人工自愈赋能装备系统自主健康创建新质生产力——访中国工程院院士、设备诊断与自愈工程专家高金吉

记者:高院士您好!您在今年中国石油企业协会主办的石油石化智能制造技术创新交流大会上交流的"以人工自愈引领石油石化智能制造创新发展"观点,十分新颖,引起了大家极大的兴趣和关注.为什么要在石油石化智能制造中引入"人工自愈"这个概念?

悬臂同轴双转子系统不平衡耦合振动抑制试验研究

针对悬臂同轴双转子系统不平衡耦合振动突出问题,以某开式转子发动机输出端双转子系统为研究对象,对悬臂双转子系统振动耦合机理进行了理论推导、仿真分析和试验研究。首先,采用有限元法(FEM)建立了双转子系统等效动力学模型和耦合动力学方程,分析了悬臂同轴双转子系统耦合振动机理;然后,利用有限元软件对双转子系统进行了模态分析、临界转速分析以及不平衡响应分析,建立了自敏感系数概念以定量评价系统对不平衡振动的敏感度和耦合状态;最后,根据实际结构设计了悬臂同轴双转子实验台,进行了不同转速比下的不平衡振动抑制实验,并结合实验结果对仿真结果进行了验证。研究结果表明:模拟仿真提出的自敏感系数可作为双转子系统实际振动测点布置和不平衡振动抑制策略的理论依据;通过应用先平衡内转子后平衡外转子的不平衡振动分步抑振策略,可使双转子系统不平衡振动降幅达80%以上。该研究对双转子系统传感器测点布局和系统耦合振动抑制具有一定的指导意义。

微速差双转子信号分离方法精度研究

针对提取频率相近信号特征的经典算法Zoom-FFT(ZFFT)在分离差频1 Hz以内的微速差信号时,需要足够的数据长度才能达到良好的信号分离效果的问题,为了在不增加数据长度的基础上提高信号频率分辨率,在ZFFT算法的基础上产生了ZFFT+FT算法。通过LabVIEW软件仿真试验研究了该算法对频率差1 Hz和0.5 Hz的微速差信号提取精度,并与chirp Z transform(CZT)算法、ZFFT算法以及FFT算法的提取精度作了对比,通过提取结果的相对误差及方差来衡量提取精度。在同轴微速差双转子试验台进行现场试验,利用FFT对微速差信号28 s数据集的提取结果与CZT,ZFFT及ZFFT+FT算法对4 s数据集的提取结果作对比,ZFFT+FT与FFT算法的提取结果最大相差0.56 μm,验证了ZFFT+FT的实时性和精确性。结果表明,ZFFT+FT算法能够实时精准提取频率差1 Hz以内的微速差信号。研究结果可为旋转机械微速差信号的提取提供参考。

化工生产人工误操作危险与可操作性分析研究

研究了危险化学品生产装置开、停车过程中人工误操作危险与可操作性分析系统,可为防范人工误操作提供新的分析方法,为防范事故提供技术依据。以吉林石化硝基苯初馏塔开车过程中由于人工误操作引发的爆炸事故为例进行了分析。

多转子轴系优化耦联及其不平衡响应有限元分析

建立了单跨转子和耦联转子系统的动力学有限元模型,通过数值解法获得轴系各转子残余不平衡量对轴系动力响应,分析了耦联转子系统各转子的残余不平衡量安装相对相位对系统不平衡响应的影响,获得两段和三段耦联轴系通过调整相对相位有效降低轴系振动的新方法。

容器运动型混合机在我国发展现状及展望

容器运动型混合机是一种应用广泛的粉体混合机.介绍了摇滚式混合机和摇摆式混合机近年来在我国发展状况,并着重介绍了有关摇滚式混合机和摇摆式混合机的结构及运动特点.由于传统的粉体混合机分类未包括此类混合机,建议混合机分类方法进行必要的改进.

