故障诊断技术在烟草机械中的应用和发展趋势*

2014-07-05姚明镜张春良

机械制造 2014年6期

□ 姚明镜 □ 张春良 □ 岳夏

1．南华大学机械工程学院湖南衡阳 421001

2．广州大学机械与电气工程学院广州 510006

现代化生产中，如果机械设备的某一零部件或设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅可能导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在流程生产系统中，如果某一关键设备因故障而不能继续运行，往往会影响到整个流程生产系统的运行，造成巨大的经济损失。正是由于这些机械设备故障可能会造成很大的经济损失及人员伤亡，因此机械设备的故障诊断技术越来越受到重视。机械故障诊断技术作为一门新学科，在近二十年已经取得了突飞猛进的发展，尤其是计算机技术的应用，使其达到了智能化阶段。目前故障诊断技术已经成为现代化设备维修技术的重要组成部分，而且正日益成为设备维修管理工作现代化的一个重要标志。

1 故障诊断概述

1．1 故障诊断的含义

故障诊断技术是识别机械设备运行过程中的状态、进而确定其整体或局部是否正常、以便早期发现故障、查明原因并掌握故障发展趋势的一门科学，其目的是对设备进行故障检测，分析故障形成原因，以防患于未然，提高设备运行效率及可靠性，对设备特别是大型机械设备进行预知维修及预知管理［1-2］。

1．2 设备故障诊断技术的研究方向

故障诊断技术主要包括以下两个方向。

（1）设备的状态检测技术（简易诊断）。它是指对设备（部件、零件）的某些特征参数进行测试，并根据所测得的值与规定的正常值作比较，以判断设备的工作状态正常或异常（存在故障），其特点及优势是能迅速对各种类型的机械进行振动测量，能在现场给出检测结论，使用方便且经济。

（2）精密诊断技术。它不仅要对机器设备的状态是否正常作出判断，更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计。这类技术属于一种开发性技术，需要精密的仪器，要有经过专门训练的工程师来进行，一般只在重要的设备上进行。

2 故障诊断的研究意义及发展概况

2．1 研究意义

1985年10月29日山西大同第二电厂20万kW 2号机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元；1988年2月12日陕西秦岭电厂20万kW5号机组轴系发生突发性强烈振动，轴系断裂为十三段，机组严重损毁，直接经济损失达3000万元。对石化引进的30万t合成氨和40万t尿素化肥厂中五大透平压缩机组的初步调查结果发现，仅1977年和1978年两年的不完全统计，机械事故就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿。1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元，其中有将近1/3（约750亿美元）属于维修方法采用不当（包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技术）而浪费掉的。英国2000家大型工厂采用诊断技术后，每年节省维修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系统和技术手段的费用为0．5亿英镑，从而净获益达2．5亿英镑/年。美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效益达到其本身投入的36倍。这些都说明，对于故障诊断的研究不仅能使人的生命财产免受损失，而且直接对企业带来不小的经济效益。

2．2 发展概况

追溯设备故障诊断的历史，自有工业生产以来就已存在。随着时间的推移，故障诊断技术也在不断突破，而其发展也可以归结为4个过程：①感性阶段；②量化阶段；③诊断阶段；④人工智能和网络化阶段。

早期人们依据对设备的触摸及对声音、振动等状态特征的感受，凭借工匠的经验可以判断某些故障的存在并提出修复的措施，这一阶段称为感性阶段。随着振动、温度、压力、流量等传感器的广泛应用，设备故障诊断进入量化阶段。到20世纪60年代末，美国国家宇航局创立了美国机械故障预防小组，积极从事故障诊断技术的研究和开发，这时故障诊断技术真正作为一门学科发展起来，达到了诊断的阶段［3-13］。近年来，由于故障机理的研究从自动控制、信号处理、人工智能、计算机技术的发展中得到支持，因而人工智能和网络化便成为故障诊断的主要发展方向［12-16］。

3 故障诊断技术在烟草机械中的发展

3．1 国外烟草机械的发展

（1）向超高速发展。卷烟机是代表烟草机械水平的主要设备，而速度是卷烟机的重要性能参数。现在，英国MOLINS公司的PASSIM-2型卷烟机，每分钟达到12000支，达到同样速度的是意大利G．D公司的G．D-121-2型卷烟机，德国 HAUNI公司生产的PROTOS-2型卷烟机已达到每分钟14000支，这些超高速卷烟机组，在欧美地区烟草企业的生产线上均有使用。提高烟草机械的生产能力，向超高速发展是当前国外卷烟机发展的一个突出特点。

