现代故障诊断技术

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。

(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：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：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

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

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面磨损10%，齿面划痕10%，其他故障如塑性变形、化学腐蚀、异物嵌入等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，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，一是利用边频带的频率对称性，找出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，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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(3)齿轮故障信号的频域特征：

①均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等原因，将增加啮合频率和它的谐波成分振幅，对边频的影响很小。在恒定载荷下，如果发生啮频率和它的谐波成分变化，则意味着齿的磨损、挠曲和齿面误差等原因产生了齿的分离(脱啮)现象。齿轮磨损的特征是，频谱上啮合频率及其谐波幅值都会上升，而高阶谐波的幅值增加较多。

②不均匀的分布故障(例如齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等)将产生振幅调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成幅值较高的边频带，边带的间隔频率是齿轮转速频率(fr)，该间隔频率是