设备状态监测与故障诊断技术第10章-设备故障诊断的逻辑方法

1、2022-5-51学习目标：学习目标：本章介绍设备故障诊断的逻辑方法。n了解了解故障树分析与诊断方法；n理解理解故障模式、影响和致命度分析方法；n了解了解其它逻辑方法。 第十章第十章 设备故障诊断的逻辑方法设备故障诊断的逻辑方法 2022-5-52第一节第一节 故障树分析与诊断故障树分析与诊断 故障树分析故障树分析（FTA，Fault Tree Analysis）是可靠性设计的一种有效方法，也可以成为故障诊断技术中的一种有效方法。故障树分故障树分析是一种针对某个特定的析是一种针对某个特定的不希望事件的演绎推理分析不希望事件的演绎推理分析，是一种将系，是一种将系统故障形成的原因进行由统故障形成的

2、原因进行由总体至部件按树枝状逐级细化总体至部件按树枝状逐级细化的分析方法。的分析方法。n故障树提出的背景基于故障的层次特性，其故障成因和后果的关系往往具有很多层次并形成一连串的因果链，加之一因多果或一果多因的情况就构成了“树树”或“网网” 。n在整个因果链或其中一段中，凡属“由因求果由因求果”就是正问题，是寻求可能发生什么样的系统状态（通常是找系统故障状态）的过程，如事件树分析事件树分析就是解决这类问题的一种方法；n而“由果求因由果求因”就是逆问题，是寻求怎样才能发生某个特定的系统状态（通常是找部件故障模式）的过程。n故障树分析法就是一种故障树分析法就是一种由果到因由果到因的演绎分析方法的演绎

3、分析方法。2022-5-53 故障树分析在工程上的应用应用主要是：n在设计中，应用FTA可以帮助设计者弄清系统的故障模式和成功模式；n预测预测系统的安全性和可靠性，评价系统的风险；n衡量衡量元、部件对系统的危害度和重要度，找出系统或设备的薄弱环节，以便在设计中采取相应的改进措施；n通过故障树模拟分析，可实现实现系统优化。n在管理和维修中可进行进行事故分析和系统故障分析；n制定故障诊断和检修流程，寻找寻找故障检测最佳部位和分析故障原因；n完善完善使用方法，制定制定维修决策，以便采取有效的维修措施，切实预防故障的发生。第一节第一节 故障树分析与诊断故障树分析与诊断 2022-5-54 在故障树分析

4、中，一般是把所研究系统最不希望发生的故障状态最不希望发生的故障状态作为辨识和估计的目标目标，这个最不希望发生的系统故障事件称为顶事件顶事件（也称终端事件终端事件）； 然后在一定的环境与工作条件下，首先首先找出导致顶事件发生的必要和/或充分的直接原因，这些原因原因可能是部件中硬件失效、人为差错、环境因素以及其它有关事件等因素，把它们作为第二级。 依次依次再找出导致第二级故障事件发生的直接因素作为第三级，如此逐级展开，一直追溯到那些不能不能再展开或毋需再深究的最基本的故障事件为止为止。 这些不能再展开或毋需再深究的最基本的故障事件称为底事件底事件（也称初始事件初始事件）； 而介于顶事件和底事件之间

5、的其它故障事件称为中间事件中间事件。 把把顶事件顶事件、中间事件中间事件和和底事件底事件用适当的逻辑门用适当的逻辑门自上而下自上而下逐级连结起来逐级连结起来所构成的逻辑结构图就是所构成的逻辑结构图就是故障树故障树。下面较低一级的事件是门的输入输入，上面较高一级的事件是门的输出输出。通常把仅含故障事件以及与门与门、或门或门的故障树叫做正规故障树正规故障树。第一节第一节 故障树分析与诊断故障树分析与诊断 2022-5-55序号名称说 明1基基本本门门与门与门仅当所有输入事件仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生。与门表示了输入与输出之间的一种因果关系。2或门或门至少一个输入事件至少一个输入事件发

6、生时，输出事件才发生。或门并不传递输入与输出的因果关系，输入故障不是输出故障的确切原因，只表示输入故障来源的信息。3非门非门输出事件是输入事件的对立关系对立关系。4修修正正门门顺序与门仅当输入事件仅当输入事件按规定的顺序依次发生顺序依次发生时，输出事件才发生。5持续时间与门仅当输入事件仅当输入事件发生并持续一定时间持续一定时间时，才导致输出事件发生。6表决门仅当仅当n个输入事件个输入事件中有r个或个或r个以上的事件个以上的事件发生时，输出事件才发生。7异或门异或门（互斥或门）在或门诸输入事件中，仅当单个事件发生仅当单个事件发生时，输出事件才发生。8特特殊殊门门禁门仅当条件事件仅当条件事件发生时