（2）实现联动化生产线。近年来，国外烟草机械向机组联动化发展趋势突出，卷烟机滤嘴头机组与包装机组之间用一机构连接成卷、接、包连续生产线，这一连接机构同时具有输送烟支和储存烟支功能，当上游机组发生停车时，包装机组可以不停机，使用连接机构中储存的烟支；当下游机组停机时，卷接机组也不停机，生产的烟支可以储存在连接机构内。目前，卷接与包装机组连接设备的主要生产厂是德国的HAUNI公司，英国的MOLINS公司和意大利的G．D公司。

（3）自动输料系统。烟草机械速度的不断提高，增大了手工加料的动作频率和劳动强度，因此，出现了机械手自动输、喂料系统，由机械手把这些卷烟、滤嘴、包装的辅助材料筒，定时定量地送到各自在机器上的相应位置，并能准确定位。德国的FOCKE公司和HAUNI公司都有自动输料技术和设备在烟厂使用，英国MOLINS公司、德国HAUNI公司、日本烟草机械制作都有滤棒成型机和滤嘴棒输送机。

（4）高新技术应用与发展。随着科学技术的不断进步与发展，在烟草机械上更多地采用了高新技术，世界各大烟草机械制造公司之间在新技术开发和市场销售上的竞争十分激烈，他们都有相当规模的科研机构和科研人才，并投入了大量资金进行科学技术研究，而且，研究与应用紧密结合，所以不断有新技术新设备面世。

高新技术的不断发展与应用，烟草机械将向单机控制成线，机组群控成网的方向发展，主要体现在各种数据采集与分析处理，停机原因与故障显示，甚至可以自诊断发生故障的部位和器件。数套相同机组或卷接、包装、装封箱和堆码入库联动生产线实现智能化控制联网，生产车间与管理部门计算机终端联网，管理人员在办公室就可以随时了解生产车间机器运转状况和产品质量，以便下达生产指令。

3．2 国内烟草机械的发展

近十多年来，我国烟草机械技术有了很大进步和发展。1982年成立中国烟草总公司以后，实行了烟草专卖管理体制，在改革开放政策指引下，集中资金统一对外，以技贸结合方式，在进口烟机设备的同时，已引进了四十多项先进技术。一方面，全国大多数卷烟厂，进口了国外先进设备，提高了烟草制品质量，降低原辅料消耗，增加经济效益，为国家创造大量财富；另一方面，引进的国外专有技术，经过消化吸收和国产化后，为我国烟草行业提供自己制造烟机设备；同时，提高了我国烟机设计水平与工艺技术和生产能力。现在，我国已能制造每小时生产烟丝2000～6000公斤的成套制丝设备，每分钟速度为2000～7000支的卷接接组和150～400包的包装机组，以及每分钟100～400m滤嘴棒成型机和其它烟草机械。目前，我国烟草行业正在从进口设备、引进技术消化吸收向合资建厂、合作生产烟机配套出口方向发展，进一步扩大国际合作。可以相信，我国烟草行业的生产技术水平和烟机制造水平将不断提高和发展［17-33］。

3．3 故障诊断技术在烟草机械中的应用

现代烟草生产设备不断向大型化、连续化、高速化、重载化和智能化方向发展，精度高、传动机构复杂，相应也导致了烟草设备的机构以及故障产生的机理日益复杂化。而故障也表现出越来越大的随机性和突发性，一旦出现故障，会产生链式反应，导致整条生产线停产，造成巨大的经济损失。因此，现代化的机械设备必须采用现代化的故障诊断技术，那种以时间和人们的经验为基础的设备定期计划检修和设备故障停车后的事故维修，已经不能适应现代化烟草生产企业的要求。目前烟草行业普遍采用设备计划检修、定期维护的模式，这种方式主要存在以下问题。

（1）定期检修可能增加设备的故障率。根据国内外的统计资料及烟草研究机构近年在检修期间及前后的缺陷故障统计发现：①每次在检修中经常会出现一些由于检修工作失误造成的缺陷故障，计划检修的机台往往在规定期限内无法完成所有的既定维修任务，或者检修后的机台交班后指标不如维修前理想，需经一段时间校正，才能达到正常生产要求；② 设备检修普遍存在一种现象，即本来很稳定的设备一经检修后反而出现了设备缺陷居高不下，而且检修的工作量越大以及随着生产线的逐渐老化，这种现象越严重、越明显。这种现象在转动设备中表现特别明显，往往一次检修中会出现许多渗漏点、振动大等问题，这就是因为对一个稳定的系统而言，维修或改造就是一种外来的扰动。对于卷烟机、包装机这类精密复杂的设备，定期检修会增加总体设备的故障率。但目前由于技术手段原因，不能掌握其真实运行状态，为了安全，避免事故停机，只能定期检修。

