第一章机械故障诊断的基本原理详解演示文稿

第一章机械故障诊断的基本原理详解演示文稿目前一页\总数八十一页\编于二十二点（优选）第一章机械故障诊断的基本原理目前二页\总数八十一页\编于二十二点3式中F

－某种故障类型；－各种特征参量或故障原因

故障诊断就是确定F与之间的某种对应关系f，以便通过检测来判断故障类型F是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成F的原因等。

第二节故障特征参量

故障表现与特征参量和故障原因之间存在如下的对应关系：目前三页\总数八十一页\编于二十二点4

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。井下风机轴承故障目前四页\总数八十一页\编于二十二点5二、故障特征参量的选取原则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，则故障持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。第二节故障特征参量目前五页\总数八十一页\编于二十二点6三、故障特征参量的选定方法故障特征参量一般通过理论分析和实验的方法来确定。第二节故障特征参量不同故障，特征参量不同同一故障，当环境发生变化时，特征参量也不同目前六页\总数八十一页\编于二十二点7第二节机械故障诊断的一般思维方法

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。本节讨论：逻辑推理故障树分析第一章机械故障诊断的基本原理目前七页\总数八十一页\编于二十二点8可把故障诊断过程划分为以下五个步骤：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。第三节机械故障诊断的一般思维方法一、形式逻辑推理目前八页\总数八十一页\编于二十二点91．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(2)因果关系的确定性(3)因果关系的普遍性第三节机械故障诊断的一般思维方法几个逻辑的概念目前九页\总数八十一页\编于二十二点10首先确定可能的原因或结果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。目前十页\总数八十一页\编于二十二点113．逻辑推理方法(1)契合法(求同法)场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十一页\总数八十一页\编于二十二点12场合先行（或后行）情况被研究现象(2)差异法(求异法)

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。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十二页\总数八十一页\编于二十二点13轮流切换法：场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十三页\总数八十一页\编于二十二点14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。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十四页\总数八十一页\编于二十二点15(3)契合差异并用法(求同求异法)场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十五页\总数八十一页\编于二十二点16场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法正负两组事例的组成场合越多，结论越可靠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，因为负事例的场合是无限多的目前十六页\总数八十一页\编于二十二点17(4)共变法场合先行（或后行）情况被研究现象第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十七页\总数八十一页\编于二十二点18(5)剩余法已知：现象a是情况A作用的结果现象b是情况B作用的结果现象c是情况C作用的结果结论：现象d是情况D作用的结果第三节机械故障诊断的一般思维方法由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。目前十八页\总数八十一页\编于二十二点19①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；在应用剩余法进行推断时，有以下两点需提请注意：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。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前十九页\总数八十一页\编于二十二点20二、故障树分析法(FTA)

故障树分析法(FTA，FaultTreeAnalysis)，简称FTA，是一种将系统故障形成的原因由总体至局部按树状结构进行逐级细化的分析方法，是一种针对某个特定的不希望发生的事件的由果到因的演绎推理方法。

故障树分析法的作用：是对复杂的动态系统设计、工厂试验或现场发现故障形式进行可靠性分析的工具，其目的是要判明基本故障、确定故障的原因、影响和发生概率。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十页\总数八十一页\编于二十二点21故障树分析法的过程：第三节机械故障诊断的一般思维方法

把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后找到直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成这些全部因素中的每一个因素发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的，其故障机理或概率分布都已知的，无需再深入研究的因素为止。目前二十一页\总数八十一页\编于二十二点22第三节机械故障诊断的一般思维方法描述系统状态、部件状态的变化过程就叫做事件。如果系统或元件按规定要求(规定的条件和时间)完成其功能则称为正常事件；如果系统或元件不能够按规定要求完成指定的功能，或者其功能完成不准确，则称作故障事件。通常引起故障事件的原因有：硬件失效，软件错误，环境条件影响以及人为因素等。目前二十二页\总数八十一页\编于二十二点23

把最不希望发生的事件(或系统故障事件)称为顶事件，无需再深究的事件(形成系统故障的基本事件)称为底事件，或称为初始事件，介于顶事件与底事件之间的一切事件都称为中间事件。凡是能产生故障事件的元件、子系统、设备、人和环境条件，在故障树中都定义为部件。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十三页\总数八十一页\编于二十二点24

部件的故障按其产生的原因分为三类：①由于系统元件的内在原因而产生的直接故障；②由于外部原因、环境恶化等造成的系统元件的间接故障；③由于其他不明原因(尚需进一步分析)而产生的故障，也称为受控失效。

目前二十四页\总数八十一页\编于二十二点25第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十五页\总数八十一页\编于二十二点262．故障树分析法的特点(1)直观、形象(2)灵活、多用途(3)多目标、可计算

