2017機(jī)械故障診斷理論與方法教學(xué)1.0

1、機(jī)械故障診斷理論與方法,第一章 機(jī)械故障診斷緒論,什么是機(jī)械故障？機(jī)械故障怎么表征？用什么技術(shù)手段去尋找故障特征？如何正確有效地診斷出故障？避免和防止故障及其后果的措施是什么？,,第一章 機(jī)械故障診斷緒論,一、機(jī)械故障診斷研究的意義和內(nèi)容 主要內(nèi)容： 設(shè)備運(yùn)行過程的狀態(tài)監(jiān)測； 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的識別診斷； 設(shè)備運(yùn)行趨勢的分析預(yù)測

2、； 歷史情況（停機(jī)時間、維修工作量） 事后維修： 定期維修； 視情維修；,,,二、主要技術(shù)手段及各自特點(diǎn) 1、振動診斷技術(shù) 振動測試、信號處理,正常車輛的變速箱垂直方向振動譜,異常車輛的變速箱垂直方向振動譜,2、油液分析技術(shù) 鐵譜、光譜,正常滑動磨粒（左上）嚴(yán)重滑動磨粒（右上）切削磨粒（左下）,疲勞

3、剝離磨粒（左上）鋁磨粒（右上）銅合金嚴(yán)重滑動磨粒（右下）,3、溫度檢測技術(shù) 紅外技術(shù),紅外熱像儀,測溫筆,測溫儀,紅外輻射測溫儀,4、無損檢測技術(shù),材料在塑性變形或損傷破壞過程中釋放應(yīng)變能/產(chǎn)生應(yīng)力波——聲發(fā)射（AE）AE源信號包括：裂紋、腐蝕、分層/脫粘、泄漏……傳感器接收AE信號，通過系統(tǒng)進(jìn)行信號處理、分析進(jìn)行缺陷分析和無損檢測 (from ASTM E610-82),聲發(fā)射檢測原理,5、工業(yè)內(nèi)窺鏡,齒輪點(diǎn)蝕,

4、軸承狀態(tài),三、故障診斷的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù),狹義的講，機(jī)械健康時，積累一套模態(tài)數(shù)據(jù)，已知故障了，停機(jī)，再進(jìn)行一次模態(tài)分析，通過模態(tài)參數(shù)的變化，推知機(jī)械物理參數(shù)的變化，實現(xiàn)包括故障的準(zhǔn)確定位、損毀程度的估計，……，指導(dǎo)修復(fù)。 故障診斷領(lǐng)域的研究，多年來一直把信號分析、故障模式匹配、遠(yuǎn)程測量作為主要研究對象，大大地忽略了振動機(jī)理研究和原始參數(shù)獲取的過程。,對一個確定的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)輸入X、輸出Y和系統(tǒng)Ｈ的關(guān)系：,,動力學(xué)正問題：

5、 已知結(jié)構(gòu)Ｈ（設(shè)計）和載荷X（環(huán)境），求響應(yīng)Y（結(jié)果）。 強(qiáng)大的數(shù)值計算手段，成熟的商用大型有限元分析軟件，高速計算機(jī)硬件。,第一類反問題 已知: 載荷X（環(huán)境） 響應(yīng)Y（結(jié)果）求： 結(jié)構(gòu)Ｈ（設(shè)計）即: “模態(tài)分析”,第二類反問題 已知: 結(jié)構(gòu)Ｈ（設(shè)計） 響應(yīng)Y（結(jié)果） 求： 載荷X（環(huán)境） 即： “載荷辨識”

6、,進(jìn)一步擴(kuò)展的復(fù)雜反問題： 僅僅已知： 響應(yīng)Y（結(jié)果） 求： 結(jié)構(gòu)Ｈ（設(shè)計） 以及載荷X（環(huán)境） 即： “工況載荷下系統(tǒng)辨識及載荷識別”,如果沒有其他先驗知識、假設(shè)和信息補(bǔ)充，從邏輯上說，這是不可能的。然而卻是越來越迫切的故障診斷的實際要求。,四、機(jī)械故障診斷的發(fā)展趨勢,機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一門正在不斷完善和發(fā)展的交叉型學(xué)科是一項與現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)緊密相關(guān)的技術(shù)是

