基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

李銳

摘 要：本文針對發(fā)動機故障診斷的要求，結(jié)合鐵譜分析技術(shù)的特點和優(yōu)勢，深入研究和開發(fā)了基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)。主要思路是把計算機圖像處理及識別技術(shù)與鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合，并根據(jù)本文設(shè)計的專家系統(tǒng)來識別磨粒類型和故障原因，實現(xiàn)了鐵譜的自動分析，提高了發(fā)動機故障監(jiān)測與診斷的準確性和效率。

關(guān)鍵詞：鐵譜分析；故障診斷；專家系統(tǒng)；發(fā)動機

鐵譜分析技術(shù)是一類被普遍應(yīng)用在機械設(shè)備磨損故障診斷和磨損狀態(tài)監(jiān)測中的技術(shù)手段。發(fā)動機作為一類復(fù)雜的機械設(shè)備，其運行狀態(tài)的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，研究和開發(fā)高效、實用的故障診斷系統(tǒng)，對于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障苗頭，減少或杜絕設(shè)備故障的發(fā)生具有重要意義。

本文針對發(fā)動機故障診斷的要求，結(jié)合鐵譜分析技術(shù)的特點和優(yōu)勢，深入研究和開發(fā)了基于鐵譜分析技術(shù)的發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)。

1 設(shè)計思路

由于鐵譜分析的對象最終是鐵譜譜片上的磨粒，本質(zhì)是磨粒識別問題。因此，把計算機圖像處理及識別技術(shù)與鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合，便成了機械故障診斷和鐵譜分析領(lǐng)域的熱門研究方向之一。本文所研制系統(tǒng)采用了鐵譜圖像識別的方法， 其整體思路是利用計算機對圖譜進行采集、處理，提取出各種磨粒的主要特征，比如：周長、長短軸比、圓度、面積等，建立磨粒圖像的數(shù)據(jù)庫。把樣本圖譜中的主要特征參數(shù)與已有圖譜數(shù)據(jù)進行比較，進而識別出被檢測磨粒的類型。這種方法實現(xiàn)了鐵譜的自動分析，從而為診斷專家系統(tǒng)對鐵譜信息的自動獲取和利用創(chuàng)造了條件。專家系統(tǒng)的設(shè)計思想就是為了提高發(fā)動機故障監(jiān)測與診斷的準確性和效率，利用鐵譜信息的自動獲取，建立專家知識庫，實現(xiàn)發(fā)動機在運行狀態(tài)及零部件失效方面的智能監(jiān)測與診斷。

2 具體工作

2.1 建立數(shù)據(jù)庫

標準磨粒樣本庫是整個數(shù)據(jù)庫的核心，其中包含了正?；瑒幽チ！⑶驙钅チ?、切削磨粒、層狀磨粒、疲勞磨粒、嚴重滑動磨粒等多個子數(shù)據(jù)庫。在各個子數(shù)據(jù)庫中記錄了各個標準磨粒樣本的主要特征參數(shù)值。本系統(tǒng)建立樣本庫時主要記錄了兩類特征參數(shù)，一類是包括面積、長度、長短軸比、周長、等效面積圓直徑的形狀特征參數(shù)。另一類是包括圓度值和RGB值的顏色特征參數(shù)。本樣本庫之所以采用兩類特征參數(shù)，是因為對圖譜識別時，由于鐵譜圖譜的多樣性，計算機不會識別出所有的特征參數(shù)，有時僅會識別出兩三個參數(shù)。所以此樣本庫幾乎涵蓋了識別圖譜所需要的顯著參數(shù)值，并且在形狀特征參數(shù)類，通過其中兩個參數(shù)就可以推出另外的數(shù)值。提高了識別圖譜中磨粒的效率和準確性。

本系統(tǒng)利用計算機對圖譜進行采集、處理，提取各種磨粒的主要特征，再結(jié)合文獻中的詳細資料建立數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫采用Fortran開發(fā)工具設(shè)計，并儲存在Excel里，方便程序進行鏈接和訪問，可以實現(xiàn)對參數(shù)的增添、修改，而不影響系統(tǒng)程序的運行。

2.2 設(shè)計診斷系統(tǒng)

Fortran中自帶界面的設(shè)計，用戶只要根據(jù)自己需要，設(shè)計出所需的界面。在本系統(tǒng)當中，設(shè)置的選擇框有鐵譜參數(shù)、數(shù)值輸入、開始診斷、磨粒類型、故障原因五個。在鐵譜參數(shù)下拉菜單里有之前建立樣本數(shù)據(jù)庫時所選取的兩類特征。如果需要添加更多的特征，只需在建立的數(shù)據(jù)庫里進行添加，無需修改代碼。在數(shù)值輸入中隨意輸入一個數(shù)值時，進行計算，程序運行，找出磨粒類型，并得到發(fā)動機的故障原因。

2.3 故障診斷過程

Image J軟件是一種圖像識別軟件，可以對采集到的鐵譜圖譜進行簡單的分析，從而得出磨粒的基本參數(shù)，并將得出的數(shù)據(jù)用記事本制作成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)得到的磨粒參數(shù)，輸入到之前設(shè)計系統(tǒng)的診斷界面，在后臺與樣本庫進行對比，得出發(fā)動機故障類型。

3 案例分析

3.1 采集鐵譜圖，分析得出特征參數(shù)

磨粒特征的提取，需要對鐵譜進行圖片處理，才能測量出具體的數(shù)值特征。打開Image J軟件，輸入一張圖譜，點擊菜單欄中的Image->Adjust->Color Threshold，運行后可以得到具體的顏色參數(shù)，繼續(xù)點擊菜單欄中的Analyze->Analyze Particies，運行后最終得到具體的形狀參數(shù)，結(jié)果如下圖。

3.2 輸入特征參數(shù)，得出故障類型

打開診斷界面，在形狀參數(shù)列表選擇面積，在數(shù)值處輸入28，在顏色參數(shù)列表選擇RGB，在數(shù)值處輸入867329。點擊診斷，得出磨粒類型和故障原因如下圖。

再在形狀參數(shù)列表選擇長短軸比，在數(shù)值處輸入1.05，在顏色參數(shù)列表選擇圓度，在數(shù)值處輸入0.97.點擊診斷，得出磨粒類型和故障原因如下圖。

3.3 歸納總結(jié)，得出最終發(fā)動機故障

由以上系統(tǒng)診斷，得出鐵譜圖中既有正?；瑒幽チ?，又有球狀磨粒，可估計發(fā)動機的潤滑工作正常，但滾動軸承有些許疲勞裂紋，并且發(fā)動機中具有相對滑動或滾動表面的零件安裝不良或其表面有開裂。因此，根據(jù)判斷出的故障，可以確定維修方法為更換發(fā)動機中的滾動軸承，檢查更換受損部件后全部潤滑并重新安裝。