智能运维与健康管理-第1章ppt课件.pptx

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1、第1章 绪论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能本章导读学习要求：了解发展智能运维与健康管理技术国内外背景与重要意义；当前机械状态监测与故障诊断技术的发展水平与存在问题；掌握智能运维与健康管理核心技术的概念内涵与体系结构、资产管理方法及智能运维方法；了解培养目标与新工科计划、高等工程教育专业认证关系。基本内容及要点：本课程研究的背景、对象、意义与内容；了解机械状态监测与故障诊断技术的发展现状；了解智能运维与健康管理技术的体系结构与实现流程为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充

2、分发挥中小学图书室育人功能引言1机械状态监测与故障诊断2智能运维与健康管理3讲义提纲培养目标与新工科计划、高等工程教育专业认证的关系4PART 1.1引言为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论5国际形势：制造大国间的博弈智能制造成为国家具备强大竞争力与抢占发展制高点的关键技术，其关键要素之一为“远程运维服务”。美国 制造业复兴美国“制造业回归”的重要组成，智能制造是其主要内容。德国 工业4.0智能工厂、智能生产、智能物流是重要主题。日本 超智能社会5.0以超智慧社会作为重要内容，实现实现日本社会智能化。中国 中

3、国制造2025由制造大国到制造强国的转变，制造+互联网是关键，智能制造是主要内容。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论6德国工业4.0对于世界制造业的发展影响最为深远，要点概括为：对于世界制造业的发展影响最为深远，要点概括为：建设一个网络、建设一个网络、研究三大主题、实现三项集成、实施八项计划研究三大主题、实现三项集成、实施八项计划。一一 个个 网网 络络：信 息 物 理 系 统 网 络（Cyber-Physical Systems 简称CPS）；三三大大主主题题：智能工厂、智能生产、智能物流；三三项项集集成

4、成：横向集成、纵向集成与端对端的集成；实实施施八八项项计计划划：建立标准化参考架构、管理复杂系统、建设综合的工业宽带基础设施、实现安全和保障、工作的组织和设计、培训持续的职业发展、建立监管框架、提高资源利用效率。图图 1-1 1-1 工业工业4.04.0框架图框架图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论7中国制造2025智智能能制制造造工工程程实实施施指指南南（2016-20202016-2020）中中明明确确提提到到智智能能制制造造新新模式关键要素之一为模式关键要素之一为“远程运维服务远程运维服务”。建建有有

5、标标准准化化信信息息采采集集与与控控制制系系统统、自自动动诊诊断断系系统统、基基于于专专家家系系统统的的故故障障预预测模型和故障索引知识库测模型和故障索引知识库；可可实实现现装装备备（产产品品）远远程程无无人人操操控控、工工作作环环境境预预警警、运运行行状状态态监监测测、故故障障诊断与自修复诊断与自修复；建建立立产产品品生生命命周周期期分分析析平平台台、核核心心配配件件生生命命周周期期分分析析平平台台、用用户户使使用用习习惯惯信息模型；信息模型；可可对对智智能能装装备备（产产品品）提提供供健健康康状状况况监监测测、虚虚拟拟设设备备维维护护方方案案制制定定与与执执行行、最优使用方案推送、创新应用

6、开放等服务。最优使用方案推送、创新应用开放等服务。图图 1-1 1-1 工业工业4.04.0框架图框架图设备的故障预测与健康管理（Prognostic and Health Management，简称PHM）是实现远程运维、保障重大装备可靠性的重要核心技术。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论8智能运维和健康管理对国民经济和国防安全意义重大在在2020世世纪纪7070年年代代起起，A-7EA-7E飞飞机机的的发发动动机机使使用用了了发发动动机机管管理理系系统统（Engine Engine Management

7、 SystemManagement System，简称，简称EMSEMS）成为）成为PHMPHM早期的经典案例。早期的经典案例。中中国国的的三三一一重重工工率率先先开开启启智智能能生生产产、智智能能服服务务，自自主主开开发发企企业业控控制制中中心心(Enterprise(Enterprise control control centercenter，ECC)ECC)可可获获取取设设备备的的位位置置、累累计计工工作作时时间间、累累计计油油耗耗等等。在在设设备备故故障障后后可可以以依依据据传传回回数数据据进进行行分分析析和和排排查查，指指导导进进行行维维修修；能能根根据据设设备备运运行行情情况况判

