【教學(xué)】第一章-機械故障診斷的基本原理(CUMT)

1、中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院1第一章第一章 機械故障診斷的基本原理機械故障診斷的基本原理1.1 1.1 故障特征參量故障特征參量1.2 1.2 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 機械故障診斷機械故障診斷 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2第一節(jié)第一節(jié) 故障特征參量故障特征參量一、故障特征參量的定義一、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：對于某一具體的故障類型，我們所關(guān)心的問題是：這種故障通過哪些這種故障通過哪些物理量物理量表現(xiàn)出來；表現(xiàn)出來；各物理參量與故障間的各物理參量與故障間的關(guān)系強弱關(guān)系強弱情況如何。情況如何。 只有那些與某種故障類型之間的只有那些與某種故障類型

2、之間的關(guān)系密切關(guān)系密切、對、對故障故障靈敏可靠靈敏可靠的物理參量才被用于故障的診斷。的物理參量才被用于故障的診斷。 在機械故障診斷學(xué)領(lǐng)域，將這些對故障靈敏、穩(wěn)定在機械故障診斷學(xué)領(lǐng)域，將這些對故障靈敏、穩(wěn)定可靠的物理量稱為可靠的物理量稱為故障特征參量故障特征參量。第一章第一章 機械故障診斷的基本原理機械故障診斷的基本原理 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3式中式中 F 某種故障類型某種故障類型 ； 各種特征參量或故障原因各種特征參量或故障原因 12, 12, 12, 12, 故障診斷就是確定故障診斷就是確定F與與 之間的某種之間的某種對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系f，以便通過檢測，以便通過檢測 來判斷故障來判斷故障類型類

3、型F是否發(fā)生，或在已知是否發(fā)生，或在已知F 發(fā)生的情況下去查明發(fā)生的情況下去查明造成造成F的原因的原因 等。等。 第二節(jié)第二節(jié) 故障特征參量故障特征參量 故障表現(xiàn)故障表現(xiàn)與與特征參量特征參量和和故障原因故障原因之間存在之間存在如下的對應(yīng)關(guān)系：如下的對應(yīng)關(guān)系：12(,)Ff 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4 對于同一種故障類型，當(dāng)它們發(fā)生在對于同一種故障類型，當(dāng)它們發(fā)生在不不同的機械系統(tǒng)同的機械系統(tǒng)上時，其上時，其故障特征參量故障特征參量也不也不同，因此，在確定某種故障的特征參量同，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)進行。時，應(yīng)結(jié)合具體的系統(tǒng)進行。井下風(fēng)機軸承故障井下風(fēng)機軸承故障中國礦業(yè)大

4、學(xué)機電學(xué)院5二、故障特征參量的選取原則二、故障特征參量的選取原則1 1、高度敏感性高度敏感性 機械系統(tǒng)狀態(tài)機械系統(tǒng)狀態(tài)的微弱變化應(yīng)引起的微弱變化應(yīng)引起故障特征參量故障特征參量的的較大變化。較大變化。2 2、高度可靠性高度可靠性 故障特征參量故障特征參量是依賴于機械系統(tǒng)的狀態(tài)變化而變化是依賴于機械系統(tǒng)的狀態(tài)變化而變化的，如果把故障特征參量取作應(yīng)變量，系統(tǒng)狀態(tài)取的，如果把故障特征參量取作應(yīng)變量，系統(tǒng)狀態(tài)取作自變量，則故障持征參量應(yīng)是系統(tǒng)狀態(tài)這個自變作自變量，則故障持征參量應(yīng)是系統(tǒng)狀態(tài)這個自變量的單值函數(shù)。量的單值函數(shù)。3 3、實用性（或可實現(xiàn)性）實用性（或可實現(xiàn)性） 故障特征參量應(yīng)是便于故障特征參

5、量應(yīng)是便于檢測的，如果某個物理參量雖對某種故障足夠靈敏，檢測的，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但這個參量不易獲得( (經(jīng)濟的、技術(shù)方面的考慮經(jīng)濟的、技術(shù)方面的考慮) )，那么這個物理參量也不便用作故障特征參量。那么這個物理參量也不便用作故障特征參量。第二節(jié)第二節(jié) 故障特征參量故障特征參量 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院6三、故障特征參量的選定方法三、故障特征參量的選定方法故障特征參量一般通過故障特征參量一般通過理論分析理論分析和和實驗的方實驗的方法法來確定。來確定。第二節(jié)第二節(jié) 故障特征參量故障特征參量 不同故障，特征參量不同不同故障，特征參量不同同一故障，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，特