7、機(jī)械學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一故障診斷學(xué)科需解決的重要問題故障特征信息提取和故障分類、識別的新理論、新方法復(fù)雜故障產(chǎn)生機(jī)理及模型的深入研究故障診斷智能系統(tǒng)研究，包括診斷專家系統(tǒng)和 網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng),第二章 機(jī)械故障診斷的基本原理,機(jī)械故障診斷學(xué)包括機(jī)械故障診斷的原理與技術(shù)兩大部分。 本章首先討論幾個與機(jī)械故障診斷有關(guān)的基本問題，主要包括： 機(jī)械故障診斷概述 ;

8、 故障特征參量表征; 故障診斷的一般思維方法。,第一節(jié) 機(jī)械故障診斷概述,一、機(jī)械故障及其分類二、故障診斷及其分類三、機(jī)械故障診斷的基本環(huán)節(jié),一、機(jī)械故障及其分類,定義: 機(jī)械故障（Fault異常/Failure失效）， 是指機(jī)械系統(tǒng)(零件、組件、部件或整臺設(shè)備乃至一系列的設(shè)備組合)因偏離其設(shè)計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。例: 發(fā)動機(jī)發(fā)動不起來、汽車剎車不靈、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、機(jī)床

9、加工精度超標(biāo)、機(jī)器運(yùn)行時振動噪聲過大、齒輪輪齒折斷等等現(xiàn)象。,一. 機(jī)械故障及其分類,分類的目的： (1)便于信息交互與交流； (2)便于處理故障時更有針對性。分類方法: 機(jī)械故障可以從不同的角度來進(jìn)行分類 (1)按其發(fā)生的原因分 (2)按其造成的后果分 (3)按其發(fā)生的快慢分 (4)按其發(fā)

10、生的范圍（程度）分 (5)按其發(fā)生的頻次分 (6)其他角度來進(jìn)行分類（所采用的技術(shù)手段）,二、機(jī)械故障診斷及其分類,定義：所謂機(jī)械故障診斷，就是對機(jī)械系統(tǒng)所處的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，判斷其是否正常，當(dāng)出現(xiàn)異常時分析其產(chǎn)生的原因、部位和嚴(yán)重程度，并預(yù)報其發(fā)展趨勢。分類的目的: 主要是為了便于信息交流分類方法: 機(jī)械故障診斷可以分類如下： (1)按其目的分; (2)按其方

11、式分 (3)按其提取信息的方式分; (4)按診斷時所要求的機(jī)械運(yùn)行工況條件分; (5)按功能分。,一. 機(jī)械故障及其分類,1. 按其發(fā)生的原因分磨損性故障：是指機(jī)械系統(tǒng)因使用過程中的正常磨損而引發(fā)的一類故障，對這類故障形式，一般只進(jìn)行壽命預(yù)測。 (2) 錯用性故障：是因使用不當(dāng)而引發(fā)的故障。(3) 先天性故障：是由于設(shè)計或制造不當(dāng)而造成機(jī)械系統(tǒng)中存在某些薄弱環(huán)節(jié)而引發(fā)的故障。,一. 機(jī)械

12、故障及其分類,2.按其造成的后果分(1) 危害性故障：故障發(fā)生后會對人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危險或危害的一類故障，如機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)不能進(jìn)行有效地工作而造成損害工件或操作者的故障、毒氣泄漏、高壓罐爆炸等。(2)安全性故障：故障的發(fā)生不會對人身、生產(chǎn)和環(huán)境造成危害的一類故障，如保護(hù)系統(tǒng)在不需保護(hù)時動作的故障等。,一. 機(jī)械故障及其分類,3. 按其發(fā)生的快慢分(1) 突發(fā)性故障：不能靠早期測試探測出來的一類故障。即此類故障是不可預(yù)測的，對這類