8、判断断用用户户盈盈利利及及恶恶意意拖拖欠欠债债款款行行为为，实实现现对对设设备备远远程程锁锁定定，维维护护企业利益。企业利益。美国海军美国海军A-7EA-7E攻击机攻击机A-7EA-7E攻击机攻击机TF41TF41发动机发动机三一重工三一重工1818号厂房号厂房企业控制中心企业控制中心为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论9智能运维和健康管理对国民经济和国防安全意义重大交通运输交通运输能源电力能源电力太空技术太空技术国防工业国防工业航空动力航空动力国民经济领域重大装备国民经济领域重大装备：如高速列车、航空发动机

9、等，服役期占据：如高速列车、航空发动机等，服役期占据产品全生命周期产品全生命周期90%90%以上；以上；运行中严重故障导致灾难性事故，如马航失联、国产新舟运行中严重故障导致灾难性事故，如马航失联、国产新舟6060全面停飞、挑战者号空难；全面停飞、挑战者号空难；民用航空领域民用航空领域：民用飞机全寿命维修成本已达其价格的：民用飞机全寿命维修成本已达其价格的50%-120%50%-120%；风电能源领域风电能源领域：现役风电装备维护费用高达风电装备总收入的：现役风电装备维护费用高达风电装备总收入的20-25%20-25%；智智能能制制造造领领域域：数数控控机机床床服服役役性性能能监监控控、刀刀具具

10、在在线线监监测测、智智能能主主轴轴微微振振动动监监测测与与主主动动控控制制等等，需要远程监测与控制技术。需要远程监测与控制技术。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.1 绪论10智能运维和健康管理对国民经济和国防安全意义重大设设备备故故障障预预测测与与健健康康管管理理（Prognostic Prognostic and and Health Health ManagementManagement，简简称称PHMPHM）是是实实现现远远程程运运维维、保保障障重重大大装装备备可可靠靠性性重重要要核核心心技技术术，利利用用工

11、工业业系系统统中中产产生生的的各各种种数数据据，进进行行信信号号处处理理和和数数据据分分析析，提提取取出出特特征征信信息息，并并通通过过建建模模与与故故障障机机理理分分析析，实实现现复复杂杂和和重重大大工工业业系系统统的的健健康康状状态态监监测测、预预测测和管理。和管理。智智能能运运维维：在在PHMPHM基基础础上上，产产生生的的一一种种新新维维修修模模式式，包包含含完完善善的的自自检检和和自自诊诊断断能能力力、对对大大型型装装备备进进行行实实时时监监测测和和故故障障报报警警，实实施施远远程程故故障障集集中中报报警警和和维维护护信信息息的的综综合合管管理理分分析析，减减少少对对人人员员因因素素

12、的的依依赖赖，逐逐步步信信任任机机器器，实实现机器的自判、自断和自决。现机器的自判、自断和自决。智智能能运运维维与与健健康康管管理理技技术术对对企企业业的的运运营营管管理理乃乃至至产产品品/设设备备的的全全寿寿命命周周期期影影响响深深远远，在在确确保保设设备备的的安安全全、稳稳定定、可可靠靠运运行行与与保保障障人人身身安安全全的的同同时时，能能够够提提高高企企业业生生产产效效益益、增增强强行行业业的的国国际际竞竞争争力力和和影影响响力力，正正在在引引领领全全球球范范围内新一轮制造业的设计、生产制造与维修保障体制的变革。围内新一轮制造业的设计、生产制造与维修保障体制的变革。为深入学习习近平新时代

13、中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能PART 1.2机械状态监测与故障诊断1.2.1 故障监测诊断的重要意义1.2.2 国内外研究现状1.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题1.2.5 总结1.2.4 未来故障监测诊断突破方向为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断121.2.1 故障监测诊断的重要意义机机械械故故障障诊诊断断定定义义：是是借借助助机机械械、力力学学、电电子子、计计算算机机、信信号号处处理理、人人工工智智能能等等学学科科方方面

14、面的的技技术术对对连连续续运运行行机机械械设设备备的的状状态态和和故故障障进进行行监监测测、诊诊断断的的一一门门现现代代化化科科学学技技术术，并且迅速发展成为一门新兴学科。并且迅速发展成为一门新兴学科。机械故障诊断理论与技术已成为国内外的研究热点。机械故障诊断理论与技术已成为国内外的研究热点。Google学术搜索关键词英文名称文献篇数故障诊断fault diagnosis25400损伤检测damage detection9310020162018年Google学术故障诊断相关研究数量为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1

