1、机械故障诊断理论与方法,第一章 机械故障诊断绪论,什么是机械故障？机械故障怎么表征？用什么技术手段去寻找故障特征？如何正确有效地诊断出故障？避免和防止故障及其后果的措施是什么？,第一章 机械故障诊断绪论,一、机械故障诊断研究的意义和内容 主要内容： 设备运行过程的状态监测； 设备运行状态的识别诊断； 设备运行趋势的分析预测； 历史情况（停机时间、维修工作量） 事后维修： 定期维修； 视情维修；,二、主要技术手段及各自特点 1、振动诊断技术 振动测试、信号处理,正常车辆的变速箱垂直方向振动谱,异常车辆的变速箱垂直方向振动谱,2、油液分析技术 铁谱、光谱,正常滑动磨粒（左上）严重滑动磨粒（右上）切
2、削磨粒（左下）,疲劳剥离磨粒（左上）铝磨粒（右上）铜合金严重滑动磨粒（右下）,3、温度检测技术 红外技术,红外热像仪,测温笔,测温仪,红外辐射测温仪,4、无损检测技术,材料在塑性变形或损伤破坏过程中释放应变能/产生应力波声发射（AE）AE源信号包括：裂纹、腐蚀、分层/脱粘、泄漏传感器接收AE信号，通过系统进行信号处理、分析进行缺陷分析和无损检测 (from ASTM E610-82),声发射检测原理,5、工业内窥镜,齿轮点蚀,轴承状态,三、故障诊断的科学问题与关键技术,狭义的讲，机械健康时，积累一套模态数据，已知故障了，停机，再进行一次模态分析，通过模态参数的变化，推知机械物理参数的变化，实现
3、包括故障的准确定位、损毁程度的估计，指导修复。 故障诊断领域的研究，多年来一直把信号分析、故障模式匹配、远程测量作为主要研究对象，大大地忽略了振动机理研究和原始参数获取的过程。,对一个确定的结构或系统输入X、输出Y和系统的关系：,动力学正问题： 已知结构（设计）和载荷X（环境），求响应Y（结果）。 强大的数值计算手段，成熟的商用大型有限元分析软件，高速计算机硬件。,第一类反问题 已知: 载荷X（环境） 响应Y（结果）求： 结构（设计）即: “模态分析”,第二类反问题 已知: 结构（设计） 响应Y（结果） 求： 载荷X（环境） 即： “载荷辨识”,进一步扩展的复杂反问题： 仅仅已知： 响应Y（结
4、果） 求： 结构（设计） 以及载荷X（环境） 即： “工况载荷下系统辨识及载荷识别”,如果没有其他先验知识、假设和信息补充，从逻辑上说，这是不可能的。然而却是越来越迫切的故障诊断的实际要求。,四、机械故障诊断的发展趋势,机械设备状态监测与故障诊断是一门正在不断完善和发展的交叉型学科是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术是机械学科领域的研究热点之一故障诊断学科需解决的重要问题故障特征信息提取和故障分类、识别的新理论、新方法复杂故障产生机理及模型的深入研究故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和 网络化远程诊断系统,第二章 机械故障诊断的基本原理,机械故障诊断学包括机械故障诊断的原理与技术两大部分
5、。 本章首先讨论几个与机械故障诊断有关的基本问题，主要包括： 机械故障诊断概述 ; 故障特征参量表征; 故障诊断的一般思维方法。,第一节 机械故障诊断概述,一、机械故障及其分类二、故障诊断及其分类三、机械故障诊断的基本环节,一、机械故障及其分类,定义: 机械故障（Fault异常/Failure失效）， 是指机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。例: 发动机发动不起来、汽车刹车不灵、机床运转不平稳、机床加工精度超标、机器运行时振动噪声过大、齿轮轮齿折断等等现象。,一. 机械故障及其分类,分类的目的： (1)便于信息交互与交流； (2
