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1、一. 绪论现在城市轨道交通车辆是机械、液压、电气与控制的集合体。设备故障诊断学,是通过对设备的观察,探测,分析和推理来确定设备是否正常,找出异常部位和故障原因,并能预报故障发展趋势的一门综合科学.故障诊断技术是利用测取轨道交通设备在运行中或相对静态条件下的状态信息，通过对所测信号的处理和分析并结合诊断对象的历史状况，来定量识别机械设备及其零件、部件的实时技术状态，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状态，从而来确定必要对策技术。机械设备故障诊断技术是依据二次效应的物理参数来定量地掌握机械设备在运行中所受的应力、故障和劣化、强度和性能等技术状态指标。二次效应含：振动、声音、温度以及磨损、碎屑等。
2、不同种类的设备应用不同种类的故障诊断技术；不同的诊断技术涉及不同的仪器、工作原理和适用范围。设备状态监测与故障诊断不同,一般以故障诊断或质量诊断控制为目标.故障指一台装置在它应达到的功能上丧失了能力.失效指一台装置丧失了在预定期限内的正常功能.故障多对设备而言,失效多对零件而言.设备故障诊断主要包含故障诊断的逻辑推理与数学原理,诊断信息学和诊断物理化学等方面的内容.故障术语：1.共同故障2.相关故障3.故障机理4.失效模式故障分类:1渐发性故障和突发性故障2功能故障和参数故障3功能故障和潜在故障4允许故障和不允许故障5永久性故障和间歇性故障6单故障和多故障7危险性故障和安全性故障故障诊断术语:
3、1失效分析2故障诊断3故障诊断原理.按照故障诊断的不同类型有如下术语:1性能诊断:对新装的设备与系统进行诊断检查，并根据诊断结果加以调整；2运行诊断：对正常进行服役的设备会系统进行运行状态诊断，监测故障的发生、发展；3定期诊断：对服役的设备隔一定时间进行一次检查和诊断；4在线监控：采用仪表和计算机信息处理系统对运行中的设备运行状态连续监视、控制；5直接诊断：直接根据设备零部件、部件，判断和确定设备故障状态；6间接诊断：通过二次诊断信息间接判断设备故障状态；7常规诊断：设备正常服役下的诊断；8特殊诊断：创造特殊的服役条件采集信息以便正确地诊断故障；9简易诊断：通过人的五感或利用简单检测工具迅速地
4、、粗略地判断设备故障；10精密诊断：通过精密检测手段采集信息，由专家分析判断故障部位、原因及预防对策。故障模式是从不同表现形态来描述故障,是故障现象的一种表征,相当于医疗上疾病的症状.故障机理是诱发零件,部件,设备系统发生故障的物理化学过程,电子与机械过程. （目标状态、内因）+（外因、诱因）=（故障模式）总的来说,故障模式反映着故障机理的差别,相同的故障模式,故障机理不一定相同,反之,故障机理相同,也可能具有不同故障模式. 产生故障的基本原因:1设计不合理2制造,安装,使用中的缺陷3原材料缺陷4使用不当5自然耗损故障诊断方法分为基于解析模型、基于信号处理和基于知识的方法有些故障是由单一原因造
5、成的；有些则是多种因素综合引起的；有的是一种原因起主导作用而其他因素起媒介作用；有的是连锁诱发的因素引起。由故障起因推算其后果的而数学与逻辑过程为“正向”运算，而由故障后果寻求起因的过程则是“反向”运算。由于故障的复杂性特征，某一故障可能对应多个故障特征；反之，某一特征又可能对应多种故障；而且其成因与结果又常常是多层次的，于是会形成因果相连的链状或网状结构。二,故障诊断原理与技术概述:当可以建立较准确的监测设备对象的数学模型时,首选基于解析模型的方法.当可以得到被控对象的输入,输出信号,但很难建立被控对象的解析数学模型时,可以采用基于信号处理的方法,当很难建立被控对象的定量数学模型时,可采用基
