(1. 1)F()=P(t≤T)式中，t为机器从开始工作至发生故障时的连续正常工作时间，它是随机变量；T为某一额定时间。如于（t）为概率密度函数，则F(t) :f(t)d(1. 2)于是可得机器无故障工作时间，即可靠度函数为R (t) -1-F (t)(1.3)R（t）与F（t）是对立事件，它们的关系如图1.2所示。图中在t=0时N台设备都是好的，不发生故障的机器台数N，（0）一N，可靠度R（0）=1，发生故障的机器台数N，（0）=0，故障概率F（0）=0。随着使用时间不断增加，发生故障设备台数增加，故障分布函数F（t）单调递增，面可靠度函数R（t)单调递减，因此，N,（8o）=0，R（co）=0，N，（o）=N，F (00) =1.以上是从理论上分析可靠度和故障概率的概念。应该注意的问题是；0.1）R（t）和F（t）是针对产品台数而言，2.0.0即一批产品（同一批制造的机器）不是针对某一台机器设备，这对用户来说：计算R（t）和3RRO.4F（t）是不可能的，只能由机器制造厂根据其出厂产品，向所有用户调查统计才能得到。0. 22)从统计观点看，产品台数N愈大，R（t）和F（t）愈可信，而大型机器设备一般是根据20406080100用户订货制造，批量很小，还有新产品和科研时间/mn产品都是属于单件小批量生产，统计数据是无图1.2机器可靠度与故障函数的关系意义的。3）工作条件不同，R（t）曲线的位置会发生变化，图1.3是我们对刀具磨损所进行的研0. 8B=00.4nm究。当刀具磨损限度由0.3增至0.4mm时，0R（)曲线的位置右移，表示切削时间可以增B=0.3mm3加。0.4）一台设备的工作条件是由使用厂的产品0.工艺决定的，工况监视与故障诊断技术也不能改变机器的运行条件。20406080前述已知工况监视与故障诊断与机器设备时间/min可靠性的关系就象医疗条件和人们健康的关图1.3刀具的可靠性研究系。通过上述例子可以进一步理解到，采用故实验条件：切削速度=175m/min背吃刀量ap-0.15mm进给量J-0.2mm/r障诊断技术之后，对提高机器的可靠性具有以下作用：a）及时发现故障并及时排除，延长了不发生故障的正常工作时间，即提高了可靠度。h）防止故障扩大，延长机器寿命。10
4.3机器设备维修性与故障诊断的关系4.3.1维修性与有效性可靠性表示产品是否经久耐用，而维修性则表示产品发生故障后是否容易诊断和修复。提高可靠性主要是延长产品的正常工作时间，而提高维修性就是要缩短产品停机检修（非工作）时间，二者综合在一起，能表示修复产品在某一时间域内，能维持其规定功能的属性即有效性（或利用率）。tnto(1. 4)A=te.o+.式中，为平均无故障正常工作时间，指不可修复的产品从开始使用到首次发生故障前的平均工作时间。机器一般都是可修复的，则应指相邻故障之间的工作时间的平均值；为停机维修时间。由式（1.4）可知，采用故障诊断技术之后，能产生经济效益乃是由于它能使t.。增加，并且在检修前，已知故障性质，使停机检修时间减少，故可提高机器的利用率。4.3.2预知维修的意义产品的维修性是产品的固有特性，取决于产品的合理设计。故障诊断对维修的意义是预知维修。现有大型设备一般是定期维修，到了大检修时间，不论机器有无故障都要停机检修，不到大检修时间，即使工况不正常，只要设备没有严重故障，也得带病运行。这种检修方法的缺点有两个，一是机器无故障还可继续运行，但被人为地减少正常工作时间；二是机器已有故障而不停机，使故障扩大，停机维修时间必然增加。这两方面恰恰都是使机器利用率降低。采用故障诊断技术之后，应该做到该停则停，不该停就继续运行，这叫做预知维修，从根本上充分发挥机器设备的潜力，是提高设备利用率的重要途径。11
第2章传感器原理与信号检测1概述机械设备运行过程中，工况状态的检测信号是反映设备运行状态正常或异常的信息载体，适当的检测方法是发现故障信息的重要条件，因而也是故障诊断技术中不可缺少的环节。能否真实、充分地检测到足够数量并能客观地反映设备运行情况的状态信号，是诊断能否成功的前提。后续各章所介绍的有关故障诊断系统的各种分析和识别方法都是建立在合适的信号检测方法基础之上。它涉及到根据检测对象选择合适的传感器、特征信号及其分析方法、采样方法及检测系统等许多问题，这些问题都有专门的学科和参考文献。本章将从机械设备的工况监视与故障诊断角度出发，介绍上述内容的基本原理。2特征信号的选择机器在运行过程中能提供的信息很多，但不是每一种信息都对工况监视有积极的意义。要选择能实时采集的、且能敏感地反应工况状态变化的信息，蕴含这种信息的信号称为特征信号。以下说明特征信号选择要考虑的主要问题。2.1信号的敏感性机械设备故障诊断与医学诊断比较有许多相似之处。