摘 要：针对机械设备中的关键部件——滚动轴承、齿轮箱、电动机的故障诊断与监测的发展现状进行文献综述，总结该领域的研究现状及主要方法。概述了机械设备中一些关键部件，比如轴承、齿轮箱、电动机的故障特点及故障形式，进而深入分析相应的诊断难点，并结合国内外相关文献系统地介绍并比较了现有的针对机械设备关键部件的故障诊断与健康监测方法，最后对该领域的发展方向进行了展望。

关键词：机械设备;故障诊断;滚动轴承;齿轮箱

近年来，随着机械设备的运行环境逐渐复杂化，机械设备发生故障的概率显著提高，一些看是不起眼的设备局部故障问题，有可能会导致机械设备由阶段性小故障、潜伏性的缺陷故障逐渐向设备系统性的崩溃损坏、报废发展。在当前智能制造的背景下，对机械设备相关关键部件进行故障诊断和监测成为一个值得思考的现实问题。因此，以下就机械设备故障诊断与监测方法展开分析与探讨。

1 机械设备故障诊断系统

机械设备往往利用分布式传感器作为故障诊断系统的重要部分，实时监测机械设备在工作状态或相对静止状态下的信号，将之与监测对象的历史状态相比对，通过数字信号处理等手段进一步分析和处理所获信号，准确地确定故障的发生位置及故障类型，从而得以及时排除机械设备的故障。在早期，机械设备状态监测的方法主要包括振动监测法、采样分析法、测温法及超声波法等。对于绝大多数机械设备，以振动作为主要参考标准的诊断方法最为常见。机械设备故障诊断系统主要分为两大部分：①借助传感器获取振动等参考信号进行分析处理。传感器技术依托电磁感应等原理来测得机械设备的工作状态参数，并将所得数据传输到微型计算机中，接着微机将其与数据库原始标准健康数据进行比对，初步诊断机械设备的状态。但这种仅靠传感器监测诊断方式是有缺陷的，传感器只能监测电流、电压、等有限的状态参数，诊断效果较差。②智能诊断技术，这类技术基于第一部分所获数据进行更深层次的分析处理，以计算机为载体模拟出一种与人类思维运算近似的智能诊断系统。它可以实现基于所测信号机理，设定诊断规则，进行特征提取、数字信号分析等功能，与传统的简单对比诊断相比，更加科学实用。这类技术目前已经相对成熟，渐渐成为当下主流的应用技术。

2 机械设备主要故障特点

机械设备是工业生产中不可或缺的一部分，其性能的优劣与最终的生产能效直接挂钩。机械设备由各种零部件组合而成。在长期的运转过程中，它们会由于衰老退化而不可避免地出现故障问题，对机械设备的性能造成影响，导致生产效率降低。由于不同部件的作用、存在比例及故障特点有所差异，下面对机械设备中的关键部件逐一展开分析。滚动轴承是旋转机械的重要组成部分，它优点众多，比如润滑冷却迅速效率高等，因此在机械行业广泛得到应用。但它同时也是旋转机械中最容易出现故障的部件之一，据有关统计显示，在旋转机械故障中有近30%的故障是由于滚动轴承故障引起的，因此，深入研究滚动轴承的故障诊断方法具有重要意义。工程发现，疲劳损伤、腐蚀损伤、断裂等原因都会导致滚动轴承损伤，不同原因导致的轴承损伤所反映出的故障特征同样存在差异，因此，如何在纷繁复杂的轴承故障中提取出反映轴承故障的一致性特征成为一个值得深入研究的切入点。在机械设备中，用于提高主轴转速的齿轮箱广泛存在。在机械运行过程中，齿轮箱内的齿轮常常会出现磨损断裂的问题，如果不及时、有效地对这些故障进行处理，齿轮箱最终会失效。与滚动轴承的故障特点类似，齿轮箱和滚动轴承对应相同故障类型例如断裂所表征的故障特征具有相似性，对于需要较大数据量的深度学习等故障诊断方法，充分利用不同部件的相同故障类型数据进行诊断方法的训练是一个实用而有效的思路。机械设备主要是由机械结构和电动机两部分组合而成，一旦电动机发生故障，机械设备将无法正常工作。

3存在的问题

历经近一个世纪的发展，可靠性研究在理论和实践方面均取得了丰硕的成果。传统可靠性理论处理随机不确定性信息，概率论和数理统计是传统可靠性理论的主要数学工具。传统的可靠性评估方法利用大量的具有概率重复性的样本，确定设备的失效分布，获得宏观意义上一批同类设备共性的平均可靠性。然而，各个设备通常在不同的条件与环境下运行，其零部件的损伤、故障、失效的程度不同，运行可靠性也必然不同。针对某台具体的机械设备进行运行可靠性评估是个性问题，基于大样本条件并依赖概率统计数据得到的平均可靠性难以满足个体设备的运行可靠性评估需求。2000 年，国际著名可靠性专家、英国学者O’CONNOR深入思考了可靠性的过去、现在和将来，指出现有的可靠性研究依旧局限于传统的概率统计方法，阐述了基于概率统计的可靠性方法在解决工程实际问题时容易产生误导和无效的原因。2009 年意大利学者ZIO深刻洞察到可靠性这一老问题所面临的新挑战，指出复杂系统可靠性分析是可靠性工程的新挑战，提出利用状态监测来确保系统可靠的运行，以减少故障，提高生产率。我国学者黄洪钟对常规可靠性理论进行了批判性综述，指出二值逻辑假设的不合理性以及概率假设解决工程实际问题的不现实性。综合以上研究及工程实际，传统可靠性评估方法在应用于机械设备运行可靠性评估时所面临的主要问题可归纳如下。

3.1传统可靠性评估方法的数学基础——概率论与数理统计，决定可靠性评估过程中必须利用足够多的样本数据，大样本失效数据、可重复的大样本寿命试验或加速寿命试验必不可少。然而在工程实际中，针对某台具体机械设备的运行可靠性評估，往往属于小样本问题，且对于如飞机失事等灾难性事故又不具有概率重复性，难以收集大样本统计数据。

3.2 传统可靠性评估方法多依赖设备的失效分布，准确求解设备失效分布参数、解析设备的失效概率是传统可靠性评估的主要任务之一。设备失效分布是一种有限假设，即使在大样本情况下，准确的失效分布也难以估计。针对某台机械设备进行运行可靠性评估的小样本特性，进一步加剧了失效分布参数估计的难度。