【學(xué)習(xí)課件】第一章-機(jī)械故障診斷的基本原理(CUMT)

1、第一章 機(jī)械故障診斷的基本原理1.1 故障特征參量1.2 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 機(jī)械故障診斷 1第一節(jié) 故障特征參量一、故障特征參量的定義對(duì)于某一具體的故障類型，我們所關(guān)心的問(wèn)題是：這種故障通過(guò)哪些物理量表現(xiàn)出來(lái)；各物理參量與故障間的關(guān)系強(qiáng)弱情況如何。 只有那些與某種故障類型之間的關(guān)系密切、對(duì)故障靈敏可靠的物理參量才被用于故障的診斷。 在機(jī)械故障診斷學(xué)領(lǐng)域，將這些對(duì)故障靈敏、穩(wěn)定可靠的物理量稱為故障特征參量。第一章 機(jī)械故障診斷的基本原理 2式中 F 某種故障類型 ； 各種特征參量或故障原因 故障診斷就是確定F與 之間的某種對(duì)應(yīng)關(guān)系f，以便通過(guò)檢測(cè) 來(lái)判斷故障類型F是否發(fā)生，或在已知F

2、發(fā)生的情況下去查明造成F的原因 等。 第二節(jié) 故障特征參量 故障表現(xiàn)與特征參量和故障原因之間存在如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：3 對(duì)于同一種故障類型，當(dāng)它們發(fā)生在不同的機(jī)械系統(tǒng)上時(shí)，其故障特征參量也不同，因此，在確定某種故障的特征參量時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體的系統(tǒng)進(jìn)行。井下風(fēng)機(jī)軸承故障4二、故障特征參量的選取原則1、高度敏感性 機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)的微弱變化應(yīng)引起故障特征參量的較大變化。2、高度可靠性 故障特征參量是依賴于機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)變化而變化的，如果把故障特征參量取作應(yīng)變量，系統(tǒng)狀態(tài)取作自變量，則故障持征參量應(yīng)是系統(tǒng)狀態(tài)這個(gè)自變量的單值函數(shù)。3、實(shí)用性（或可實(shí)現(xiàn)性） 故障特征參量應(yīng)是便于檢測(cè)的，如果某個(gè)物理參量雖對(duì)某種故

3、障足夠靈敏，但這個(gè)參量不易獲得(經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)方面的考慮)，那么這個(gè)物理參量也不便用作故障特征參量。第二節(jié) 故障特征參量 5三、故障特征參量的選定方法故障特征參量一般通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定。第二節(jié) 故障特征參量 不同故障，特征參量不同同一故障，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，特征參量也不同6第二節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 與傳統(tǒng)的診斷手段相對(duì)應(yīng)的識(shí)別理論只能借助形式邏輯進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的推理；而與現(xiàn)代診斷技術(shù)相對(duì)應(yīng)，則有故障樹分析、模式識(shí)別以及模糊診斷等多種識(shí)別理論。本節(jié)討論： 邏輯推理 故障樹分析第一章 機(jī)械故障診斷的基本原理 7可把故障診斷過(guò)程劃分為以下五個(gè)步驟： 調(diào)研考察，得出故障現(xiàn)象； 假設(shè)原

4、因； 由假設(shè)原因推斷出應(yīng)有的結(jié)果； 將推斷結(jié)果與考察所得的現(xiàn)象進(jìn)行比較； 得出假設(shè)成立與否的結(jié)論，如果原假設(shè)不成立，則需另立假設(shè)。第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 一、形式邏輯推理81原因與結(jié)果 引起某現(xiàn)象產(chǎn)生的現(xiàn)象叫做原因，由另一現(xiàn)象引起的現(xiàn)象叫結(jié)果。2因果關(guān)系的特性(1)因果關(guān)系的相對(duì)性 (2)因果關(guān)系的確定性(3)因果關(guān)系的普遍性第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 幾個(gè)邏輯的概念9首先確定可能的原因或結(jié)果從可能的原因或結(jié)果中進(jìn)行比較刪除虛假成分，找出真正的原因或結(jié)果。103邏輯推理方法(1)契合法(求同法) 場(chǎng)合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 11場(chǎng)

