主要参考资料：机械故障诊断西安交通大学 智能仪器与监测诊断研究所 沈玉娣1. 机械故障诊断理论与方法，屈梁生等，西安交通大学出 版社； 2.机械故障诊断学，屈梁生，何正嘉，上海科技出版社； 3. 机械故障诊断学，黄仁，钟秉林，机械工业出版社； 4.设备状态监测与故障诊断技术，陈克兴，李川奇 主编， 科技文献出版社 5.旋转机械故障机理及诊断技术，韩捷等，机械工业出版 社 6.设备故障诊断原理、技术及应用，黄文虎等，科学出版 社 7.机械设备故障诊断技术及应用，王江萍，西北工业大学 出版社； 8.设备诊断现场实用技术丛书，机械工业出版社； 9.机械故障诊断丛书，屈梁生等，西安交大出版社 10.机械故障的全息诊断原理，屈梁生，科学出版社第一章 概述1.1 机械故障诊断的目的和内容 1.2 诊断信息的来原与获取 1.3 机械故障诊断方法的分类 1.4 机械故障诊断技术的现状与发展 1.5 机器零部件失效信息1.1机械故障诊断的目的和内容一.机械故障的定义与分类1.故障的定义 设备的基本状态可分为三种： 故障状态、异常状态、正常状态。故障只 是设备的一种状态。 一台设备的功能指标低于正常时的最低限 值时，即设备丧失规定功能的现象称之为 故障。一.机械故障的定义与分类2.故障的分类机械设备的故障可从不同的角度进行分类一.机械故障的定义与分类（2）按故障发生的进程分： A．突发型故障：故障发生前无明显可察觉 到的征兆，是突然发生的，破坏性较大， 所以对关键设备的重要部位需连续监测。 B．渐发性故障：由于设备中的某些零件的 技术指标逐渐恶化最终超出允许范围引起 的故障，多数故障属于此类故障，约占机 械设备修理量的50～80％。(1)按故障的性质分：A．器质型故障：是由机器本身的原因产生 的，例如转子弯曲、叶片断裂等。这类故障具有 偶然性与突发性，设备一旦出现这类故障必须停 机检查，修复后才能重新起动使用。B．操作型故障：是由操作人员的误操作或 工艺参数选用不当引起的。1 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.机械故障的定义与分类渐发性故障的原因及特点： 原因：材料的磨损、腐蚀、疲劳等 特点： *出现故障的时间在零件有效寿命的后期， 即耗损故障期； *有规律性，可预防； * 故障发生的规律与机器运行的时间有关。一.机械故障的定义与分类(3)按发生故障的时间分： A 磨合期故障； B 正常使用期故障； C 耗损期故障。 (4)按故障复杂程度分： A 单一型故障； B 复合型故障。一.机械故障的定义与分类(5)按故障的后果分： A 轻微故障； B 一般故障； C 严重故障； D 致命故障。一.机械故障的定义与分类3.故障的规律 (1)故障率（λ） 某种设备在t时间后的单位时间内发生故 障的台数相对于t时间内还在工作的台数 的百分比值，称为该产品的瞬时故障率， 它具有统计特性。 (2)典型故障曲线——“浴盆”曲线一.机械故障的定义与分类大多数设备的故障率是时间的函数，典型 故障曲线称之为“浴盆曲线”，曲线的形状 呈两头高、中间低，具有明显的阶段性， 可划分为三个阶段：一.机械故障的定义与分类故障率 早期故障期 偶然故障期 耗损故障期规定的故障率早期故障期 偶然故障期 严重（耗损）故障期经维修故障率下降 有效寿命时间 典型故障率曲线2 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
一.机械故障的定义与分类（1）早期故障期 时间：产品初始工作期 特点：故障率较高，随着运行时间的增加而 迅速下降。 原因： a 新元件之间缺少良好的磨合或装配缺陷 b 设计不当、选材不合适、加工质量差。 一般新设备需进行磨合、试运行。一.机械故障的定义与分类（2） 偶然故障期（寿命期） 时间：设备正常运行期 特点：故障率低且稳定，故障与设备的新旧 无关，为随机性质，很难预测，不能 通过磨合来消除。 原因：偶然因素引起的（如材料缺陷、误操 作、环境因素等）一.机械故障的定义与分类（3）严重（耗损）故障期 时间：设备使用的后期。 特点：故障随使用时间的增加而增加。 原因：设备长期使用后产生的磨损、疲劳、 腐蚀等造成的。 （4） 注意 三个故障期是对一般情况而言，并不是所 有设备都有三个故障期，有的设备可能只 有一个或两个故障期。二.机械故障诊断技术的实质与内涵机械故障诊断技术是一种了解和掌握机器 在运行过程中的状态，确定其整体或局部 正常或异常，早期发现故障及其原因，并 能预报故障发展趋势的技术。通俗地说就 是给机器“看病”的技术。它包括“监测”与 “诊断”。二.机械故障诊断技术的实质与内涵1．故障诊断是工程问题，因此，故障诊 断技术必须注意以下问题： ①必须面向工程实际，解决机器的设计、 制造与运行问题； ②高可靠性 ③注重经济效益二.机械故障诊断技术的实质与内涵2．故障诊断是一种综合技术 ①多学科 ②多行业 3. 故障诊断是一种反求技术 故障诊断 一般设计 ①整体→零部件 零部件→整体 ②运行信息→机器性能 力学模型→机器行为 ③运行→设计、制造→运行 设计→制造→运行3 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断技术的实质与内涵4．故障诊断的发展依赖前沿学科的进步 ①多学科的交叉 ②前沿学科的渗透 5．故障诊断的核心是模式识别问题 ①症状与故障 ②分类与聚类二.机械故障诊断技术的实质与内涵6．诊断的准确性是诊断工程赖以生存的 要害 ①充分占有信息 ②正确处理信息 ③有效融合信息二.机械故障诊断技术的实质与内涵7.故障诊断是一个系统工程（system engineering） 机械的故障，它是故障系统整体的突现性，它包 含两个特性：整体性与层级性。 （1）整体特性：如果一台机器里的零件有故障， 那么其症状是这台机器的症状，而不是零件本身 的症状。 例如，齿轮箱里面齿轮轮齿表面剥落或者断 裂，所表现出来的症状就是噪音大，有撞击声或 者发热，不是这个零件本身的症状，而是机器的 故障的整体特征。二.机械故障诊断技术的实质与内涵（2）层级特性 故障的影响有一定的范围，如果一台机器 里面有故障，那么这台机器本身的症状就 会有质的变化，同时也有量的变化、值的 变化。 质的变化表现在两个方面： a.机器运行时的物理现象的变化； b.机器的运行参数的变化。二.机械故障诊断技术的实质与内涵量的变化是指：总体和个体相比较而言的。有两 种可能性：总体大于个体，总体小于个体。即作 为一个整体的表现和作为个体的表现是不一样的。 例如，间隙太小轴瓦发热，轴瓦表面的温度和传 出去的温度是不一样的，外面的温度要比轴瓦表 面的温度低得多，即个体大于整体； 再如，两个齿轮齿面碰坏以后就会有撞击，假若 齿轮箱里不只这两个齿轮啮合，还有好几对齿轮 啮合，那么我们从外面听起来的声音就要复杂的 多，即个体小于整体。二.机械故障诊断技术的实质与内涵层级系统是很普遍的 ： 例如：自然界的组合，人类、兽类、植物等 都具有层级性，越是效率高的系统，层级 系统可以达到最高的效率。 我们所研究的机器：零件→组件→ 部件 →整台机器。 层级系统的效率是最高的。4 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断技术的实质与内涵与层级系统相联系的是：近似可分系统 机器对故障的传递就是一个近似可分系统。 如果一台机器的某一个零件发生故障，那 么首先受到影响的就是它所在的组件，再 远一点，就是它所在的部件，所以说这台 机器的故障信息的传递是近似可分系统， 越是远的地方，信息就会越是大概，近的 地方，信息就会更加详细。三.机械状态监测与故障诊断的目的目的：保证机器可靠、有效地发挥其应有的功能。 1.正确识别运行状态和故障类型，保证机器安全可 靠地运行，发挥其最大效益； 2.保证机器一旦状态异常或发生故障，能及时、正 确地诊断出来，以便采取相应措施，对机器进行 预知性维修，以减少维修时间、提高维修质量、 降低维修成本； 3.通过性能评价为优化设计、制造提供数据与信息。四.机械状态监测与故障诊断的内容机械状态监测与故障诊断的内容包括： 状态监测、故障诊断 1.状态监测：采用各种测量、分析、判别方 法，弄清机器所处的运行状态，结合机器 的历史状态与运行条件，为机器的性能评 价、合理使用、安全运行、故障诊断打好 基础。四.