故障基本概念

1、2.1 故障基本概念2.2 故障诊断概述2.3 故障特征参量2.4 故障诊断的思维方法2.5 机车车辆故障诊断技术的应用与发展,第2章 故障诊断的基本原理,2.1 故障基本概念,失效(Failure)：产品丧失规定的功能 故障(Fault)：可修复的失效。可修复包含可能和值得两层意思。故障和失效在工程上常等同。 故障分析(失效分析)：分析故障原因，提出对策、预防方法。 故障诊断：监测、识别设备的状态，做出决策。 故障学：研究失效理论、故障诊断技术、预防工程,一、 术语,二、 故障类型(故障模式) 1断裂：韧性、脆性断裂、疲劳断裂 2裂纹：铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、机加工裂纹 3

2、磨损：磨粒磨损、粘着磨损、点蚀、气蚀 4畸变：过量变形 5腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、冲刷腐蚀 6其它：打滑、松脱(松动)、泄露、烧损等,三、 故障产生的原因 1产生原因 作用于产品的能量足够大，使输出参数超出允许的极限范围。 能量形式：机械能、热能、化学能、电能。 能量来源：周围环境作用的能量、机器工作过程的能量、制造过程在机器中潜伏的能量、修理维护时作用时机器的能量。 以表示广义的应力(如各种力、应力、变形、磨损量)，以表示广义的许用应力。 则故障发生的判据为：,2极限技术状态的确定 总结经验法：工作日记、故障报告、维修记录等 生产试验法(现场试验) 实验室研究：通过强化试验规范、减小试件

3、尺寸，节约时间和费用 理论计算：如计算裂纹扩展速率，预测使用寿命。,4、故障的分类,1按故障发生、发展的快慢分类 1）突发性故障 这种故障的发生具有偶然性，与使用时间的长短无关，不可预测，发生前没有任何可察觉的征兆。例如电气系统的断路，操作人员的失误等都会引起这类故障。 2）渐近性故障 大部分机械故障都是渐近性故障，这种故障是由于设备的技术指标逐渐劣化（磨损、腐蚀、疲劳、老化等因素的影响），最终超出允许限度而引起的。,2按故障的表现分类 1）功能故障（实际故障） 设备丧失了或明显降低了工作能力，叫功能故障。这类故障容易发现，操作者能直接感受出来。 2）潜在故障 与渐近性故障相联系。虽然故障在功

4、能方面尚未表现出来，但已发展到能鉴别出来的程度时，就认为是一种故障现象，并称为潜在故障，例如疲劳裂纹、密封件老化、零件磨损等。及时处理潜在故障，防止发展成为功能故障，在机械使用过程中有着非常重要的意义。,3按故障发生的原因分类 1）人为故障 设备在制造或大修时，使用了不合格的零件，运行时不遵守操作规程，以及运输、保管不当等原因，都会使设备出现故障，这种故障称为人为故障。 2）自然故障 设备在使用和保存期间，由于受到外部和内部各种自然因素的影响而引起的故障，都叫自然故障，如正常情况下的磨损、老化、腐蚀等引起的故障都属这个范畴。,故障规律指设备投入使用后，设备故障率与使用时间的关系。呈浴盆曲线。

5、设备故障率：机械设备工作到t时刻不发生故障，而在下一个单位时间内发生故障的概率。,五、 故障规律,六、 故障的影响因素 1 设计 2 材质 3 制造工艺 4 装配调试：装配完成后进行跑合可明显提高寿命。 5 运转维修：运转工况参数(载荷、速度、润滑条件等)，维修制度是否合理,一、故障诊断的作用,1) 保障设备安全，防止突发性故障。 2) 保证设备精度，提高产品质量。 3) 实施状态维修，节约维修费用。 维修方式分为：事后维修和预防维修(包括计划维修和状态维修) 4）防止故障重复发生。 5）提供技术改造、指定技术文件的依据。,2.2 故障诊断概述,二、 故障诊断基本过程,1状态监测：通过传感器采

6、集机器运行中的各种信息，在信号处理系统中进行处理，得到能反映机器运行状态的参数，实现对机器运行状态的监测。 2状态识别：根据状态监测提供的特征参数，识别机器是否运转正常。 3决策预防：对故障原因、部位和危害程度进行评价，决定修正和预防的方法。,三、 故障诊断类型,功能诊断与运行诊断：功能诊断指对新安装或维修的设备进行检测诊断。运行诊断是对正在服役 的设备进行检测诊断。 直接诊断与间接诊断：间接诊断是利用二次诊断信息，如利用轴承的支承油压来判断轴的对中状况。 简易诊断与精密诊断：简易诊断判断是否失效，精密诊断还需要确定故障的模式、严重程度、产生部位、原因等。 定期诊断与连续监测 在线诊断与离线诊