15、.2 机械状态监测与故障诊断131.2.1 故障监测诊断的重要意义会议名称英文名称举行频次设备状态监测与故障诊断国际学术会议International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis，CMD两年一届世界维修大会WorldCongressonMaintenance，WCM两年一届国际结构、材料和环境健康监测大会International Conference on Health Monitoring og Structure,Material and Environment，HMSME三年一届结构损伤评估国际会Internatio

16、nal Conference on Damage Assessment of Structure，DAMAS两年一届状态监测与诊断工程管理Condition monitoring and diagnostic engineering management,COMADEM每年一届机械失效预防技术Machinery failure prevention technology,MFPT每年一届全国设备监测与诊断学术会议两年一届全国设备监测诊断与维护学术会议每年一届具有影响力的故障诊断相关国际、国内会议信息为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学

17、图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断141.2.2 故障监测诊断国内外研究现状机机械械故故障障诊诊断断研研究究是是机机器器或或机机组组运运行行状状态态的的变变化化在在诊诊断断信信息息中中的的反反映映，由由数数据据采采集集、特特征征提提取取、模模式式识识别别、故故障障预预知知组组成成。同同时时，故故障障机机理理承承担担着着数数据据和和特特征征之之间间联联系系，研研究究可可分分为为信信号号获获取取与与传传感感技技术术、故故障障机机理理与与征征兆兆联联系系、信号处理与特征提取、识别分类与智能决策信号处理与特征提取、识别分类与智能决策。1.信号获取与传感器技术信号获取与传感器技术可可靠靠的的信

18、信号号获获取取与与先先进进的的传传感感技技术术，是是机机械械故故障障诊诊断断的的前前提提。各各国国学学者者致致力力于传感技术与机械设备的结合。于传感技术与机械设备的结合。2009年年美美国国三三院院院院士士、西西北北大大学学机机械械工工程程系系ACHENBACH教教授授将将传传感感技技术术等列入结构健康监控重要研究范畴内；等列入结构健康监控重要研究范畴内；美国斯坦福大学美国斯坦福大学KIREMIDJIAN开展了传感网络方面的研究；开展了传感网络方面的研究；日本东京大学日本东京大学TAKEDA等人在复合材料结构健康监测传感方面取得显著成果。等人在复合材料结构健康监测传感方面取得显著成果。南京航空

19、航天大学对结构健康监测中的压电阵列技术进行了研究；南京航空航天大学对结构健康监测中的压电阵列技术进行了研究；武汉理工大学对光纤传感技术应用于机械设备监测方面进行研究。武汉理工大学对光纤传感技术应用于机械设备监测方面进行研究。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断151.2.2 故障监测诊断国内外研究现状2.故障机理与征兆联系故障机理与征兆联系研研究究故故障障的的产产生生机机理理和和表表征征形形式式，是是为为掌掌握握故故障障形形成成和和发发展展过过程程,了了解解故障内在本质及特征，建立合理故障模

20、式，是故障内在本质及特征，建立合理故障模式，是机械故障诊断的基机械故障诊断的基础。础。日日本本白白木木万万博博自自六六七七十十年年代代以以来来，发发表表了了大大量量的的故故障障诊诊断断方方面面文文章章，总结了丰富的现场故障处理经验并进行了理论分析；总结了丰富的现场故障处理经验并进行了理论分析；美美国国Bently公公司司的的转转子子动动力力学学研研究究所所对对转转子子和和轴轴承承系系统统典典型型故故障障机机理理进行了大量试验研究并发表了不少论文；进行了大量试验研究并发表了不少论文；意意大大利利学学者者BACHSCHMID等等人人在在MSSP国国际际期期刊刊上上主主编编一一期期裂裂纹纹研研究综述