5、合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象(2)差異法(求異法) 在故障分析時(shí)，形成上述差異場(chǎng)合的方法有輪流切換法和換件比較法。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 12輪流切換法： 場(chǎng)合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 13換件比較法： 分析故障時(shí)，如果懷疑某一零件或部件是機(jī)器故障的起因，則使用完好件替換，并觀察換件前后機(jī)器狀態(tài)的變化，以此斷定原零件是否是故障原因之所在。第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 14(3)契合差異并用法(求同求異法) 場(chǎng)合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 15場(chǎng)合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象第三節(jié) 機(jī)

6、械故障診斷的一般思維方法 正負(fù)兩組事例的組成場(chǎng)合越多，結(jié)論越可靠負(fù)事例組的各個(gè)場(chǎng)合應(yīng)選擇與正事例組場(chǎng)合較好相似的來(lái)比較，因?yàn)樨?fù)事例的場(chǎng)合是無(wú)限多的16(4)共變法 場(chǎng)合 先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 17(5)剩余法 已知：現(xiàn)象a是情況A作用的結(jié)果 現(xiàn)象b是情況B作用的結(jié)果 現(xiàn)象c是情況C作用的結(jié)果結(jié)論：現(xiàn)象d是情況D作用的結(jié)果第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 由a、b、c、d構(gòu)成的復(fù)合的被研究現(xiàn)象是復(fù)合的情況A、B、C、D作用的結(jié)果。18必須確認(rèn)復(fù)雜現(xiàn)象的一部分(a、b、c)是某些情況(A、B、C)引起的，而剩余部分(d)不可能是這些情況(A、B、C)引

7、起的；在應(yīng)用剩余法進(jìn)行推斷時(shí)，有以下兩點(diǎn)需提請(qǐng)注意： 復(fù)雜現(xiàn)象剩余部分的原因(D)，不一定是個(gè)單一的情況，還可能是個(gè)復(fù)雜的情況。實(shí)際上多層次、多原因的復(fù)雜故障樹正是描述這種邏輯關(guān)系的。第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 19二、故障樹分析法(FTA) 故障樹分析法(FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis)，簡(jiǎn)稱FTA，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至局部按樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級(jí)細(xì)化的分析方法，是一種針對(duì)某個(gè)特定的不希望發(fā)生的事件的由果到因的演繹推理方法。 故障樹分析法的作用：是對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工廠試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)故障形式進(jìn)行可靠性分析的工具，其目的是要判明基本故障、確定故障的原因、影響

8、和發(fā)生概率。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 20故障樹分析法的過(guò)程： 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 把所研究系統(tǒng)的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，然后找到直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素，再找出造成這些全部因素中的每一個(gè)因素發(fā)生的全部直接因素，一直追查到那些原始的，其故障機(jī)理或概率分布都已知的，無(wú)需再深入研究的因素為止。21第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 描述系統(tǒng)狀態(tài)、部件狀態(tài)的變化過(guò)程就叫做事件。 如果系統(tǒng)或元件按規(guī)定要求(規(guī)定的條件和時(shí)間)完成其功能則稱為正常事件； 如果系統(tǒng)或元件不能夠按規(guī)定要求完成指定的功能，或者其功能完成不準(zhǔn)確，則稱作故障事件。 通常引起故障事

9、件的原因有：硬件失效，軟件錯(cuò)誤，環(huán)境條件影響以及人為因素等。22 把最不希望發(fā)生的事件(或系統(tǒng)故障事件)稱為頂事件，無(wú)需再深究的事件(形成系統(tǒng)故障的基本事件)稱為底事件，或稱為初始事件，介于頂事件與底事件之間的一切事件都稱為中間事件。 凡是能產(chǎn)生故障事件的元件、子系統(tǒng)、設(shè)備、人和環(huán)境條件，在故障樹中都定義為部件。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 23 部件的故障按其產(chǎn)生的原因分為三類： 由于系統(tǒng)元件的內(nèi)在原因而產(chǎn)生的直接故障； 由于外部原因、環(huán)境惡化等造成的系統(tǒng)元件的間接故障； 由于其他不明原因(尚需進(jìn)一步分析)而產(chǎn)生的故障，也稱為受控失效。 24第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 252

