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1、设备状态监测与故障诊断培训教材上海容知测控技术有限公司目 录一、设备状态监测与故障诊断技术概述41.1设备状态监测和故障诊断技术的产生和作用41.2设备状态监测和故障诊断的含义51.3设备维修管理与设备监测诊断的关系81.4振动监测诊断技术10二、设备状态监测的实施112.1设备基本资料112.2设备监测点的选择与标注122.3设备监测周期的确定132.4设备监测信息采集14三、设备振动监测和诊断的理论基础153.1机械振动的分类153.2简谐振动及振动三要素173.3实际振动及振动的时域指标183.4振动的频谱20四、数据采集234.1传感器知识244.2采样284.3信号处理29五、设备故
2、障基本分析方法305.1时域分析305.2频谱分析305.3趋势分析、多趋势分析、频率趋势分析325.4瀑布图345.5多时域、多频谱355.6倒谱分析365.7包络解调375.8长时域波形385.9交叉相位395.10轴心轨迹395.11波德图40六、设备状态的评价416.1绝对判断标准416.2相对判断标准456.3类比判断标准456.4波峰因素评价法466.5频谱图报警法46七、机械设备常见故障振动监测诊断方法467.1不平衡477.2不对中507.3机械松动527.4滚动轴承故障53一、 设备状态监测与故障诊断技术概述1.1设备状态监测和故障诊断技术的产生和作用有三个方面的因素成为设备
3、状态监测和故障诊断技术产生、发展并广泛应用的驱动力，即：流程工业生产的现实需要、测试诊断技术和仪器的发展完善和国家有关的政策。首先，设备状态监测和故障诊断技术的产生和发展是企业实际需要的结果，主要是设备的安全性、维修成本的压力。20 世纪60 年代以来，随着电子技术和计算机技术的快速发展，工业生产越来越现代化。设备和生产朝着大型化、高速化、自动化、连续化、智能化、环保化等方向发展。一方面设备更加精密复杂，许多故障很难靠人的感官发现，而且有些设备精密复杂，不允许随便解体检查；另一方面设备突发性事故造成的损失越来越大；三是设备的维修成本占总的生产成本越来越大。所以追求设备的高可靠性和最合理的维修方
4、式是企业设备工程管理的必然选择。从技术背景方面看，20 世纪60 年代是计算机技术、电子测量技术和信号处理技术飞速发展的年代，FFT 算法语言的出现，把信号处理分析技术从硬件到软件，推向了全新的高度。此外可靠性工程、零部件失效机理的研究等，都为设备状态监测和故障诊断技术的产生和发展创造了有利条件。20 世纪70 年代以后，设备状态监测和故障诊断技术在发达国家得到了快速推广和发展，特别是美国、英国、日本、德国等国家。中国从80 年代初期开始引进并应用设备诊断技术，20 年来,此项技术在中国各个行业得到了快速应用和发展，也受到中国政府的重视。李鹏总理在1986 年7 月2 日“第二次全国设备管理、
5、维修工作座谈会”上指出，“应该从单纯的以时间周期为基础的检修制度，逐步发展到以设备的实际技术状态为基础的检修制度。 这就要求我们采用一系列先进的仪器来诊断设备状况，通过检查诊断来确定检修的项目”。显然，设备的状态监测与故障诊断是现代化管理的技术基础。当前我国的设备维修体制，已开始从早期的事后维修和长期的按计划维修体制，过度到现代的、具有预知性的视情维修（或称状态维修）阶段。在企业推广设备状态监测和故障诊断技术，可以达到以下目的/作用：（1） 保障设备安全运行，防止突发事故；（2） 保证设备工作精度，提高产品质量；（3） 实施预防维修/按状态维修，节约维修费用；（4） 避免因设备事故造成的环境损
6、坏和其他危害；（5） 给企业带来较大的间接经济效益。1.2设备状态监测和故障诊断的含义设备状态监测和故障诊断是设备诊断中的两个过程，两者既有密切联系又有区别。1.2.1 设备状态监测的含义不断获取设备在运行中或相对于静态条件下的状态信息，通过对这些信息的分析和处理，并结合设备的历史状况，来定量地掌握设备的技术状态,预测设备寿命，为设备运行和按状态维修提供技术基础。设备状态信息的获得有很多种方法，其中振动监测和诊断技术是目前较普遍采用的方法之一。机器内部发生异常时，一般都会伴随着出现异常振动、声音和设备性能的变化。通过对机械振动信息的测量和分析，往往可以不停机或不解体设备就可以对设备劣化的部位和