旋转机械压液式自动平衡执行器流场仿真和性能参数分析

介绍了一种新型压液式在线自动平衡系统,基于Fluent软件,对执行器内部流场进行模拟仿真和性能参数分析,得到相关结论。实验结果表明,平衡液转移过程中,液体黏度10cSt比黏度100cSt时响应更快,为后续优化提供方向;转子不平衡振幅从18.3μm降低至10.6μm,验证了平衡系统的有效性。

人工自愈与动力机械振动故障靶向抑制

人工自愈是在故障机理和风险分析的基础上,通过仿生设计赋予机器自发作用的维持健康状态的能力,从而使机器储存、补充和调动自愈力以维持机体的健康状态。透平压缩机、发电机组和航空发动机等动力机械是工业和国防的心脏设备,一旦发生故障将导致事故和巨大损失,在运行中通过自监测、自诊断和主动控制来抑制故障的发生以实现自愈化,是机器向高级智能阶段发展研究中的一个重要方向。本文总结了北京化工大学诊断与自愈工程(DSE)研究中心在人工自愈与动力机械振动故障靶向抑制方面的主要研究工作及成果,并以转子轴系不平衡和压缩机转子失稳振动为例,证明了靶向抑制方法的有效性。以上成果可为自主开发具有自愈功能的智能动力机械提供科学依据。

故障自愈工程研究(英文)

介绍了现代医学自愈到治愈的发展历程,比较了装备与人的异同点.在系统学理论和现代医学中自恢复理论的基础上,提出了过程装备自愈调控原理,包括免疫、防御、代偿、自修复和适应等,可以用来指导研究装备自愈原理及工程应用;重点研究了以故障预防和消除为目标的装备系统自愈调控原理,为研制出具有自愈功能的新一代装备提供了科学依据.同时建立了3套针对不同工况的FSR模型,来模拟FSR系统的工作情况.

高速透平机械轴位移故障自愈调控系统研究

在机器故障停机前能做些什么?机器故障可否在运行中自行消除?本文对轴位移故障自愈调控系统做了研究。这套系统是通过调整平衡盘两侧的压力差来调整高速透平机械转子的残余轴向力。首先总结了轴位移故障的特征和导致故障的直接原因,将它们和可倾瓦止推轴承的性能相结合,组成一故障诊断专家系统。接着,通过在线实时检测机器的轴位移、轴向力以及轴承温度,由专家系统决定是否需要故障自愈调控系统。最后介绍了关于该自愈调控系统的试验设备。

工程复杂系统灾害形成与自愈防范原理研究

工程安全科学是涵盖机电工程、过程工程、信息论、系统论、控制论、耗散结构理论、医学、人文科学、社会科学的一门新兴科学。工程安全科学应该而且必将列入我国基础学科发展的行列。笔者探讨了工程安全科学的定义,重点研究工程活动中人-机-过程-环境复杂系统故障、事故发生发展及其防治、根除的规律,研究危险源隐患转化为危害或灾害的条件和影响因素及其监测、预防和控制。提出并讨论了工程系统灾害形成的机理,工程复杂系统灾害形成遵循的共性规律,工程复杂系统故障和事故的诊断预测以及灾害的防治原理。安全度既取决于危险又取决于控制能力。与故障作斗争是与疾病作斗争以另一种方式的延续。借鉴医学的“自主调理是治疗学的第一原理”和系统科学的自组织理论,提出并研究了故障自愈原理及安全的动态评价与灾害的自愈防范机制。该研究的理论和成果是落实科学发展观、促进人-机和谐和实现安全、绿色、节约型流程制造的重要途径。

流程工业装备绿色化、智能化与在役再制造

钢铁、石化等流程工业是国民经济的支柱产业,是实现制造强国和《中国制造2025》提出的重点发展十大领域的基础。目前,装备与过程不和谐导致我国石化、冶金等流程工业的能耗高、故障多等安全和经济运行问题十分突出。本文从设计建设、企业管理、政府导向和人才培养等方面分析了问题产生的原因,研究了流程工业机械装备绿色化和智能化与在役再制造科技发展战略,提出绿色设计制造、健康能效监控智能化和在役再制造等对策及政策建议。

