第一章-机械故障诊断的基本原理(CUMT)

中国矿业大学机电学院1第一章机械故障诊断的基本原理§1.1故障特征参量§1.2机械故障诊断的一般思维方法机械故障诊断中国矿业大学机电学院2第一节故障特征参量一、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这种故障通过哪些物理量表现出来；②各物理参量与故障间的关系强弱情况如何。只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障灵敏可靠的物理参量才被用于故障的诊断。在机械故障诊断学领域，将这些对故障灵敏、稳定可靠的物理量称为故障特征参量。第一章机械故障诊断的基本原理中国矿业大学机电学院3式中F－某种故障类型；－各种特征参量或故障原因12,,12,,12,,12,,故障诊断就是确定F与之间的某种对应关系f，以便通过检测来判断故障类型F是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成F的原因等。第二节故障特征参量故障表现与特征参量和故障原因之间存在如下的对应关系：12(,,)Ff中国矿业大学机电学院4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。井下风机轴承故障中国矿业大学机电学院5二、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的较大变化。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，如果把故障特征参量取作应变量，系统状态取作自变量，则故障持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）故障特征参量应是便于检测的，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(经济的、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。第二节故障特征参量中国矿业大学机电学院6三、故障特征参量的选定方法故障特征参量一般通过理论分析和实验的方法来确定。第二节故障特征参量不同故障，特征参量不同同一故障，当环境发生变化时，特征参量也不同中国矿业大学机电学院7第二节机械故障诊断的一般思维方法与传统的诊断手段相对应的识别理论只能借助形式逻辑进行一些简单的推理；而与现代诊断技术相对应，则有故障树分析、模式识别以及模糊诊断等多种识别理论。本节讨论：逻辑推理故障树分析第一章机械故障诊断的基本原理中国矿业大学机电学院8可把故障诊断过程划分为以下五个步骤：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。第三节机械故障诊断的一般思维方法一、形式逻辑推理中国矿业大学机电学院91．原因与结果引起某现象产生的现象叫做原因，由另一现象引起的现象叫结果。2．因果关系的特性(1)因果关系的相对性(2)因果关系的确定性(3)因果关系的普遍性第三节机械故障诊断的一般思维方法几个逻辑的概念中国矿业大学机电学院10首先确定可能的原因或结果从可能的原因或结果中进行比较删除虚假成分，找出真正的原因或结果。中国矿业大学机电学院113．逻辑推理方法(1)契合法(求同法)场合先行（或后行）情况被研究现象123ABCaADEaAFGa、、、、、、结论：情况A是现象a的原因（结果）第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院12场合先行（或后行）情况被研究现象(2)差异法(求异法)在故障分析时，形成上述差异场合的方法有轮流切换法和换件比较法。12ABCaBC、、-、、结论：情况A是现象a的原因（结果）第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院13轮流切换法：场合先行（或后行）情况被研究现象1234ABCaACaABaBC、、、-、、、--、、结论：情况A是现象a的原因（结果）第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院14换件比较法：分析故障时，如果怀疑某一零件或部件是机器故障的起因，则使用完好件替换，并观察换件前后机器状态的变化，以此断定原零件是否是故障原因之所在。第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院15(3)契合差异并用法(求同求异法)场合先行（或后行）情况被研究现象123ABCDaAEFGaACDFa、、、、、、、、正事例组、结论：情况A是现象a的原因（结果）第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院16场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法123BCDDEFCDF、、、负、、、事、、、例组结论：情况A是现象a的原因（结果）正负两组事例的组成场合越多，结论越可靠负事例组的各个场合应选择与正事例组场合较好相似的来比较，因为负事例的场合是无限多的中国矿业大学机电学院17(4)共变法场合先行（或后行）情况被研究现象112233123ABCDaACDaABDa、、、、-、、、、-、结论：情况A是现象a的原因（结果）第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院18(5)剩余法已知：现象a是情况A作用的结果现象b是情况B作用的结果现象c是情况C作用的结果结论：现象d是情况D作用的结果第三节机械故障诊断的一般思维方法由a、b、c、d构成的复合的被研究现象是复合的情况A、B、C、D作用的结果。中国矿业大学机电学院19①必须确认复杂现象的一部分(a、b、c)是某些情况(A、B、C)引起的，而剩余部分(d)不可能是这些情况(A、B、C)引起的；在应用剩余法进行推断时，有以下两点需提请注意：②复杂现象剩余部分的原因(D)，不一定是个单一的情况，还可能是个复杂的情况。实际上多层次、多原因的复杂故障树正是描述这种逻辑关系的。第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院20二、故障树分析法(FTA)故障树分析法(FTA，FaultTreeAnalysis)，简称FTA，是一种将系统故障形成的原因由总体至局部按树状结构进行逐级细化的分析方法，是一种针对某个特定的不希望发生的事件的由果到因的演绎推理方法。