7、故障的性质做出判断。由于振动测试的技术和仪器都比较成熟，在企业中得到了广泛的应用，产生了大量的经济效益和社会效益。1.2.2 设备故障故障是个非常广义的概念。简单地说，设备故障就是设备系统或其中的元件/部件丧失了规定的功能。与故障意义相近的还有一个叫“失效”的概念。失效通常指的是不可修复的对象；故障指的是可以修复的对象。为了对设备故障以更清楚地了解，参考图1-1， 图1-1 设备故障的含义Ts：为设备缺陷开始出现时间点；Td：为设备缺陷可以被检出时间点；Tf：为设备故障发生时间点； Tb：故障停机时间点。设备缺陷刚开始出现时，由于检测技术水平和仪器仪表等因素限制往往难以发现；Td 实际的位置则
8、取决于是否对设备进行了监测、监测的技术手段和方法、监测人员的素质和能力等等。实际上设备监测的主要任务就是尽早检测出缺陷，并作好从Td 到Tf 之间的监测工作。由图1-1可知，如果设备因性能下降到表现为产量减少或者产品质量下降时，就认为设备故障已经发生，见图中性能临界点。设备故障出现后，如果不采取一定措施，设备性能往往将迅速下降，直到故障停机或发生设备事故。1.2.3 设备故障的分类设备故障的分类方法很多，从设备寿命周期看设备故障，可以分为两类：先天性故障是由于设计、制造不当造成的设备固有缺陷引起的故障。对于此类故障必须通过技术改造来改进设备性能。常见的先天性故障有动态性不良，运行时发生迫振、自
9、振或工作转速落入临界转速区；存在应力集中；运行点接近或落入非稳定区；零部件加工制造不良，精度不够；零部件材质不良，强度不够；转子动平衡精度不合乎技术要求等等。使用性故障是由于安装维修、运行操作、设备自然劣化等因素引发的故障。安装维修方面的主要原因有安装不当；零部件错位；轴系对中不良（热膨胀考虑不够）；机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当等等。运行操作方面的原因主要有机器在非设计状态下运行；转子局部损坏或结垢、焊缝开裂、部件脱落；工艺参数不当（介质的温度、压力、流量、负荷），机器运行失稳；润滑或冷却不良；启动、停机或升速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀，或在临界区域停留过长等
10、。设备劣化方面的主要原因有机器长期运行，零部件磨损、点蚀或腐蚀；配合面受力劣化、产生过盈不足或松动；转子挠度增大；机器基础沉降不均匀、机壳变形等；机器基础受损，基础的基础软化等。对于此类故障，要研究现有管理规程、操作规程、润滑规定是否合理，要改进不合理的规程、还要研究优化生产工艺和设备运行方式。严格来讲，设备的先天性故障是人为因素故障，它除了与设计制造者的水平、责任心有关外，还受科学技术发展的阶段性制约。设备投入运行后，精心操作和日常管理成为最主要的人为因素。1.2.4 设备故障模式从可靠性的观点看设备故障模式有六种，如图1-2。模式A 是典型的浴盆曲线。模式B 和模式F 是“半”浴盆曲线，模
11、式B 设备投入使用后故障率固定或是略增趋势而后进入磨耗期；模式F 具有高的早期的故障率，而后降到一个固定水平或是略增趋势。模式C 设备显示出故障率随时间缓慢增长而没有具体的耗损期。模式D 表示开始时故障率低而后快速增长到一个固定水平。模式E 则表示故障率不随时间变化。民用航空业的研究表明，仅4%的产品符合模式A，2%的符合B，5%的符合C，7%的符合D，14%的符合E，并且不少于68%的符合模式F(其它的工业部门不一定与飞机的故障分布相同，但随着设备的日趋复杂，越来越多的产品符合模式E 和F)。图1-2 设备故障模式这些研究数据证明了下列的观点是错误的，即：“设备的可靠性与其运行时间之间总是存
12、在着某种联系，因此，翻修越频繁，设备越少出故障”。实践也证明了上述观点是不正确的。除非与设备运行时间有关的故障模式占主导地位，否则，定期翻修或更换无助于改善复杂产品的可靠性。由设备各种故障模式可知，设备能否可靠地工作与设备工龄之间没有必然的联系。设备在服役期中，较少的时间内处于故障高发期（早期故障和磨耗期故障），更多的时间是处于偶发故障期。在不同的故障期，设备管理和检测诊断工作的重点有所不同。对早期故障，可以通过运转试验、变更设计、改善安装来减少、消除。偶发故障率高是不正常现象应深入研究各种症状、追究剖析设备故障原因，制定相应对策和措施。在设备磨耗期，应避免意外突发故障。要加强全员设备管理（T