6、征參量也不同同一故障，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，特征參量也不同中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院7第二節(jié)第二節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 與傳統(tǒng)的診斷手段相對應(yīng)的識別理論只能與傳統(tǒng)的診斷手段相對應(yīng)的識別理論只能借助形式邏輯進行一些簡單的推理；而與現(xiàn)借助形式邏輯進行一些簡單的推理；而與現(xiàn)代診斷技術(shù)相對應(yīng)，則有故障樹分析、模式代診斷技術(shù)相對應(yīng)，則有故障樹分析、模式識別以及模糊診斷等多種識別理論。識別以及模糊診斷等多種識別理論。本節(jié)討論：本節(jié)討論： 邏輯推理邏輯推理 故障樹分析故障樹分析第一章第一章 機械故障診斷的基本原理機械故障診斷的基本原理 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院8可把故障診斷過程劃分為以下

7、五個步驟：可把故障診斷過程劃分為以下五個步驟： 調(diào)研考察，得出故障現(xiàn)象；調(diào)研考察，得出故障現(xiàn)象； 假設(shè)原因；假設(shè)原因； 由假設(shè)原因推斷出應(yīng)有的結(jié)果；由假設(shè)原因推斷出應(yīng)有的結(jié)果； 將推斷結(jié)果與考察所得的現(xiàn)象進行比較；將推斷結(jié)果與考察所得的現(xiàn)象進行比較； 得出假設(shè)成立與否的結(jié)論，如果原假設(shè)不成立，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)。則需另立假設(shè)。第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 一、形式邏輯推理一、形式邏輯推理中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院91 1原因與結(jié)果原因與結(jié)果 引起某現(xiàn)象產(chǎn)生的現(xiàn)象叫做原因，由另一引起某現(xiàn)象產(chǎn)生的現(xiàn)象叫做原因，由另一現(xiàn)象引起的現(xiàn)象

8、叫結(jié)果。現(xiàn)象引起的現(xiàn)象叫結(jié)果。2 2因果關(guān)系的特性因果關(guān)系的特性(1)(1)因果關(guān)系的相對性因果關(guān)系的相對性 (2)(2)因果關(guān)系的確定性因果關(guān)系的確定性(3)(3)因果關(guān)系的普遍性因果關(guān)系的普遍性第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 幾個邏輯的概念幾個邏輯的概念中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院10首先確定首先確定可能的原因或結(jié)果可能的原因或結(jié)果從可能的原因或結(jié)果中進行從可能的原因或結(jié)果中進行比較比較刪除刪除虛假虛假成成分，找出分，找出真正真正的原因或結(jié)果。的原因或結(jié)果。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院113 3邏輯推理方法邏輯推理方法(1)(1)契合法契合法( (求同法求同法) ) 場

9、合場合 先行（或后行）情況先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象123ABCaADEaAFGa、 、 、 、結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院12場合場合 先行（或后行）情況先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象(2)(2)差異法差異法( (求異法求異法) ) 在故障分析時，形成上述在故障分析時，形成上述差異差異場合的方法有場合的方法有輪流輪流切換法切換法和和換件比較法換件比較法。 12ABCaBC、 、-、 、結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原

10、因（結(jié)果）第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院13輪流切換法：輪流切換法： 場合場合 先行（或后行）情況先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象1234ABCaACaABaBC、 、-、 、-、 、結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院14換件比較法：換件比較法： 分析故障時，如果懷疑某一零件或部件分析故障時，如果懷疑某一零件或部件是機器故障的起因，則使用完好件替換，并是機器故障的起因，則使用完好件替換，并觀察換件前后機器狀態(tài)

11、的變化，以此斷定原觀察換件前后機器狀態(tài)的變化，以此斷定原零件是否是故障原因之所在。零件是否是故障原因之所在。第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院15(3)(3)契合差異并用法契合差異并用法( (求同求異法求同求異法) ) 場合場合 先行（或后行）情況先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象123ABCDaAEFGaACDFa、 、 、 、 、 、正事例組、結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院16場合場合 先行（或后行）情況先