7、断 常规工况诊断与特殊工况诊断：常规工况诊断在常规运行状况下监测，特殊工况指机器启动、停机等工况。,按监测手段分： 振动监测诊断法、噪声监测诊断法、温度监测诊断法、声发射监测诊断法、压力监测诊断法、油液监测诊断法等。 按诊断原理分： 频域诊断法、时域诊断法、统计分析法、信息理论分析法、模式识别法、人工神经网络、专家系统等。,四、 故障诊断方法,1以监测仪表为主体的监测装置 由传感器和指示仪表构成，主要用于测振动。缺点：幅值监测不能动态过程特征；强烈振动前，故障征兆不明显；仪表无分析功能，靠人工经验判断。 2监测仪表配备软硬件装置 由传感器+频谱分析仪构成，具有频谱分析、轴心轨迹图等功能。缺点：

8、不能自动判断，诊断依赖于领域专家；不能预防突发性故障。 3计算机辅助监测与诊断系统： 由传感器+接口装置+计算机(含人工智能技术)组成。可实时监测和自动诊断，是机械工况监测与故障诊断的主要发展领域。,五、 故障诊断设备,2.3 故障特征参量,在机械故障诊断学领域，将对故障灵敏、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。也就是说，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：,一、故障特征参量的定义,式中 F某种故障类型； 1、2各特征参量或故

9、障原因。 故障诊断就是要确定F与1、2，之间的某种对应关系，以便通过1、2，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1、2，等。,二、直接特征参量与间接特征参量,可以用直接特征参量或间接特征参量来描述故障。 直接特征参量包括设备或部件的输出参数、设备零部件的损伤量。以设备或部件输出参数作为故障特征参量一般难以发现早期故障；另外，这类故障特征参量只能用以判断设备工作能力的强弱，只表明有无故障，而无法判断故障部位、故障形式及故障原因。 引起设备故障的各种损伤量，如变形量、磨损量、裂纹大小、锈蚀程度等都是判断设备技术状态的特征参量。这类特征参量都是引起故障的直接原因，它们不仅

10、可以表示故障的存在、原因、部位，而且其数量值可以表示故障的严重程度及发展趋势。,间接特征参量即二次效应参数，主要有设备在运转过程中产生的振动、声音、温度、电量等等。 作为故障信号的二次效应参数比较多，而且对于不同的故障和频率范围，二次效应参数与故障判断之间的灵敏度和有效性也不完全相同。因而在故障诊断中，就存在一个合理选择特征参量的问题。 用间接特征参量进行故障诊断的主要优点是可以在设备运行中以及不做任何拆卸的条件下进行诊断。其缺点是间接特征参量与故障间常存在某种随机性。,三、故障特征参量的选取,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

11、出来，每一种故障类型也必须由一种或多种原因所引起。 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。,故障特征参量一般通过经验、理论分析和实验的方法来确定。故障特征参量的选取原则有： 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

12、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； 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。,2.4 故障诊断的思维方法,当系统的故障影响因素复杂，各影响因素之间存在各种复杂逻辑关系时，需要采用系统工程方法进行分析。它把复杂设备和人的因素作为一个整体系统，运用数学方法和现代化工具来研究故障的因果之间的各种逻辑关系，并计算出系统故障与其组成部分之间的定量关系。,故障诊断过程是一个观察、假设、验证、修

13、正假设、再验证，直至找到故障的真正原因的过程。即可把故障诊断过程划分为以下五个步骤： 调研考察，得出故障现象； 假设原因 由假设原因推断出应有的结果： 将推断结果与考察所得的现象进行比较； 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。,一、形式逻辑推理,逻辑推理方法有： 求同法 求异法 求同求异法 共变法 剩余法,二、 主次图法（Pareto图）,主次图是为寻找故障主要原因所使用的图。 Pareto图来自于Pareto定律，该定律认为绝大多数的问题或缺陷产生于相对有限的起因。就是常说的80/20定律，即20%的原因造成80%的问题。 Pareto图又称排列图，是一种柱状图，按事件发

14、生的频率排序而成，它显示由于各种原因引起的缺陷数量或不一致的排列顺序，是找出影响项目产品或服务质量的主要因素的方法。 只有找到影响项目质量的主要因素，才能有的放矢，取得良好的经济效益。pareto图中根据柱图顶端生成的曲线为Pareto曲线，说明了项目实施失败的各种原因。 其中，各影响因素的排列顺序用于指导纠正措施，即项目组应该首先解决引起更多缺陷的问题。 影响质量的主要因素通常分为3类： A类为累计百分数在70%-80%范围内的因素，它是主要的影响因素。 B类是除A类之外累计百分数在80%-90%范围内的因素，是次要因素。 C类为除A、B两类之外百分比在90%-100%范围的因素。 因此Pareto图又叫ABC分析图法。,B23型机械保温车主电机的故障主次图,应用介绍,在一定期间收集数据 收集数据时区分不同的原因 按照出现次数大小依次排列 计算累计和 将这些数据用直方图的形式表达出来，并画出累计和曲线。,三、因果图法（鱼骨图）,因果图是一种发现故障“根本原因”的方法, 又称为鱼骨图。 故障标在“鱼头”外，