13、PM），广泛应用各种设备监测和诊断技术手段，了解掌握设备运行趋势，进行劣化倾向管理和故障诊断。1.2.5 设备故障诊断含义简单的说，设备故障诊断就是给设备看病。指在设备运行中或者在基本不解体设备的情况下，对设备故障的性质、原因、部位、程度等进行识别诊断，并提供维修维护措施。在技术手段和仪器远远不如现在丰富和方便的情况下，人们将设备故障诊断分为简易诊断和精密诊断两个层次。简易诊断：即设备的“健康检查”。具体实施时，往往监测设备的某一个或某几个特征量，根据量值的范围判断设备是正常还是异常。如果对设备进行定期或连续监测，便可以得到一些有规律的东西，即特征量的变化趋势，并借此进行预测/预报。简易诊断的
14、作用是监测和保护，目的是对设备的状态作出迅速而有效的概括和评价。对于振动监测来说，主要是通过一些简易的测振仪测取振动信号的一些时域指标，通过这些指标的变化来初步地判断设备的状态，做一些简单的分析、判断。精密诊断：是在简易诊断基础上更深层次的诊断，通常需要更多的信息。目的是判断故障的性质（渐进性/突发性）、原因（不平衡/不对中）、部位（电动机/风机、轴承/齿轮）、程度（一般故障/严重故障）等，并为设备检修提供决策依据。往往需要很专业的人员使用很昂贵的仪器来进行这项工作。设备简易诊断和精密诊断的区别和关系可以用图1-3 表示。图1-3 设备简易诊断和精密诊断随着电子技术、计算机技术、网络与通讯技术
15、及数据库技术的飞快发展，信息化在企业的逐步实施，这种方式显然已经不能满足企业经营管理的需要，因此目前国内的企业纷纷进行设备状态网络化系统的实施和应用。这种设备状态网络化系统通过对设备状态信息的积累和共享，使得设备状态的监测和诊断更容易，在降低企业维修费用的同时，也为企业积累了可贵的设备状态信息资源。1.3设备维修管理与设备监测诊断的关系设备维修经历了由事后维修、定期维修、预防维修到按状态维修的演变过程。企业设备点检和状态监测的实施，对维修方式的进化起到了巨大的促进作用。如今随着企业的信息化改造和信息技术的发展，设备点检监测和诊断工作已经/正在融入设备维修管理系统、设备管理信息系统、企业资产管理
16、系统（EAM）等，成为设备管理中最重要的信息设备状态信息。目前很多企业都在实行的定期维修仅适合于损耗性故障。按经验确定的定期维修，往往造成过维修或欠维修。定期大修至少有3 种不良后果：1） 定期维修增加设备的总体故障率。有许多事例，本来很稳定的设备，经过维修反而出现许多故障。因为对于稳定的系统而言，维修就是一种干扰。特别是对于精密设备定期维修只能增加故障率。2） 定期大修浪费大量人力、物力。根据统计，大修中有4050%的费用被浪费了。因为有许多被维修设备完全处于良好状态。3） 定期大修使设备的寿命减少。对于精密设备，零部件很多，各种零部件的连接特别牢固，每次拆、组、装都要损伤一些零部件，使零部
17、件受到冲击，使设备整体寿命下降。近年来，基于设备状态监测和故障诊断技术发展起来的设备按状态维修是维修方式的革命。这种维修的特点是：不规定设备的修理周期，而是实时掌握、不断积累设备的状态信息，预测设备的劣化趋势和剩余寿命，根据具体情况制定不同的维修措施。这种维修方式的目标致力于：1） 通过早期探测故障征兆，及时消除隐患，从而减少非计划检修；2） 根据机器状态确定检修内容，提前作好准备，从而缩短停机检修时间；3） 根据机器异常的原因和部位，指导检修，从而防止过剩维修；4） 通过改善机器性能，提高可靠性，从而延长设备使用寿命；5） 通过发现异常工艺参数，及时处理调整，从而优化运行操作等等。设备维修策
18、略主要有：预防维修（也称为定期维修）、按状态维修（也称预测维修）、主动维修（也称为改善性维修，或基于故障根源的维修）。以以上三种维修策略为主，构成了可靠性维修（RCM 或称之为RBM）的基本框架见表1-1。表1-1 设备可靠性维修基本框架有效的常规检查及对于零部件磨损的监控是十分必要的。某些情况下，配置备用机组也是必须的。对于流程生产关键生产设备来说，事后维修是绝对不可取的。1.4振动监测诊断技术1.4.1 振动监测诊断技术概述振动监测与诊断技术是普遍采用的基本方法，因为振动的理论、测量方法和测试仪器都比较成熟，且简单易行。另外，据统计70%的机械故障可以从振动测量中检测出来。一台设计和安装都