13、故障只能進(jìn)行預(yù)防，如過載造成機(jī)件損壞。(2) 漸發(fā)性故障：故障的發(fā)展有一個過程，因而可對其進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)視，如疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。,一. 機(jī)械故障及其分類,4. 按其發(fā)生的范圍分 (1) 部分性故障：設(shè)計功能部分喪失的一類故障。 (2) 完全性故障：設(shè)計功能完全喪失的一類故障。5. 按其發(fā)生的頻次分 (1) 偶發(fā)性故障：發(fā)生頻率很低的一類故障，即“意外現(xiàn) 象”，如齒輪斷齒。 (2) 多發(fā)性故障：經(jīng)常

14、發(fā)生的一類故障，如齒輪磨損。 機(jī)械故障還有其它分類方法，如單一故障/復(fù)雜故障等。,二、機(jī)械故障診斷及其分類,1. 按目的分(1) 功能診斷：即對新安裝或剛維修過的機(jī)械系統(tǒng)診斷其功能是否正常，也就是投入運(yùn)行前的診斷。(2) 運(yùn)行診斷：即對服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行的診斷。2. 按方式分(1) 在線監(jiān)測：就是連續(xù)地對服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，測試傳感器及二次儀表等安裝在設(shè)備現(xiàn)場，隨機(jī)械系統(tǒng)一起工作。(2) 巡回檢測：就是每隔一定

15、的時間對服役中的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行檢查和診斷；,二、機(jī)械故障診斷及其分類,3. 按提取信息的方式分 (1) 直接診斷：診斷對象與診斷信息來源直接對應(yīng)的一種診斷方法，即一次信息診斷。如通過檢測齒輪的安裝偏心和運(yùn)動偏心等參數(shù)來判斷齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常即屬此類； (2) 間接診斷：診斷對象與診斷信息來源不直接對應(yīng)的一種診斷方法，即二次、三次等非一次信息的診斷。如通過測箱體的振動來判斷齒輪箱中齒輪是否存在偏心等。4. 按診斷時所要求的

16、機(jī)械運(yùn)行工況條件分 (1)常規(guī)工況診斷：在機(jī)械的正常運(yùn)行條件下進(jìn)行的一種故障診斷方式； (2)特殊工況診斷：對某些機(jī)械，需為其創(chuàng)造特殊的工作條件才能對其進(jìn)行診斷。如動力機(jī)組的升降速過程診斷。,二、機(jī)械故障診斷及其分類,5. 按功能分 (1) 簡易診斷：對機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)作出相對粗略的判斷。一般只回答“正常與否”、“有無故障”等問題，而不分析故障原因、故障部位及故障程度等。又稱“狀態(tài)監(jiān)測”。 (2) 精密診斷

17、：是在簡易診斷基礎(chǔ)上更為細(xì)致的一種診斷過程，它不僅要回答“正常與否”、“有無故障”的問題，而且還要詳細(xì)地分析出故障原因、故障部位、故障程度及其發(fā)展趨勢等一系列的問題。又稱“故障診斷”。 機(jī)械故障診斷還可根據(jù)所采用的技術(shù)手段不同而分為振動診斷、油樣分析、溫度監(jiān)測、無損檢測等,三、機(jī)械故障診斷的基本環(huán)節(jié),一個完整的診斷過程一般由以下四個基本環(huán)節(jié)組成：1. 確立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容;2. 建立測試系統(tǒng);3. 測試、分析及信

18、息提取;4. 狀態(tài)監(jiān)測、判斷及預(yù)報,三、機(jī)械故障診斷的基本環(huán)節(jié),基本環(huán)節(jié)1：確立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容 主要包括確立監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測部位及監(jiān)測方式(在線/巡檢)等方面的內(nèi)容，這主要取決于故障形式，同時也要考慮被監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境等因素以及現(xiàn)有的測試設(shè)備條件，這是整個診斷工作的基礎(chǔ)。 狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容確立得當(dāng)，不僅能極大地提高診斷效率，有時甚至決定著診斷工作的成敗。如礦用風(fēng)機(jī)軸承的溫度、振動監(jiān)測。,三、機(jī)械故障診斷的

