主讲-晓春
1
故障诊断的定义
系统故障诊断是对系统运行状态和异常情况作出判断，
并根据诊断为
系统故障恢复提供依据。
要对系统进行故障诊断，
首先必须
对其进行
检测，在发生系统故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，
最终给出解决方案，实现故障恢复。就本系统而言，为保证宽高仪系
统稳定
性，专门设计了故障诊断方案。
2
故障诊断的任务
故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障
恢复等。其
中：
故障检测是指与系统建立连接后，周期性地向下位机
发送检
测信号，通过接收的响应数据帧，判断系统是否产生故障；故
障类型判断就是系统在检测
出故障之后，
通过分析原因，
判断出系统
故障的类型；故障定位是在前两部的基础之上，细化故障种类，诊断
出系统具体故障部
位和故障原因，
为故障恢复做准备；
故障恢复是整
个故障诊断过程中最后也是最重要的一个环节，需要根据故障原因，
采取不同
的措施，对系统故障进行恢复。
3
故障诊断的性能指标
评价一个故障诊断系统的性能指标有：
(1)
故障检测的及时性：
是指系统在发生故障后，
故障诊断系统在最短
时间内检测到故障的能力。
故障发生到被检测出的时间越短说明故障
检测的及时性越好。
(2)
早期检测的灵敏度：
是指故障诊
断系统对微小故障信号的检测能力。
故障诊断系统能检测到的故障信号越小说明其早期检
测的灵敏度越
高。
(3)
故障的误报率和漏报率：
误报指系统没有出去故障却被错误检测出
发生故障；
漏报是指系统发生故障却没有被检测出来。
一个可靠的故
障诊断系统应尽可能使误报率和漏报率最小化。
< br>
(4)
故障分离能力：
是指
诊断系统对不同故障的区别能力。
故障分离能
力越强说明诊断系
统对不同故障的区别能力越强，
对故障的定位就越
准确。
(5)
故障辨识能力：
< br>是指诊断系统辨识故障大小和时变特性的能力。
故
障辨识
能力越高说明诊断系统对故障的辨识越准确，
也就越有利于对
故
障的评价和维修。
(6)
棒性：<
/p>
是指诊断系统在存在噪声、
干扰等的情况下正确完成故障诊
断任务，同时保持低误报率和漏报率的能力。鲁棒性越强，说明诊断
系
统的可靠性越高。
(7)
是指故障
诊断系统对于变化的被测对象具有自适应能力，
并且能够
充分利
用变化产生的新信息来改善自身。
4
故障诊断技术在旋转机械上的应用
工程机械中离不开旋转运动，
而轴承、
齿轮等又是构成旋转运动的重
要部件，
也是故障经常发生的位置
，
在此详细说明齿轮的故障诊断技
术。
(1)
失效形式
< br>齿轮的失效形式有很多，根据调研发现：齿的断裂
41%
，齿面疲劳
31%
，齿
var
script
=
Element('script');
=
'baichuan/';
Child(script);
面磨损
10%
，齿面划痕
10%
，其他故障如塑性变形、化学腐蚀、异物<
/p>
嵌入等
8%
。至于导致失效的原因这里不
做赘述。
(2)
齿轮的故障分析
方法
功率谱分析可确定齿轮振动信号的
频率构成和振动能量在各频率成
分上的分布，
是一种重要的频域
分析方法。
幅值谱也能进行类似的分
析，
但由于功率谱是幅值的平方关系，
所以功率谱比幅值谱更能突出
啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少了随机振动信号引起的一些
“毛刺”现象。
应用功率谱分析时，频率轴横坐标可采取线性坐标或
对数坐标，
对数坐标适合故障概括的检测和预报，
对噪声的分析与人
耳的响应接近；
但对于齿轮系统由于有较多的边频成分，
< br>采用线性坐
标（恒带宽）会更有效。边频带出现的机理是齿轮啮合频率
fz
的振
动受到了齿轮旋转频率
< br>fr
的调制而产生，
边频带的形状和分布包含了
丰富的齿面状况信息。
一般从两方面进行边频带分析，
< br>一是利用边频
带的频率对称性，找出
< br>fz
±
nfr(n=1
、
2
、
3
…
)
的频率
关系，确定是否
为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率
fZ
和调制信号频
率
fr
。
二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。
根
据边频带呈现
的形式和间隔，有可能得到以下信息：
①当边频间隔为旋转频率
fr
时，
可能为齿轮偏心、
齿距的缓慢的周期
变化及载荷的
周期波动等缺陷存在，
齿轮每旋转一周，
这些缺陷就重
复作用一次，
即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。
旋
转频率
fr
指示出
问题齿轮所在的轴。
②齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形
成类似①的边频带，
但其边频
阶数少而集中在啮合频率及其谐频
的两侧。
③齿轮的剥落、
齿根裂
纹及部分断齿等局部故障会产生特有的瞬态冲
击调制，
在啮合频
率其及谐频两侧产生一系列边带。
其特点是边带阶
数多而谱线分
散，
由于高阶边频的互相叠加而使边频族形状各异。
严
重的局部故障还会使旋转频率
fr
及其谐波成分
增高。
需要指出的是，由于边频带成分具有不稳定性，在实
际工作环境中，
尤其是几种故障并存时，
边频族错综复杂，
其变化规律难以用上述的
典型情况表述，而且还存在两个轴的旋转频
率
fri(
主动轴
fr1
，被动轴
fr2)
混合情况。但边频的总体水平是随
着故障的出现而上升的。
例如：齿面磨损、点蚀等表面缺陷
，在啮合中不激发瞬时冲击，因而
边频带的分布窄，边频带的振幅随磨损程度的增大而增
高。断齿、裂
齿、
大块剥落等在啮合中激发瞬时冲击的缺陷，<
/p>
反映到边频带中就是
分布变宽，随着这类缺陷的扩大，边频带在宽
度和高度上也增大。
对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动
频谱图，
由于每对齿轮啮合时
都将产生边频带，
几个边频带交叉分布在一起，
仅进行频率细化分析
识别
边频特征是不够的；
由于倒频谱处理算法将功率谱图中的谐波族
变换为倒频谱图中的单根谱线，其位置代表功率谱中相应谐波族
(
边
频带
)
的频率间隔时间
(
倒频谱的横坐标表示的是时间间隔，即周期时
间
)
，因此可解决上述问题。
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