在医学诊断过程中，医生通常是应用各种检测仪器，从身体外部获取如体温、心率，血压、X光片等能够反映病症特征的各种信息：在此基础上进行诊断。机碱系统的运行过程中，我们也可以应用各种现代科学仪器（包括计算机的软硬件）获取种种信息，对机器的整体或部件进行诊断，判别工况正常还是异常。机器设备和人体一样，也会反映出各种征兆，诸如振动、温度、压力等信号的变化，但不是所有信号对工况状态都很敏感。如一个人患了心脏病，心率变化就比体温敏感，X光片所提供人体内部信息就更直接。但如一个人不是患心脏病而是患感冒，这时体温的变化就比心率要显著得多。不同的机器设备在不同的运行状态下，其特征信息的敏感程度是不相同的。特征信号蕴含了实际机器运行状态的最本质信息，各种机器设备具有各自特征变化规律。特征信号的获取，不仅与所选择的信号内容有关，且与传感器型号、传感器的精度和测点位置有关2.2在线与实时性在线与实时性的意义在第一章已介绍过了，这里需要进一步说明以下两个问题。2.2.1工况监视与故障诊断对特征信号的要求工况监视与故障诊断是针对实际机器设备，需要监视的特征参数大都是以数字量的形式表示（如门限值），在第一章就已提到不能把实验室所获取的数据直接用于生产条件下设备的12
工况判别，而应根据实际设备的测试数据和运行状态来标明工况状态的边界。此外，工况监视和故障诊断应满足实时性要求。2.2.2对传感器类型选择的要求传感器的类型选择必须考虑在实际机器上安装的可行性。在实验室可以来用的传感器，在生产中往往不一定能采用，如磨削温度的检测，在实验室条件下，可以在工件表面上钻孔来安装热电偶．而在生产条件下，往往不允许在零件上钻孔。在旋转机械中，若要测量轴承温度，如果不是设计制造时就考虑到预装传感器，在实际运行的机械设备上，往往也不允许在轴承壳体上钻孔和安装热电偶。这就对特征信号检测带来了困难，有时甚至不得不改用其它信号，采用间接测量。实验室研究可作机器运行状态的一般规律分析，指导对实际机器运行状态的判断，但如传感器的选择和实验方法与在实际机器运行条件下不一致，则实验室所得到的规律在生产中可利用性就很差。由于这些约束条件的存在，使得在实际生产条件下，特征信号检测往往不能令人满意，并且在很大程度上影响监视诊断的效果和系统的复杂程度。3振动信号的检测3.1概述在旋转机械中，由于制造误差、安装偏心或材料和机械结构上等原因，要使旋转部件做到绝对平衡一般是不可能的，因此设备运行时，由于质堡不平衡产生离心力，这种离心力成为转子系统的激励力，使机械设备产生振动。拾取振动信息的装置通常称拾振器，传感器是其核心组成部分。表达振动信号特性的基本参数是位移、速度、加速度、频率和相位：它们都可以作为监视诊断的特征信号。拾振器的作用是检测被测对象的振动参数，在要求的频率范围内正确地接收下来，并将此机械量转换成电信号输出。测振传感器种类很多，以被测参数分有：位移传感器，其中包括接触式（电阻式、应变式）和非接触式（电容式、电涡流式）两类：速GTo(t)度传感器，也有接触式（动围式、动磁式）和非接触式（变间距式），加速度传感器，常用的有压电式加速度计和应变式加速度计。按所测ti(t)的振动性质分有绝对式和相对式。相对式拾振器使用时，其壳体和测杆分别和不同的被测件联系，其输出就能描述此两试件间相对振动。绝对式拾振器的壳体固定在被测件上，其内部利图2.1惯性式拾振动器的力学模型用一个弹簧-质块系统来感受振动，其力学模型如图2.1所示。图中x1（t)，zo（t），zo1（t）分别表示壳体绝对位移、质块的绝对位移和壳体与质块的相对位移。这种拾振器也称为惯性式拾振器。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），使壳体与被测物体之间无相对的振动，则被测物体的振动也即拾振器的输入。拾振器内质块13
对壳体的相对位移量是图2.1力学模型的输出，经变换元件转换为电信号，即拾振器的输出，用以描述被测物体的绝对振动量。例如以被测物体的加速度（t）作为输入，则质块和壳体的相对位移工o1（e）为该惯性系统的输出，显然，这是一个典型的弹簧-质块-阻尼系统，可用二阶微分方程描述，它的解在数学，力学等参考书中都有介绍。例如以基础激振、质块对基础的相对位移为响应时的幅频和相额特性可用下列方程描述：(w/w,)*(2. 1)A(w)[1-(w/g)]+[25/0,]"[250/uΦ(@)=一arctan(2.2)Li-(o/a,)3. 50.10n.S2. 5O<.251. 50.5010.701.00.50.250.50.751.251.51.750/0na)1.02.04.0三2e1.251.51.7552.252.52.7532wlunb)图2.2基础激时以质块对基础的相对位移为输出时的频率响应特性）幅频特性b）相颊特性14