7、，单个输入事件的发生才导致输出事件的发生。9其它的特殊门，如真值门、累加门、矩阵门等等，在此不一一赘述。表表10-1 逻辑门逻辑门 2022-5-56故障树分析法故障树分析法的特点是：n直观、形象直观、形象n灵活、方便灵活、方便n通用、可算通用、可算故障树分析有定性分析定性分析和定量分析定量分析n对故障树进行定性分析定性分析的主要目的目的是为了找出导致顶事件顶事件发生的所有可能的故障模式，也即弄清系统（或设备）出现某种最不希望的故障事件有多少种可能性。n对故障树进行定量分析定量分析的主要目的目的是求顶事件顶事件发生的特征量（如可靠度、重要度、故障率、累积故障概率、首次故障时间等）和底事件底事件

8、的重要度。第一节第一节 故障树分析与诊断故障树分析与诊断 2022-5-57第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 一、概述一、概述n故障模式及影响分析故障模式及影响分析（FMEA，Fault Mode and Effect Analysis）和上一节所介绍的故障树分析（FTA）都是从体系上体系上分析系统故障的方法，但两者层次分析的方向、特点和手段是不同的。nFMEA是利用是利用表格表格逐一分析系统中每个可能发生的故障模式（原逐一分析系统中每个可能发生的故障模式（原因）对系统所产生的影响（后果），并把每个可能发生的故障模因）对系统所产生的影响（后果），并把每个可能发

9、生的故障模式按其式按其严重程度严重程度予以分级评价的一种分析方法。予以分级评价的一种分析方法。这种方法本质上是一种一种定性的定性的归纳逻辑推理归纳逻辑推理，它是研究零件、部件等下一级故障对上一级子系统和系统影响的、自下而上的正向分析方法正向分析方法，以便对系统不同结构层次的故障模式进行预测模拟。2022-5-58为了能将为了能将FMEA用于用于定量分析定量分析，在其基础上增加了，在其基础上增加了致命度致命度分析分析（CA，Criticality Analysis）的内容，发展成为）的内容，发展成为故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析（FMECA）。）。FMECA基本上包括以下内

10、容：n故障模式分析；故障模式分析；n故障影响分析；故障影响分析；n预防故障的措施和补偿控制；预防故障的措施和补偿控制；n故障致命度分析。故障致命度分析。对于对于FMEA只包括前三项。只包括前三项。第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-59FMEA与FMECA的特点特点是： 利用利用逻辑表格系统逻辑表格系统地列举列举构成系统零、部件的所有故障模式，然后然后进行单一的故障模式输入，逐一探讨故障模式对各层次、乃至最终系统的影响，是从可靠性角度对部件和系统故障进行的归纳性概念分析。 该方法主要用于主要用于设计阶段设计阶段，是在新系统的设计评价中应用已有的数据

11、和经验来预测故障的后果。 该方法以硬件为中心硬件为中心，原则上原则上用于硬件故障模式的模拟和分析，对潜在的故障按其影响程度确定等级，提出提出系统的改进措施，为系统或设备的可靠性设计和维修规划提供有效数据。第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-510二、致命度分析二、致命度分析n如前所述，致命度分析致命度分析（CA）是在）是在FMEA的基础上扩展成的的基础上扩展成的定定量分析量分析，是根据一定的，是根据一定的标准和规范标准和规范对故障后果的危害程度进行对故障后果的危害程度进行的的综合评定和分级综合评定和分级，可以获得影响系统功能的，可以获得影响系统功能

12、的关键故障模式关键故障模式，故总称为故总称为故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析（FMECA，Failure Mode，Effect and Criticality Analysis）。）。针对关键故障模式进行故障机理分析并采取预防措施，不仅不仅可减少故障机理分析的工作量，而且而且可大大提高系统的可靠性。1故障程度的分类故障程度的分类n为对故障后果进行综合评定，不同的国家及公司采用了不同的标准、等级和分类方法。应考虑以下诸因素：第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-511 故障发生频率故障发生频率n系统在执行一次任务期间，某个故障模式