6、)便于处理故障时更有针对性。分类方法: 机械故障可以从不同的角度来进行分类 (1)按其发生的原因分 (2)按其造成的后果分 (3)按其发生的快慢分 (4)按其发生的范围（程度）分 (5)按其发生的频次分 (6)其他角度来进行分类（所采用的技术手段）,二、机械故障诊断及其分类,定义：所谓机械故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分析其产生的原因、部位和严重程度，并预报其发展趋势。分类的目的: 主要是为了便于信息交流分类方法: 机械故障诊断可以分类如下： (1)按其目的分; (2)按其方式分 (3)按其提取信息的方式分; (4)按诊断时所要求的机械运行工况条件分;
7、 (5)按功能分。,一. 机械故障及其分类,1. 按其发生的原因分磨损性故障：是指机械系统因使用过程中的正常磨损而引发的一类故障，对这类故障形式，一般只进行寿命预测。 (2) 错用性故障：是因使用不当而引发的故障。(3) 先天性故障：是由于设计或制造不当而造成机械系统中存在某些薄弱环节而引发的故障。,一. 机械故障及其分类,2.按其造成的后果分(1) 危害性故障：故障发生后会对人身、生产和环境造成危险或危害的一类故障，如机床保护系统不能进行有效地工作而造成损害工件或操作者的故障、毒气泄漏、高压罐爆炸等。(2)安全性故障：故障的发生不会对人身、生产和环境造成危害的一类故障，如保护系统在不需保护时
8、动作的故障等。,一. 机械故障及其分类,3. 按其发生的快慢分(1) 突发性故障：不能靠早期测试探测出来的一类故障。即此类故障是不可预测的，对这类故障只能进行预防，如过载造成机件损坏。(2) 渐发性故障：故障的发展有一个过程，因而可对其进行预测和监视，如疲劳裂纹的产生和扩展。,一. 机械故障及其分类,4. 按其发生的范围分 (1) 部分性故障：设计功能部分丧失的一类故障。 (2) 完全性故障：设计功能完全丧失的一类故障。5. 按其发生的频次分 (1) 偶发性故障：发生频率很低的一类故障，即“意外现 象”，如齿轮断齿。 (2) 多发性故障：经常发生的一类故障，如齿轮磨损。 机械故障还有其它分类方
9、法，如单一故障/复杂故障等。,二、机械故障诊断及其分类,1. 按目的分(1) 功能诊断：即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功能是否正常，也就是投入运行前的诊断。(2) 运行诊断：即对服役中的机械系统进行的诊断。2. 按方式分(1) 在线监测：就是连续地对服役中的机械系统进行监测，测试传感器及二次仪表等安装在设备现场，随机械系统一起工作。(2) 巡回检测：就是每隔一定的时间对服役中的机械系统进行检查和诊断；,二、机械故障诊断及其分类,3. 按提取信息的方式分 (1) 直接诊断：诊断对象与诊断信息来源直接对应的一种诊断方法，即一次信息诊断。如通过检测齿轮的安装偏心和运动偏心等参数来判断齿轮运转是
10、否正常即属此类； (2) 间接诊断：诊断对象与诊断信息来源不直接对应的一种诊断方法，即二次、三次等非一次信息的诊断。如通过测箱体的振动来判断齿轮箱中齿轮是否存在偏心等。4. 按诊断时所要求的机械运行工况条件分 (1)常规工况诊断：在机械的正常运行条件下进行的一种故障诊断方式； (2)特殊工况诊断：对某些机械，需为其创造特殊的工作条件才能对其进行诊断。如动力机组的升降速过程诊断。,二、机械故障诊断及其分类,5. 按功能分 (1) 简易诊断：对机械系统的状态作出相对粗略的判断。一般只回答“正常与否”、“有无故障”等问题，而不分析故障原因、故障部位及故障程度等。又称“状态监测”。 (2) 精密诊断：