故障树分析法的作用：是对复杂的动态系统设计、工厂试验或现场发现故障形式进行可靠性分析的工具，其目的是要判明基本故障、确定故障的原因、影响和发生概率。第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院21故障树分析法的过程：第三节机械故障诊断的一般思维方法把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后找到直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成这些全部因素中的每一个因素发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的，其故障机理或概率分布都已知的，无需再深入研究的因素为止。中国矿业大学机电学院22第三节机械故障诊断的一般思维方法描述系统状态、部件状态的变化过程就叫做事件。如果系统或元件按规定要求(规定的条件和时间)完成其功能则称为正常事件；如果系统或元件不能够按规定要求完成指定的功能，或者其功能完成不准确，则称作故障事件。通常引起故障事件的原因有：硬件失效，软件错误，环境条件影响以及人为因素等。中国矿业大学机电学院23把最不希望发生的事件(或系统故障事件)称为顶事件，无需再深究的事件(形成系统故障的基本事件)称为底事件，或称为初始事件，介于顶事件与底事件之间的一切事件都称为中间事件。凡是能产生故障事件的元件、子系统、设备、人和环境条件，在故障树中都定义为部件。第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院24部件的故障按其产生的原因分为三类：①由于系统元件的内在原因而产生的直接故障；②由于外部原因、环境恶化等造成的系统元件的间接故障；③由于其他不明原因(尚需进一步分析)而产生的故障，也称为受控失效。中国矿业大学机电学院25系统故障或门或门部件B故障与门元件4故障元件3故障元件2故障元件1故障部件A故障第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院262．故障树分析法的特点(1)直观、形象(2)灵活、多用途(3)多目标、可计算缺点：理论性较强，逻辑性较严密，因此要求分析人员对所研究的对象(系统或设备)必须有透彻的了解，还应具有比较丰富的设计和运行经验。优点：第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院273．故障树分析的步骤(1)对所选定的系统(或设备)进行必要的预分析(2)对系统的故障进行定义(3)仔细分析形成各种故障的原因(4)收集各种故障发生概率的数据(5)选定系统可能发生的最不希望发生的故障状态(事件)作为顶事件，作出故障树逻辑图(6)对故障树结构作定性分析(7)对故障树结构作定量分析第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院28调研资料初步分析建立故障树故障率布尔代数应用事故分析与防止故障的发生概率时间发生率第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院294．故障树分析法中采用的符号分类符号含义故障事件符号顶事件中间事件基本事件未探明事件条件事件开关事件中国矿业大学机电学院30分类符号含义逻辑门符号与门或门非门ZZZxxxxxxx12n12nniixZ1niixZ1xZ中国矿业大学机电学院31建立故障树的主要步骤：(1)确定顶事件①要有明确的定义；②要能进行分解，③要能度量以便于定量分析。(2)建立边界条件，简化建树工作故障树的边界条件应包括：①初始状态②不容许事件③不可能事件④必然事件⑤事件概率(3)构建故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院32第三节机械故障诊断的一般思维方法油泵驱动电路E蓄电池K1手动开关K2电磁开关M电动机（24V）P油泵如图所示油泵驱动电路，系统故障为不供油。已知：电动机故障率0.001，油泵故障率为0。中国矿业大学机电学院33油泵驱动电路的故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院34建立故障树时必须注意：①故障定义必须明确，避免多义性②注意系统中事件的逻辑关系③应首先考虑主要的、可能性大的以及关键性的故障事件④严格区分小概率事件与小部件故障事件的概念⑤建树时切忌避免“门与门”直接相连第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院356．故障树与结构函数考虑一个由N个部件组成的系统，将系统失效称为故障树的顶事件，记作T，系统中各部件失效则称为底事件。假设系统和部件均只有失效和正常两种状态，则底事件可以定义如下：11,2,,0iixini，当第个底事件发生时（故障），当第个底事件不发生时（正常)第三节机械故障诊断的一般思维方法中国矿业大学机电学院3612(,,,)nxxx1,()0x当顶事件发生时，当顶事件不发生时()x定义为故障树的结构函数同时第三节机械故障诊断的一般思维方法系统顶事件的状态如用φ来表示，则φ必然是底事件状态的函数(1,2,,)ixin中国矿业大学机电学院37“与门”故障树“或门”故障树1()niixx＝1()niixx＝11()1(1)nniiiixxx＝中国矿业大学机电学院38xTxx1)(“非门”故障树中国矿业大学机电学院39故障树的简化在分析系统故障时，最初建立的故障树往往并不是最简的，可以对它进行简化。最经常采用的简化方法是借助逻辑代数的逻辑法则进行简化。中国矿业大学机电学院40(1)基本逻辑关系逻辑关系表达式含义其它表示方法逻辑非没有，逻辑与与逻辑或或或两者蕴涵有必有同一同有同无1x21xx21xx21xx21xx1x1x2x1x2x2x1x21,xx1cx'1x21xx21xx21xx21xx212121,,xxxxxx212121xxxxxx两个变量的基本逻辑关系中国矿业大学机电学院41两个变量逻辑运算的真值表001100110110101010011000110011111x2x21xx21xx21xx21xx1x2x中国矿业大学机电学院42Exp.张三：“今天肯定不点名，如果点名我就宴请全寝室同学。”点名宴请全寝室真话11110000101121xx蕴涵中国矿业大学机电学院43逻辑运算的基本法则中国矿业大学机电学院44常用的故障树化简方法有：修剪法、模块法、卡诺图法和计算机辅助化简法等。7．故障树化简第三节机械故障诊断的一般思维方法A+