12、行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 123BCDDEFCDF、 、 、負(fù)、 、 、事、 、 、例組結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）正負(fù)兩組事例的組成場合越多，結(jié)論越可靠負(fù)事例組的各個場合應(yīng)選擇與正事例組場合較好相似的來比較，因為負(fù)事例的場合是無限多的中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院17(4)(4)共變法共變法 場合場合 先行（或后行）情況先行（或后行）情況 被研究現(xiàn)象被研究現(xiàn)象112233123ABCDaACDaABDa、 、 、-、 、 、-、結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的原因（結(jié)果）結(jié)論：情況A是現(xiàn)象a的

13、原因（結(jié)果）第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院18(5)(5)剩余法剩余法 已知：現(xiàn)象已知：現(xiàn)象a是情況是情況A作用的結(jié)果作用的結(jié)果 現(xiàn)象現(xiàn)象b是情況是情況B作用的結(jié)果作用的結(jié)果 現(xiàn)象現(xiàn)象c是情況是情況C作用的結(jié)果作用的結(jié)果結(jié)論：現(xiàn)象結(jié)論：現(xiàn)象d是情況是情況D作用的結(jié)果作用的結(jié)果第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 由由a、b、c、d構(gòu)成的復(fù)合的被研究現(xiàn)象是構(gòu)成的復(fù)合的被研究現(xiàn)象是復(fù)合的情況復(fù)合的情況A、B、C、D作用的結(jié)果。作用的結(jié)果。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院19必須確認(rèn)復(fù)雜現(xiàn)象的一部分必須確認(rèn)復(fù)雜現(xiàn)象的一部分(

14、a(a、b b、c)c)是某些情是某些情況況(A(A、B B、C)C)引起的，而剩余部分引起的，而剩余部分(d)(d)不可能是這些不可能是這些情況情況(A(A、B B、C)C)引起的；引起的；在應(yīng)用剩余法進行推斷時，有以下兩點需提請注意：在應(yīng)用剩余法進行推斷時，有以下兩點需提請注意： 復(fù)雜現(xiàn)象剩余部分的原因復(fù)雜現(xiàn)象剩余部分的原因(D)(D)，不一定是個單，不一定是個單一的情況，還可能是個復(fù)雜的情況。實際上多層次、一的情況，還可能是個復(fù)雜的情況。實際上多層次、多原因的復(fù)雜多原因的復(fù)雜故障樹故障樹正是描述這種邏輯關(guān)系的。正是描述這種邏輯關(guān)系的。第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的

15、一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院20二、故障樹分析法二、故障樹分析法(FTA)(FTA) 故障樹分析法故障樹分析法( (FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis)Fault Tree Analysis)，簡稱簡稱FTAFTA，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至局總體至局部部按樹狀結(jié)構(gòu)進行逐級細(xì)化的分析方法，是一種針按樹狀結(jié)構(gòu)進行逐級細(xì)化的分析方法，是一種針對某個特定的不希望發(fā)生的事件的由果到因的演繹對某個特定的不希望發(fā)生的事件的由果到因的演繹推理方法。推理方法。 故障樹分析法的作用故障樹分析法的作用：是對復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、：是對復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、工廠試

16、驗或現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)故障形式進行可靠性分析的工工廠試驗或現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)故障形式進行可靠性分析的工具，其目的是具，其目的是要判明基本故障、確定故障的原因、要判明基本故障、確定故障的原因、影響和發(fā)生概率影響和發(fā)生概率。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院21故障樹分析法的過程：故障樹分析法的過程： 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 把所研究系統(tǒng)的把所研究系統(tǒng)的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故作為故障分析的障分析的目標(biāo)目標(biāo)，然后找到直接，然后找到直接導(dǎo)致導(dǎo)致這一故障發(fā)生的這一故障發(fā)生的全部因素全部因素，再找出

17、，再找出造成造成這些全部因素中的每一個因這些全部因素中的每一個因素發(fā)生的素發(fā)生的全部直接因素全部直接因素，一直追查到那些，一直追查到那些原始的原始的，其故障機理或概率分布都已知的，無需再深入研究其故障機理或概率分布都已知的，無需再深入研究的因素為止。的因素為止。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院22第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 描述系統(tǒng)狀態(tài)、部件狀態(tài)的變化過程就叫做描述系統(tǒng)狀態(tài)、部件狀態(tài)的變化過程就叫做事件事件。 如果系統(tǒng)或元件按規(guī)定要求如果系統(tǒng)或元件按規(guī)定要求( (規(guī)定的條件規(guī)定的條件和時間和時間) )完成其功能則稱為完成其功能則稱為正常事件正常事件； 如果系統(tǒng)或元件