21、文章，从裂纹转子模型、裂纹机理等多方面做了相关的论述；究综述文章，从裂纹转子模型、裂纹机理等多方面做了相关的论述；闻邦椿和陈予恕基于混沌和分岔理论对轴系非线性动力学行为研究；闻邦椿和陈予恕基于混沌和分岔理论对轴系非线性动力学行为研究；刘刘杨杨等等基基于于非非线线性性有有限限元元法法建建立立了了双双盘盘耦耦合合故故障障转转子子系系统统动动力力学学模模型型，并通过实验研究分析了不同转速下的系统动态响应特性。并通过实验研究分析了不同转速下的系统动态响应特性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断16

22、1.2.2 故障监测诊断国内外研究现状3.信号处理与诊断方法信号处理与诊断方法从运行动态信号中提取出故障征兆，是机械故障诊断的必要条件从运行动态信号中提取出故障征兆，是机械故障诊断的必要条件。现现代代信信号号处处理理方方法法大大致致分分为为时时域域、频频域域以以及及相相结结合合的的时时频频域域处处理理方方法法。随随着着信信号号处处理理的的方方法法从从经经典典的的FFT到到更更强强大大的的小小波波变变换换再再到到自自适适应应强强的的EMD以以及及其他方法不断的发展，机械诊断研究也在如日中天的进行着。其他方法不断的发展，机械诊断研究也在如日中天的进行着。国外国外Thalji等详细综述了利用时域统计

23、指标来诊断轴承故障的优缺点；等详细综述了利用时域统计指标来诊断轴承故障的优缺点；马马来来西西亚亚MOHAMMAD等等人人讨讨论论了了各各种种状状态态监监测测与与信信号号处处理理方方法法的的原原理理与与特点；特点；美国斯坦福大学美国斯坦福大学 IHN在复合材料结构健康监测方面取得了显著的研究成果；在复合材料结构健康监测方面取得了显著的研究成果；英国曼彻斯特和哈德菲尔德大学英国曼彻斯特和哈德菲尔德大学BALL团队长期从事故障诊断的研究工作；团队长期从事故障诊断的研究工作；Haile等人利用盲源分离方法来分析旋翼飞机的轴承故障；等人利用盲源分离方法来分析旋翼飞机的轴承故障；在在时时频频分分析析方方面

24、面，帝帝国国理理工工大大学学Ahrabian等等学学者者将将同同步步压压缩缩变变换换方方法法从从一一维维扩展成并行多维，提高算法的抗噪声性能；扩展成并行多维，提高算法的抗噪声性能；为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断171.2.2 故障监测诊断国内外研究现状3.信号处理与诊断方法信号处理与诊断方法国国内内郭郭远远晶晶等等提提出出了了一一种种基基于于STFT时时频频谱谱系系数数收收缩缩的的旋旋转转机机械械故故障障振振动动信信号降噪方法，该方法能够从噪声混合信号中恢复出时域降噪信号；号降噪方法，

25、该方法能够从噪声混合信号中恢复出时域降噪信号；胥胥永永刚刚等等人人提提出出并并利利用用了了基基于于形形态态分分量量分分析析（Morphological Component Analysis，MCA）的的双双树树复复小小波波降降噪噪方方法法成成功功的的对对仿仿真真信信号号和和某某轧轧机机齿齿轮轮箱箱打齿故障早期信号提取出强背景噪声下的微弱故障特征信息；打齿故障早期信号提取出强背景噪声下的微弱故障特征信息；Wang等等详详细细综综述述了了有有关关谱谱峭峭度度的的理理论论发发展展和和与与之之相相关关的的应应用用研研究究，为为推推动动该方法在机械故障诊断领域的广泛使用提供了基础；该方法在机械故障诊断领

26、域的广泛使用提供了基础；EMD是是近近阶阶段段较较新新的的且且从从最最本本质质的的模模式式分分量量出出发发的的方方法法，蒋蒋超超等等提提出出了了基基于于快快速速谱谱峭峭度度图图的的选选取取方方法法，选选取取出出EEMD处处理理后后中中反反应应故故障障最最敏敏感感的的分分量量，并将其应用于滚动轴承故障诊断中；并将其应用于滚动轴承故障诊断中；雷雷亚亚国国等等47将将EEMD自自适适应应的的应应用用到到齿齿轮轮故故障障诊诊断断中中，自自适适应应的的改改变变加加入入信号中的白噪声，提高了诊断的准确性。信号中的白噪声，提高了诊断的准确性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全