机械状态监测与故障诊断的内容2.故障诊断：需进一步确定故障的性质、 程度、类别、部位、原因、发展趋势 等，为预报、控制、调整、维护提供依 据。具体包括四个方面： (1) 信号检测：正确选择传感器，测取与机 器状态有关的动态信号； (2) 特征提取：即动态信号的处理，利用某 种信号处理的方法，从信号中提取与机 器的状态与故障有关的特征；四.机械状态监测与故障诊断的内容（3）状态识别：根据特征识别机器的状态 和故障，包括：建立判别函数、确定判别 准则、进行比较等； （4）诊断决策：分析机器所处的状态及故 障类型、部位、性质、原因及发展趋势， 采取相应的措施：继续监测、重点监测、 停机维修等。1.2诊断信息的来源与获取信息：提供判别、识别的有用资料 （information）。 信号：系统的输入和输出都称为信号，许 多信号为电信号，因此，利用电压（或电 流）传递信息时，带有信息的电压（或电 流）称作信号（signal）。 诊断信息的获取方法：5 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.直接观察法直接观察法： 主要凭经验，通过看、摸、听来判断机器 的状态，这种方法只能粗约地判断，适用 于能直接观察到的机器零件。同时可采用 一些简单的仪器和方法，如滚动轴承检测 仪、工业内窥镜等来扩大观察能力。二.动态信息检测法动态信息检测法：利用某种传感器获取机器运行过程中的动态 信息。常见的动态信息有：振动、噪声、温 度、压力、流量、力矩、功率等等，它们从 不同的角度反映了机器的状态和故障。因机 器在运行过程中的振动和噪声是诊断的重要 信息，所以目前用得较多的方法为：振动信 号检测法、噪声信号检测法。二.动态信息检测法（1）测定振动、噪声的总强度以定性判断 机器是否存在故障； （2）测振动、噪声的动态信号，进一步对 所测信号进行处理、分析，判断机器故障 的部位、程度等。三.磨损残留物的测定磨损残留物的测定机器在运行过程中由于相互间的摩擦→磨 损残留物→润滑油取样→油样分析→残留 物的形状、大小、数量、成分→判断磨损 的部位及严重程度。四.设备性能测定设备性能测定： （1）整机性能测定：测量输出或输出与 输入的关系来判断设备运行状态； （2）零部件性能测定：用于对设备的可 靠性起决定性作用的关键零部件。1.3 机械故障诊断方法的分类机械故障诊断的方法可从不同的角度分类 一.按诊断的目的与要求分类 1.功能诊断与运行诊断 功能诊断：新安装或刚维修后的设备，需检 查其运行时的功能是否正常，根据检查结 果调整机器； 运行诊断：对正在运行的机器，监测其故障 的发生、发展。6 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.按诊断的目的与要求分类2.直接诊断与间接诊断 直接诊断：直接确定关键零部件的状态，如 主轴承的间隙、齿面磨损、叶片断裂、管 道壁厚等； 间接诊断：当直接诊断受到机器的结构及工 作条件的限制时，采用间接诊断方法，它 是通过二次信息来判断机器中关键零部件 的状态。一.按诊断的目的与要求分类3.定期诊断与连续监控 定期诊断 连续监控性能 下降 速度 故障不可预 测 故障可预 测 关键设备 故障影响 严重设备慢定期诊断定期诊断定期到连 续 连续监控定期到连续快连续监控定期诊断连续监控一.按诊断的目的与要求分类4.在线诊断与离线诊断 在线诊断（类似于连续监控）：需配备完整 的信号采集、处理、识别的监测诊断系 统； 离线诊断：通过某种手段记录现场机器运行 的动态信号，回实验室处理分析； 5.常规工况下的诊断与特殊工况下的诊断 6.简易诊断与精密诊断二.按监测与诊断技术分类1.振动与噪声监测技术：利用机器运行时的振动、 噪声信号进行监测诊断； 2.超声与声发射监测技术：监测裂纹、裂纹扩展、 材料内部缺陷等； 3.红外监测技术：利用红外辐射原理及仪器，监 测机器运行中的温度变化； 4.润滑油样分析技术：分析润滑油样中携带的磨 损残留物的成分、形状、数量、大小等来识别故 障。三.按诊断对象分类1.旋转机械的监测与诊断技术：转子、轴系、 汽轮发电机等； 2.往复机械的监测与诊断技术：内燃机、往 复式压缩机、曲柄连杆机构等； 3.工程结构的监测与诊断技术：框架、桥梁、 管道、容器等； 4.基础零部件的监测与诊断技术：齿轮、轴 承、电机等。四.监测与诊断过程中应注意的三种关系1.定性与定量的关系 定性监测：发现机器是否异常，初步确定故 障部位，仪器简单、经济性好，适用于大 范围的对机器作一般性了解； 定量监测：以某一特征来反映机器的异常及 故障，并说明故障的部位、严重程度，仪 器复杂，可给出较完整的诊断结论，适合 于关键、重点机器的监测。7 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
四.监测与诊断过程中应注意的三种关系2.简易与精确的关系 简易诊断：只判断机器状态是否异常或有故 障，常用简单、便携的工况监测仪表对机 器状态进行区分、判断； 精确诊断：不仅要判断机器状态是否异常， 而且要判断是什么异常、性质、原因、发 展趋势，采用较多的诊断信息并采用功能 齐全的诊断系统。四.监测与诊断过程中应注意的三种关系3.精确与模糊的关系 a.设备的大型化导致运行状态的复杂化； b.设备运行状态的变化，各状态之间的界限 不清楚； c.对设备的状态及故障的识别中存在不确定 性。1.4 机械故障诊断技术发展“诊断”的含义非常广泛，例如以人为对象的 医疗诊断；以环境为对象的环境监测诊断 技术；在工程领域中，有以机械设备、电 子仪器、工程结构、计算机系统为对象的 各种诊断技术。与医疗领域相比，机械故 障诊断技术开发的比较晚。但从六十年代 中期开始，特别是七十年代以来机械诊断 技术的发展非常快。这主要有几个方面的 原因：一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科近十几年来，国际上的故障诊断技术发展的 很快，这里有两个原因： 1. 经济效益； 2. 从故障诊断的发展过程来看，它的前沿 学科技术是很重要的。 最近十几年的发展很快，有以下几个方 面的转变：一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科由定性到定量的研究 由经验走向科学 促使故障诊断发展的另一方面就是前沿技 术(1)打破传统技术的界限而且渗透到传统技 术之间； (2)前沿技术的学术思想非常活跃。 (3)对于旧的学科、基础学科，促进它们的 更新，形成新的分枝8 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断的存在和发展取决于诊断 在实际中的确诊能力 （1）确诊的标准 ： a.能够正确估计机器里面故障的位置和类 型； b.能够区分什么是主导故障，什么是伴随故 障； c.能够判断主导故障的发生和转移； d.能够对潜在故障的发展做出长期的预测。二.机械故障诊断的存在和发展取决于诊断 在实际中的确诊能力 （2）影响故障确诊能力的因素 ： a.结构的复杂性及设备本身的可维护性； b.潜在故障的种类； c.故障信息的完整性； d.诊断信息的质量； e.故障的特征提取； f.经验的积累。 g.结论。三.诊断技术的热点（1）提高对一些常见故障、多发故障的确 诊能力； （2）信息的融合和特征提取； （3）数据的挖掘和数据仓库（data wheelhouse）的建立； （4）智能诊断； （5）远程诊断。1.5机器零部件失效信息一.概述 一台运行中的机器，如何判断它当前的运 行状态，判断的依据是什么，当前运行中 隐含的主导故障是什么，发展的趋势是什 么，这台机器还能连续运行多久，要科学 地、负责地回答这些问题，就必须以机器 运行的行为为依据，首先掌握机器零部件 运行的各种信息。二.机器零部件运行信息的特点1.机器零部件的运行信息是机器运行中伴 随的各种物理现象 ； 2.机器运行信息的传输的选择性；从系统论的观点来看，一个层级式系统是近似 可分解的系统。信息是由最短的路径优先由子系 统向大系统汇总，或者向相反方向扩散。对于层 级式的系统，信息的传输总是先经过临近的层或 子系统，再向外层或其它子系统传输。信息经过 长路径传输后，信息的强度会减弱，同时有用信 息所占的比例（或用信噪比表示）会减小。二.机器零部件运行信息的特点3.