18、不能夠按規(guī)定要求完成指如果系統(tǒng)或元件不能夠按規(guī)定要求完成指定的功能，或者其功能完成不準(zhǔn)確，則稱作定的功能，或者其功能完成不準(zhǔn)確，則稱作故障事件故障事件。 通常引起故障事件的原因有：通常引起故障事件的原因有：硬件失效，硬件失效，軟件錯誤，環(huán)境條件影響以及人為因素軟件錯誤，環(huán)境條件影響以及人為因素等。等。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院23 把最不希望發(fā)生的事件把最不希望發(fā)生的事件( (或系統(tǒng)故障事件或系統(tǒng)故障事件) )稱為稱為頂事件頂事件，無需再深究的事件，無需再深究的事件( (形成系統(tǒng)故形成系統(tǒng)故障的基本事件障的基本事件) )稱為稱為底事件底事件，或稱為初始事件，或稱為初始事件，介于頂事件與底事件之間的一

19、切事件都稱為介于頂事件與底事件之間的一切事件都稱為中間事件中間事件。 凡是能產(chǎn)生故障事件的元件、子系統(tǒng)、設(shè)凡是能產(chǎn)生故障事件的元件、子系統(tǒng)、設(shè)備、人和環(huán)境條件，在故障樹中都定義為備、人和環(huán)境條件，在故障樹中都定義為部部件件。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院24 部件部件的故障按其產(chǎn)生的原因分為三類：的故障按其產(chǎn)生的原因分為三類： 由于系統(tǒng)元件的內(nèi)在原因而產(chǎn)生由于系統(tǒng)元件的內(nèi)在原因而產(chǎn)生的直接故障；的直接故障； 由于外部原因、環(huán)境惡化等造成由于外部原因、環(huán)境惡化等造成的系統(tǒng)元件的間接故障；的系統(tǒng)元件的間接故障； 由于其他不明原因由于其他不

20、明原因( (尚需進一步分尚需進一步分析析) )而產(chǎn)生的故障，也稱為受控失效。而產(chǎn)生的故障，也稱為受控失效。 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院25第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院262 2故障樹分析法的特點故障樹分析法的特點(1)(1)直觀、形象直觀、形象 (2)(2)靈活、多用途靈活、多用途 (3)(3)多目標(biāo)、可計算多目標(biāo)、可計算 缺點缺點： 理論性較強，邏輯性較嚴(yán)密，因此要求分析人理論性較強，邏輯性較嚴(yán)密，因此要求分析人員對所研究的對象員對所研究的對象( (系統(tǒng)或設(shè)備系統(tǒng)或設(shè)備) )必須有透徹的了必須有透徹的了解，還應(yīng)具有比較豐富的設(shè)計和運行經(jīng)驗

21、。解，還應(yīng)具有比較豐富的設(shè)計和運行經(jīng)驗。 優(yōu)點優(yōu)點：第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院273 3故障樹分析的步驟故障樹分析的步驟(1)(1)對所選定的系統(tǒng)對所選定的系統(tǒng)( (或設(shè)備或設(shè)備) )進行必要的預(yù)分析進行必要的預(yù)分析 (2)(2)對系統(tǒng)的故障進行定義對系統(tǒng)的故障進行定義 (3)(3)仔細(xì)分析形成各種故障的原因仔細(xì)分析形成各種故障的原因 (4)(4)收集各種故障發(fā)生概率的數(shù)據(jù)收集各種故障發(fā)生概率的數(shù)據(jù) (5)(5)選定系統(tǒng)可能發(fā)生的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)選定系統(tǒng)可能發(fā)生的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)( (事件事件) )作為頂事件，作出故障樹

22、邏輯圖作為頂事件，作出故障樹邏輯圖(6)(6)對故障樹結(jié)構(gòu)作定性分析對故障樹結(jié)構(gòu)作定性分析 (7)(7)對故障樹結(jié)構(gòu)作定量分析對故障樹結(jié)構(gòu)作定量分析 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院28第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院294 4故障樹分析法中采用的符號故障樹分析法中采用的符號分類符 號含 義故障事件符號頂事件中間事件基本事件未探明事件條件事件開關(guān)事件中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院30 分類符 號含 義邏輯門符號與門或門非門 Z Z Z x x x x x x x 1 2 n 1 2 nniix

