创新诊断技术 护航机械“健康”——访西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任何正嘉

文/高妍 杨进平

创新诊断技术 护航机械“健康”
——访西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任何正嘉

文/高妍 杨进平

随着科学技术和现代工业的飞速发展，国民经济各行业的机械设备日趋大型化、高速化、集成化和自动化。如百万千瓦大型发电机组、百万吨级乙烯及重催成套装备、超过300公里时速高速列车、航空航天运载工具、大型连轧机组、大型舰船、大型掘进装备等，这些关键机械设备一旦出现事故，将带来巨大的经济损失和人员伤亡。国内外因机械设备故障失效而引起的灾难性事故屡有发生，对机械故障诊断提出了严峻的挑战。

机械故障诊断通过研究设备在运行过程中动态性能的变化规律，掌握其运行状况，以期尽早发现故障及其原因，并预报故障发展趋势。该技术能够保障生产安全和人身安全，预防恶性事故的发生；提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，降低故障损失；同时，能够为设备的优化升级提供数据和信息支撑。

上世纪60年代中后期，美国宇航局倡导成立了机械故障预防小组，是为近代机械故障诊断技术研究的开端。我国诊断技术的发展始于70年代末，而1983年南京首届设备诊断技术专题座谈会的召开，则被公认为我国机械故障诊断技术的真正起步。

我国的机械故障诊断技术虽然起步较晚，但经过30年的努力，已基本跟上国际步伐，在电力、石化、炼油、冶金、交通、航空、载人航天等领域都已得到广泛应用。在一批机械故障诊断专家的共同努力下，近年我国的机械故障诊断已在某些理论研究方面形成了自身特色，并研发出了一批自主创新的监测诊断产品，足可媲美国际。

如果把机械比作一个“人体”，那么它的构成部件就是各个“器官”，而机械设备故障诊断专家就是能够及早诊断“人体”和“器官”疾病，并将其扼杀在摇篮中，为“人体”健康保驾护航的“医生”。

西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任何正嘉，就是这样一位运用高超“医术”护航机械“健康”的“医生”。他从事工矿企业设备状态监测、故障诊断研究及应用40余年，在机械设备结构裂纹定量识别、非平稳信号故障诊断和智能预示等方面开展了基础理论研究和重要工程应用，取得了诸多创新性成果，对推动我国机械设备诊断发展作出了突出贡献。

发明裂纹动态定量诊断新技术

裂纹动态定量诊断新技术是何正嘉近期取得的代表性成果之一，其研究始于上世纪90年代中后期。何正嘉带领团队经过10余年的潜心研究和探索，发现并揭示了裂纹位置、裂纹深度与裂纹动态响应信号之间的内在联系，发明了基于小波有限元模型的三线相交结构裂纹的动态定量诊断方法，实现了大型回转机械结构裂纹动态定量诊断，解决了裂纹位置与深度的动态定量诊断这一国内外故障诊断领域的前沿与挑战性难题。

在研究过程中，何正嘉首先建立了适宜结构裂纹故障诊断的小波有限元理论，采用多分辨多尺度小波函数替代传统有限元的多项式插值函数，实现了结构裂纹的高精度建模；随后提出了一种经验模式分解与拉普拉斯小波相结合的机械设备运行模态参数精确识别新方法，从而获得了裂纹定量诊断所需的结构前三阶固有频率；最后，结合结构裂纹的小波有限元模型与运行模态参数的提取，发明了基于小波有限元的结构动态响应三线相交裂纹定量诊断方法，根据三条固有频率响应曲线的交点，动态定量诊断出裂纹的位置与深度。基于上述创新理论与方法，何正嘉最终研发出了机械结构裂纹定量诊断仪，可应用于汽轮机和航空发动机转子等结构的裂纹诊断，对关键设备安全运行与避免灾难性事故发生意义重大。