工业互联网赋能装备智能运维与自主健康

概述了装备网络化监测诊断技术国内外发展历程,回顾了我国石化行业网络化监测诊断工程实践。提出了构建工业互联网装备智能运维系统的要点:工业互联网高质量数据采集与数据库、基于机理与数据驱动的溯源诊断与机群大数据分析及故障诊断专家系统。论述了工业互联网赋能智能运维和装备自主健康发展的途径。基于工业互联网应用工程实践的思考提出了今后的发展建议。

旋转机械振动故障原因及识别特征研究

机械故障诊断的研究，实质上就是对故障产生的原因和故障征兆参数（或称识别特征）进行分类，并找出二者相互对应关系。本文首次提出振动故障的一次原因和非准确分、倍频（分频滞后、同频滞后、倍频滞后）振动的概念，对传统的故障原因及特征频率分类方法进行了修正，使二者之对应关系更清晰、简捷。机械故障诊断工程实践表明，此方法是可行的，适用于透平机，离心压缩机、泵、风机等旋转机械。

机泵群实时监测网络和故障诊断专家系统

应用现代信息技术和人工智能实施设备诊断工程 ,逐步实现状态维修和预知维修 ,是大型流程工业企业降低生产成本的重要途径之一。概要介绍为实现这一目标所开发的机电装备实时监测网络和人工智能诊断技术。简要介绍了基于Ethernet和FDDI开发、应用于石化企业的机、泵群实时监测网络 ;首次提出了黑灰白集合筛选法 ,在一次原因分析法和故障机理及其识别特征研究基础上 ,应用此方法开发的基于黑灰白集合筛选法的机械故障诊断专家系统 ,用于工程实践取得了满意的结果。

装备系统故障自愈原理研究

装备故障可否在其运行中得到控制或自行消除?故障能否像人和动物的疾病一样可以“自愈”?在系统科学的指导下,移植现代医学“自主调理”治疗原理,包括免疫、防御、代偿、自修复和适应等,可以用来指导研究装备自愈原理及工程应用;重点研究了以故障预防和消除为目标的装备系统自愈调控原理,为研制出具有自愈功能的新一代装备提供科学依据。

未来装备医工程思维

按照耗散结构理论 ,人类与其所创造的装备在本质上是有共性的 ,在与疾病和与故障的斗争方面也有很多相同或相近之处。在系统论的指导下 ,将医学科学理论和方法用于装备的故障诊断、预测和防治 ,有可能逐步形成用工程手段来防治故障的专门用于装备的“医学”———“装备医工程” (PME ,plantmedicineengineering) ;讨论了疾病和故障成因及其诊断、病因和故障机理的深层规律、治愈和自愈、治标和治本等共性问题 ,并就汲取中医的黑箱法和西医白箱法的精髓 ,创建医工程的水晶箱法进行了探讨 ;应用上述理论 。

航空发动机振动故障监控智能化

军用航空发动机振动问题十分突出,是困扰设计、研制、生产和使用新一代发动机的瓶颈。分析论述了高质量数据采集是发动机振动故障监控的关键、基于振动故障机理和数据驱动的智能诊断、人工自愈原理与振动故障自愈调控系统、航空发动机整机动平衡与自动平衡等原理和技术,并对其团队40年从事状态监测诊断的研究成果及工程应用作简要回顾。提出了未来航空发动机振动故障监控智能化的发展目标和建议。

设备诊断工程与集散监测系统

论述了随着设备诊断工程的发展，开发和应用在线监测系统的必然性。简述了在线监测系统在国内应用及开发简况；分析了当今世界在线监测系统的发展趋势。首次提出了集散监测系统（ＤＭＳ）的概念，并探讨了其在我国的发展方向。