27、国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断181.2.2 故障监测诊断国内外研究现状4.识别分类与智能决策识别分类与智能决策计计算算机机人人工工智智能能和和机机器器学学习习技技术术的的快快速速进进步步使使得得故故障障诊诊断断系系统统逐逐步步向向智智能能化化方方向向发发展展，专专家家系系统统，模模糊糊集集理理论论，人人工工神神经网络，支持向量机经网络，支持向量机等技术得到广泛应用。等技术得到广泛应用。智智能能故故障障诊诊断断：就就是是模模拟拟人人类类思思考考的的过过程程，通通过过有有效效地地获获取取、传传递递和和处处理理诊诊断断信信息息，模模拟拟人人类类专专家家，

28、以以灵灵活活的的策策略略对对监监测测对象的运行状态和故障做出准确的判断和最佳的决策对象的运行状态和故障做出准确的判断和最佳的决策。作作用用：具具有有学学习习功功能能和和自自动动获获取取诊诊断断信信息息对对故故障障进进行行实实时时诊诊断的能力，所以是实现机械故障诊断的应用关键。断的能力，所以是实现机械故障诊断的应用关键。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断191.2.2 故障监测诊断国内外研究现状4.识别分类与智能决策识别分类与智能决策Mechefske采用采用模糊集理论模糊集理论对轴承在不同

29、状态下的频谱进行分类。对轴承在不同状态下的频谱进行分类。Saravanan等等将将人人工工神神经经网网络络和和支支持持向向量量机机相相结结合合，并并将将其其应应用用于于齿齿轮轮箱故障识别，对比了神经网络与支持向量机的识别效果。箱故障识别，对比了神经网络与支持向量机的识别效果。Yang等等根根据据风风机机齿齿轮轮箱箱结结构构特特征征构构建建故故障障树树模模型型，开开发发了了风风机机齿齿轮轮箱箱故障诊断专家系统，并成功应用于风机的健康维护。故障诊断专家系统，并成功应用于风机的健康维护。美美国国密密执执安安大大学学倪倪军军、辛辛辛辛那那提提大大学学李李杰杰等等在在美美国国自自然然科科学学基基金金(N

30、SF)的的资资助助下下，联联合合工工业业界界共共同同成成立立了了“智智能能维维护护系系统统(IMS)中中心心”，致致力力于于对机械设备性能衰退分析和预测性维护方法的研究。对机械设备性能衰退分析和预测性维护方法的研究。国国内内，雷雷亚亚国国等等提提出出了了一一种种基基于于深深度度学学习习理理论论的的机机械械装装备备健健康康监监测测新新方方法法。该该方方法法摆摆脱脱了了对对大大量量信信号号处处理理技技术术和和诊诊断断经经验验的的依依赖赖，实实现现了了故障特征的自适应提取和健康状态的智能诊断；故障特征的自适应提取和健康状态的智能诊断；为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全

31、国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断201.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题1.故障机理研究不足故障机理研究不足 故故障障机机理理：通通过过理理论论或或大大量量的的试试验验分分析析，得得到到反反映映设设备备故故障障状状态态信信号号与与设备系统参数联系的表达式，依之改变系统的参数可改变设备的状态信号。设备系统参数联系的表达式，依之改变系统的参数可改变设备的状态信号。机机理理研研究究可可以以揭揭示示故故障障萌萌生生和和演演化化的的一一般般规规律律，建建立立起起故故障障与与征征兆兆之之间的内在联系和映射关系，其具体的研究过程如下：间的内在联系和映射关系，其

32、具体的研究过程如下：根据研究对象的物理特点，建立相应数学力学模型；根据研究对象的物理特点，建立相应数学力学模型；通过仿真研究获得其响应特征；通过仿真研究获得其响应特征；结合试验修正模型，准确获知某一故障的表征。结合试验修正模型，准确获知某一故障的表征。上上述述过过程程是是故故障障机机理理和和故故障障征征兆兆研研究究有有效效手手段段，也也是是机机械械故故障障诊诊断断技技术术重重要要基基础础和和依依据据。通通常常获获得得某某系系统统全全面面故故障障数数据据样样本本是是不不现现实实的的，只只有有通通过过机机理理仿仿真真研研究究才才能能对对系系统统未未知知故故障障和和弱弱故故障障进进行行有有效效预预知