23、Z1niixZ1xZ 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院31建立故障樹的主要步驟：建立故障樹的主要步驟： (1)(1)確定頂事件確定頂事件 要有明確的定義；要有明確的定義； 要能進行分解，要能進行分解，要能度量以便于定量分析。要能度量以便于定量分析。(2)(2)建立邊界條件，簡化建樹工作建立邊界條件，簡化建樹工作 故障樹的邊界條件應(yīng)包括：故障樹的邊界條件應(yīng)包括： 初始狀態(tài)初始狀態(tài) 不容許事件不容許事件 不可能事件不可能事件 必然事件必然事件 事件概率事件概率 (3)(3)構(gòu)建故障樹構(gòu)建故障樹 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院32第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診

24、斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 油泵驅(qū)動電路油泵驅(qū)動電路E 蓄電池蓄電池 K1 手動開關(guān)手動開關(guān) K2 電磁開關(guān)電磁開關(guān) M 電動機（電動機（24V） P 油泵油泵如圖所示油泵驅(qū)動電路，系統(tǒng)故障為不供油。已知：電動機故障率0.001，油泵故障率為0。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院33 油泵驅(qū)動電路的故障樹油泵驅(qū)動電路的故障樹 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院34建立故障樹時必須注意：建立故障樹時必須注意： 故障定義必須明確，避免多義性故障定義必須明確，避免多義性 注意系統(tǒng)中事件的邏輯關(guān)系注意系統(tǒng)中事件的邏輯關(guān)系 應(yīng)首先考慮主要的、可能性

25、大的以及關(guān)鍵性的應(yīng)首先考慮主要的、可能性大的以及關(guān)鍵性的故障事件故障事件 嚴(yán)格區(qū)分小概率事件與小部件故障事件的概念嚴(yán)格區(qū)分小概率事件與小部件故障事件的概念 建樹時切忌避免建樹時切忌避免“門與門門與門”直接相連直接相連 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院356 6故障樹與結(jié)構(gòu)函數(shù)故障樹與結(jié)構(gòu)函數(shù) 考慮一個由考慮一個由N個部件組成的系統(tǒng)，將系統(tǒng)失效稱個部件組成的系統(tǒng)，將系統(tǒng)失效稱為故障樹的頂事件，記作為故障樹的頂事件，記作T，系統(tǒng)中各部件失效則，系統(tǒng)中各部件失效則稱為底事件。假設(shè)系統(tǒng)和部件均只有失效和正常兩稱為底事件。假設(shè)系統(tǒng)和部件均只有失效和

26、正常兩種狀態(tài)，則底事件可以定義如下：種狀態(tài)，則底事件可以定義如下： 11,2,0iixini， 當(dāng)?shù)?個底事件發(fā)生時（故障），當(dāng)?shù)?個底事件不發(fā)生時（正常)第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3612( ,)nx xx1,( )0 x當(dāng)頂事件發(fā)生時，當(dāng)頂事件不發(fā)生時( )x定義為故障樹的定義為故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù) 同時同時 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 系統(tǒng)頂事件的狀態(tài)如用系統(tǒng)頂事件的狀態(tài)如用來表示，則來表示，則必然必然是底事件狀態(tài)是底事件狀態(tài) 的函數(shù)的函數(shù)(1,2, )ix in中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院

27、37“與門與門”故障樹故障樹“或門或門”故障樹故障樹1( )niixx1( )niixx11( )1(1)nniiiixxx 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院38 xTxx1)(“非門非門”故障樹故障樹中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院39故障樹的簡化 在分析系統(tǒng)故障時，最初建立的故障樹往往并不是最簡的，可以對它進行簡化。最經(jīng)常采用的簡化方法是借助邏輯代數(shù)的邏輯法則進行簡化。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院40 (1)基本邏輯關(guān)系 邏輯關(guān)系表達式含義其它表示方法邏輯非沒有 ，邏輯與 與邏輯或 或 或兩者蘊涵有 必有同一 同有同無1x21xx21xx 21xx 21xx 1x1x2x1x2x2x1x21,xx1cx1x21xx 21

28、xx 21xx 21xx 212121,xxxxxx212121xxxxxx兩個變量的基本邏輯關(guān)系中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院41兩個變量邏輯運算的真值表 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 11x2x21xx 21xx 21xx21xx 1x2x中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院42Exp.張三：“今天肯定不點名，如果點名我就宴請全寢室同學(xué)?！秉c名 宴請全寢室 真話 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 121xx 蘊涵蘊涵中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院43邏輯運算的基本法則中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院44 常用的故障樹化簡方法有：常用的

