；模糊故障诊断方法；故障树故障诊断方法；神经网络故障诊断方法和数据融合故障诊断方法等。2．基于知识的故障诊断方法2.1专家系统故障诊断方法专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种规则（专家经验），进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行过程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由用户来证实。此种方法国内外已有不少应用。专家系统的故障诊断方法可用图1的结构来说明：它由数据库，知识库，人机接口，推理机等组成。其各部分的功能为：3图1故障诊断专家系统结构图数据库：对于在线监视或诊断系统，数据库的内容是实时检测到的工作数据；对于离线诊断，可以是故障时检测数据的保存，也可是人为检测的一些特征数据。即存放推理过程中所需要和产生的各种信息。知识库：存放的知识可以是系统的工作环境，系统知识（反映系统的工作机理及结构知识）；规则库则存放一组组规则，反映系统的因果关系，用来故障推理。知识库是专家领域知识的集合。人机接口：人与专家系统打交道的桥梁和窗口，是人机信息的交接点。推理机：根据获取的信息综合运用各种规则进行故障诊断，输出诊断结果。是专家系统的组织控制结构。2.2模糊故障诊断方法故障诊断是通过研究故障与征兆（特征元素）之间的关系来判断设备状态。由于实际因素的复杂性，故障与征兆之间的关系很难用精确的数学模型来表示，随之某些故障状态也是模糊的。这就不能用“是否有故障”的简易诊断结果来表达，而要求给出故障产生的可能性及故障位置和程度如何。此类问题用模糊逻辑能较好的解决。这就产生了模糊故障诊断方法。图2模糊故障诊断方法模糊故障诊断典型方法是模糊故障向量识别法,其诊断过程如图2。4a）建立故障与征兆之间的模糊关系矩阵R，也叫隶属度矩阵。矩阵中的每个元素的大小表明了它们之间的相互关系的密切程度。b)测试待诊断对象待检状态的特征参数，提取特征参数向量矩阵X。c)求解关系矩阵方程Y=X*R，得到待检状态的故障向量Y，再根据一定的判断原则,如最大隶属度原则、阈值原则或择近原则等，得到诊断结果。另外一种模糊故障识别方法是模糊聚类分析。它是将模糊集划分成不同水平的子集，然后通过聚类分析判断故障最可能属于的子集。从而给出诊断结果。3．故障树故障诊断方法3.1故障树诊断原理（FT）故障树（FT）模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型,是一种定性的因果模型,以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。它反映了特征向量与故障向量（故障原因）之间的全部逻辑关系。图3即为一个简单的故障树。图中顶事件：系统故障，由部件A或部件B引发，而部件A的故障又是由两个元件1，2中的一个失效引起，部件B的故障是在两个元件3，4同时失效时发生。3.2故障树诊断法步骤a)选择合理的顶事件。一般以待诊断对象故障为顶事件。b)建造正确合理的故障树。这是诊断的核心与关键。c)故障搜寻与诊断。根据搜寻方式不同，又可分为逻辑推理诊断法和最小割集诊断法。3.3逻辑推理诊断法此种故障搜寻法，采用从上而下的测试方法，从故障树顶事件开始，先测试最初的中间事件，根据中间事件测试结果判断测试下一级中间事件，直到测试底事件，搜寻到故障原因及部位。3.4最小割集诊断法所谓割集是指故障树的一些底事件集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必发生；而最小割集是指割集中所含底事件除去任何一个时，就不再成为割集了。5一个最小割集代表系统的一种故障模式。故障诊断时，可逐个测试最小割集,从而搜寻故障源，进行故障诊断。4．神经网络故障诊断方法对于故障诊断而言其核心技术是故障模式识别，而人工神经网络由于其本身信息处理特点,如并行性、自学习、自组织性；联想记忆功能等，使其能够出色地解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问题，所以故障诊断是人工神经网络的重要应用领域之一。目前神经网络是故障诊断领域中的一个研究热点。总的来说，神经网络在设备诊断领域的应用研究主要集中在两个方面：一是从模式识别的角度应用它作为分类器进行故障诊断；二是将神经网络与其它诊断方法相结合而形成的复合故障诊断方法。图3简单故障树图4神经网络故障诊断原理4.1模式识别的神经网络故障诊断模式识别的神经网络故障诊断过程，主要包括学习（训练）与诊断（匹配）两个过程。其中每个过程都包括预处理和特征提取两部分。具体诊断过程如图4。a)学习过程：是在一定的标准模式样本的基础上，依据某一分类规则来设计神经网络分类器，并用标准模式训练。b)诊断过程：是将未知模式与训练的分类器进行比较来诊断未知模式的故障类别。预处理：一般来说，首先要对映射得到的样本空间数据进行预处理，主要是通过删除原始数据中的无用信息得到另一类故障模式，由样本空间映射成数据空间。