33、知和和识别，识别，c从而避免漏诊和误诊。从而避免漏诊和误诊。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断211.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题1.故障机理研究不足故障机理研究不足当当前前研研究究中中对对机机械械故故障障机机理理研研究究重重视视不不足足，是是由由很很多多原原因因造造成成的的，尤尤其其很多典型故障特征都是沿用经典的成果，很多典型故障特征都是沿用经典的成果，主要原因主要原因有以下几点：有以下几点：大大型型装装备备的的故故障障机机理理研研究究通通常常需需要要涉涉及及繁繁多多的的数数学

34、学、力力学学等等知知识识，即即工程结构的简化和力学模型的建立都存在较大难度；工程结构的简化和力学模型的建立都存在较大难度；故故障障机机理理研研究究需需要要结结合合大大量量的的试试验验验验证证，一一个个模模型型简简化化合合理理、故故障障模模拟拟典典型型、制制造造精精度度保保证证和和测测试试数数据据可可靠靠的的试试验验台台，往往往往不不是是一一朝朝一一夕夕可以实现的，需要持久、大量的资源投入；可以实现的，需要持久、大量的资源投入；实实验验室室针针对对单单一一故故障障的的准准确确表表征征，还还需需要要工工程程实实际际的的验验证证，单单一一的的故故障特征在实际工程中往往可遇而不可求。障特征在实际工程中

35、往往可遇而不可求。目目前前针针对对旋旋转转机机械械所所建建立立的的故故障障模模拟拟试试验验台台和和理理论论研研究究较较多多，但但是是针针对往复机械和专用机械理论和实验研究偏少。对往复机械和专用机械理论和实验研究偏少。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断221.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题2.故障诊断方法有限故障诊断方法有限机机械械设设备备诊诊断断首首先先要要对对从从各各类类运运转转设设备备中中所所获获取取的的各各种种信信号号进进行行分分析析，通通过过适适当当分分析析，提提取取信信号

36、号中中的的各各种种特特征征信信息息，进进而而获获得得与与故故障障相相关关的的征征兆兆，最最终终利用征兆进行故障诊断。利用征兆进行故障诊断。工程实践表明工程实践表明不同类型的机械故障在动态信号中会表现出不同的特征波形不同类型的机械故障在动态信号中会表现出不同的特征波形。齿齿轮轮和和轴轴承承等等机机械械零零部部件件出出现现剥剥落落和和裂裂纹纹等等故故障障，往往复复机机械械的的气气缸缸、活活塞塞、气气阀阀磨磨损损缺缺陷陷，其其运运行行中中产产生生冲冲击击振振动动呈呈现现接接近近单单边边振振荡荡衰衰减减的的响响应波形，而且随着损伤程度的发展，其特征波形也会发生改变。应波形，而且随着损伤程度的发展，其特

37、征波形也会发生改变。旋转机械失衡振动的波形与正弦波相似；旋转机械失衡振动的波形与正弦波相似；内燃机燃爆振动波形是具有高斯函数包络的高频信号。内燃机燃爆振动波形是具有高斯函数包络的高频信号。目目前前广广泛泛应应用用傅傅里里叶叶变变换换、短短时时傅傅里里叶叶变变换换、小小波波变变换换、第第二二代代小小波波变变换换和和多多小小波波变变换换等等都都是是基基于于内内积积原原理理的的特特征征波波形形基基函函数数信信号号分分解解，旨旨在在灵灵活活运运用用与特征波形相匹配基函数去更好地处理信号，提取故障特征，实现故障诊断与特征波形相匹配基函数去更好地处理信号，提取故障特征，实现故障诊断。为深入学习习近平新时代

38、中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断231.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题2.故障诊断方法有限故障诊断方法有限故故障障诊诊断断方方法法研研究究中中提提出出了了许许多多有有效效的的“望望闻闻问问测测”诊诊断断手手段段，但但是是近近年年来来的的理理论论分分析析和和工工程程应应用用表表明明，针针对对早早期期故故障障、微微弱弱故故障障、复复合合故故障、系统故障障、系统故障等的诊断方法还存在不足，可靠的诊断方法有限。等的诊断方法还存在不足，可靠的诊断方法有限。理理论论层层面面：经经快快速速傅傅里里叶叶变变换换得得到