29、故障樹化簡方法有：修剪法修剪法、模塊法、模塊法、卡諾圖法和計算機輔助化簡法卡諾圖法和計算機輔助化簡法等。等。 7 7故障樹化簡故障樹化簡 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 A+A=AA*A=A中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院45第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 A+A*B=A中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院46中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院47第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 3134113411321)()(xxxxxxxxxxxxxT吸收率中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院48第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思

30、維方法 1451143121)()(xxxxxxxxxxT吸收率中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院49212121212121)()(xxxxxxxxxxAAT中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院508 8 故障樹的定性分析故障樹的定性分析 目的目的: :為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即弄清系統(tǒng)能的故障模式，即弄清系統(tǒng)( (或設(shè)備或設(shè)備) )出出現(xiàn)某種最不希望發(fā)生的事件現(xiàn)某種最不希望發(fā)生的事件( (故障故障) )有有多多少種可能性少種可能性。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院51 故障樹的某幾個底事件組成一個集合，故障樹的某

31、幾個底事件組成一個集合，如果集合內(nèi)的幾個底事件同時發(fā)生時，將引如果集合內(nèi)的幾個底事件同時發(fā)生時，將引起頂事件起頂事件( (系統(tǒng)故障系統(tǒng)故障) )的發(fā)生，則這個集合就的發(fā)生，則這個集合就稱為稱為割集割集。 (1) (1) 割集與最小割集割集與最小割集最小割集最小割集：指滿足這樣條件的割集，如果將：指滿足這樣條件的割集，如果將某一割集中的底事件某一割集中的底事件任意去掉一個任意去掉一個就不再是就不再是割集，則這個割集就被稱為最小割集。割集，則這個割集就被稱為最小割集。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院52 故障樹定性分析的主要任務(wù)就在于尋找并

32、確定系故障樹定性分析的主要任務(wù)就在于尋找并確定系統(tǒng)的最小割集。統(tǒng)的最小割集。 (2) (2) 最小割集算法最小割集算法 上行法上行法 又稱塞邁特里斯又稱塞邁特里斯(Semanderes)算法算法 下行法下行法 又稱富塞爾又稱富塞爾( (Fussell) )算法算法 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院53 上行法上行法1( )niixx1( )niixx 對給定的故障樹，從最下一級中間事件開始，分對給定的故障樹，從最下一級中間事件開始，分別應(yīng)用下面兩個公式順次往上進行計算，直至頂事別應(yīng)用下面兩個公式順次往上進行計算，直至頂事件為止。件為止。

33、第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院54第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 dcbGGGT 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院55第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 434241314342413142141413424141433423241314143321)()()()(xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxGGGTdcb432431)()(xxxxxxT4個最小割集：x1x3，x1x4，x2x4，x3x4中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院56

34、432431)()(xxxxxxT中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院57 下行法下行法 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 根據(jù)故障樹中的邏輯根據(jù)故障樹中的邏輯或門會增加割集或門會增加割集的數(shù)目的數(shù)目，邏輯，邏輯與門會增大割集容量與門會增大割集容量的性質(zhì)，的性質(zhì)，從故障樹的頂事件開始，由上到下，順次從故障樹的頂事件開始，由上到下，順次把上一級事件置換為下一級事件，遇到把上一級事件置換為下一級事件，遇到與與門門將輸入將輸入橫向并列寫出橫向并列寫出，遇到，遇到或門或門則將輸則將輸入事件入事件豎向串列豎向串列寫出，直至把全部邏輯門寫出，直至把全部邏輯門都置換為底事件為止，由此可得該

35、故障樹都置換為底事件為止，由此可得該故障樹的全部割集。的全部割集。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院58T b cx1dx4ex1x3x1x4x4x2x4x3或門或門與門運用下行法前需對故障樹進行布爾運算簡化運用下行法前需對故障樹進行布爾運算簡化中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院599 9故障樹的定量分析故障樹的定量分析 故障樹的定量分析：就是以故障樹為基故障樹的定量分析：就是以故障樹為基礎(chǔ)，分析礎(chǔ)，分析系統(tǒng)故障的發(fā)生概率系統(tǒng)故障的發(fā)生概率以及以及各底事各底事件的重要程度件的重要程度，包括，包括結(jié)構(gòu)重要度、概率重結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵性重要度要度和關(guān)鍵性重要度等三個不同含義的定等三個不同含義的定量指標(biāo)。量指標(biāo)。 第