机器失效信息间的关联性 机器运行中机器各个零部件的运行信息和 机器整体的运行信息之间既存在联系，又 存在区别。 机器的整体信息不等于零件信息， 动态信息不等同于静态信息， 出厂信息也不等于服役信息。9 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机器零部件运行信息的特点4.机器零部件失效信息，经常具有非平稳性 例如发动机连杆磨损的程度可以用磨损量来反映。 在发动机服役期间磨损量是一个缓慢变化的量， 因此可以认为是平稳的。但是由磨损产生的间 隙，会导致连杆在工作中产生非平稳的冲击振动。 这种非平稳的冲击振动与机器的工作方式直接相 关。 机器零部件失效信息的非平稳性，是零部件工作 过程非平稳性的体现。二.机器零部件运行信息的特点5.机器零部件失效信息的微弱性机器零部件失效一般是一个渐变的过程，与它 相对应的机器性能的丧失也是渐变的。机器零部 件在失效初期，其运行状态与正常状态相差无几。 微小的早期零件失效所产生的失效信息在幅值上 非常有限。这些微弱的失效信息往往会淹没在其 它的信息之中，导致人们很难觉察和发现。及早 发现零部件失效，是人们进行机器状态监测和故 障诊断所追求的目标。二.机器零部件运行信息的特点6.机器零部件失效信息的非线性特征 从严格意义上讲，机器系统均是非线性的系统。 在一定条件下，我们可以将机器简化为一个线性 的系统。 例如转子正常运行时，其表现的状态行为大多比 较简单。整个系统的非线性较弱，图1a； 当机器零部件失效时，其非线性特征就表现出来 的。随着失效程度的不同，失效信息的表现行为 也大不相同。有些失效信息的表现行为较为简 单，图1b； 有些失效信息则很复杂，图1c。垂直方向振动 ｍＶ二.机器零部件运行信息的特点60 60垂直方向振动 ｍＶ40 20 0 -20 -40 -60 -8040 20 0 -20 -40 -60 -80-60 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60-40-[1**********]100水平方向振动ｍV80 60水平方向振动ｍＶｍＶ图1a 正常状态图1b 管道激振40 20 0 -20 -40 -60 -80 -60垂直方向振动图1c 汽封磨损-40 -20 0 20 40 60水平方向振动ｍＶ三.机器零部件运行信息的获取机器零部件的运行信息，反映了机器零部 件的工作状态。 机器运行信息的获取包括了以下两个方面 的内容： 反映机器零部件失效信息的信号的测量； 测量信号中机器零部件失效信息的提取。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量机器零部件失效信息的信号测量中常用的方法可分 为两大类：静态测量法和动态测量法。 （1）静态测量方法 静态测量方法直接对机器零部件的失效信息进行测 量，得到的信息直接反映了机器的零部件的失效情 况，不需要推导计算，因此比较直观、可靠。 静态测量必须在机器停止状态下，零部件能直接观 察到或机器已经拆开的状态下进行。 静态测量法难以实现在工作过程中对机器零部件失 效信息的在线测量。10 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 （2）动态测量方法机器零部件失效信息的动态测量是指，对表达机 器零部件失效信息的动态物理量信息的测量。这些 动态物理量随着时间变化，可以是源于零部件的失 效而产生的，也可以是反映机器总体或部分零部件 性能或效能的一些物理量。 动态测量的物理量值或信号，需要进行某种函数关 系运算、变换或加工处理后，才能得到需要的机器 零部件的失效信息。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 机器零部件失效信息的测量和提取中，应注意以下的问题： (a)由于机器零部件运行信息的多样性，在信息的收集和测 量中采用的测量方式、测量方法、选用的传感器、选择的测 量参数等也应根据机器的结构、零部件信息的特点等进行选 定。 例如，轴承在运行过程中会产生振动、噪声、声发射、温升、 接触电阻值等信息。前三种是快速变化的信息，而后两种属 于慢变信息。 快变信息测量和慢变信息测量时采用的测量方法、传感器、 测量参数等也不同。 如果测试是以了解轴承元件表面剥落等失效为目的，则测试 振动或声音信息的效果好。如果想了解轴承的摩擦、磨损等 状态，声发射、温度信息反映较好。如果测试是为了了解轴 承的润滑状况，则测量接触电阻值能给予较好的反映。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 (b) 测试点的选择 根据机器零部件运行信息传输选择性，测 试点应该根据机器结构尽量选择在离被测 零部件距离最近的地方，并确保测试信息 的传输路径短、传输路径对信息的衰减和 歪曲程度小。同时，测试点的选择还应充 分考虑传感器安装要求，以及机器外形等 实际情况。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量(c)对于机器零部件早期失效所表现出来的微弱 失效信息，在收集和测量时还应进行适当的放大、 消噪等处理，以突出有用信息成分。同时还要注 意测量仪器的连接、接地、屏蔽等测量环节。因 此，微弱失效信息的测量是获取机器零部件信息 的重要步骤，采用准确的测量是获取机器零部件 信息的保障。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 正确、有效地提取机器的运行信息，是及早识别 机器零部件失效的关键。 机器零部件的失效信息往往可以通过一些特征量 来反映。这些特征量可以直接选用产品的功率、 油耗等功能参数；也可以是数学模型中的系数， 比如时序模型的系数、状态空间方程的系数，或 者通过信息处理方法来得到。 特征可以分为：简单特征和复合特征，线性特征 和非线性特征，单维与多维特征等。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取传感器 2 喷油嘴传感 器1A/D计算机柱 塞 泵图2柴油机供油系统的压力检测示意图11 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取A－正常； B－喷油嘴堵塞； C－柱塞泵轻度磨 损； D－柱塞泵和喷油 嘴严重磨损。图3 油压变化曲线 Pr－油管的剩余压力； Pmax－最大压力图4 供油系统四种工作状态在二维特征空间上的分布三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 由于机器失效信息具有多样性、传输选择 性、非平稳性和微弱性等特点，因此在特 征信息提取中应针对不同机器零部件信息 的特点，选用相应合适的方法。 常用的机器运行失效信息的特征提取方法 有：三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (1)信息论方法 信息论是研究信息的基本性质和度量方法以及信息的获 得、传输、存贮、处理和交换等一般规律的科学。 信息熵理论在机器零部件失效分析和维修等方面具有重 要的应用。 信息熵除了作为信息量的一种度量之外，利用信息熵的 理论和概念，还可以通过对某类型机器故障的统计来衡 量机器故障发生的不确定性，评价该类型机器的可诊断 性、可维修性。 利用信息熵还可衡量一台机器或一个系统的复杂程度。 信息熵在测量结果一致性判别、模式分类准则确定等方 面都有重要的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (2)平稳机器零部件的信息提取从平稳的物理量中提取机器零部件失效信息，是 人们最常用的信息提取方法。这里平稳的物理量 是指，其统计特征不随时间的变化而变化。因 此，从平稳物理量中提取零部件的失效信息，与 平稳物理量的测试时间无关，同时测量到的信号 具有代表性。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 从平稳物理量中提取信息除了常用的时域、 幅值域分析方法外，频域分析方法是重要 的方法。 从上世纪60年代以来，随着快速傅立叶变 换算法的出现，频谱分析的运算速度得到 大幅提高。 