39、到的的离离散散频频谱谱，其其频频率率、幅幅值值和和相相位位均均可可能能产产生生一一定定的的误误差差，单单频频率率谐谐波波信信号号加加矩矩形形窗窗时时的的幅幅值值误误差差最最大大误误差差从从理理论论上上可可以以达达到到36.4%。即即使使加加其其他他窗窗时时，也也不不能能完完全全消消除除此此误误差差，加加Hanning窗窗且且只只进进行行幅幅值值恢恢复复时时的的最最大大幅幅值值误误差差仍仍高高达达15.3%，相位误差高达，相位误差高达90，频率最大误差为，频率最大误差为0.5个频率分辨率。个频率分辨率。工工程程层层面面：机机械械设设备备运运行行过过程程中中不不可可避避免免产产生生损损伤伤和和出出

40、现现早早期期故故障障，具具有有潜潜在在性性和和动动态态响响应应的的微微弱弱性性；复复合合故故障障和和系系统统故故障障由由于于多多因因素素耦耦合合和和传传递递路路径径复复杂杂，导导致致单单一一的的信信号号处处理理方方法法难难以以有有效效溯溯源源故故障障成成因因，因此，如航空发动机振动故障诊断至今没有很好的解决方法。因此，如航空发动机振动故障诊断至今没有很好的解决方法。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断241.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题3.智能诊断系统薄弱智能诊断系统薄弱现现代代机

41、机械械装装备备朝朝着着大大型型化化、复复杂杂化化、高高速速化化、自自动动化化和和智智能能化化方方向向发发展展，迫迫切切需需求求融融合合智智能能传传感感网网络络、智智能能诊诊断断算算法法和和智智能能决决策策预预示示的的智智能诊断系统、专家会诊平台和远程诊断技术能诊断系统、专家会诊平台和远程诊断技术等。等。发发展展智智能能化化的的诊诊断断方方法法，是是故故障障诊诊断断的的一一条条全全新新的的途途径径，目目前前已已广广泛泛应用，成为设备故障诊断的主要方向。应用，成为设备故障诊断的主要方向。不不同同类类型型的的智智能能诊诊断断方方法法针针对对某某一一特特定定的的、相相对对简简单单的的对对象象进进行行故

42、故障障诊断时有其诊断时有其各自的优点和不足各自的优点和不足，例如：，例如：神经网络诊断技术需要的训练样本获取困难。神经网络诊断技术需要的训练样本获取困难。模模糊糊故故障障诊诊断断技技术术需需要要由由先先验验知知识识人人工工确确定定隶隶属属函函数数及及模模糊糊关关系系矩矩阵阵，但实际获得与设备情况相符的隶属函数及模糊关系矩阵存在许多困难。但实际获得与设备情况相符的隶属函数及模糊关系矩阵存在许多困难。专专家家系系统统诊诊断断技技术术存存在在知知识识获获取取“瓶瓶颈颈”，缺缺乏乏有有效效的的诊诊断断知知识识表表达达方方式式，推理效率低。推理效率低。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九

43、大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断251.2.3 机械故障监测诊断现今存在的问题3.智能诊断系统薄弱智能诊断系统薄弱人人工工智智能能诊诊断断方方法法大大部部分分都都需需要要满满足足一一定定假假设设条条件件和和人人为为设设置置参参数数，其其智智能能化化诊诊断断能能力力薄薄弱弱，因因此此，研研究究中中通通过过仿仿真真验验证证故故障障诊诊断断算算法法较较多，智能诊断方法的推广性得不到很好的验证。多，智能诊断方法的推广性得不到很好的验证。实实现现智智能能化化诊诊断断仅仅靠靠一一两两种种方方法法难难以以满满足足现现实实要要求求，其其应应用用也也会会一

44、一定定程程度度局局限限，若若将将几几种种性性能能互互补补的的智智能能诊诊断断技技术术适适当当组组合合、取取长长补补短短、优势互补，其解决问题的能力势必会大大提高优势互补，其解决问题的能力势必会大大提高。重重点点研研究究影影响响现现有有人人工工智智能能诊诊断断方方法法推推广广使使用用的的关关键键环环节节，建建立立在在故故障障机机理理等等底底层层基基础础研研究究的的人人工工智智能能方方法法，形形成成知知识识丰丰富富、推推理理正正确确、判断准确、预示合理、结论可靠的设备智能诊断与预示的实用技术。判断准确、预示合理、结论可靠的设备智能诊断与预示的实用技术。避避免免简简单单地地借借助助人人工工智智能能方