36、三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院60第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 (1) (1) 概率計算的基本公式概率計算的基本公式 設(shè)事件設(shè)事件x1、x2、xn的發(fā)生概率分別為的發(fā)生概率分別為P1、P2、Pn 。和的概率和的概率當(dāng)當(dāng)x1、x2、xn為相互獨立的事件時，有為相互獨立的事件時，有 11()nniiiiPxP積的概率積的概率或門與門中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院61當(dāng)當(dāng)x1、x2、xn為相斥事件時，有為相斥事件時，有 積的概率積的概率和的概率和的概率11()nniiiiPxP1()0niiPx第三節(jié)第三節(jié) 機械故障

37、診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院62當(dāng)當(dāng)x1、x2、xn為相容事件時，有為相容事件時，有 1121123()( )()()( 1)()nnnnniijkijkniiijij kPxP xP x xP x x xP x xx 和的概率：和的概率：1213121211()() (/) (/)(/)ninniPxP x P xx P xx xP xx xx積的概率積的概率中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院63 實際計算時實際計算時，當(dāng)，當(dāng)Pi0.1,i=1,2, ,n時，相容時，相容事件近似于獨立事件；當(dāng)事件近似于獨立事件；當(dāng)Pi0.01,i=1,2, ,n時，相容事件近似于相斥

38、事件。時，相容事件近似于相斥事件。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 11()nniiiiPxP11()nniiiiPxP中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院64注意注意: :在應(yīng)用上述公式計算系統(tǒng)故障的概率時，在應(yīng)用上述公式計算系統(tǒng)故障的概率時，當(dāng)故當(dāng)故障樹中包含兩個以上同一底事件時，則必須應(yīng)用邏障樹中包含兩個以上同一底事件時，則必須應(yīng)用邏輯代數(shù)整理簡化后，才能使用以上概率計算公式，輯代數(shù)整理簡化后，才能使用以上概率計算公式，否則會得出錯誤的結(jié)論。否則會得出錯誤的結(jié)論。因此，在計算概率之前，因此，在計算概率之前，必須將故障樹化為結(jié)構(gòu)最簡，即與必須將故障樹化為結(jié)構(gòu)最簡，即與最

39、小割集最小割集對應(yīng)。對應(yīng)。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 先簡化故障樹中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院65(2) (2) 頂事件的發(fā)生概率頂事件的發(fā)生概率 該算法的基本思路是：該算法的基本思路是：將故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)表示將故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)表示成最小割集和的形式成最小割集和的形式，然后應(yīng)用概率計算的基本公，然后應(yīng)用概率計算的基本公式求出系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。即將系統(tǒng)的最小割集式求出系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。即將系統(tǒng)的最小割集結(jié)構(gòu)函數(shù)表達為結(jié)構(gòu)函數(shù)表達為 1( )( )kiixMx( )jiijxMMxx 要求系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率，就是求使要求系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率，就是求使 的概率

40、。的概率。 ( )1x第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 )1)()(1kiixMPPg最小割集數(shù)某一最小割集中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院66例例1 1 對于由二個單元組對于由二個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)假設(shè)相互獨成的并聯(lián)系統(tǒng)假設(shè)相互獨立，其故障樹如右圖所示，立，其故障樹如右圖所示，求頂事件的發(fā)生的概率。求頂事件的發(fā)生的概率。 并聯(lián)系統(tǒng)故障樹并聯(lián)系統(tǒng)故障樹 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 21)(PPPg中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院67例例2 2 對于由二個單元組成的串對于由二個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，其故障樹如右圖所示，聯(lián)系統(tǒng)，其故障樹如右圖所示，求

41、頂事件的發(fā)生的概率。求頂事件的發(fā)生的概率。 串聯(lián)系統(tǒng)故障樹串聯(lián)系統(tǒng)故障樹 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 21)(PPPg中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院68 對右圖所示的故障樹，令底事件x1，x2，x3，x4的發(fā)生概率分別為P10.01，P20.005，P30.02，P40.03。求系統(tǒng)(頂事件)故障發(fā)生的概率。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院69各最小割集間看作相斥事件，于是43424131xxxxxxxxT00125. 003. 002. 003. 0005. 003. 001. 002. 001. 0) 1)()(434241311PPPPPPPPxMPPgkii中國礦業(yè)大