（2）定期检修浪费大量的人力、财力。由于机械设备的日趋复杂化及控制系统自动化水平不断提高，每次检修都将消耗大量的人力及财力，如一组机龄十年左右的Protos-Focke卷包生产机组，一次境外大修的费用约为2000多万，相当于设备售价的一半。

（3）定期检修使设备寿命减少。烟草设备属于高速精密设备，各种传动设备、部件很多，各部件之间连接要求又特别牢固及精密，每次拆装都将损坏一部分部件及零件，并使许多部件受到外力冲击，使设备总体精度受损，导致寿命减少。因此，有必要使故障诊断技术在卷包设备检修工作中发挥更重要作用，并需要相应的相关故障诊断技术及检修管理系统对采集到的信息数据进行筛分，最终指导检修工作的执行，提高检修的针对性、有效性。图1所示为烟草设备的实物图，图2所示为内部结构图。

▲图1 德国豪尼公司的烟草设备实物图

▲图2 烟草设备的结构示意图

（4）随着科学技术的进步，现代故障诊断技术在理论和应用上都已有了质的突破，研究主要集中在以下几个方面。

①传感技术研究。传感技术是反映设备状态参数的仪表技术，国内先后开发了速度传感器、电涡流传感器、加速度传感器和温度传感器等，最近开发的传感技术有声发射、光导纤维、激光等。

②信号分析与处理技术的研究。从传统的谱分析、时序分析和时域分析，到引入一些更新的信号分析手段，如短时傅立叶分析、Wigner谱分析和小波变换等，弥补了传统分析方法的不足。

③人工智能和专家系统的研究。人工智能和专家系统的研究已成为诊断技术的发展主流，目前已有“机械故障诊断专家系统”，但这一技术在工程方面的研究尚未达到人们所期望的水平。

④神经网络的研究。旋转机械神经网络分类系统等的研究已经得到应用，并取得了满意的效果。

⑤诊断系统的开发与研究。它已从单机巡检与诊断到上下位机式的主从结构，直至以网络为基础的分布式结构，系统的结构越来越复杂，实时性越来越高。

⑥专门化与便携式诊断仪器和设备的研制与开发。人工智能和专家系统将成为状态监测和诊断技术发展的主流，为实现状态监测的信息采集到最终故障诊断的知识库对接，不少公司已开发出了相关的系统［34-35］，见表 1。

表1 用于故障检修的部分专家系统

3．4 故障诊断技术在烟草机械应用中的发展趋势

（1）智能诊断系统知识获取的研究。由于烟草机械故障诊断日益复杂化，获取准确、全面的诊断知识愈加困难，知识匮乏制约智能故障诊断技术的发展，是烟草机械智能诊断专家系统需解决的难题。故障诊断人员对机器学习作为知识获取的一种重要途径而重视起来，将不断完善现有的机器学习方法，开发出新的学习方法，建立多种学习方法并用的智能故障诊断系统［16］、［30-31］。

（2）基于计算机网络的远程故障诊断技术的研究。远程故障诊断基于机械故障诊断技术与信息技术，在烟草工业关键设备上设立状态监测点，将采集的机械运行状态信息经互联网传输到诊断能力较强的诊断公司（或科研院所）进行故障诊断，提高烟草设备的诊断水平。若实现远程故障诊断，必须保证传统的包括信号采集、信号处理、模式识别、决策制定等阶段的故障诊断过程网络远程运行的可行性，并解决数据采集、传输及诊断方法标准不统一的问题［36-38］。

（3）智能化、自诊断化烟草机械的发展。智能机器有机器本体、传感器、振动器和相应的控制器组成，能在外界干扰下进行自适应的改变，达到对故障自诊断的效果。若要实现烟草机械设备的智能化、自诊断化，需进行智能机械动力学特性的探索、智能材料的开发以及相应的控制算法的研究［38-40］。

4 结束语

故障诊断技术发展到今天，关于故障诊断的研究范畴正在被扩展，它也逐渐由理论性研究发展到与实际紧密结合，发展至将来必将会实现诊断与控制的结合。而我国的故障诊断事业也会在这样的大环境中蓬勃发展，相信在不久的将来，以理论与实践相结合的故障诊断技术将在我国烟草设备工业中发挥越来越大的作用［38、41］。

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