10、故障樹分析法的特點(diǎn)(1)直觀、形象 (2)靈活、多用途 (3)多目標(biāo)、可計(jì)算 缺點(diǎn)： 理論性較強(qiáng)，邏輯性較嚴(yán)密，因此要求分析人員對(duì)所研究的對(duì)象(系統(tǒng)或設(shè)備)必須有透徹的了解，還應(yīng)具有比較豐富的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。 優(yōu)點(diǎn)：第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 263故障樹分析的步驟(1)對(duì)所選定的系統(tǒng)(或設(shè)備)進(jìn)行必要的預(yù)分析 (2)對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行定義 (3)仔細(xì)分析形成各種故障的原因 (4)收集各種故障發(fā)生概率的數(shù)據(jù) (5)選定系統(tǒng)可能發(fā)生的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)(事件)作為頂事件，作出故障樹邏輯圖(6)對(duì)故障樹結(jié)構(gòu)作定性分析 (7)對(duì)故障樹結(jié)構(gòu)作定量分析 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 27

11、第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 284故障樹分析法中采用的符號(hào)29 30建立故障樹的主要步驟： (1)確定頂事件 要有明確的定義； 要能進(jìn)行分解，要能度量以便于定量分析。(2)建立邊界條件，簡(jiǎn)化建樹工作 故障樹的邊界條件應(yīng)包括： 初始狀態(tài) 不容許事件 不可能事件 必然事件 事件概率 (3)構(gòu)建故障樹 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 31第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 油泵驅(qū)動(dòng)電路E 蓄電池 K1 手動(dòng)開關(guān) K2 電磁開關(guān) M 電動(dòng)機(jī)（24V） P 油泵如圖所示油泵驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)故障為不供油。已知：電動(dòng)機(jī)故障率0.001，油泵故障率為0。32 油泵驅(qū)動(dòng)電路的故障樹 第三節(jié) 機(jī)械故障診

12、斷的一般思維方法 33建立故障樹時(shí)必須注意： 故障定義必須明確，避免多義性 注意系統(tǒng)中事件的邏輯關(guān)系 應(yīng)首先考慮主要的、可能性大的以及關(guān)鍵性的故障事件 嚴(yán)格區(qū)分小概率事件與小部件故障事件的概念 建樹時(shí)切忌避免“門與門”直接相連 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 346故障樹與結(jié)構(gòu)函數(shù) 考慮一個(gè)由N個(gè)部件組成的系統(tǒng)，將系統(tǒng)失效稱為故障樹的頂事件，記作T，系統(tǒng)中各部件失效則稱為底事件。假設(shè)系統(tǒng)和部件均只有失效和正常兩種狀態(tài)，則底事件可以定義如下： 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 35定義為故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù) 同時(shí) 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 系統(tǒng)頂事件的狀態(tài)如用來(lái)表示，則必然是底事件狀

13、態(tài) 的函數(shù)36“與門”故障樹“或門”故障樹37“非門”故障樹38故障樹的簡(jiǎn)化 在分析系統(tǒng)故障時(shí)，最初建立的故障樹往往并不是最簡(jiǎn)的，可以對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)化。最經(jīng)常采用的簡(jiǎn)化方法是借助邏輯代數(shù)的邏輯法則進(jìn)行簡(jiǎn)化。39 (1)基本邏輯關(guān)系 邏輯關(guān)系表達(dá)式含義其它表示方法邏輯非沒(méi)有 ，邏輯與 與邏輯或 或 或兩者蘊(yùn)涵有 必有同一 同有同無(wú)兩個(gè)變量的基本邏輯關(guān)系40兩個(gè)變量邏輯運(yùn)算的真值表 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 141Exp.張三：“今天肯定不點(diǎn)名，如果點(diǎn)名我就宴請(qǐng)全寢室同學(xué)?！秉c(diǎn)名 宴請(qǐng)全寢室 真話 1 1