42、學(xué)機電學(xué)院70 計算如下圖所示的超壓保護系統(tǒng)計算如下圖所示的超壓保護系統(tǒng)故障樹的頂事件發(fā)生概率。故障樹的頂事件發(fā)生概率。 超壓保護系統(tǒng)的簡化故障樹超壓保護系統(tǒng)的簡化故障樹 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院71(3)(3)事件的重要度計算事件的重要度計算 在頂事件的發(fā)生中由于底事件的發(fā)生所作的貢獻，在頂事件的發(fā)生中由于底事件的發(fā)生所作的貢獻，或者說各個底事件或者說各個底事件( (或各最小割集或各最小割集) )對頂事件發(fā)生的對頂事件發(fā)生的影響稱為影響稱為底事件底事件( (或最小割集或最小割集) )的重要度的重要度。 研究事件重要度對改善系統(tǒng)設(shè)

43、計、提高系統(tǒng)的可研究事件重要度對改善系統(tǒng)設(shè)計、提高系統(tǒng)的可靠性或確定故障監(jiān)測的部位、制定系統(tǒng)故障診斷方靠性或確定故障監(jiān)測的部位、制定系統(tǒng)故障診斷方案、減小排除故障的時間等具有重要意義。案、減小排除故障的時間等具有重要意義。 為了比較它們在故障樹中的重要程度，在故障樹為了比較它們在故障樹中的重要程度，在故障樹的定量分析中常作的定量分析中常作結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度重要度等計算。等計算。 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院72 結(jié)構(gòu)重要度結(jié)構(gòu)重要度 某個底事件的結(jié)構(gòu)重要度，是在某個底事件的結(jié)構(gòu)重要度，是在不

44、考慮其發(fā)生概不考慮其發(fā)生概率值的情況下率值的情況下，觀察故障樹的結(jié)構(gòu)，以決定該事件，觀察故障樹的結(jié)構(gòu)，以決定該事件的位置重要程度。的位置重要程度。 由于底事件由于底事件 的狀態(tài)為的狀態(tài)為0或或l，當(dāng)當(dāng)xi處于某一狀態(tài)時，其余處于某一狀態(tài)時，其余n1個底事件組合之個底事件組合之系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)為系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)為2n-l。因此、第。因此、第i i個底事件個底事件xi的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要度定義為重要度定義為(1,2, )ix in第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 )0()1 (21)(1xxiIiin中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院73式中式中 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故

45、障診斷的一般思維方法 )0()1 (21)(1xxiIiin (1ix)表示底事件xi和頂事件同時發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目，(0ix)表示底事件xi不發(fā)生而頂事件發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目， 兩者相減則代表了底事件xi 發(fā)生則頂事件發(fā)生、且底事件xi不發(fā)生頂事件也不發(fā)生(其他底事件不變)的情況。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院74 xi 發(fā)生發(fā)生 頂事件發(fā)生頂事件發(fā)生 xi 不發(fā)生不發(fā)生 頂事件發(fā)生頂事件發(fā)生 xi 不發(fā)生不發(fā)生 頂事件不發(fā)生頂事件不發(fā)生 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 其它底事件不變中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院75例：試計算如圖所例：試計算如圖所示故障樹各底事件示故障樹各底

46、事件的結(jié)構(gòu)重要度。的結(jié)構(gòu)重要度。 故障樹各底事件的結(jié)構(gòu)故障樹各底事件的結(jié)構(gòu) 第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 解：故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)為432431)()(xxxxxxT中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院76432431)()(xxxxxxT中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院77對底事件1，首先找出底事件1和頂事件同時發(fā)生的集合，再找出底事件1不發(fā)生而頂事件發(fā)生的集合。3)0(6)1 (11xx中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院7883) 36(81 )0()1 (21) 1 (1114xxI底事件1的結(jié)構(gòu)重要度為：同理中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院79第三節(jié)第三節(jié) 機械故障診斷的一般思維方法機械故障診斷的一般思維方法 概率重要度概率重要度 底事件底事件xi發(fā)生發(fā)生概率的變化概率的變化引起頂事件發(fā)生概率的引起頂事件發(fā)生概率的變化程度定義為變化程度定義為該底事件的概率重要度該底事件的概率重要度，記作，記作 Ig(i ) ，其數(shù)學(xué)表達式為其數(shù)學(xué)表達式為 式中式中 頂事件發(fā)生的概率，頂事件發(fā)生的概率， Pi 底事件底事件