对于平稳物理量处理，傅立叶变换成为了 频谱分析最基本、最有效和最广泛的工具。12 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取准确地获取频域中的幅值、频率和相位信息，对机器零部件失效 信息提取具有重要意义。 在转子振动分析中，普通的傅立叶频谱分析方法给出的相位信息 误差很大。如果不进行精确计算，相位信息根本不能用。机器零 部件失效初期，由于失效信息比较微弱，频谱分析时往往会被淹 没在噪声之中。另外，实际应用中往往还会遇到许多特征频率密 集在一起的情况。对于以上情况，提高频谱分析精度是实现失效 信息提取的有效途径。 提高离散频谱分析精度的方法有：比值内插法、频谱细化法、连 续细化频谱法等。从具体的实现算法上可分为：二分法、遗传算 法、黄金分割等方法。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取全息谱分析方法是一种基于傅立叶分析、并广泛用 于回转机器状态监测和诊断的方法。全息谱方法 1989年由屈梁生院士提出，它集成了回转机器中转 子振动的幅值、频率和相位信息，全面集成和利用 了转子的振动信息，能准确反映和区分转子的不同 工作状态和各种故障。全息谱理论得到了国内外学 者的广泛认同，全息谱方法在石化、化工、电力、 冶金等行业得到了广泛的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (3)非平稳机器零部件的信息提取这里的非平稳物理量是指，物理量的统计信息随 时间的变化而变化。例如，发动机气阀失效、往 复式压缩机连杆活塞、刨床、冲压机等机器工作 过程中的振动信息均是非平稳的，其零部件失效 信息许多也具有非平稳性。对于非平稳物理量的 机器信息提取，应该选择非平稳的信息处理方法。 如果仍然采用平稳的信息处理方法，就很难提取 到有用的零部件失效信息。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取在机器零部件失效和诊断研究领域，如何从非平稳信号中 提取设备状态信息是众多学者研究的热点之一。传统的处 理非平稳信号的方法以Fourier分析和数字滤波技术为基 础，主要有： (a)通过选择合适的窗函数，将非平稳信号分割为准平稳信 号进行处理； (b)分析信号周期中的单一的信号成分，并进行周期平均； (c)变频采样(即跟踪测量)分析。小波理论是二十世纪八十年代中期出现，非平稳信 号的处理方法。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (4)统计模拟方法 统计模拟方法的基本思想是原始数据的“再采 样”。 统计模拟将经典的统计计算方法与计算机 数值模拟技术结合起来，通过计算机模拟实现信 息的再利用。 在信息处理领域，统计模拟方法特别适合于对 “小样本”数据进行统计分析。 在时间序列分析中，统计模拟是模式识别和对自 回归谱进行准确估算的强有力的工具。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (5)主分量分析和核主分量分析主分量分析、核主分量分析实现对大量测量结果中信息的 压缩和浓缩，是信息提取的重要手段。 主分量分析方法基于线性变换实现了对线性特征信息的提 取，因此无法有效地提取隐含在数据中的非线性信息。 Schölkopf 等人将主分量分析等线性特征提取方法推广到非 线性领域，形成了核主分量分析方法。它借助于核函数来 实现某种非线性映射，通过非线性映射将输入矢量映射到 高维特征空间，使之在高维空间具有更好的可分性，然后 对高维空间的映射数据做主分量分析，得到原始数据的非 线性主分量，实现了隐含的非线性特征信息的提取。13 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (6)遗传算法和遗传编程 遗传算法作为基于自然进化过程模拟的优化方法，是自然界 生物“物竞天择，适者生存”机制在优化方法上的体现。进化 计算具有全局搜索、计算简单、对优化对象的限制少等优点。 进化过程以编码进行，进化操作(杂交、遗传、变异)以概率 方式选择，因此具有强的优化性能。 在遗传算法的发展中，将线性编码改进为非线性编码，是一 种新的思路。1992年J.R.Koza首先提出了一种在编码方式上 与常规遗传算法有本质不同的仿生进化算法。它采用了层式 编码结构，是对遗传算法的改进，被称为遗传编程。遗传编 程更适合应用于层式结构的优化，在机器失效模型的建立、 失效模式判别函数优化等方面有重要的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (7)其它的信息处理方法 时域平均 盲源分离 支持向量四.机器运行信息的利用机器运行信息本质上是机器零部件状态的表露， 同时机器运行信息也包含了与机器结构有关的特 征。 因此，通过对机器运行中零部件失效信息等的提 取，不但可以了解机器零部件的工作状态、失效 情况，同时也可以获得机器设计、制造方面的特 征。 例如，转子是回转机械重要的部件，通过对转子 运行过程振动信息的采集、提取，不但可以了解 转子的失衡、对中、裂纹等失效信息，还可以得 到转子共振频率、阻尼、刚度等与结构、设计相 关的信息。四.机器运行信息的利用 1.机器零部件故障的识别 机器零部件失效的识别，是机器零部件失 效信息提取的主要目的之一。 机器零部件的失效，往往会直接或间接地 引起机器整体功能或性能的变化。 通过对机器零部件信息的分析，确定失效 的零部件，从而才能有目的地对失效零部 件进行更换、修复或调整。四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图5是由一台30万千瓦汽轮机低 压缸的3瓦和4瓦信号得到的。 2003年4月21日，机组起车后， 振动不断增加，到4月25日，3瓦 振动报警。这段时间内，机组的 功率和载荷都没变化。将25日的 三维全息谱和21日的三维全息谱 相减，得到的转频响应形成了一 个倒锥。这说明受到一个力偶的 作用，分析认为是由于机体热膨 胀导致标高的变化从而引起附加 的力偶，如图6所示。调节机组 标高后，振动减小。四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图5 故障机组的三维全息谱图6 转子热变形示意图14 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图7 转子临时热弯曲时的全息谱图图7是烟机的振动全 息谱图。该烟机经 过大修启动加载 后，由于装配问题 叶片根部不均匀冷 却导致的转子临时 热弯曲，导致转子 振动不断升高。从 图上可以看出，虽 然转子的振动幅值 不断变化，但转子 振动的全息初相点 保持不变。全息初 相点稳定正是转子 临时热弯曲时所具 有的特征。四.机器运行信息的利用2. 机器设计、制造缺陷的识别 机器的某个零部件或某个子系统在设计和 制造上的缺陷，往往会引起机器整体功能 的下降。通过对各个零部件或子系统失效 信息的提取和分析，有助于发现存在缺陷 的部件，为进一步改进设计、提高制造精 度提供了依据。四.机器运行信息的利用2. 机器设计、制造缺陷的识别965 46思考题 1．机器状态监测与故障诊断的目的是什么？ 2．机器状态监测与故障诊断包括哪些内容？ 3．机器状态监测与故障诊断的分类？ 4．机器状态监测与故障诊断过程中应注意哪三种 关系？ 5．诊断信息的获取有哪些方法？ 6．什么叫故障率？什么叫“裕盆曲线”？裕盆曲线 中分哪三个阶段？各有什么特点？ 7. 零部件失效信息的提取方法有哪些？ 8. 机器零部件失效信息的测量和提取中，应1020 39B D CALo g(S )10 1 2 3 9, 10 11541275 4025 60564 5678861367F re q ue n c y, H z2 阻尼泵50 21 21 152 [***********]035031112 1图9 传动链误差曲线的自回归谱图8蜗杆砂轮磨齿机的传动链注意哪些问题？15 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