45、方法法和和技技术术进进行行设设备备智智能能诊诊断断的的应应用用，忽忽视视底底层层基基础础研研究究，因因为为没没有有底底层层的的机机械械故故障障诊诊断断基基础础研研究究，上上层层的的人人工工智能方法和技术就难以解决实际的工程问题。智能方法和技术就难以解决实际的工程问题。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断261.2.4 未来故障监测诊断突破方向安安全全生生产产和和国国民民经经济济的的可可持持续续发发展展对对机机械械设设备备进进行行故故障障诊诊断断提提出出了了更更高高的的要要求求，特特别别是是迫

46、迫切切要要求求为为工工程程实实际际中中大大型型复复杂杂机机械械设设备备开开展展早早期期、动动态态、定定量量和和智智能能的的故故障障诊诊断断与与预预示示，机机械械故故障障诊诊断断学学在在科科学学和和技技术术层层面面上上面面临临着着严严峻峻挑挑战战，同同样样也也迎迎来来发发展展机机遇遇，其其基基础础研研究必须在以下究必须在以下6个方面有所突破：个方面有所突破：1.实现由表象研究到机理研究的突破实现由表象研究到机理研究的突破故故障障机机理理是是反反映映故故障障的的原原因因和和效效应应，是是通通过过理理论论或或大大量量实实验验分分析析得得到到反映设备故障状态信号与设备系统参数之间联系的表达式反映设备故

47、障状态信号与设备系统参数之间联系的表达式。加加强强故故障障机机理理研研究究是是认认识识客客观观事事物物的的科科学学实实践践。传传统统的的机机械械设设备备故故障障诊诊断断多多以以研研究究已已有有故故障障的的信信号号特特征征为为基基础础，对对于于新新的的设设备备故故障障预预警警便便因没有故障案例可循而不免漏诊。因没有故障案例可循而不免漏诊。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断271.2.4 未来故障监测诊断突破方向1.实现由表象研究到机理研究的突破实现由表象研究到机理研究的突破针针对对新新型型旋

48、旋转转和和往往复复机机械械的的机机电电液液系系统统，如如风风电电装装备备、工工业业燃燃气气轮轮机机、高高速速动动车车组组列列车车等等，其其特特殊殊服服役役环环境境下下系系统统的的故故障障机机理理和和故故障障演演化化动动力学还有待于深入地分析及研究力学还有待于深入地分析及研究。例如：。例如：利利用用间间隙隙机机构构动动力力学学，研研究究不不同同间间隙隙大大小小对对应应的的信信号号频频谱谱特特征征，甚甚至至建建立起间隙大小和信号特征的定量关系，用于指导机构间隙的故障诊断；立起间隙大小和信号特征的定量关系，用于指导机构间隙的故障诊断；针针对对典典型型的的不不对对中中故故障障，建建立立数数学学和和力力

49、学学模模型型，搭搭建建试试验验平平台台，研研究究不不对中所对应的故障征兆和频谱特征。对中所对应的故障征兆和频谱特征。实实际际工工程程应应用用中中，韩韩刚刚等等研研究究了了航航空空发发动动机机叶叶片片和和转转子子在在气气流流激激励励下下的的非非线线性性动动态态响响应应，揭揭示示了了颤颤振振产产生生、发发展展的的机机理理和和演演变变规规律律；刘刘杨杨等等基基于于非非线线性性有有限限元元法法建建立立了了双双盘盘耦耦合合故故障障转转子子系系统统动动力力学学模模型型，并并通通过过实实验研究分析了不同转速下的系统动态响应特性。验研究分析了不同转速下的系统动态响应特性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义

50、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.2 机械状态监测与故障诊断281.2.4 未来故障监测诊断突破方向2.实现由定性研究到定量研究的突破实现由定性研究到定量研究的突破故障机理障诊断的研究工作通常可以划分为四个层次：故障机理障诊断的研究工作通常可以划分为四个层次：确定故障是否存在；确定故障是否存在；能够确定故障的位置；能够确定故障的位置；能确定故障的损伤程度；能确定故障的损伤程度；剩余寿命预测与可靠性评估。剩余寿命预测与可靠性评估。如如果果将将前前两两个个层层次次的的工工作作称称为为定定性性研研究究的的话话，那那么么后后两两个个层层次次的的工工作作就是定量