14、 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1蘊(yùn)涵42邏輯運(yùn)算的基本法則43 常用的故障樹化簡(jiǎn)方法有：修剪法、模塊法、卡諾圖法和計(jì)算機(jī)輔助化簡(jiǎn)法等。 7故障樹化簡(jiǎn) 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 A+A=AA*A=A44第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 A+A*B=A4546第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 吸收率47第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 吸收率48498 故障樹的定性分析 目的:為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即弄清系統(tǒng)(或設(shè)備)出現(xiàn)某種最不希望發(fā)生的事件(故障)有多少種可能性。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 50 故障樹的某幾個(gè)底事件組成一個(gè)集合，如果集合

15、內(nèi)的幾個(gè)底事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，將引起頂事件(系統(tǒng)故障)的發(fā)生，則這個(gè)集合就稱為割集。 (1) 割集與最小割集最小割集：指滿足這樣條件的割集，如果將某一割集中的底事件任意去掉一個(gè)就不再是割集，則這個(gè)割集就被稱為最小割集。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 51 故障樹定性分析的主要任務(wù)就在于尋找并確定系統(tǒng)的最小割集。 (2) 最小割集算法 上行法 又稱塞邁特里斯(Semanderes)算法 下行法 又稱富塞爾(Fussell)算法 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 52 上行法 對(duì)給定的故障樹，從最下一級(jí)中間事件開始，分別應(yīng)用下面兩個(gè)公式順次往上進(jìn)行計(jì)算，直至頂事件為止。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的

16、一般思維方法 53第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 54第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 4個(gè)最小割集：x1x3，x1x4，x2x4，x3x45556 下行法 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 根據(jù)故障樹中的邏輯或門會(huì)增加割集的數(shù)目，邏輯與門會(huì)增大割集容量的性質(zhì)，從故障樹的頂事件開始，由上到下，順次把上一級(jí)事件置換為下一級(jí)事件，遇到與門將輸入橫向并列寫出，遇到或門則將輸入事件豎向串列寫出，直至把全部邏輯門都置換為底事件為止，由此可得該故障樹的全部割集。57T b cx1dx4ex1x3x1x4x4x2x4x3或門或門與門運(yùn)用下行法前需對(duì)故障樹進(jìn)行布爾運(yùn)算簡(jiǎn)化589故障樹的定量分析 故障樹

17、的定量分析：就是以故障樹為基礎(chǔ)，分析系統(tǒng)故障的發(fā)生概率以及各底事件的重要程度，包括結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵性重要度等三個(gè)不同含義的定量指標(biāo)。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 59第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 (1) 概率計(jì)算的基本公式 設(shè)事件x1、x2、xn的發(fā)生概率分別為P1、P2、Pn 。和的概率當(dāng)x1、x2、xn為相互獨(dú)立的事件時(shí)，有 積的概率或門與門60當(dāng)x1、x2、xn為相斥事件時(shí)，有 積的概率和的概率第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 61當(dāng)x1、x2、xn為相容事件時(shí)，有 和的概率：積的概率62 實(shí)際計(jì)算時(shí)，當(dāng)Pi0.1,i=1,2, ,n時(shí)，相容事件近似于獨(dú)立事件