主要参考资料：机械故障诊断西安交通大学 智能仪器与监测诊断研究所 沈玉娣1. 机械故障诊断理论与方法，屈梁生等，西安交通大学出 版社； 2.机械故障诊断学，屈梁生，何正嘉，上海科技出版社； 3. 机械故障诊断学，黄仁，钟秉林，机械工业出版社； 4.设备状态监测与故障诊断技术，陈克兴，李川奇 主编， 科技文献出版社 5.旋转机械故障机理及诊断技术，韩捷等，机械工业出版 社 6.设备故障诊断原理、技术及应用，黄文虎等，科学出版 社 7.机械设备故障诊断技术及应用，王江萍，西北工业大学 出版社； 8.设备诊断现场实用技术丛书，机械工业出版社； 9.机械故障诊断丛书，屈梁生等，西安交大出版社 10.机械故障的全息诊断原理，屈梁生，科学出版社第一章 概述1.1 机械故障诊断的目的和内容 1.2 诊断信息的来原与获取 1.3 机械故障诊断方法的分类 1.4 机械故障诊断技术的现状与发展 1.5 机器零部件失效信息1.1机械故障诊断的目的和内容一.机械故障的定义与分类1.故障的定义 设备的基本状态可分为三种： 故障状态、异常状态、正常状态。故障只 是设备的一种状态。 一台设备的功能指标低于正常时的最低限 值时，即设备丧失规定功能的现象称之为 故障。一.机械故障的定义与分类2.故障的分类机械设备的故障可从不同的角度进行分类一.机械故障的定义与分类（2）按故障发生的进程分： A．突发型故障：故障发生前无明显可察觉 到的征兆，是突然发生的，破坏性较大， 所以对关键设备的重要部位需连续监测。 B．渐发性故障：由于设备中的某些零件的 技术指标逐渐恶化最终超出允许范围引起 的故障，多数故障属于此类故障，约占机 械设备修理量的50～80％。(1)按故障的性质分：A．器质型故障：是由机器本身的原因产生 的，例如转子弯曲、叶片断裂等。这类故障具有 偶然性与突发性，设备一旦出现这类故障必须停 机检查，修复后才能重新起动使用。B．操作型故障：是由操作人员的误操作或 工艺参数选用不当引起的。1 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.机械故障的定义与分类渐发性故障的原因及特点： 原因：材料的磨损、腐蚀、疲劳等 特点： *出现故障的时间在零件有效寿命的后期， 即耗损故障期； *有规律性，可预防； * 故障发生的规律与机器运行的时间有关。一.机械故障的定义与分类(3)按发生故障的时间分： A 磨合期故障； B 正常使用期故障； C 耗损期故障。 (4)按故障复杂程度分： A 单一型故障； B 复合型故障。一.机械故障的定义与分类(5)按故障的后果分： A 轻微故障； B 一般故障； C 严重故障； D 致命故障。一.机械故障的定义与分类3.故障的规律 (1)故障率（λ） 某种设备在t时间后的单位时间内发生故 障的台数相对于t时间内还在工作的台数 的百分比值，称为该产品的瞬时故障率， 它具有统计特性。 (2)典型故障曲线——“浴盆”曲线一.机械故障的定义与分类大多数设备的故障率是时间的函数，典型 故障曲线称之为“浴盆曲线”，曲线的形状 呈两头高、中间低，具有明显的阶段性， 可划分为三个阶段：一.机械故障的定义与分类故障率 早期故障期 偶然故障期 耗损故障期规定的故障率早期故障期 偶然故障期 严重（耗损）故障期经维修故障率下降 有效寿命时间 典型故障率曲线2 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
一.机械故障的定义与分类（1）早期故障期 时间：产品初始工作期 特点：故障率较高，随着运行时间的增加而 迅速下降。 原因： a 新元件之间缺少良好的磨合或装配缺陷 b 设计不当、选材不合适、加工质量差。 一般新设备需进行磨合、试运行。一.机械故障的定义与分类（2） 偶然故障期（寿命期） 时间：设备正常运行期 特点：故障率低且稳定，故障与设备的新旧 无关，为随机性质，很难预测，不能 通过磨合来消除。 原因：偶然因素引起的（如材料缺陷、误操 作、环境因素等）一.机械故障的定义与分类（3）严重（耗损）故障期 时间：设备使用的后期。 特点：故障随使用时间的增加而增加。 原因：设备长期使用后产生的磨损、疲劳、 腐蚀等造成的。 （4） 注意 三个故障期是对一般情况而言，并不是所 有设备都有三个故障期，有的设备可能只 有一个或两个故障期。二.机械故障诊断技术的实质与内涵机械故障诊断技术是一种了解和掌握机器 在运行过程中的状态，确定其整体或局部 正常或异常，早期发现故障及其原因，并 能预报故障发展趋势的技术。通俗地说就 是给机器“看病”的技术。它包括“监测”与 “诊断”。二.机械故障诊断技术的实质与内涵1．故障诊断是工程问题，因此，故障诊 断技术必须注意以下问题： ①必须面向工程实际，解决机器的设计、 制造与运行问题； ②高可靠性 ③注重经济效益二.机械故障诊断技术的实质与内涵2．故障诊断是一种综合技术 ①多学科 ②多行业 3. 故障诊断是一种反求技术 故障诊断 一般设计 ①整体→零部件 零部件→整体 ②运行信息→机器性能 力学模型→机器行为 ③运行→设计、制造→运行 设计→制造→运行3 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断技术的实质与内涵4．故障诊断的发展依赖前沿学科的进步 ①多学科的交叉 ②前沿学科的渗透 5．故障诊断的核心是模式识别问题 ①症状与故障 ②分类与聚类二.机械故障诊断技术的实质与内涵6．诊断的准确性是诊断工程赖以生存的 要害 ①充分占有信息 ②正确处理信息 ③有效融合信息二.机械故障诊断技术的实质与内涵7.故障诊断是一个系统工程（system engineering） 机械的故障，它是故障系统整体的突现性，它包 含两个特性：整体性与层级性。 （1）整体特性：如果一台机器里的零件有故障， 那么其症状是这台机器的症状，而不是零件本身 的症状。 例如，齿轮箱里面齿轮轮齿表面剥落或者断 裂，所表现出来的症状就是噪音大，有撞击声或 者发热，不是这个零件本身的症状，而是机器的 故障的整体特征。二.机械故障诊断技术的实质与内涵（2）层级特性 故障的影响有一定的范围，如果一台机器 里面有故障，那么这台机器本身的症状就 会有质的变化，同时也有量的变化、值的 变化。 质的变化表现在两个方面： a.机器运行时的物理现象的变化； b.机器的运行参数的变化。二.机械故障诊断技术的实质与内涵量的变化是指：总体和个体相比较而言的。有两 种可能性：总体大于个体，总体小于个体。即作 为一个整体的表现和作为个体的表现是不一样的。 例如，间隙太小轴瓦发热，轴瓦表面的温度和传 出去的温度是不一样的，外面的温度要比轴瓦表 面的温度低得多，即个体大于整体； 再如，两个齿轮齿面碰坏以后就会有撞击，假若 齿轮箱里不只这两个齿轮啮合，还有好几对齿轮 啮合，那么我们从外面听起来的声音就要复杂的 多，即个体小于整体。二.机械故障诊断技术的实质与内涵层级系统是很普遍的 ： 例如：自然界的组合，人类、兽类、植物等 都具有层级性，越是效率高的系统，层级 系统可以达到最高的效率。 我们所研究的机器：零件→组件→ 部件 →整台机器。 层级系统的效率是最高的。4 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断技术的实质与内涵与层级系统相联系的是：近似可分系统 机器对故障的传递就是一个近似可分系统。 如果一台机器的某一个零件发生故障，那 么首先受到影响的就是它所在的组件，再 远一点，就是它所在的部件，所以说这台 机器的故障信息的传递是近似可分系统， 越是远的地方，信息就会越是大概，近的 地方，信息就会更加详细。三.机械状态监测与故障诊断的目的目的：保证机器可靠、有效地发挥其应有的功能。 1.正确识别运行状态和故障类型，保证机器安全可 靠地运行，发挥其最大效益； 2.保证机器一旦状态异常或发生故障，能及时、正 确地诊断出来，以便采取相应措施，对机器进行 预知性维修，以减少维修时间、提高维修质量、 降低维修成本； 3.通过性能评价为优化设计、制造提供数据与信息。四.机械状态监测与故障诊断的内容机械状态监测与故障诊断的内容包括： 状态监测、故障诊断 1.状态监测：采用各种测量、分析、判别方 法，弄清机器所处的运行状态，结合机器 的历史状态与运行条件，为机器的性能评 价、合理使用、安全运行、故障诊断打好 基础。四.机械状态监测与故障诊断的内容2.