19、很好的机器，运行时应该是很平稳的。但当机器磨损、基础下沉、部件变形时，机器的动态性能开始出现各种细微的变化：轴变得不对中，部件开始磨损，转子变得不平衡，间隙增大。所有这些因素都在振动能量的增加上反映出来。因此，振动加剧常常是机器要出毛病的一种标志，而振动是可以从机器的外表面测到的。过去，设备工程师根据经验靠手摸、耳听来判断机器是否正常或其故障是否在发展。但如今机器越来越精密复杂，许多警告性的振动出现在高频段，只有用仪器才能检测出来。例如，对旋转机械（旋转机械广泛应用于石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业，旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等
20、。这类设备的主要部件有转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几转到几万转）的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，并提出治理措施。日常监测中记录的一般是机器正常时的波形和频谱及其它工艺量等，而当机器的故障在发展的时候，机器的动态过程以及机器零件上的一些作用力也随着变化，从而影响机器的振动波形和频谱的图形。通过对振动信号和其它相关信号的测量和分析，我们可以判断设备的状态、预测趋势、进行精确的诊断，从而为备品备件和维修计
21、划的制定提供科学依据。根据监测方式的不同，一般将振动测量仪器分为离线监测仪器和在线监测系统两大类。采用离线监测仪器进行设备监测，需要点检人员按照确定的设备、测点、参数以及周期进行连续的数据采集，为后续的分析提供详实的设备振动信息。在线监测分析系统会自动、连续的采集设备相关信息（包括振动和其它过程量信息），我们只需进行后续的数据分析。是否采用在线监测的方式取决于如下一些因素：1）机组运行的关键性；2）机组突然停机造成的损失；3）灾难性破坏的损失费用；4）监测系统的费用。下一章节讲的是设备状态监测的具体实施。即确定合适的监测方案。二、 设备状态监测的实施设备状态监测的完整流程包括：1）确定监测设备
22、；2）收集设备的基本资料；3）确定设备的监测方案（确定测点、确定测量定义即采集参数、确定监测周期、确定点检路线）；4）根据确定的方案建立点检计划；5）向仪器下达计划；6）现场采集数据；7）回传数据至计算机软件中进行分析。根据多种因素一般将设备分为A、B、C三类。l A 类设备：即关键设备1）关键性、无备用的设备，这些设备的意外停机或故障，将快速影响生产和经营秩序并造成重大生产损失和其他损失；2）一旦发生故障，将危及人身、安全和环境的生产设备；3）维修或修复费用高、周期长的设备；4）大型、精密生产设备。l B 类设备：指主要设备1）有备用机组的关键性生产设备；2）局部生产具有较大影响的设备。l
23、C 类设备：一般设备1）发生突发性故障对生产影响不大的设备；2）结构简单，维修方便，发生故障可以很快恢复生产的设备。A、B 类设备需要专职设备监测人员和生产车间共同作好监测及诊断工作，并逐步实现按状态维修；C 类设备可以采用事后维修方式，但也要作好点检工作。确定好受控设备后很重要的是收集设备的基本资料以及确定设备的监测方案，然后按照确定的方案采集数据、进行分析。2.1设备基本资料设备基本资料主要包括设备基本信息、设备图片（传动简图）、部件信息、设备图纸等技术档案及设备故障记录、检修记录、备件更换记录等其他设备信息。具体为：1） 设备基本信息：设备名称、类型、设备编号、重要等级、转速、功率、监测
24、方式等。2） 设备图片：为了确定振动监测点、以及后续数据分析的方便，必须拍摄设备图片或建立设备主要部分的传动结构图。3） 部件信息：有了完整清楚的部件信息，包括轴承型号、齿轮齿数、叶片数、带轮直径等，系统可以自动计算出故障特征频率，利于快速判断设备故障原因及部位。4） 主要技术档案资料：包括设备的图纸、主要设计参数、质量检验标准和性能指标、厂家提供的有关设备常见故障分析处理的资料（一般以表格形式列出）都可以以文档的方式挂入相应的设备下面。5） 设备故障记录。掌握设备曾经出现过的故障情况，对于研究该设备的故障机理、分析掌握其运行状态及建立专家诊断系统都有重要意义。对于主要设备故障要及时、详尽记录