目前，该成果从基础理论、技术实现到仪器开发，已经形成了一整套技术，在东方汽轮机公司、某航空发动机维修厂、西门子信号有限公司、上海宝钢等50余家企业得到应用，获得了良好的经济效益与社会效益。东方汽轮机公司对北京京能热电股份有限公司的200MW机组转子进行通流扩容改造时，就利用小波有限元裂纹诊断技术，提前诊断出汽轮机转子裂纹，比传统方法效率提高了约10倍；针对某型号航空发动机高压转子内部裂纹因探头不可到达而难以无损探伤，利用小波有限元建模和动态测试，实现了裂纹定量诊断，成为某厂航空发动机安全维修中一种重要检测技术。实践证明，何正嘉所研制的机械结构裂纹定量诊断仪对裂纹位置与深度的定量识别误差均在5％以内。

这一成果填补了国内外在机械结构裂纹动态定量诊断领域的技术空白，能够确保设备安全运行，避免因裂纹引起的灾难性事故发生。

与该成果相关的“机械结构裂纹的小波有限元定量诊断技术与应用”项目获2008年教育部技术发明一等奖，“大型回转机械结构裂纹的动态定量诊断技术与应用”获2009年国家技术发明二等奖，并出版专著《小波有限元理论及其工程应用》。为纪念裂纹研究50周年，国际权威期刊MSSP于2008年出版专刊，大篇幅引用该成果，并评价该方法是一种精确的新方法；国内业内权威专家也对该成果作出评价：“裂纹动态定量诊断属原始创新，解决了国际难题，属于国际先进水平。”

何正嘉(前右一)在进行汽轮机转子缺陷诊断

开拓非平稳高精度诊断新领域

在裂纹动态定量诊断新技术研究之前，何正嘉的主攻方向在机械故障非平稳高精度诊断领域。

何正嘉在研究中发现，傅里叶变换、小波变换、第二代小波变换、多小波变换等的共同本质是数学上的内积变换，由此揭示了不同机械故障高精度诊断的内积变换数学原理，并指出，构造和运用性能优良的基函数与动态信号进行内积变换，是提高机械监测诊断合理性和准确性的关键技术；他率先将先进的非平稳信号处理方法引入机械监测诊断领域，提出了变工况非平稳机械设备运行故障诊断方法，从多尺度、多分辨时频域提取故障信号特征，克服了采用传统平稳信号诊断方法难以准确提取变工况运行设备非平稳故障特征的不足；最终开发了机械故障非平稳高精度诊断系列新技术，其中包括小波包自回归谱、小波包分解频带能量监测、第二代小波解调、自适应多小波等方法，实现了故障特征精确提取。

机车走行部故障检测

在上述成果的基础上，何正嘉开发了机车走行部、发电机组等关键机械设备运行监测诊断系列实用技术和在线监测诊断网络系统，开拓了机械故障非平稳高精度诊断的新领域。

目前，该技术和系统已经在株洲南车时代电气公司、西固热电厂等企业开展了重要工程应用。开发了JZT——1型机车走行部状态监控与故障诊断车载装置，实现了机车轴承、齿轮等关键部件的在线监测诊断与报警，成功诊断多起故障，为保障铁路安全运行发挥了重要作用，经广州铁路集团公司科委组织鉴定，整体技术国内领先。

西固热电厂 5号汽轮发电机组长期存在不规则的剧烈振动，致使机组出力不到一半。何正嘉利用该系统诊断，发现是导汽管膨胀不均匀造成汽轮机动静间隙变化，引发蒸汽激振，从而彻底解决了这个老大难问题，保障了机组正常发电。相关成果经陕西省科委鉴定为国际先进水平、部分成果为国际领先水平。

应用该技术的“大型机械设备变工况非平稳动态分析与监测诊断关键技术”项目，解决了工矿企业急需，经国际联机检索、国内专家评审和鉴定，研究成果分别具有国际先进和国际领先水平，获得1999年国家科技进步三等奖。“机械设备现场动态分析与变工况监测诊断技术”项目也获得1996年国家教委科技进步一等奖。另外，何正嘉总结该先进成果，与团队成员一起出版了《机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用》(2001年)等论著。

提出故障智能预示新方法

在对机械设备故障诊断理论方法的贡献中，何正嘉还有一项创新性成果，那就是他在机械设备早期故障智能预示方面提出的新方法。在主持国家自然科学基金重点项目“大型复杂机电系统早期故障智能预示的理论与技术”期间，何正嘉通过大量的理论研究和实践探索，总结提出了机械设备的早期微弱故障特征增强、复合故障特征解耦、混合智能诊断与运行可靠性评估等方法，为重大机械装备早期故障智能预示和运行安全保障提供了新理论和新技术。