19、基本環(huán)節(jié),基本環(huán)節(jié)2： 建立測試系統(tǒng)根據(jù)步驟1的要求選取傳感器及其配套儀器，組成測試系統(tǒng)，用以收集故障診斷所需的信息。在建造測試系統(tǒng)時，不僅要注意有用信號的獲?。`敏度和精度等性能），同時還要考慮測試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性以及如何在測試階段進(jìn)行降噪除噪等，以便簡化后續(xù)的信號分析處理過程。正確、有效信號的取得是準(zhǔn)確診斷的先決條件，偏離了這個前提，診斷工作就無從談起。,三、機(jī)械故障診斷的基本環(huán)節(jié),基本環(huán)節(jié)3： 測試、分析及信息提取

20、 主要內(nèi)容：對測試系統(tǒng)所獲得的信號進(jìn)行加工，包括濾波、異常數(shù)據(jù)剔除、各種分析算法（如時域、頻域）等。 主要目的： 從有限的信號中獲得盡可能多的關(guān)于被診斷對象狀態(tài)的有用信息，這是機(jī)械故障診斷的核心。 基本環(huán)節(jié)4：狀態(tài)診斷、監(jiān)測及預(yù)報 主要內(nèi)容：構(gòu)造或選定判據(jù)，確定劃分設(shè)備狀態(tài)的各有關(guān)參量的門檻值等內(nèi)容。 主要目的：判定被診斷對象的運(yùn)行狀態(tài)，并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。,第二節(jié)

21、 故障特征參量,一、故障特征參量的定義二、故障特征參量的選取原則三、故障特征參量的選定方法,一、故障特征參量的定義,對于某一具體的故障類型，我們所關(guān)心的問題是： (1)這種故障通過哪些物理參量表現(xiàn)出來? (2)這種故障與各物理參量間的關(guān)系強(qiáng)弱情況如何? 一般而言，對于前一個問題，只要機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了變化，就必定會影響到與之相聯(lián)系的各個動態(tài)物理參量，牽涉面較廣。而故障類型與物理參量的關(guān)系強(qiáng)弱是我們最感

22、興趣的。因為只有那些與某種故障類型之間的關(guān)系密切、對故障敏感可靠的物理參量才被用于故障的診斷。 故障特征參量的定義：對故障敏感、穩(wěn)定可靠的物理量（原始/運(yùn)算后）稱為故障特征參量。,一、故障特征參量的定義,說明1：機(jī)械系統(tǒng)的故障類型千差萬別，與每一種故障類型相對應(yīng)，機(jī)械系統(tǒng)必定會通過一個或多個物理參量將其表征出來 (一因多果)；每一種故障類型也必須由一種或多種原因所引起 (一果多因)。如齒輪齒面點(diǎn)蝕。 故

23、障表現(xiàn)與其特征參量和故障原因之間存在的對應(yīng)關(guān)系： F = f (α1 ,α2 ,α3 ,…...） F — 某種故障類型； α1 ,α2 ,α3 — 各特征參量或故障原因。 故障診斷就是要確定F與α1 ,α2 ,α3…..之間的某種對應(yīng)關(guān)系 f，以便通過檢測α1 ,α2 ,α3… 來判斷故障類型F是否發(fā)生，或在已知F

24、發(fā)生的情況下去查明造成 F 產(chǎn)生的原因α1 ,α2 ,α3… 等。,一、故障特征參量的定義,說明2: 對于同一種故障類型，當(dāng)它們發(fā)生在不同的機(jī)械系統(tǒng)上時，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，應(yīng)結(jié)合具體的系統(tǒng)進(jìn)行。 例如：一般機(jī)器的軸承發(fā)生故障時，其溫度會升高，此時溫度可選為故障特征參量。然而，對于礦用通風(fēng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子軸承處于風(fēng)道內(nèi)，受到強(qiáng)風(fēng)冷卻，即使出現(xiàn)故障溫度也未必明顯升高，此時就不宜選用溫度作為

25、軸承故障的特征參量。,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)引起故障特征參量較大的變化；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，如果把系統(tǒng)狀態(tài)取作自變量，故障特征參量取作因變量，則故障特征參量應(yīng)是系統(tǒng)狀態(tài)這個自變量的單值函數(shù)；3. 實用性(或可實現(xiàn)性)：故障特征參量應(yīng)便于檢測，如果某個物理參量雖對某種故障足夠靈敏，但這個參量不易獲得(經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的考慮)，那么這個物理參量也

