十六章-机械故障诊断的基本原理

十六章机械故障诊断的基本原理16.1机械故障诊断概述所谓机械故障，就是指机械系统(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。我们通常见到的发动机发动不起来，机床运转不平稳、汽车刹车不灵等等现象都是机械故障的表现形式。机械故障可以从不同的角度来进行分类。16.1.1机械故障及其分类1机械故障按其发生的原因分(1)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。2机械故障按其造成的后果分(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动作的故障等。3机械故障按其发生的快慢分(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。4机械故障按其发生的范围分(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机械故障按其发生的频次分(1)偶发性故障:发生频率很低的一类故障，即“意外现象”(2)多发性故障:经常发生的一类故障。机械故障还可从其他角度来进行分类。16.1.2故障诊断及其分类所谓机械故障诊断，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和部位，并预报其发展趋势。机械故障诊断可以分类如下：1机械故障诊断按其目的分(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机械故障诊断按其方式分(1)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；(2)在线监测：就是连续地对服役中的机械系统进行监测，此时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。3机械故障诊断按其提取信息的方式分(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正常等。通常所谓的诊断主要是指间接诊断。4机械故障诊断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。5机械故障诊断按其功能分(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“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。(2)精密诊断：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“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。机械故障诊断还可根据所采用的技术手段不同而分为：(1)振动诊断(2)油样分析(3)温度监测(4)无损检测等16.1.3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几个基本环节组成：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等方面的内容，这主要取决于故障形式，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。2建立测试系统根据步骤1的要求选取传感器及其配套设施，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、有效信号的取得是正确诊断的先决条件，偏离了这个前提，诊断工作就无从谈起。3测试、分析及信息提取主要内容是对借助测试系统所获得的信号进行加工，包括滤波、异常数据的剔除以及各种分析算法等。主要目的是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。4状态监测、判断及预报这是诊断工作的最后一个环节，也是机械故障诊断的最终目的。工作内容主要是构造或选定判据，确定划分设备状态的各有关参量的门槛值等内容，以此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。16.2故障特征参量16.2.1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参量表现出来；(2)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、对故障灵敏可靠的物理参量才被用于故障的诊断。故障特征参量：对故障灵敏、稳定可靠的物理参量称为故障特征参量。机械系统的故障类型是千差万别的，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，每一种故障类型也必须由一种或多种原因所引起。故障表现与其特征参量和故障原因之间存在如下的对应关系：F=f(α1,α2,...)(1-1)式中，F——某种故障类型；α1,α2——各特征参量或故障原因。故障诊断就是要确定F与α1,α2,...之间的某种对应关系f，以便通过检测α1,α2,....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α1,α2,....等。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，此时温度可选为故障特征参量。然而，对于矿山井下的通风机，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。16.2.2故障特征参量的选取原则高度敏感性：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；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，则故障特征参量应是系统状态这个自变量的单值函数；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。16.2.3故障特征参量的选定方法不同的故障类型有不同的故障特征与之相对应，故障类型不同，其故障特征参量也不同。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，因此故障特征参量一般通过理论分析和实验的方法来确定。16.3机械故障诊断的一般思维方法故障识别理论是与思维科学以及故障诊断的技术手段的发展密不可分的。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。在本节只讨论形式逻辑推理与故障树分析的基本原理。16.3.1形式逻辑推理故障诊断过程是一个观察、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。下面将具体讨论在调研考察之后提出假设原因的逻辑方法，即探求因果关系的逻辑方法。介绍几个逻辑概念1.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：也就是说因果关系不是固定不变的，一个现象对于其原因来说是结果，而对于该现象的后果来说又是原因。（2）因果关系的确定性：即同质的原因必然会引起同质的结果，而且原因的易变必然会导致结果的易变。（3）因果关系的普遍性：没有一个现象不是由一定的原因引起的，也没有一个现象不产生一定的结果。探求现象间的因果关系，首先要确定可能的原因或结果，然后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。传统的求因果关系的五种逻辑方法（穆勒五法）,都是根据某个现象与另一个现象在某些场合下所显示的对应关系，从而概括出一般性的结论，以断定它们之间是否存在必然的因果关系。3.逻辑推理方法(1)契合法(求同法)：在被研究现象出现的若干场合中，如果仅有唯一的一个情况在这些场合中是共同具有的。那么这个唯一的共同情况就是被研究现象的原因(或结果)，即:应用契合法时要注意发掘各种场合中所隐蔽的共同情况，它很可能是被研究现象的真正原因(或结果)。比较的场合越多，结论的可靠程度就越高。(2)差异法(求异法)：如果被研究现象出现的场合与不出现的场合只有一个情况是不同的，其它情况完全相同，而且这个情况在被研究现象出现的场合中是存在的，在被研究现象不出现的场合是不存在的，那么这个唯一不同的情况就是被研究现象的原因(或结果)。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，轮流切换法的公式如下：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。(3)契合差异并用法(求同求异法)：有两组事例，一组是由被研究现象出现的若干场合组成的正事例组，另一组是由研究现象不出现的若干场合组成的负事例组。如果在正事例组各场合中只有一个唯一的共同情况，而且这个情况在负事例组中的各个场合都不存在，那么这个情况就是被研究现象的原因(或结果)，即有如下的公式：应用此法时要注意:①正负两组事例的组成场合越多，结论越可靠；②对于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，因为负事例组的场合是无限多的。(4)共变法：在被研究现象发生变化的各个场合，如果其中只有一个情况是变化着的，而其他情况都保持不变，那么这个唯一变化着的情况便是被研究现象的原因(或结果)。而有如下的公式：应用共变法时要注意:原因和结果的共变可能是同向的，也可能是异向的，还可能是在一定范围内是同向的，而在另一范围内是异向的。(5)剩余法：有一个复合的被研究现象，如果已知这个复合现象的一部分是某些情况的结果，那么这个复合现象的剩余部分就是别的情况的结果。即有如下的公式：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。这里复杂现象的剩余部分d的原因D，可能是个已发现过的情况，也可能是个尚未发现过的情况，即关于未知情况的推测，而这种推测的证实和认识还需要有个过程。在应用剩余法进行推断时，有以下两点需提请注意：①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；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。16.3.2故障树分析法(FTA)故障树分析法概述：故障树分析法(FaultTreeAnalysis)是由美国贝尔电话研究所的沃森和默恩斯于1961年首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统的。其后，波音公司的哈斯尔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