缺点：理论性较强，逻辑性较严密，因此要求分析人员对所研究的对象(系统或设备)必须有透彻的了解，还应具有比较丰富的设计和运行经验。优点：第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十六页\总数八十一页\编于二十二点273．故障树分析的步骤(1)对所选定的系统(或设备)进行必要的预分析(2)对系统的故障进行定义(3)仔细分析形成各种故障的原因(4)收集各种故障发生概率的数据(5)选定系统可能发生的最不希望发生的故障状态(事件)作为顶事件，作出故障树逻辑图(6)对故障树结构作定性分析(7)对故障树结构作定量分析第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十七页\总数八十一页\编于二十二点28第三节机械故障诊断的一般思维方法目前二十八页\总数八十一页\编于二十二点294．故障树分析法中采用的符号目前二十九页\总数八十一页\编于二十二点30

目前三十页\总数八十一页\编于二十二点31建立故障树的主要步骤：

(1)确定顶事件

①要有明确的定义；②要能进行分解，③要能度量以便于定量分析。(2)建立边界条件，简化建树工作故障树的边界条件应包括：①初始状态②不容许事件③不可能事件④必然事件⑤事件概率(3)构建故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法目前三十一页\总数八十一页\编于二十二点32第三节机械故障诊断的一般思维方法

油泵驱动电路E蓄电池K1手动开关K2电磁开关M电动机（24V）P油泵如图所示油泵驱动电路，系统故障为不供油。已知：电动机故障率0.001，油泵故障率为0。目前三十二页\总数八十一页\编于二十二点33

油泵驱动电路的故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法目前三十三页\总数八十一页\编于二十二点34建立故障树时必须注意：①故障定义必须明确，避免多义性②注意系统中事件的逻辑关系③应首先考虑主要的、可能性大的以及关键性的故障事件④严格区分小概率事件与小部件故障事件的概念⑤建树时切忌避免“门与门”直接相连

第三节机械故障诊断的一般思维方法目前三十四页\总数八十一页\编于二十二点356．故障树与结构函数

考虑一个由N个部件组成的系统，将系统失效称为故障树的顶事件，记作T，系统中各部件失效则称为底事件。假设系统和部件均只有失效和正常两种状态，则底事件可以定义如下：第三节机械故障诊断的一般思维方法目前三十五页\总数八十一页\编于二十二点36定义为故障树的结构函数

同时第三节机械故障诊断的一般思维方法系统顶事件的状态如用φ来表示，则φ必然是底事件状态的函数目前三十六页\总数八十一页\编于二十二点37“与门”故障树“或门”故障树目前三十七页\总数八十一页\编于二十二点38“非门”故障树目前三十八页\总数八十一页\编于二十二点39故障树的简化

在分析系统故障时，最初建立的故障树往往并不是最简的，可以对它进行简化。最经常采用的简化方法是借助逻辑代数的逻辑法则进行简化。目前三十九页\总数八十一页\编于二十二点40(1)基本逻辑关系逻辑关系表达式含义其它表示方法逻辑非没有

，逻辑与

与逻辑或

或或两者蕴涵有必有同一

同有同无两个变量的基本逻辑关系目前四十页\总数八十一页\编于二十二点41两个变量逻辑运算的真值表00110011011010101001100011001111目前四十一页\总数八十一页\编于二十二点42Exp.张三：“今天肯定不点名，如果点名我就宴请全寝室同学。”点名宴请全寝室真话111100001011蕴涵目前四十二页\总数八十一页\编于二十二点43逻辑运算的基本法则目前四十三页\总数八十一页\编于二十二点44

常用的故障树化简方法有：修剪法、模块法、卡诺图法和计算机辅助化简法等。7．故障树化简

第三节机械故障诊断的一般思维方法A+A=AA*A=A目前四十四页\总数八十一页\编于二十二点45第三节机械故障诊断的一般思维方法A+A*B=A目前四十五页\总数八十一页\编于二十二点46目前四十六页\总数八十一页\编于二十二点47第三节机械故障诊断的一般思维方法吸收率目前四十七页\总数八十一页\编于二十二点48第三节机械故障诊断的一般思维方法吸收率目前四十八页\总数八十一页\编于二十二点49目前四十九页\总数八十一页\编于二十二点508故障树的定性分析

目的:为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即弄清系统(或设备)出现某种最不希望发生的事件(故障)有多少种可能性。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十页\总数八十一页\编于二十二点51

故障树的某几个底事件组成一个集合，如果集合内的几个底事件同时发生时，将引起顶事件(系统故障)的发生，则这个集合就称为割集。

(1)割集与最小割集最小割集：指满足这样条件的割集，如果将某一割集中的底事件任意去掉一个就不再是割集，则这个割集就被称为最小割集。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十一页\总数八十一页\编于二十二点52

故障树定性分析的主要任务就在于寻找并确定系统的最小割集。

(2)最小割集算法①上行法又称塞迈特里斯(Semanderes)算法②下行法又称富塞尔(Fussell)算法

第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十二页\总数八十一页\编于二十二点53①上行法

对给定的故障树，从最下一级中间事件开始，分别应用下面两个公式顺次往上进行计算，直至顶事件为止。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十三页\总数八十一页\编于二十二点54第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十四页\总数八十一页\编于二十二点55第三节机械故障诊断的一般思维方法4个最小割集：x1x3，x1x4，x2x4，x3x4目前五十五页\总数八十一页\编于二十二点56目前五十六页\总数八十一页\编于二十二点57②下行法第三节机械故障诊断的一般思维方法