6、于知识的方法.*解析模型:作为最早发展的故障诊断方法,基于数理统计研究本质,针对系统样本的一种数学处理的故障诊断方法,缺点是由于样本的质量和容量,模型本身局限,噪声的存在以及系统日益复杂,使得其准确性较差.可分为1状态估计诊断法2参数估计诊断法3一致性检验诊断法信号处理方法:主要用于故障检测中,基于监测所得数据进行处理,方法简单,一般与其他方法结合效果较好,可分为1频域分析法2小波分析法.基于知识的智能故障诊断方法:1专家系统故障诊断方法:本质是通过获取多位该领域专家的经验而建立数据库,采用一定的搜索策略并通过推理手段解决故障诊断问题.缺点在于知识库受专家知识的局限性和主观性限制;在推理方法中
7、权值的赋值主观性很强.2神经网络故障诊断方法:目前研究的重点是集中在网络的算法收敛性和泛化能力的进一步提高上.3模糊故障诊断方法:基本思路是利用对故障测得的相关信号的分析获得故障征兆,基于模糊数学的原理,研究故障信号和征兆之间的模糊关系来分析该系统的故障状态.优点是克服了过程本身的不确定性、不精确性及噪声带来的困难；缺点是系统复杂4遗传算法故障诊断方法:目前遗传主要和其他的诊断方法结合使用,起到优化系统的作用,单独使用比较少.5粗糙集故障诊断方法:是在分类能力不变的前提下,通过知识简约,导出问题的决策或分类规则.6人工免疫算法故障诊断方法:是研究借鉴,利用生物免疫系统而发展的在线监测和自适应故
8、障诊断的系统,作为一种并行和分布自适应动态平衡系统,它用时间记忆和联想恢复去解决识别和分类任务.7故障树诊断方法:用相应的符号代表这些事件,再用适当的逻辑门把顶事件,中间事件和基本事件连接成树形图.8支持向量机故障诊断方法:支持向量机最为针对二类模型识别问题而提出的新兴的诊断算法,是依据结构风险最小原理,利用最优分类面,将训练样本正确分类的方法.由于支持向量机在分类问题上只考虑了二值分类的简单情况,因而在解决故障诊断等多值分类问题时需要建立多个支持向量机.故障诊断原理:故障机理是引起产品故障的物理,化学变化等的内在原因,规律及其原理.故障机理分析工作是能否正确地对预定对象实施检测与诊断的基础。
9、在工况监测与故障诊断工作中应避免下列几种倾向:不做故障机理分析,先入为主地主观确定状态特征;做信息辨识和融合时不考虑信号特征.否则,故障机理分析不透,使得误判率高.故障机理分析方法：发现故障机理需要两个阶段:1掌握对象的结构和工作原理,了解故障状态,分析故障过程,确定故障原因.2进入故障机理的深层认识过程.*故障机理分析后的工作：1.分析并确定符合故障的种类2.依据划分的故障隔离诊断范围或子系统或独立单元3.设置故障检测系统4.选择故障监测手段和方法5.确定故障阈值6.选择故障数据存储方式7.建立维修保障制度状态识别由两个阶段组成:状态监测和状态分析. 状态监测和故障诊断的作用:1准确说明运行
10、列车当前处于正常状态还是异常状态2若有故障,则说明故障的部位和原因3根据故障信息或根据信息处理结果,预测故障的可能发展4提出控制故障的措施,防止和消除故障5提出车辆维修的合理方法和措施6对车辆的设计制造装配等提出改进意见,为设备全寿命现代化管理提供科学依据和建议状态监测与故障诊断的目标:1保证列车无故障,安全可靠的运行2保证列车发挥最大设计能力3能及时正确地对各种异常或故障作出诊断,并对必要的干预措施提供指导意见4通过性能评价,为优化设计,正确制造提供数据和信息.状态监测与故障诊断系统主要由状态信号检测,信号处理（特征提取）状态识别,监测与诊断决策.状态监测是在列车运行中，对特定的特征信号进行