25、，并于设备监控数据对照分析。6） 设备检修记录和备件更换记录。掌握设备检修情况、检修精度以及备件更换情况等，对于判断设备状态、分析设备故障至关重要。2.2设备监测点的选择与标注1）监测点选择测点最好选在振动能量向弹性基础或系统其他部分进行传递的地方。对包括回转质量的设备来说，建议把测点选在轴承处或机器的安装点处。也可以选择其他的测点，但要能够反映设备的运行状态。在轴承处测量时，一般建议测量三个方向的振动。铅垂方向标注为V，水平方向标注为H，轴线方向标注为A，见图2-1。图2-1 监测点选择2） 振动监测点的标注（1）卧式机器这个数字序列从驱动器非驱动侧的轴承座赋予数字001 开始，朝着被驱动设
26、备，按数字次序排列，直到第一根轴线的最后一个轴承。在多根轴线的(齿轮传动)机器上，轴承座的次序从驱动器开始，按数字次序继续沿着第二根轴线到被驱动器往下排列，接着再沿着第三根轴线往下排列，直到机组的末端为止。常见的几种标注方法见图2-22-4。图2-2 振动监测点的标注图2-3 振动监测点的标注图2-4 振动监测点的标注（2）立式机器 遵循与卧式机器同样的约定。3）现场机器测点标注方法机壳振动测点的标注可以用油漆标注，也可以在机壳上粘贴钢盘来标注振动测点，最好采用后一种方法标注。采用钢盘时，机壳要得到很好的处理。钢盘规格为厚度5mm，直径30mm，用强度较好的粘接剂粘接，以保证良好的振动传递特性
27、。2.3设备监测周期的确定振动监测周期设置过长，容易捕捉不到设备开始劣化信息，周期设置过短，又增加了监测的工作量和成本。因此应根据设备的结构特点、传动方式、转速、功率以及故障模式等因素，合理选定振动监测周期。当设备处于稳定运行期时，监测周期可以长一些；当设备出现缺陷和故障时，应缩短监测周期。在确定设备监测周期时，应遵守以下原则；1） 新装设备或大规模维修后的设备运行初期，周期要短（如每天监测一次），待设备进入稳定运行期后，监测周期可以适当延长。2） 监测周期应尽量固定。3） 对点检站专职设备监测，多数设备监测周期一般可定为每周1-3次；刚开始进行设备监测时，监测次数可以多一些，以积累设备的初始
28、数据，以后可以适当延长。4） 实测振动值接近或超过该设备报警标准值时，要缩短监测周期。如果实测振动值接近或超过该设备停机值，应及时停机安排检修。如果因生产原因不能停机时，要加强监测，监测周期可缩短为1天或更短。2.4设备监测信息采集2.4.1 振动监测参数的选择描述振动与描述运动一样，有位移、速度和加速度三个参数。其中，位移参数对低频振动敏感，加速度参数对高频信号敏感，而速度参数居其中。这就决定了我们在进行低频类故障及低速设备的监测和诊断时，应选取位移参数。在进行高频类故障（如轴承、齿轮箱故障）及高速设备的监测和诊断时，应选取加速度参数，而在进行通频监测时，往往选取速度参数。国际振动烈度标准就
29、是以速度有效值为依据。容知的软件和仪器支持同一测点下多个采集参数（S、V、D）的设定以及频段的自由设置，这为后续分析提供了尽可能全面地数据。2.4.2 振动监测中的几个“同”为保证测量结果的可比性，在振动监测中要注意做到以下几个“同”：1）测量仪器同；2）测量仪器设置同；3）测点位置、方向同；4）设备工况同；5）背景振动同。并尽量由同一个人测量。2.4.3 振动数据采集应严格按监测路径和监测周期对设备进行定期监测。采集设备振动数据时，还需要同时记录设备的其他过程参数：如温度、压力和流量等，还包括人的五感观察到的设备状况，以便于比较、趋势分析以及综合的来判断设备的状态。设备监测人员要及时回传数据