18、；當(dāng)Pi0.01,i=1,2, ,n時(shí)，相容事件近似于相斥事件。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 63注意:在應(yīng)用上述公式計(jì)算系統(tǒng)故障的概率時(shí)，當(dāng)故障樹中包含兩個(gè)以上同一底事件時(shí)，則必須應(yīng)用邏輯代數(shù)整理簡(jiǎn)化后，才能使用以上概率計(jì)算公式，否則會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，在計(jì)算概率之前，必須將故障樹化為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)，即與最小割集對(duì)應(yīng)。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 先簡(jiǎn)化故障樹64(2) 頂事件的發(fā)生概率 該算法的基本思路是：將故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)表示成最小割集和的形式，然后應(yīng)用概率計(jì)算的基本公式求出系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。即將系統(tǒng)的最小割集結(jié)構(gòu)函數(shù)表達(dá)為 要求系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率，就是求使 的概率。

19、第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 最小割集數(shù)某一最小割集65例1 對(duì)于由二個(gè)單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)假設(shè)相互獨(dú)立，其故障樹如右圖所示，求頂事件的發(fā)生的概率。 并聯(lián)系統(tǒng)故障樹 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 66例2 對(duì)于由二個(gè)單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，其故障樹如右圖所示，求頂事件的發(fā)生的概率。 串聯(lián)系統(tǒng)故障樹 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 67 對(duì)右圖所示的故障樹，令底事件x1，x2，x3，x4的發(fā)生概率分別為P10.01，P20.005，P30.02，P40.03。求系統(tǒng)(頂事件)故障發(fā)生的概率。68各最小割集間看作相斥事件，于是69 計(jì)算如下圖所示的超壓保護(hù)系統(tǒng)故障樹的頂事件發(fā)生概率。 超

20、壓保護(hù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化故障樹 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 70(3)事件的重要度計(jì)算 在頂事件的發(fā)生中由于底事件的發(fā)生所作的貢獻(xiàn)，或者說(shuō)各個(gè)底事件(或各最小割集)對(duì)頂事件發(fā)生的影響稱為底事件(或最小割集)的重要度。 研究事件重要度對(duì)改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)的可靠性或確定故障監(jiān)測(cè)的部位、制定系統(tǒng)故障診斷方案、減小排除故障的時(shí)間等具有重要意義。 為了比較它們?cè)诠收蠘渲械闹匾潭?，在故障樹的定量分析中常作結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度等計(jì)算。 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 71 結(jié)構(gòu)重要度 某個(gè)底事件的結(jié)構(gòu)重要度，是在不考慮其發(fā)生概率值的情況下，觀察故障樹的結(jié)構(gòu)，以決定該事件的位置重要程度

21、。 由于底事件 的狀態(tài)為0或l，當(dāng)xi處于某一狀態(tài)時(shí)，其余n1個(gè)底事件組合之系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)為2n-l。因此、第i個(gè)底事件xi的結(jié)構(gòu)重要度定義為第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 72式中 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 (1ix)表示底事件xi和頂事件同時(shí)發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目，(0ix)表示底事件xi不發(fā)生而頂事件發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目， 兩者相減則代表了底事件xi 發(fā)生則頂事件發(fā)生、且底事件xi不發(fā)生頂事件也不發(fā)生(其他底事件不變)的情況。73 xi 發(fā)生 頂事件發(fā)生 xi 不發(fā)生 頂事件發(fā)生 xi 不發(fā)生 頂事件不發(fā)生 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 其它底事件不變74例：試計(jì)算如圖所示故障樹各底事件的結(jié)構(gòu)重要度。 故障樹各底事件的結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 解：故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)為7576對(duì)底事件1，首先找出底事件1和頂事件同時(shí)發(fā)生的集合，再找出底事件1不發(fā)生而頂事件發(fā)生的集合。77底事件1的結(jié)構(gòu)重要度為：同理78第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法 概率重要度 底事件xi發(fā)生概率的變化引起頂事件發(fā)生概率的變化程度定義為該底事件的概率重要度，記作 Ig(i ) ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 頂事件發(fā)生的概率， Pi 底事件xi發(fā)生的概率。 79在故障樹為“與門”與“或門”相結(jié)合的一般情況時(shí)，則有：式中 底事件發(fā)生時(shí)頂事件發(fā)生的概率； 第三節(jié)