11、检测、变换、记录、分析处理并显示、记录，是对列车进行故障诊断的基础工作。信号分析处理的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息。通常设备的状态可分为正常状态、遗产状态和故障状态几种情况。*设备状态监测与故障诊断既有区别又有联系,二者统称为设备故障诊断,诊断是目的,监测是手段,监测是诊断的基础和前提,诊断是监测的最终结果.车辆的管理和维修方式的发展经历了3个阶段:事后维修方式,定期预防维修方式,视情维修.K故障诊断方法分类分类依据分类内容诊断对象旋转机械故障诊断；往复机械故障诊断；机械零件故障诊断；工程结构故障诊断；电气设备故障诊断诊断目的和要
12、求在线诊断和离线诊断；功能和运行；定期和连续；直接和简接；常规和特殊诊断手段振动诊断；声学；温度；强度；污染；光学；电参数；压力；金相诊断方法的完善度简易诊断；精密；系统综合识别故障模式统计识别诊断；函数识别；逻辑识别；模糊识别；灰色识别；神经网络三,振动监测故障诊断技术一个质点相对于基准位置的振荡运动,在某一周期时间后本身具有重复性,则称之为周期振动,其最简单的形式是简谐振动.振动周期定义为两个相邻的完全等同的运动状态间的时间间隔.常用描述振动的术语:1.振幅X 2.频率f 3.相位角4.振动位移5.振动速度6.振动加速度7.峰-峰值8.峰值9.平均值10.均方根值随机振动:振动质点(或物体
13、)经历不规则的振动周期并且本身从不精确地重复.随机振动信号无法用确定的时间函数来表达,需要用概率统计方法进行分析.自相关函数 总体相关函数振动信号的分析方法:可按信号处理方式的不同分为幅域分析,时域分析以及频域分析.无量纲指标系数:波形系数;峰值指标;脉冲指标;裕度指标;峭度指标.参数敏感性稳定性参数敏感性稳定性波形指标差好裕度指标好一般峰值指标一般一般峭度指标好差脉冲指标较好一般均方根值较差较好振动信号的时域分析:1相关分析:对于两个机械信号,可采用互相关函数来体现他们幅值间的相互依赖关系.2时序分析:时序分析方法就是从所研究的系统的运行数据出发,建立相应的数学模型,通过此模型中包含的设备状
14、态信息,进而确定设备的动态特征及预测其发展趋势.振动信号的频域分析:作为轨道车辆故障诊断中信号处理中最重要和最常用的分析方法。频域分析中常用的有幅值谱和功率谱,另外自回归谱也常用来作为必要的补充.幅值谱表示了振动的参数的幅值随频率分布的情况;功率谱表示了振动参量的能量随频率的分布;相应自回归谱为时序分析中自回归模型在频域的转换.通过频谱分析可以解决一下问题:1求得振动参量中的各个频率成分和频率分布的范围2求得振动参量各个频率成分的幅值大小或能量大小,从而得到影响设备状态的主要频率值及其对应的幅值大小.振动监测参数的选择:用设备的振动状态参数表征设备的运行情况,关键在于使所采集到的振动信号包含有
15、足够宽的频率范围内的设备振动特征,一般说来,020kHz的频率范围能大致覆盖机械设备的典型故障振动特征频率.在用来描述振动响应的3个参数(位移速度和加速度)中,最常用的是速度参数,其主要依据如下:1振动部件材料的疲劳与振动速度成正比2振动发生的能量与振动速度的平方成比例3人体的感觉程度一般与振动速度成比例4根据过去的经验标准值,大体上速度为一定.振动监测系统概述:根据监测原理的不同来分以下几种:1轨道电路中断时间法2振动监测法3CCD成像法4超声波检测法5应变片法6人工检测法等旋转机械:是指那些主要功能是由旋转动作来完成的机械,尤其是指转速较高的机械,转动部件指转子以及连接转子的联轴节,而非转动部件则包括轴承外圈,轴承座,机壳,基础等.旋转机械的常见的故障:1)强度不足:1机械材料变质,零件尺寸变小,有机材料老化2零件尺寸减小减薄3应力变化产生破坏或疲劳损坏4工艺不合适造成局部缺陷.2)很多产生振动故障的表现形式是有较大的振动:1不平衡2对中不良3机组产生自激振动4工作介质引起振动.旋转速度的临界转速:当机组从低速慢慢提高，接近某一转速时，振幅会突然增大很多，机组没法继续工作，然而超过这个转速后，振幅降下来，继续平稳运转，这个速度就是临界转速。在一阶临界转速以下工作的转轴称为刚性轴,在一阶临界转速以上
