【数字化及智能化】人工自愈技术概论及其在机械装备领域的应用

　  中华医学认为“自主调理是治疗学的第一原理”，人的疾病可以“自愈”，也可以“治愈”，保持健康的根本点不在于那种宏观的稳定状态，而在于调节控制那些建立和保持这种状态的具体机制。疾病的痊愈终归还得依靠人体的自愈能力，包括免疫、防御、代偿、自修复和自适应等。人工自愈是借鉴和移植现代医学“自主调理”治疗的原理，集成状态监测诊断技术、人工智能技术、主动和自适应控制技术、智能结构和自修复材料、嵌入式技术等，研究并应用以故障预防和自消除为目标的装备自主调控和自修复技术，使机械装备系统具备故障自愈功能。

一、技术背景

　　(1)人工自愈技术简介

　　人工自愈是现代机器与中华医学崛起催生出的治“未故障”或自修复的科学理论。人工自愈的研究领域非常广泛，与人工自愈密切相关的自愈化技术大致可以分为如下四类：①自修复技术;②代偿技术;③自保护技术;④自愈调控技术。人工自愈和人工智能一样是研发智能装备的理论基础。人工智能模仿人脑的意识思维，控制行为实现自动化;人工自愈模仿人无意识思维的自愈机制，抑制故障实现自愈化。人工智能会使装备更聪明，人工自愈会让装备更健康。

　　(2)人工自愈发展历程

　　1968年起美国学者提出的自愈系统都是在计算机、电网、飞行器和工业控制系统领域，是以确保系统性能和功能为主。20世纪90年代始，我国石化行业应用工业互联网和人工智能，开展装备远程监测诊断和智能运维，在此的基础上，2003年我国学者提出机械装备系统的自愈原理，2018年正式提出人工自愈和装备自主健康的概念。

　二、应用拓展

　　(1)透平压缩机组典型自愈化技术

　　透平压缩机组采用人工自愈技术，可实现转子的自动平衡、轴位移自愈调控、抑制转子轴封激振等功能，如下图所示。

　　在实际的应用案例中，天津石化公司引进德国西门子压缩机组，在试车时强振机器损坏，导致上千万元的损失。为了解决该问题，天津石化公司在压缩机组中安装调谐质量阻尼器(TMD)，由质块、弹簧与耗能阻尼系统组成。即将其振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减振的目的。压缩机组安装调谐质量阻尼器(TMD)之后，具备了抑制转子多频振动的自愈功能，振动值从改造前的8.48mm/s下降到2.83mm/s。

　　(2)超重力机电磁自动平衡系统——改变质量分布

　　超重力机(国外称之为 HiGee 或 Rotating packed beds，RPB)是一种化工过程强化的新型技术装备。在实际工程应用中，大型超重力机长期运转会产生振动过大的问题。这是由于气液两相在离心力场反应过程中，转子(填料盘)中的残留物积累致使转子产生了质量不平衡所导致的。特别是当残留物脱落致使转子突然失衡，引发强烈的振动，导致轴承和机械密封损坏。

　　下图是为装有单平面电磁型自动平衡系统的超重力机结构示意图。其中，电磁型自动平衡装置安装在产生转子不平衡的振源附近，即填料盘的下面。电磁型主动平衡系统的振动传感器通过磁座吸附在超重力机转子轴承箱外侧，测量球轴承处的振动值。在启动电磁型在线自动平衡系统后，在5s内振动幅值从平衡前的30.4μm降低到了平衡后的10μm以下，起到了很好的平衡效果。证明该电磁型自动平衡装置能够快速降低瞬时产生的振动，使瞬态不平衡造成的危害不至于进一步扩大，对超重力机转子系统起到了很好的保护作用。

　　(3)旋转机械气压液体式不平衡振动故障靶向自愈调控系统

　　基于故障自愈与靶向抑制原理，针对旋转机械中常见的不平衡振动故障，有学者发明了一种新型气压液体式靶向自愈调控系统。该系统利用压缩空气，有确定目标地驱动平衡液在位置相对的储液腔间转移，进而改变平衡盘内的液体分布，使其产生自愈力抵消转子本身的不平衡故障力。气压液式自动平衡系统工作原理如下图所示。位移和转速传感器分别用于测量不平衡量的大小和相位，控制单元根据不平衡量的上述两参数，确定校正质量并发出控制信号，打开电磁阀组中相应的电磁阀。压缩空气通过气源分配器和平衡盘中的气体流道进入相应的储液腔。在压缩空气的驱动下，平衡液从一个储液腔转移到相对的储液腔，以此来改变平衡盘中液体的质量分布。通过两组储液腔中液体的转移，产生用于平衡转子的校正质量。当转子的不平衡振动幅值低于限定值后，平衡系统执行器停止工作直至系统振动再次升高。

　　自动平衡系统工作原理图

　　针对旋转机械对平衡盘安装位置的不同要求，分别有轴间和轴端安装两种结构。在线自动平衡性能验证试验验证，两种平衡结构均可在15s内快速降低转子的振动幅值，且降幅均在90%以上。

　　(4)基于电磁力参数快速寻优的转子多频振动抑制研究——施加电磁自愈力

　　高速旋转机械复杂结构在多元激励下会同时产生多种复杂频率的振动，同时抑制不同频率的振动一直是工程上的难题。有学者提出一种转子多频振动的在线主动抑制方法。其原理如下图所示，该方法利用电磁作动器向转子施加多个与转子振动频率相匹配的旋转电磁力，通过在线自寻优的方式确定电磁作动器控制电流的相位和幅值，使施加的多个频率成分的旋转电磁力能够削减转子的多频振动幅值，实现转子系统的多频振动实时抑制。该控制方法既能同时有效的抑制多个振动频率成分，也能单独对某个频率成分进行有效抑制，实现了各个频率成分的并行控制。

　　有学者搭建了如下图所示的试验台。该试验装置主要由主轴、圆盘、电磁作动器转子及定子、可倾瓦轴承、传感器及数采装置、控制系统及驱动系统组成。在联轴器上加工有键相槽，通过键相传感器可检测转子转速，同时也作为振动信号分析及控制系统的零相位触发标志;电磁装置处安装有电涡流位移传感器，用来测量转子的振动位移，并作为控制系统的输入;两轴承处也装有电涡流位移传感器，并采用OR38振动信号分析仪来监测转子抑振效果。试验结果表明，该控制方法既能同时有效地抑制多个振动频率成分，也能单独对某个频率成分进行有效抑制，实现了各个频率成分的并行控制，验证了方法的有效性。

　　三、总结与展望

　　自愈化可根据环境和任务的变化，使装备不仅具有参数调节的适应能力，也具有结构适应能力，促进装备的智能化水平由可控化、自动化真正实现自维护、自适应和大幅度减少对人的依赖程度的高级智能阶段。自愈化与自动化一样是实现智能制造的重要途径，具有广阔的应用前景。