故障诊断：需进一步确定故障的性质、 程度、类别、部位、原因、发展趋势 等，为预报、控制、调整、维护提供依 据。具体包括四个方面： (1) 信号检测：正确选择传感器，测取与机 器状态有关的动态信号； (2) 特征提取：即动态信号的处理，利用某 种信号处理的方法，从信号中提取与机 器的状态与故障有关的特征；四.机械状态监测与故障诊断的内容（3）状态识别：根据特征识别机器的状态 和故障，包括：建立判别函数、确定判别 准则、进行比较等； （4）诊断决策：分析机器所处的状态及故 障类型、部位、性质、原因及发展趋势， 采取相应的措施：继续监测、重点监测、 停机维修等。1.2诊断信息的来源与获取信息：提供判别、识别的有用资料 （information）。 信号：系统的输入和输出都称为信号，许 多信号为电信号，因此，利用电压（或电 流）传递信息时，带有信息的电压（或电 流）称作信号（signal）。 诊断信息的获取方法：5 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.直接观察法直接观察法： 主要凭经验，通过看、摸、听来判断机器 的状态，这种方法只能粗约地判断，适用 于能直接观察到的机器零件。同时可采用 一些简单的仪器和方法，如滚动轴承检测 仪、工业内窥镜等来扩大观察能力。二.动态信息检测法动态信息检测法：利用某种传感器获取机器运行过程中的动态 信息。常见的动态信息有：振动、噪声、温 度、压力、流量、力矩、功率等等，它们从 不同的角度反映了机器的状态和故障。因机 器在运行过程中的振动和噪声是诊断的重要 信息，所以目前用得较多的方法为：振动信 号检测法、噪声信号检测法。二.动态信息检测法（1）测定振动、噪声的总强度以定性判断 机器是否存在故障； （2）测振动、噪声的动态信号，进一步对 所测信号进行处理、分析，判断机器故障 的部位、程度等。三.磨损残留物的测定磨损残留物的测定机器在运行过程中由于相互间的摩擦→磨 损残留物→润滑油取样→油样分析→残留 物的形状、大小、数量、成分→判断磨损 的部位及严重程度。四.设备性能测定设备性能测定： （1）整机性能测定：测量输出或输出与 输入的关系来判断设备运行状态； （2）零部件性能测定：用于对设备的可 靠性起决定性作用的关键零部件。1.3 机械故障诊断方法的分类机械故障诊断的方法可从不同的角度分类 一.按诊断的目的与要求分类 1.功能诊断与运行诊断 功能诊断：新安装或刚维修后的设备，需检 查其运行时的功能是否正常，根据检查结 果调整机器； 运行诊断：对正在运行的机器，监测其故障 的发生、发展。6 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
一.按诊断的目的与要求分类2.直接诊断与间接诊断 直接诊断：直接确定关键零部件的状态，如 主轴承的间隙、齿面磨损、叶片断裂、管 道壁厚等； 间接诊断：当直接诊断受到机器的结构及工 作条件的限制时，采用间接诊断方法，它 是通过二次信息来判断机器中关键零部件 的状态。一.按诊断的目的与要求分类3.定期诊断与连续监控 定期诊断 连续监控性能 下降 速度 故障不可预 测 故障可预 测 关键设备 故障影响 严重设备慢定期诊断定期诊断定期到连 续 连续监控定期到连续快连续监控定期诊断连续监控一.按诊断的目的与要求分类4.在线诊断与离线诊断 在线诊断（类似于连续监控）：需配备完整 的信号采集、处理、识别的监测诊断系 统； 离线诊断：通过某种手段记录现场机器运行 的动态信号，回实验室处理分析； 5.常规工况下的诊断与特殊工况下的诊断 6.简易诊断与精密诊断二.按监测与诊断技术分类1.振动与噪声监测技术：利用机器运行时的振动、 噪声信号进行监测诊断； 2.超声与声发射监测技术：监测裂纹、裂纹扩展、 材料内部缺陷等； 3.红外监测技术：利用红外辐射原理及仪器，监 测机器运行中的温度变化； 4.润滑油样分析技术：分析润滑油样中携带的磨 损残留物的成分、形状、数量、大小等来识别故 障。三.按诊断对象分类1.旋转机械的监测与诊断技术：转子、轴系、 汽轮发电机等； 2.往复机械的监测与诊断技术：内燃机、往 复式压缩机、曲柄连杆机构等； 3.工程结构的监测与诊断技术：框架、桥梁、 管道、容器等； 4.基础零部件的监测与诊断技术：齿轮、轴 承、电机等。四.监测与诊断过程中应注意的三种关系1.定性与定量的关系 定性监测：发现机器是否异常，初步确定故 障部位，仪器简单、经济性好，适用于大 范围的对机器作一般性了解； 定量监测：以某一特征来反映机器的异常及 故障，并说明故障的部位、严重程度，仪 器复杂，可给出较完整的诊断结论，适合 于关键、重点机器的监测。7 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
四.监测与诊断过程中应注意的三种关系2.简易与精确的关系 简易诊断：只判断机器状态是否异常或有故 障，常用简单、便携的工况监测仪表对机 器状态进行区分、判断； 精确诊断：不仅要判断机器状态是否异常， 而且要判断是什么异常、性质、原因、发 展趋势，采用较多的诊断信息并采用功能 齐全的诊断系统。四.监测与诊断过程中应注意的三种关系3.精确与模糊的关系 a.设备的大型化导致运行状态的复杂化； b.设备运行状态的变化，各状态之间的界限 不清楚； c.对设备的状态及故障的识别中存在不确定 性。1.4 机械故障诊断技术发展“诊断”的含义非常广泛，例如以人为对象的 医疗诊断；以环境为对象的环境监测诊断 技术；在工程领域中，有以机械设备、电 子仪器、工程结构、计算机系统为对象的 各种诊断技术。与医疗领域相比，机械故 障诊断技术开发的比较晚。但从六十年代 中期开始，特别是七十年代以来机械诊断 技术的发展非常快。这主要有几个方面的 原因：一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科近十几年来，国际上的故障诊断技术发展的 很快，这里有两个原因： 1. 经济效益； 2. 从故障诊断的发展过程来看，它的前沿 学科技术是很重要的。 最近十几年的发展很快，有以下几个方 面的转变：一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科一.机械故障诊断技术的发展依赖于前沿学科由定性到定量的研究 由经验走向科学 促使故障诊断发展的另一方面就是前沿技 术(1)打破传统技术的界限而且渗透到传统技 术之间； (2)前沿技术的学术思想非常活跃。 (3)对于旧的学科、基础学科，促进它们的 更新，形成新的分枝8 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机械故障诊断的存在和发展取决于诊断 在实际中的确诊能力 （1）确诊的标准 ： a.能够正确估计机器里面故障的位置和类 型； b.能够区分什么是主导故障，什么是伴随故 障； c.能够判断主导故障的发生和转移； d.能够对潜在故障的发展做出长期的预测。二.机械故障诊断的存在和发展取决于诊断 在实际中的确诊能力 （2）影响故障确诊能力的因素 ： a.结构的复杂性及设备本身的可维护性； b.潜在故障的种类； c.故障信息的完整性； d.诊断信息的质量； e.故障的特征提取； f.经验的积累。 g.结论。三.诊断技术的热点（1）提高对一些常见故障、多发故障的确 诊能力； （2）信息的融合和特征提取； （3）数据的挖掘和数据仓库（data wheelhouse）的建立； （4）智能诊断； （5）远程诊断。1.5机器零部件失效信息一.概述 一台运行中的机器，如何判断它当前的运 行状态，判断的依据是什么，当前运行中 隐含的主导故障是什么，发展的趋势是什 么，这台机器还能连续运行多久，要科学 地、负责地回答这些问题，就必须以机器 运行的行为为依据，首先掌握机器零部件 运行的各种信息。二.机器零部件运行信息的特点1.机器零部件的运行信息是机器运行中伴 随的各种物理现象 ； 2.机器运行信息的传输的选择性；从系统论的观点来看，一个层级式系统是近似 可分解的系统。信息是由最短的路径优先由子系 统向大系统汇总，或者向相反方向扩散。对于层 级式的系统，信息的传输总是先经过临近的层或 子系统，再向外层或其它子系统传输。信息经过 长路径传输后，信息的强度会减弱，同时有用信 息所占的比例（或用信噪比表示）会减小。二.机器零部件运行信息的特点3.机器失效信息间的关联性 机器运行中机器各个零部件的运行信息和 机器整体的运行信息之间既存在联系，又 存在区别。 机器的整体信息不等于零件信息， 动态信息不等同于静态信息， 出厂信息也不等于服役信息。9 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