根据故障树中的逻辑或门会增加割集的数目，逻辑与门会增大割集容量的性质，从故障树的顶事件开始，由上到下，顺次把上一级事件置换为下一级事件，遇到与门将输入横向并列写出，遇到或门则将输入事件竖向串列写出，直至把全部逻辑门都置换为底事件为止，由此可得该故障树的全部割集。目前五十七页\总数八十一页\编于二十二点58T

↓

bc↓x1dx4e↓x1x3x1x4x4x2x4x3或门或门与门运用下行法前需对故障树进行布尔运算简化目前五十八页\总数八十一页\编于二十二点599．故障树的定量分析

故障树的定量分析：就是以故障树为基础，分析系统故障的发生概率以及各底事件的重要程度，包括结构重要度、概率重要度和关键性重要度等三个不同含义的定量指标。

第三节机械故障诊断的一般思维方法目前五十九页\总数八十一页\编于二十二点60第三节机械故障诊断的一般思维方法(1)概率计算的基本公式设事件x1、x2、…、xn的发生概率分别为P1、P2、…Pn

。和的概率①当x1、x2、…、xn为相互独立的事件时，有积的概率或门与门目前六十页\总数八十一页\编于二十二点61②当x1、x2、…、xn为相斥事件时，有积的概率和的概率第三节机械故障诊断的一般思维方法目前六十一页\总数八十一页\编于二十二点62③当x1、x2、…、xn为相容事件时，有和的概率：积的概率目前六十二页\总数八十一页\编于二十二点63

实际计算时，当Pi<0.1,i=1,2,…,n时，相容事件近似于独立事件；当Pi<0.01,i=1,2,…,n时，相容事件近似于相斥事件。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前六十三页\总数八十一页\编于二十二点64注意:在应用上述公式计算系统故障的概率时，当故障树中包含两个以上同一底事件时，则必须应用逻辑代数整理简化后，才能使用以上概率计算公式，否则会得出错误的结论。因此，在计算概率之前，必须将故障树化为结构最简，即与最小割集对应。第三节机械故障诊断的一般思维方法先简化故障树目前六十四页\总数八十一页\编于二十二点65(2)顶事件的发生概率

该算法的基本思路是：将故障树的结构函数表示成最小割集和的形式，然后应用概率计算的基本公式求出系统故障发生的概率。即将系统的最小割集结构函数表达为

要求系统顶事件发生的概率，就是求使的概率。第三节机械故障诊断的一般思维方法最小割集数某一最小割集目前六十五页\总数八十一页\编于二十二点66例1对于由二个单元组成的并联系统假设相互独立，其故障树如右图所示，求顶事件的发生的概率。

并联系统故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法目前六十六页\总数八十一页\编于二十二点67例2对于由二个单元组成的串联系统，其故障树如右图所示，求顶事件的发生的概率。

串联系统故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法目前六十七页\总数八十一页\编于二十二点68

对右图所示的故障树，令底事件x1，x2，x3，x4的发生概率分别为P1＝0.01，P2＝0.005，P3＝0.02，P4＝0.03。求系统(顶事件)故障发生的概率。目前六十八页\总数八十一页\编于二十二点69各最小割集间看作相斥事件，于是目前六十九页\总数八十一页\编于二十二点70

计算如下图所示的超压保护系统故障树的顶事件发生概率。

超压保护系统的简化故障树第三节机械故障诊断的一般思维方法目前七十页\总数八十一页\编于二十二点71(3)事件的重要度计算

在顶事件的发生中由于底事件的发生所作的贡献，或者说各个底事件(或各最小割集)对顶事件发生的影响称为底事件(或最小割集)的重要度。研究事件重要度对改善系统设计、提高系统的可靠性或确定故障监测的部位、制定系统故障诊断方案、减小排除故障的时间等具有重要意义。

为了比较它们在故障树中的重要程度，在故障树的定量分析中常作结构重要度、概率重要度和关键重要度等计算。第三节机械故障诊断的一般思维方法目前七十一页\总数八十一页\编于二十二点72①结构重要度

某个底事件的结构重要度，是在不考虑其发生概率值的情况下，观察故障树的结构，以决定该事件的位置重要程度。

由于底事件的状态为0或l，当xi处于某一状态时，其余n－1个底事件组合之系统状态数为2n-l。因此、第i个底事件xi的结构重要度定义为第三节机械故障诊断的一般思维方法目前七十二页\总数八十一页\编于二十二点73式中第三节机械故障诊断的一般思维方法ΣΦ(1ix)表示底事件xi和顶事件同时发生的状态组合数目，ΣΦ(0i