11、是在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程，它不仅要回答“正常与否”、“有无故障”的问题，而且还要详细地分析出故障原因、故障部位、故障程度及其发展趋势等一系列的问题。又称“故障诊断”。 机械故障诊断还可根据所采用的技术手段不同而分为振动诊断、油样分析、温度监测、无损检测等,三、机械故障诊断的基本环节,一个完整的诊断过程一般由以下四个基本环节组成：1. 确立运行状态监测的内容;2. 建立测试系统;3. 测试、分析及信息提取;4. 状态监测、判断及预报,三、机械故障诊断的基本环节,基本环节1：确立运行状态监测的内容 主要包括确立监测参数、监测部位及监测方式(在线/巡检)等方面的内容，这主要取决于故障
12、形式，同时也要考虑被监测对象的结构、工作环境等因素以及现有的测试设备条件，这是整个诊断工作的基础。 状态监测的内容确立得当，不仅能极大地提高诊断效率，有时甚至决定着诊断工作的成败。如矿用风机轴承的温度、振动监测。,三、机械故障诊断的基本环节,基本环节2： 建立测试系统根据步骤1的要求选取传感器及其配套仪器，组成测试系统，用以收集故障诊断所需的信息。在建造测试系统时，不仅要注意有用信号的获取（灵敏度和精度等性能），同时还要考虑测试系统的环境适应性以及如何在测试阶段进行降噪除噪等，以便简化后续的信号分析处理过程。正确、有效信号的取得是准确诊断的先决条件，偏离了这个前提，诊断工作就无从谈起。,三、机
13、械故障诊断的基本环节,基本环节3： 测试、分析及信息提取 主要内容：对测试系统所获得的信号进行加工，包括滤波、异常数据剔除、各种分析算法（如时域、频域）等。 主要目的： 从有限的信号中获得尽可能多的关于被诊断对象状态的有用信息，这是机械故障诊断的核心。 基本环节4：状态诊断、监测及预报 主要内容：构造或选定判据，确定划分设备状态的各有关参量的门槛值等内容。 主要目的：判定被诊断对象的运行状态，并对其未来发展趋势进行预测。,第二节 故障特征参量,一、故障特征参量的定义二、故障特征参量的选取原则三、故障特征参量的选定方法,一、故障特征参量的定义,对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题是： (1)
14、这种故障通过哪些物理参量表现出来? (2)这种故障与各物理参量间的关系强弱情况如何? 一般而言，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生了变化，就必定会影响到与之相联系的各个动态物理参量，牵涉面较广。而故障类型与物理参量的关系强弱是我们最感兴趣的。因为只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障敏感可靠的物理参量才被用于故障的诊断。 故障特征参量的定义：对故障敏感、稳定可靠的物理量（原始/运算后）称为故障特征参量。,一、故障特征参量的定义,说明1：机械系统的故障类型千差万别，与每一种故障类型相对应，机械系统必定会通过一个或多个物理参量将其表征出来 (一因多果)；每一种故障类型也必须由一种或多种原
15、因所引起 (一果多因)。如齿轮齿面点蚀。 故障表现与其特征参量和故障原因之间存在的对应关系： F = f (1 ,2 ,3 ,.） F 某种故障类型； 1 ,2 ,3 各特征参量或故障原因。 故障诊断就是要确定F与1 ,2 ,3.之间的某种对应关系 f，以便通过检测1 ,2 ,3 来判断故障类型F是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成 F 产生的原因1 ,2 ,3 等。,一、故障特征参量的定义,说明2: 对于同一种故障类型，当它们发生在不同的机械系统上时，其故障特征参量也不同，因此，在确定某种故障的特征参量时，应结合具体的系统进行。 例如：一般机器的轴承发生故障时，其温度会升高，此时温度可