在数据空间上，通过某种变换(如对模式特征矢量进行量化、压缩等）使其有利于故障诊断。特征提取：对要诊断的对象从获得的数据来看，一般可看作一组时间序6列。通过对该时间序列的分段采样，可以将输入数据映射成样本空间的点。这些数据可能包含故障的类型、程度和位置等信息。但从样本空间看，这些特征信息的分布是变化的，因此，一般不能直接用于分类，需经合适的变换来提取有效的故障特征。而所提取的这些特征对于设备的参数应具有不变性。常用特征提取方法有：傅立叶变换、小波变换、分形维数等。网络分类器：常用于故障诊断分类的神经网络有：BP网络、双向联想记忆（BAM）网络、自适应共振理论(ART）、B样条网络等。4.2神经网络与其它故障诊断方法的结合利用各种诊断方法的优点，将其它诊断方法与神经网络相结合，可以得到效率更高的复合故障诊断方法。如将神经网络与专家系统相结合的诊断方法；模糊神经网络故障诊断系统和神经网络数据融合故障诊断系统等,都显示出其特别的诊断特性。5．数据融合故障诊断方法数据融合就是利用计算机对来自多传感器的信息按一定的准则加以自动分析和综合的数据处理过程，以完成所需要的决策和判定。目前数据融合在军事领域中已有广泛的应用，但在设备故障诊断中的应用还是近年来的事情。数据融合应用于故障诊断的起因有三个方面：一是多传感器形成了不同通道的信号；二是同一信号形成了不同的特征信息；三是不同诊断途径得出了有偏差的诊断结论。融合诊断的最终目标是综合利用各种信息提高诊断准确率。目前，数据融合故障诊断方法主要有Bayes推理、D-S证据推理及神经网络数据融合等。6．实例—汽车电动门窗玻璃升降器常见故障与检修汽车电动门窗玻璃升降器主要由下列部件组成。（结构如图5所示）机械部分：蜗轮、蜗杆、绕线轮、钢丝绳、滑动机架等。电器部分：过热熔断丝、开关、自动继电器、延时继电器、直流电动机、线束等。7图5汽车电动门窗玻璃升降器结构图汽车电动门窗玻璃升降器大多采用齿轮传动形式，以减少玻璃升起时的阻力。但也有使用挠性传动装置（如链条或皮带）进行传动的。门窗电动机内有两组绕向不同的磁场绕组，分别和开关的上、下接点相连。两组磁场绕组分别工作，使电动机能输出正、反两个方向的转动力矩，从而控制门窗玻璃的升或降。电动机有的是永磁式，也有的是双绕组串励式。所有电动门窗系统均装有两套控制开关。一套为组合开关，一般装在驾驶员容易操作的地方，比如车门扶手或前排左、右座椅之间的中央通道面板上，组合开关的4个升降按钮开关分别控制4个门窗玻璃升降，组合开关的锁定开关控制后门的玻璃升降开关的开和关。驾驶员门的操作与其它门有所不同，只需点一下下降键，门窗玻璃即可下降到底；如需中途停止，点一下上升键即可。由于延时继电器的作用，点火开关钥匙处于“OFF”后50秒内，门窗玻璃开关仍可起作用。只要将点火开关钥匙置于“ON”位置，驾驶员就可以通过它方便地控制4扇门窗的升降。另一套为分开关，一般都装在车门上由乘员操纵。每个门窗控制电路均通过组合开关搭铁，这样流经电动机的电流不但通过每个分开关，还要通过组合开关上相应的开关。所以，操纵组合开关或分开关，都能控制门窗玻璃的升降。如图6所示，当接通点火开关后，门窗继电器触点闭合，电动门窗电路与电8源接通。将组合开关或分开关与“上”位接通，电流流经门窗电动机，电动机旋转，带动升降器，使门窗玻璃上升；将组合开关或分开关与“下”位接通，流经门窗电动机的电流改变方向，电动机的旋转方向亦改变，升降器带动门窗玻璃下降。当门窗玻璃上升或下降到终点时，断路开关切断40秒左右，然后再恢复到接通状态。图6电动门窗玻璃升降器电路原理6.1电动门窗玻璃升降器常见故障的诊断方法6.1.1某个门窗玻璃升降器只能向一个方向运动诊断方法：先操纵相应的组合开关（或分开关），若门窗两个方向都能运动，则说明分开关（或组合开关）接触不良；若门窗仍只能向一个方向运动，则可能是分开关至组合开关之间的控制导线断路或门窗玻璃升降器有故障。6.1.2某个门窗玻璃升降器不能动作诊断方法：先操纵相应的组合开关（或分开关），若门窗运动正常，则说明分开关（或相应的组合开关）损坏；若门窗仍不动作，可能是分开关上的电源线断脱、电动机的连线断脱、电动机有故障、升降器有故障等。6.1.3所有门窗玻璃升降器均不能运动诊断方法：应先检查电源线和搭铁线，然后检查门窗继电器等。故障的原因可能为：组合开关搭铁线断脱，总电源线断脱，门窗继电器的触点接触不良、损坏或线圈断路，锁定开关（若装有）接触不良或未关闭等。96.2电动门窗常见故障的检修6.2.1电动门窗开关的检修根据电路的工作原理，用万用表检查开关在不同工作状况时，各接线脚之间的状态，从而判断是否有故障，然后作相应的修理。6.2.2门窗继电器的检修首先用万用表R*1档检测继电器线圈。若线圈断路，一般应更换继电器，然后检查触点是否良好，若触点烧蚀可用砂纸打磨，烧蚀严重应更换继电器。下面以皇冠牌轿车为例说明具体检查方法。如图7所示为皇冠轿车电动门窗继电器接线脚图。将万用表拨置R*1档，测量1与3脚，若不通，说明继电器线圈断路，应拆修或更换；测量1与4脚应不通，若通，说明触点烧结或其它原因造成短路，应拆开打磨或更换。图7皇冠牌轿车电动门窗继电器接线脚图将蓄电池的正负极分别