30、；对存在疑义的数据记录，要及时核准，删除错误数据；及时分析处理测量数据。 三、 设备振动监测和诊断的理论基础3.1机械振动的分类机械振动，从物理意义上来说，是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。机械振动表示的机械系统运动的位移、速度、加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替变化的过程。从不同角度来考察振动问题，对振动进行分类：1 按振动规律 简谐振动 周期振动 复杂周期振动 确定性（规则）振动 准周期振动 非周期振动机械振动 瞬态振动 窄频带随机振动 随机振动 平稳随机振动 宽频带随机振动bvg 非平稳随机振动这种分类，主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的。大多数机械设备的振动类型是周
31、期振动、准周期振动、窄频带随机振动和宽频带随机振动以及几种不同类型振动的组合。其中，周期振动和准周期振动属确定性振动范围，由简谐振动和简谐振动的叠加构成。设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号中。若设备故障程度加剧，则随机振动中的周期成分加强，从而整台设备振动增大。因此，设备振动诊断的过程，就是从随机信号中提取周期成分的过程。几种振动信号的时域波形如下图所示， 其中1) 简谐振动-可用确定的时间函数来表达，可确定任何瞬时的振动值，是最简单的周期振动。2) 复杂周期振动-实际中最常见的振动形式，可看成是由一系列简谐振动的合成。3) 瞬态振动-一般将持续时间短，有明显的开端和结束
32、的信号称为瞬态信号。如碰撞形成的激振力信号。4) 随机振动-无法用确定的时间函数来表达，不能预测它未来任何瞬时值，只能用概率统计方法进行分析。2 按产生振动的原因机器产生振动的根本原因，在于存在一个或几个力的激励，不同性质的力激起不同的振动类型。1) 自由振动：即系统只受初始激励产生的主振动。2) 受迫振动：在持续不断的周期力激励下系统的振动，当设备存在不平衡、不对中、不同心、摩擦、过大间隙等故障时，常造成这种振动。3) 自激振动：在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。这是因为系统在受到初始激励后，将持续作用的能源转换成周期作用的能源，从而维持或
33、发展系统的振动。例如钟摆、电铃铃锤振动、乐器、呼吸、心跳以及油膜涡动、喘振、机翼颤振密封产生的气动力引起的振动等等。4）参变振动：由于系统的物理参数（刚度为主）发生变化引起的振动。例如主刚度不相等的弹性轴转动时，转子挠度将周期变化。还有齿轮齿接触刚度的变化、滚动轴承滚珠与滚道的接触刚度的变化引起的振动等。因机械故障而产生的振动，多属于受迫振动和自激振动。3 按振动频率机械振动频率是设备振动诊断中一个十分重要的概念。我们常常要分析频率与故障的关系，要分析不同频段振动的特点。按频率的高低，通常将振动分为三种类型，如下表所示：振动类型频率范围实例低频振动f1000Hz齿轮、轴承振动3.2简谐振动及振
34、动三要素简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。 对施加的激励力连续响应 在恒速运动的记录纸上记录质量块的运动如图所示的弹簧-质量块系统，在外力作用下，质量块将做上下的运动。如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记录带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来，记录的波形即为位移随时间的变化规律。质量块的运动即为人们常说的简谐运动。从数学的角度来阐述，简谐运动的形成如下图所示：匀速圆周运动的投影即为简谐运动，其位移D与时间t的关系可以用正弦曲线表示为：D（t）=Asin(2/T)t+公式中：A 最大振幅，偏离平衡位置的最大值，又称峰值，2A称为峰-峰值，单位为mm或m；T
35、振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔（或完成一次振动所花的时间），单位为s； 振动的初相位，描述振动在起始瞬间的状态，单位为rad；振动周期的倒数称为振动频率f，描述振动的快慢，即f=1/T，每秒钟的振动次数，单位为Hz。如T=0.1s，则f=1/T=10（Hz），即每秒钟振动十次。所以周期T越短，频率f越高，振动得越快。以上的振幅、频率和相位即为简谐运动的三要素，可以唯一地描述振动。振动幅值表征机械振动的强度和能量，是评价机器状态的主要参数。对振幅值有不同的描述方法，通常以峰值、峰峰值和有效值来表征。频率是振动的重要特征之一。不同的结构、不同的零部件、不同的故障源，会产生不同频率的机