自2007年至今，何正嘉已应用该技术在工程中诊断出百余起重要机械故障，其中为兰州炼油化工总厂、太原重型机械集团、上海宝钢、西门子信号有限公司、西安北方光电公司、东方机械厂、山西焦煤集团、天津津华无线电厂等诊断出了轴瓦松动、轧机齿轮轴承损伤、转辙机螺杆裂纹、烫金模切机关键部件结构裂纹、磨床砂轮主轴承损伤、蜗杆磨损、录音机机芯抖晃等种种故障，有效避免了事故发生和重大损失，获得了显著的经济效益和社会效益，相关成果获得国家教委科技进步二等奖2项、电子工业部科技进步二等奖1项。

此外，何正嘉还为企业培训相关技术人员千余人，提高了企业自身的机械设备故障诊断能力。鉴于在故障诊断学术界和工程界的广泛影响，受全国机械振动与冲击标准化技术委员会委托，何正嘉还担任了国家标准GB/T 2298——2010《机械振动、冲击与状态监测词汇》制定的直属工作组组长，历时两年制定该新标准并获国标委批准，为工程振动领域基础标准的制定作出了贡献，促进了机械设备故障诊断的发展。

打造一流科研教学团队

何正嘉在精于科研、推动应用的同时，始终遵循严谨治学、团队至上的准则，兢兢业业，执着付出。

科研中，他以西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械制造系统工程国家重点实验室系统监控与诊断方向学术带头人的身份，领导开创了诸多创新性理论、技术与系统，推动了中国机械设备故障诊断的发展，被评为“全国优秀科技工作者”。

教学中，他负责并组织建设了机械基础实验教学国家级示范中心和3门国家级精品课程，被评为“陕西省师德标兵”。

团队里，他又是必不可少的主心骨和学术带头人。由他组建的“装备智能诊断与控制”科研教学团队更是精干有力的精英团队，目前该团队拥有教授16名，其中教育部长江学者1名、新世纪优秀人才6名、全国百篇优秀博士论文获得者1名、陕西科技之星1名，为装备制造学科的发展凝聚了CAD/CAM、数控技术、故障诊断和减振降噪等领域一批骨干力量。

继承、发扬、探索、进步，社会在传承与创新中不断向前。“继往开来”，这四个字饱含着多少人的艰辛与付出，凝结着多少人的汗水与心血。正是有了以何正嘉为代表的老一辈机械故障诊断专家的执着探索、无私奉献，才有了我国机械故障诊断事业的发展。路漫漫兮其修远，中国机械设备故障诊断的进步是一个长期而艰巨的过程，必将随着科技进步与社会发展呈现出崭新的面貌，而这，需要新老两辈人的共同努力，传承、创新，并肩求索。

西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任何正嘉

何正嘉，教授、博士生导师，西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任。

从事工矿企业设备状态监测、故障诊断研究及应用40余年，在机械设备结构裂纹定量识别、非平稳信号故障诊断和智能预示等方面开展了基础理论研究和重要工程应用，取得了诸多创新性成果，对推动我国机械设备诊断发展作出了突出贡献。

以第一完成人获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步三等奖1项，获省部级一等奖2项、二等奖1项，获得授权发明专利5项，出版著作7部，发表论文350篇。

何正嘉，教授、博士生导师，西安交通大学机械装备诊断与控制研究所所长、机械基础实验教学国家级示范中心主任。1968年毕业于西安交通大学应用力学专业，1982年获西安交通大学机械制造工学硕士学位，1998年获日本九州工业大学信息工学博士学位。现担任中国振动工程学会常务理事、故障诊断学会副理事长职务，为国际标准化组织ISO/TC108/SC5中国专家组成员。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步三等奖1项，获省部级一等奖2项、二等奖1项，获得授权发明专利5项。出版著作7本，发表论文350篇，其中SCI收录72篇、EI收录100篇，论著被国内外引用3613次，其中专著《机械故障诊断学》被引用1426次。