13、发生的次数与系统总故障次数之比之比，称这对应于该故障模式的故障发生频率故障发生频率，其极极限意义限意义即为故障发生概率故障发生概率。故障发生频率可根据试验试验和现场数现场数据据推断，当不能当不能准确求出故障频率值时，可采用表10-2所示的评分法评分法。等级程度发生频率评分1很高很高：非常频繁发生0.2452高高：经常发生0.10.2343中中：偶尔发生0.010.124低低：很少发生0.0010.0115极低极低：几乎不可能发生0.0010表表10-2 故障发生频率分类故障发生频率分类 第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-512 故障严重度故障严重

14、度n故障严重度亦称故障等级故障等级，是故障模式对系统级层次影响的严重程度。可采用表10-3所示的分类方法，以及半定量化的评分数值。等级名称程 度 评分修复情况 1致命致命系统、环境和人员损失重大，可能导致人员伤亡。7-10一般不可修复，经济上不合算。 2严重严重 系统功能明显恶化，组成层次严重故障，系统和环境损失较大，可能导致人员重伤。4-7 不能立即修复，修复时间较长。 3一般一般 系统功能下降，组成层次恶化，系统和环境损失较小，对人员无明显伤害。2-4 采取事后维修，可立即修复。 4轻微轻微 系统功能正常，组成层次异常2 采取“调整型”维修后，即能修复。 表表10-3 故障严重度分类故障严

15、重度分类 第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-513 故障可检测的难易程度故障可检测的难易程度n故障模式的可测试性和可诊断性是系统诊断能力的固有属性。其主要衡量指标是故障检出率故障检出率、故障隔离率故障隔离率、误诊误诊率率、故障误隔离率故障误隔离率和分辨率分辨率等。为了评定故障模式可检测的难易程度，可按表10-4所列的方法分类评分。等级程 度评分1需用专门测试仪器专门测试仪器进行精密诊断3-52需用通用设备通用设备进行简易诊断23由人的感官感知 1表表10-4 故障可检测程度的分类故障可检测程度的分类 第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模

16、式、影响和致命度分析 2022-5-5142致命度的定量分析致命度的定量分析n将上述故障模式将上述故障模式发生频率发生频率、严重度严重度和可和可检测难易程度检测难易程度的评分值的评分值相相乘乘，便得到故障后果综合的评分值，将不同故障模式的综合评分，便得到故障后果综合的评分值，将不同故障模式的综合评分值按值按由大到小由大到小的顺序排列，就得到的顺序排列，就得到FMECA的的定时数值定时数值，即，即危险优危险优先数先数。n对那些危险优先数大的故障模式必须重点必须重点分析故障机理，寻找寻找故障原因，研究研究故障监控与诊断以及预防的方法和技术，对于那些严重度高的故障模式，凡属于安全法规规定的项目都是安

17、全保证的内容；n对于那些发生频率高的故障模式，应进行以排除故障产生根源为重点重点，在设计方面实施改进措施，采取采取在硬件方面防止故障再发生的对策；n对那些未检出率高的故障模式，也应消除故障原因，如果不能不能充分做到这一点，则应以检测故障为重点重点，在改进检测质量和诊断技术上下功夫。第二节第二节 故障模式、影响和致命度分析故障模式、影响和致命度分析 2022-5-515第三节第三节 其它逻辑方法其它逻辑方法 一、工程逻辑法一、工程逻辑法工程逻辑方法包括包括归纳与演绎、综合与分析、比较与分类等等。其基本步骤为：1用假设验证法分析故障；2列出列出故障成因关系并提出处理意见。其过程如下：阶段A 问题A

18、 假设1、2、 验证1、2、 结论A阶段B 问题B 假设1、2、 验证1、2、 结论B分析完毕后将分析过程作出总结总结，列出列出其相互关系并提出处理意见。2022-5-516二、框图法二、框图法n将产生故障的各种原因根据根据它们的前后关系，以简单的框图形式排列出来，再据此逐一排除非故障原因，找出真正的故障原因。三、鱼刺图法三、鱼刺图法鱼刺图法类似于类似于框图法。事实上，以上三种方法不仅用于设备故障诊断领域，它们在工程、管理等众多领域中都有应用。第三节第三节 其它逻辑方法其它逻辑方法 2022-5-517小小 结结n故障树分析故障树分析是一种针对某个特定的不希望事件不希望事件的演绎推理分析，是一种将系统故障形成的原因进行由总体至总体