二.机器零部件运行信息的特点4.机器零部件失效信息，经常具有非平稳性 例如发动机连杆磨损的程度可以用磨损量来反映。 在发动机服役期间磨损量是一个缓慢变化的量， 因此可以认为是平稳的。但是由磨损产生的间 隙，会导致连杆在工作中产生非平稳的冲击振动。 这种非平稳的冲击振动与机器的工作方式直接相 关。 机器零部件失效信息的非平稳性，是零部件工作 过程非平稳性的体现。二.机器零部件运行信息的特点5.机器零部件失效信息的微弱性机器零部件失效一般是一个渐变的过程，与它 相对应的机器性能的丧失也是渐变的。机器零部 件在失效初期，其运行状态与正常状态相差无几。 微小的早期零件失效所产生的失效信息在幅值上 非常有限。这些微弱的失效信息往往会淹没在其 它的信息之中，导致人们很难觉察和发现。及早 发现零部件失效，是人们进行机器状态监测和故 障诊断所追求的目标。二.机器零部件运行信息的特点6.机器零部件失效信息的非线性特征 从严格意义上讲，机器系统均是非线性的系统。 在一定条件下，我们可以将机器简化为一个线性 的系统。 例如转子正常运行时，其表现的状态行为大多比 较简单。整个系统的非线性较弱，图1a； 当机器零部件失效时，其非线性特征就表现出来 的。随着失效程度的不同，失效信息的表现行为 也大不相同。有些失效信息的表现行为较为简 单，图1b； 有些失效信息则很复杂，图1c。垂直方向振动 ｍＶ二.机器零部件运行信息的特点60 60垂直方向振动 ｍＶ40 20 0 -20 -40 -60 -8040 20 0 -20 -40 -60 -80-60 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60-40-[1**********]100水平方向振动ｍV80 60水平方向振动ｍＶｍＶ图1a 正常状态图1b 管道激振40 20 0 -20 -40 -60 -80 -60垂直方向振动图1c 汽封磨损-40 -20 0 20 40 60水平方向振动ｍＶ三.机器零部件运行信息的获取机器零部件的运行信息，反映了机器零部 件的工作状态。 机器运行信息的获取包括了以下两个方面 的内容： 反映机器零部件失效信息的信号的测量； 测量信号中机器零部件失效信息的提取。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量机器零部件失效信息的信号测量中常用的方法可分 为两大类：静态测量法和动态测量法。 （1）静态测量方法 静态测量方法直接对机器零部件的失效信息进行测 量，得到的信息直接反映了机器的零部件的失效情 况，不需要推导计算，因此比较直观、可靠。 静态测量必须在机器停止状态下，零部件能直接观 察到或机器已经拆开的状态下进行。 静态测量法难以实现在工作过程中对机器零部件失 效信息的在线测量。10 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 （2）动态测量方法机器零部件失效信息的动态测量是指，对表达机 器零部件失效信息的动态物理量信息的测量。这些 动态物理量随着时间变化，可以是源于零部件的失 效而产生的，也可以是反映机器总体或部分零部件 性能或效能的一些物理量。 动态测量的物理量值或信号，需要进行某种函数关 系运算、变换或加工处理后，才能得到需要的机器 零部件的失效信息。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 机器零部件失效信息的测量和提取中，应注意以下的问题： (a)由于机器零部件运行信息的多样性，在信息的收集和测 量中采用的测量方式、测量方法、选用的传感器、选择的测 量参数等也应根据机器的结构、零部件信息的特点等进行选 定。 例如，轴承在运行过程中会产生振动、噪声、声发射、温升、 接触电阻值等信息。前三种是快速变化的信息，而后两种属 于慢变信息。 快变信息测量和慢变信息测量时采用的测量方法、传感器、 测量参数等也不同。 如果测试是以了解轴承元件表面剥落等失效为目的，则测试 振动或声音信息的效果好。如果想了解轴承的摩擦、磨损等 状态，声发射、温度信息反映较好。如果测试是为了了解轴 承的润滑状况，则测量接触电阻值能给予较好的反映。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量 (b) 测试点的选择 根据机器零部件运行信息传输选择性，测 试点应该根据机器结构尽量选择在离被测 零部件距离最近的地方，并确保测试信息 的传输路径短、传输路径对信息的衰减和 歪曲程度小。同时，测试点的选择还应充 分考虑传感器安装要求，以及机器外形等 实际情况。三.机器零部件运行信息的获取1.机器零部件失效信息的信号的测量(c)对于机器零部件早期失效所表现出来的微弱 失效信息，在收集和测量时还应进行适当的放大、 消噪等处理，以突出有用信息成分。同时还要注 意测量仪器的连接、接地、屏蔽等测量环节。因 此，微弱失效信息的测量是获取机器零部件信息 的重要步骤，采用准确的测量是获取机器零部件 信息的保障。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 正确、有效地提取机器的运行信息，是及早识别 机器零部件失效的关键。 机器零部件的失效信息往往可以通过一些特征量 来反映。这些特征量可以直接选用产品的功率、 油耗等功能参数；也可以是数学模型中的系数， 比如时序模型的系数、状态空间方程的系数，或 者通过信息处理方法来得到。 特征可以分为：简单特征和复合特征，线性特征 和非线性特征，单维与多维特征等。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取传感器 2 喷油嘴传感 器1A/D计算机柱 塞 泵图2柴油机供油系统的压力检测示意图11 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取A－正常； B－喷油嘴堵塞； C－柱塞泵轻度磨 损； D－柱塞泵和喷油 嘴严重磨损。图3 油压变化曲线 Pr－油管的剩余压力； Pmax－最大压力图4 供油系统四种工作状态在二维特征空间上的分布三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 由于机器失效信息具有多样性、传输选择 性、非平稳性和微弱性等特点，因此在特 征信息提取中应针对不同机器零部件信息 的特点，选用相应合适的方法。 常用的机器运行失效信息的特征提取方法 有：三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (1)信息论方法 信息论是研究信息的基本性质和度量方法以及信息的获 得、传输、存贮、处理和交换等一般规律的科学。 信息熵理论在机器零部件失效分析和维修等方面具有重 要的应用。 信息熵除了作为信息量的一种度量之外，利用信息熵的 理论和概念，还可以通过对某类型机器故障的统计来衡 量机器故障发生的不确定性，评价该类型机器的可诊断 性、可维修性。 利用信息熵还可衡量一台机器或一个系统的复杂程度。 信息熵在测量结果一致性判别、模式分类准则确定等方 面都有重要的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (2)平稳机器零部件的信息提取从平稳的物理量中提取机器零部件失效信息，是 人们最常用的信息提取方法。这里平稳的物理量 是指，其统计特征不随时间的变化而变化。因 此，从平稳物理量中提取零部件的失效信息，与 平稳物理量的测试时间无关，同时测量到的信号 具有代表性。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 从平稳物理量中提取信息除了常用的时域、 幅值域分析方法外，频域分析方法是重要 的方法。 从上世纪60年代以来，随着快速傅立叶变 换算法的出现，频谱分析的运算速度得到 大幅提高。 对于平稳物理量处理，傅立叶变换成为了 频谱分析最基本、最有效和最广泛的工具。