36、械振动，所以频率的分析将成为进一步了解设备状态的重要工具（后面的振动频谱分析会作更详细的讲述）。而相位是机器某一部分的振动与另一部位振动的相互关系，与频率一样，都是用来表征振动特征的重要信息。一般用来做辅助诊断。用双通道数据采集器采集数据是最方便的测试相位的方法。实际中关注的往往是两个同频率的信号的相位差。3.3实际振动及振动的时域指标 实际振动信号比较复杂，往往是多个信号叠加的结果。如下图所示：实际振动信号在实际的振动分析中，工程师们一直在致力于寻找一些简单的参数用来判别设备状态，例如：振动位移、速度或加速度的峰-峰值、峰值、均方根值（即有效值Xrms）等。这些简单的参数可用于识别设备状态、
37、报警以及进行设备的劣化倾向分析、进行状态预测等。实际监测中用得最广泛的参数为：位移峰-峰值，速度有效值、加速度有效值，容知软件的数据列表区中测量值即分别为以上三个参数，直接对应趋势分析中的总值指标。这些常规的幅值域参数通常称为有量纲参数，具体的有量纲参数及其计算公式如下：3.3.1 有量纲参数均值 ； 平均幅值 方根幅值 ； 均方根值 亦即“有效值” 有量纲参数中的均方根值即有效值Xrms表征了振动的破坏能力，是衡量振动能量大小的量。一般的振动测试都是用有效值来描述。国际“振动烈度”标准ISO2372、ISO3945等皆采用振动速度有效值来度量。实际使用标准时要注意，不同的标准选用的参量（s、
38、v、a）和指标都不尽相同。 对于简谐振动来说，其各个参数的计算如下： 以上有量纲参数虽然会随着故障的发展而上升，但也会因工作条件（负载、转速）的变化而改变，因此，有量纲参数有其使用的局限性，即要尽量保证在相同的条件下测试数据。改善的办法是引入无量纲参数，即所谓的归一化处理。归一化之后的参数与机器工作条件的关系不大，而对故障足够敏感。3.3.2 无量纲时域指标另有裕度指标：，其中的Xmax等同于Xp（峰值），X r为方根幅值。平均绝对值Xav即为平均幅值。峭度指标、裕度指标、脉冲指标对脉冲类故障比较敏感，特别是当故障早期发生时，他们有明显增加；但上升到一定程度后，随着故障的逐渐发展，反而会下降，
39、表明他们对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。一般来说，均方根值（即有效值rms）的稳定性较好，但对早期故障信号不敏感。所以，为了取得较好得效果，常常将他们同时使用，进行多趋势分析，以兼顾敏感性和稳定性。3.4振动的频谱3.4.1 频谱基本概念实际的振动往往由多个不同的信号组合而成，非常复杂。时域波形显示了机器的实际振动形态。对于某些故障，其时域波形具有明显的特征，可以直接观察出周期振动信号、短脉冲信号等，但对时域波形进行分析比较困难，无法深入了解设备的真实状态。这是因为信号的时域描述只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除只有一个频率分量的简谐波外一般很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的
40、大小。例如，下图是一受噪声干扰的多频率成分周期信号，从信号波形上很难看出其特征，但从信号的频谱图上却可以判断、并识别出信号中的几个周期分量和它们的大小。信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观，更丰富的信息。频谱给我们提供了另外一个观察设备状态的工具。受噪声干扰的多频率成分周期信号波形和频谱振动频谱是振动幅值随振动频率而变化绘制出来的振动曲线图。信号从时域到频域的转换是基于傅里叶的如下理论，即：“现实当中的任何正弦波形都能组合产生另一个比较复杂的波形，相反，现实当中的任何复杂的波形都能够被分解成为许多简单的正弦波形”。因此任何波形，无论多么复杂，都可以