26、不便用作故障特征參量。如齒面溫度。,三、故障特征參量的選定方法,理論分析 + 實驗原因： （1）故障的復(fù)雜性及多因多果性; （2）故障類型不同，其故障特征不同，其故障特征參量也不同； （3）即使是同一種故障類型，當(dāng)其環(huán)境條件(包括故障主體)發(fā)生變化時，其故障特征參量也不同。,第三節(jié) 機(jī)械故障診斷的一般思維方法,故障識別理論與思維科學(xué)以及故障診斷技術(shù)的發(fā)展密不可分。從傳統(tǒng)診斷技術(shù)向現(xiàn)代診斷技術(shù)發(fā)展。傳統(tǒng)診斷技

27、術(shù)：識別理論主要借助形式邏輯進(jìn)行一些簡單的推理?，F(xiàn)代診斷技術(shù)：有故障樹分析、模式識別、模糊診斷等多種識別理論。本節(jié)討論形式邏輯推理與故障樹分析的基本原理。,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,故障診斷過程是一個觀察、假設(shè)、驗證、修正假設(shè)、再驗證……，直至找到故障的真正原因的過程。故障診斷過程可分為五個步驟： (1) 調(diào)研考察，得出故障現(xiàn)象； (2) 假設(shè)原因； (3) 由假設(shè)原因推斷出應(yīng)有的結(jié)果；

28、 (4) 將推斷結(jié)果與考察所得的現(xiàn)象進(jìn)行比較； (5) 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)。以上第 3)、4)、5) 是屬于證實或推翻假設(shè)。在分析故障時，往往進(jìn)行某些試探性的調(diào)整、拆卸，觀察故障癥狀的變化，以查尋或反證故障發(fā)生的部位。,二、故障樹分析法(FTA)概述,故障樹分析法(Fault Tree Analysis)是由美國貝爾電話研究所沃森（Watson）和默恩斯（Mearns）于1961年首次提出并

29、應(yīng)用于分析民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的故障診斷。其后，波音公司的哈斯?fàn)枺℉asse）等人研制出故障樹分析法計算程序，標(biāo)志著故障樹分析法進(jìn)入了以波音公司為中心的宇航領(lǐng)域。1974年后故障樹分析法從宇航、核能進(jìn)入電子、化工和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。,2.1 故障樹分析法概述,故障樹分析，就是首先選定某一影響最大的系統(tǒng)故障作為頂事件，然后將造成系統(tǒng)故障的原因逐級分解為中間事件，直至把不能或不需要分解的基本事件作為底事件為止，各事件用邏輯門相聯(lián)系，這樣

30、就得到了一張樹狀邏輯圖，稱為故障樹。如圖1-1所示。,故障樹分析法(FTA)引例：,2.2 故障樹分析法主要步驟,故障樹分析就是以故障樹為基礎(chǔ)，分析影響頂事件發(fā)生的底事件種類及其相對影響程度。故障樹分析的主要步驟： (1)建立故障樹; (2)故障樹的定性分析; (3)故障樹的定量分析。,2.3 故障樹的建立,建樹方法：人工建樹、計算機(jī)輔助建樹。建樹思路：(1) 確定頂事件; →(2) 建立邊

31、界條件; →(3) 建立原始故障樹; →(4) 故障樹的簡化; →(5) 定性分析; →(6) 定量計算,2.4 建樹實例--減速器的故障,建樹實例--減速器的故障(續(xù)),在本例中，減速器的故障就是頂事件。假定減速器故障僅包括漏油、振動噪聲超標(biāo)和減速器不能工作三種形式，它們可作為故障樹的第二級。而減速器的振動噪聲可能來自齒輪箱，也可能來自基座、電機(jī)或工作中的不平穩(wěn)外載荷，它們可作為故障樹的第三級。齒輪箱由轉(zhuǎn)軸組件和軸承系統(tǒng)組成，它們構(gòu)