12 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取准确地获取频域中的幅值、频率和相位信息，对机器零部件失效 信息提取具有重要意义。 在转子振动分析中，普通的傅立叶频谱分析方法给出的相位信息 误差很大。如果不进行精确计算，相位信息根本不能用。机器零 部件失效初期，由于失效信息比较微弱，频谱分析时往往会被淹 没在噪声之中。另外，实际应用中往往还会遇到许多特征频率密 集在一起的情况。对于以上情况，提高频谱分析精度是实现失效 信息提取的有效途径。 提高离散频谱分析精度的方法有：比值内插法、频谱细化法、连 续细化频谱法等。从具体的实现算法上可分为：二分法、遗传算 法、黄金分割等方法。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取全息谱分析方法是一种基于傅立叶分析、并广泛用 于回转机器状态监测和诊断的方法。全息谱方法 1989年由屈梁生院士提出，它集成了回转机器中转 子振动的幅值、频率和相位信息，全面集成和利用 了转子的振动信息，能准确反映和区分转子的不同 工作状态和各种故障。全息谱理论得到了国内外学 者的广泛认同，全息谱方法在石化、化工、电力、 冶金等行业得到了广泛的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (3)非平稳机器零部件的信息提取这里的非平稳物理量是指，物理量的统计信息随 时间的变化而变化。例如，发动机气阀失效、往 复式压缩机连杆活塞、刨床、冲压机等机器工作 过程中的振动信息均是非平稳的，其零部件失效 信息许多也具有非平稳性。对于非平稳物理量的 机器信息提取，应该选择非平稳的信息处理方法。 如果仍然采用平稳的信息处理方法，就很难提取 到有用的零部件失效信息。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取在机器零部件失效和诊断研究领域，如何从非平稳信号中 提取设备状态信息是众多学者研究的热点之一。传统的处 理非平稳信号的方法以Fourier分析和数字滤波技术为基 础，主要有： (a)通过选择合适的窗函数，将非平稳信号分割为准平稳信 号进行处理； (b)分析信号周期中的单一的信号成分，并进行周期平均； (c)变频采样(即跟踪测量)分析。小波理论是二十世纪八十年代中期出现，非平稳信 号的处理方法。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (4)统计模拟方法 统计模拟方法的基本思想是原始数据的“再采 样”。 统计模拟将经典的统计计算方法与计算机 数值模拟技术结合起来，通过计算机模拟实现信 息的再利用。 在信息处理领域，统计模拟方法特别适合于对 “小样本”数据进行统计分析。 在时间序列分析中，统计模拟是模式识别和对自 回归谱进行准确估算的强有力的工具。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (5)主分量分析和核主分量分析主分量分析、核主分量分析实现对大量测量结果中信息的 压缩和浓缩，是信息提取的重要手段。 主分量分析方法基于线性变换实现了对线性特征信息的提 取，因此无法有效地提取隐含在数据中的非线性信息。 Schölkopf 等人将主分量分析等线性特征提取方法推广到非 线性领域，形成了核主分量分析方法。它借助于核函数来 实现某种非线性映射，通过非线性映射将输入矢量映射到 高维特征空间，使之在高维空间具有更好的可分性，然后 对高维空间的映射数据做主分量分析，得到原始数据的非 线性主分量，实现了隐含的非线性特征信息的提取。13 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn
三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (6)遗传算法和遗传编程 遗传算法作为基于自然进化过程模拟的优化方法，是自然界 生物“物竞天择，适者生存”机制在优化方法上的体现。进化 计算具有全局搜索、计算简单、对优化对象的限制少等优点。 进化过程以编码进行，进化操作(杂交、遗传、变异)以概率 方式选择，因此具有强的优化性能。 在遗传算法的发展中，将线性编码改进为非线性编码，是一 种新的思路。1992年J.R.Koza首先提出了一种在编码方式上 与常规遗传算法有本质不同的仿生进化算法。它采用了层式 编码结构，是对遗传算法的改进，被称为遗传编程。遗传编 程更适合应用于层式结构的优化，在机器失效模型的建立、 失效模式判别函数优化等方面有重要的应用。三.机器零部件运行信息的获取2.零部件失效信息的提取 (7)其它的信息处理方法 时域平均 盲源分离 支持向量四.机器运行信息的利用机器运行信息本质上是机器零部件状态的表露， 同时机器运行信息也包含了与机器结构有关的特 征。 因此，通过对机器运行中零部件失效信息等的提 取，不但可以了解机器零部件的工作状态、失效 情况，同时也可以获得机器设计、制造方面的特 征。 例如，转子是回转机械重要的部件，通过对转子 运行过程振动信息的采集、提取，不但可以了解 转子的失衡、对中、裂纹等失效信息，还可以得 到转子共振频率、阻尼、刚度等与结构、设计相 关的信息。四.机器运行信息的利用 1.机器零部件故障的识别 机器零部件失效的识别，是机器零部件失 效信息提取的主要目的之一。 机器零部件的失效，往往会直接或间接地 引起机器整体功能或性能的变化。 通过对机器零部件信息的分析，确定失效 的零部件，从而才能有目的地对失效零部 件进行更换、修复或调整。四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图5是由一台30万千瓦汽轮机低 压缸的3瓦和4瓦信号得到的。 2003年4月21日，机组起车后， 振动不断增加，到4月25日，3瓦 振动报警。这段时间内，机组的 功率和载荷都没变化。将25日的 三维全息谱和21日的三维全息谱 相减，得到的转频响应形成了一 个倒锥。这说明受到一个力偶的 作用，分析认为是由于机体热膨 胀导致标高的变化从而引起附加 的力偶，如图6所示。调节机组 标高后，振动减小。四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图5 故障机组的三维全息谱图6 转子热变形示意图14 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
四.机器运行信息的利用1.机器零部件故障的识别图7 转子临时热弯曲时的全息谱图图7是烟机的振动全 息谱图。该烟机经 过大修启动加载 后，由于装配问题 叶片根部不均匀冷 却导致的转子临时 热弯曲，导致转子 振动不断升高。从 图上可以看出，虽 然转子的振动幅值 不断变化，但转子 振动的全息初相点 保持不变。全息初 相点稳定正是转子 临时热弯曲时所具 有的特征。四.机器运行信息的利用2. 机器设计、制造缺陷的识别 机器的某个零部件或某个子系统在设计和 制造上的缺陷，往往会引起机器整体功能 的下降。通过对各个零部件或子系统失效 信息的提取和分析，有助于发现存在缺陷 的部件，为进一步改进设计、提高制造精 度提供了依据。四.机器运行信息的利用2. 机器设计、制造缺陷的识别965 46思考题 1．机器状态监测与故障诊断的目的是什么？ 2．机器状态监测与故障诊断包括哪些内容？ 3．机器状态监测与故障诊断的分类？ 4．机器状态监测与故障诊断过程中应注意哪三种 关系？ 5．诊断信息的获取有哪些方法？ 6．什么叫故障率？什么叫“裕盆曲线”？裕盆曲线 中分哪三个阶段？各有什么特点？ 7. 零部件失效信息的提取方法有哪些？ 8. 机器零部件失效信息的测量和提取中，应1020 39B D CALo g(S )10 1 2 3 9, 10 11541275 4025 60564 5678861367F re q ue n c y, H z2 阻尼泵50 21 21 152 [***********]035031112 1图9 传动链误差曲线的自回归谱图8蜗杆砂轮磨齿机的传动链注意哪些问题？15 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.com.cn