41、看成是由很多不同频率和幅值的正弦波组成。如下图所示：频谱分析是通过快速FFT变换将测量得到的时域振动信号（幅值对时间）转换成为频域信号（幅值对频率）。频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，从而揭示了信号的频率信息。频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析、故障诊断中最常用的手段。总的来说，时域分析从波形的角度来分析信号的特征，频谱分析则从频率的角度来看信号的构成。实际工作中要结合两种分析方法来综合地分析问题。下图为典型振动信号的频谱：3.4.2特征频率计算计算故障特征频率是频谱分析的基础，可以帮助我们精确诊
42、断旋转机械的故障。其中，电机的转频是计算后面各级转子及转子上各个转动部件特征频率的基础。转速与频率的关系如下：f=转速/60，转速（转/分），频率（1/s，Hz）。举例：若电机的转速为1500RPM，则电机的转频为1500/60=25Hz。阶为频率的新单位，实际分析时常用，专指基频（即电机转频）的倍数，如：1X、2X、3X上面的例子中1X=25Hz，也叫一倍频,2X、3X等称为倍频分量，也叫谐波分量。以下是转轴上不同旋转部件的故障特征频率，皆以电机的转频为基准频率。1. 各级轴的转频：根据传动比来计算，其中1为主动轮，2为从动轮 齿轮传动：i12 =n1/n2=Z2/Z1=f1/f2，Z为齿轮
43、的齿数 皮带轮传动：i12 =n1/n2=D2/D1=f1/f2，D为皮带轮的节径2. 叶片通过频率=叶片数轴的转频3. 齿轮啮合频率=齿数x轴的转频4. 皮带轮特征频率=（皮带长度*转频）/（3.14*皮带轮直径）5. 轴承特征频率包括了外圈通过频率BPFO，内圈通过频律BPFI，保持架通过频率FTFI，滚珠通过频率BSF。软件提供了以上特征频率的自动计算功能，不需要我们另行计算，并且可以自动标注在频谱图上。四、 数据采集数据采集是设备状态监测与故障诊断的重要而基础的环节，所采集数据的质量直接影响后续信号分析的精度和结果。一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。测试
44、过程中传感器将反映被测试对象特性的物理量，如压力、加速度、温度等，检出并转换为电量，然后传输给中间变换装置；中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信号或数字信号的方式传输给显示记录装置；最后由显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其他自动控制装置。随着相关学科的不断发展，测试方法和手段不断地完善和提高，特别是微电子及计算机技术的发展，测试系统趋向于一体化、微电脑化。容知公司的点检仪和频谱分析仪就是一个完整的测试系统，它包括了加速度传感器、中间变换装置以及数字显示、记录装置。4.1传感器知识4.1.1传感器的分类测振传感器是用来
45、测量振动的传感器，根据所测振动参量和频响范围的不同，一般将测振传感器分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器三大类。位移传感器：测的是轴与传感器尖端的相对位移，通过钻孔安装到轴承内，也称为“涡流传感器”。适用于低速设备。有些安保系统采用此传感器。主要缺点：安装麻烦，不能用于高频测量。速度传感器：介于两者之间，体积大，运动部件会影响使用寿命，不适合低频和高频测量。加速度传感器：适用于高速设备和含有高速旋转部件的设备，振动分析中应用最为广泛。所有的便携式数据采集器基本都配备加速度传感器。安保系统中也常常使用加速度传感器。下图显示了这三种测振传感器不同的频率响应。 不同传感器的频率响应4.1.2压电式加速度传感器在种类众多的加速度传感器中，压电式加速度传感器由于具有很多优点而获得了广泛应用。其优点具体如下：1) 非常宽的频率范围2) 宽振幅范围、宽温度带3) 相当耐用，适合于不同的应用场合4) 稳定性好，不需要经常进行标定5) 体积小、重量轻、灵敏度高、安装简便6) 现在常用的是“内部放大压电式加速度传感器”其工作原理压电效应当压电晶体受到外力作用时，其表面出现极性相反的等量电荷，其电荷大小与受力大小成正比，外力去掉时，又重新恢复到原来状态，这种能将机械能转换成电能的现象称为压电效应。利用材料压电效应制成的传