16、选为故障特征参量。然而，对于矿用通风机，其转子轴承处于风道内，受到强风冷却，即使出现故障温度也未必明显升高，此时就不宜选用温度作为轴承故障的特征参量。,二、故障特征参量的选取原则,1. 高度敏感性：机械系统状态的微弱变化应引起故障特征参量较大的变化；2. 高度可靠性：故障特征参量是依赖于机械系统的状态变化而变化的，如果把系统状态取作自变量，故障特征参量取作因变量，则故障特征参量应是系统状态这个自变量的单值函数；3. 实用性(或可实现性)：故障特征参量应便于检测，如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不易获得(经济、技术方面的考虑)，那么这个物理参量也不便用作故障特征参量。如齿面温度。
17、,三、故障特征参量的选定方法,理论分析 + 实验原因： （1）故障的复杂性及多因多果性; （2）故障类型不同，其故障特征不同，其故障特征参量也不同； （3）即使是同一种故障类型，当其环境条件(包括故障主体)发生变化时，其故障特征参量也不同。,第三节 机械故障诊断的一般思维方法,故障识别理论与思维科学以及故障诊断技术的发展密不可分。从传统诊断技术向现代诊断技术发展。传统诊断技术：识别理论主要借助形式逻辑进行一些简单的推理。现代诊断技术：有故障树分析、模式识别、模糊诊断等多种识别理论。本节讨论形式逻辑推理与故障树分析的基本原理。,第三节 机械故障诊断的一般思维方法,一、形式逻辑推理,故障诊断过程是
18、一个观察、假设、验证、修正假设、再验证，直至找到故障的真正原因的过程。故障诊断过程可分为五个步骤： (1) 调研考察，得出故障现象； (2) 假设原因； (3) 由假设原因推断出应有的结果； (4) 将推断结果与考察所得的现象进行比较； (5) 得出假设成立与否的结论，如果原假设不成立，则需另立假设。以上第 3)、4)、5) 是属于证实或推翻假设。在分析故障时，往往进行某些试探性的调整、拆卸，观察故障症状的变化，以查寻或反证故障发生的部位。,二、故障树分析法(FTA)概述,故障树分析法(Fault Tree Analysis)是由美国贝尔电话研究所沃森（Watson）和默恩斯（Mearns）于
19、1961年首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统的故障诊断。其后，波音公司的哈斯尔（Hasse）等人研制出故障树分析法计算程序，标志着故障树分析法进入了以波音公司为中心的宇航领域。1974年后故障树分析法从宇航、核能进入电子、化工和机械等工业领域。,2.1 故障树分析法概述,故障树分析，就是首先选定某一影响最大的系统故障作为顶事件，然后将造成系统故障的原因逐级分解为中间事件，直至把不能或不需要分解的基本事件作为底事件为止，各事件用逻辑门相联系，这样就得到了一张树状逻辑图，称为故障树。如图1-1所示。,故障树分析法(FTA)引例：,2.2 故障树分析法主要步骤,故障树分析就是以故障树为基础，
20、分析影响顶事件发生的底事件种类及其相对影响程度。故障树分析的主要步骤： (1)建立故障树; (2)故障树的定性分析; (3)故障树的定量分析。,2.3 故障树的建立,建树方法：人工建树、计算机辅助建树。建树思路：(1) 确定顶事件; (2) 建立边界条件; (3) 建立原始故障树; (4) 故障树的简化; (5) 定性分析; (6) 定量计算,2.4 建树实例-减速器的故障,建树实例-减速器的故障(续),在本例中，减速器的故障就是顶事件。假定减速器故障仅包括漏油、振动噪声超标和减速器不能工作三种形式，它们可作为故障树的第二级。而减速器的振动噪声可能来自齿轮箱，也可能来自基座、电机或工作中的不平稳外载荷，它们可作为故障树的第三级。齿轮箱由转轴组件和轴承系统组成，它们构成故障树的第四级。而转轴组件又包括齿轮和转轴，成为故障树的第五级，这样层层分解，最后可以建立如图1-2（P13）所示的故障树。 一张实际的故障树可能非常复杂，这取决于考虑问题的角度和出发点。,
