机械故障诊断复习提纲.pdf

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1、 1 机械故障诊断讲课提纲机械故障诊断讲课提纲 一一.绪绪 论论（一）（一）械故障的定义与分类械故障的定义与分类 1 故障的定义故障的定义 一台设备的功能指标低于正常时的最低限值时，即设备丧失规定功能的现象称之为故障。2 故障的分类故障的分类（1）按故障的性质分：可分为器质型故障与操作型故障；（2）按故障发生的进程分：可分为突发型故障和渐发型故障；（3）按发生故障的时间分：可分为磨合期故障、正常使用期故障、耗损期故障；（4）按故障复杂程度分：可分为单一型故障与复合型故障；（5）按故障的后果分：可分为轻微故障、一般故障、严重故障、致命故障。3 故障的规律故障的规律（1）故障率（）：某种设备在t

2、时间后的单位时间内发生故障的台数相对于t 时间内还在工作的台数的百分比值，称为该产品的瞬时故障率。（2）典型故障曲线浴盆曲线 实践证明大多数设备的故障率是时间的函数，典型故障曲线称之为“浴盆曲线”，曲线的形状呈两头高、中间低，具有明显的阶段性，可划分为三个阶段：早期故障期、偶然故障期、严重（耗损）故障期。规定的故障率故障率早期故障期偶然故障期耗损故障期有效寿命时间经维修故障率下降典型故障率曲线（二）（二）机械故障诊断技术的实质与内内涵机械故障诊断技术的实质与内内涵 机器故障诊断技术是一种了解和掌握机器在运行过程中的状态，确定其整体PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2

3、 或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。它包括“监测”与“诊断”。故障诊断技术的实质包括以下内容。1故障诊断是工程问题：必须面向工程实际，解决机器的设计、制造与运行问题；高可靠性；注重经济效益。2故障诊断是综合技术 3故障诊断是一种反求技术 故障诊断故障诊断 一般设计一般设计 整体零部件 零部件整体 运行信息机器性能 力学模型机器行为 运行设计、制造运行 设计制造运行 4故障诊断的发展依赖前沿学科的进步 5故障诊断的核心是模式识别问题 6诊断的准确性是诊断工程赖以生存的要害（三）（三）机械状态监测与故障诊断的目的机械状态监测与故障诊断的目的 目的目的：保证机器可靠

4、、有效地发挥其应有的功能，包括以下三个方面：1 正确识别运行状态和故障类型，保证机器安全可靠地运行，发挥其最大效益；2 保证机器一旦状态异常或发生故障，能及时、正确地诊断出来，以便采取相应措施，对机器进行预知性维修，以减少维修时间、提高维修质量、降低维修成本；3 通过性能评价为优化设计、制造提供数据与信息。（四）（四）机械状态监测与故障诊断的内容机械状态监测与故障诊断的内容 机械状态监测与故障诊断的内容内容包括状态监测、故障诊断 状态监测：状态监测：采用各种测量、分析、判别方法，弄清机器所处的运行状态，结合机器的历史状态与运行条件，为机器的性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断打好基础。故障诊

5、断：故障诊断：需进一步确定故障的性质、程度、类别、部位、原因、发展趋势等，为预报、控制、调整、维护提供依据。具体包括四个方面：1 信号检测：正确选择传感器，测取与机器状态有关的诊断信息；2 特征提取：即诊断信息的处理，利用某种信号处理的方法，从信号中提取与机器的状态与故障有关的特征；3 状态识别：根据特征识别机器的状态和故障，包括：建立判别函数、确定判别准则、进行比较等；PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 4 诊断决策：分析机器所处的状态及故障类型、部位、性质、原因及发展趋势，采取相应的措施：继续监测、重点监测、停机维修等。（五）诊断信息的来原与获取（五）诊断信息

6、的来原与获取 1 直接观察法直接观察法 通过看、摸、听来判断机器的状态，只能粗约地判断，适用于能直接观察到的机器零件。同时可采用一些简单的仪器和方法，如滚动轴承检测仪、内窥镜等来扩大观察能力。2 动态信息检测法动态信息检测法 利用某种传感器获取机器运行过程中的动态信息 动态信息有：振动、噪声、温度、压力、流量、力矩、功率等等，得较多的方法为：振动信号、噪声信号检测法。3 磨损残留物的测定磨损残留物的测定 4 设备性能测定设备性能测定（1）整机性能测定：测量输出或输出与输入的关系来判断设备运行状态；（2）零部件性能测定：用于对设备的可靠性起决定性作用的关键零部件。（六）机械故障诊断方法的分类（六

7、）机械故障诊断方法的分类 1 按诊断的目的与要求分类按诊断的目的与要求分类 功能诊断与运行诊断；直接诊断与间接诊断；定期诊断与连续监控；在线诊断与离线诊断；常规工况下的诊断与特殊工况下的诊断；间易诊断与精密诊断。2 按监测与诊断技术分类按监测与诊断技术分类 振动与噪声监测技术：振动与噪声监测技术：利用机器运行时的振动、噪声信号进行监测诊断；超声与声发射监测技术：超声与声发射监测技术：监测裂纹、裂纹扩展、材料内部缺陷等；红外监测技术红外监测技术：利用红外辐射原理及仪器，监测机器运行中的温度变化；润滑油样分析技术润滑油样分析技术：分析润滑油样中携带的磨损残留物的成分、形状、数量、大小等来识别故障。

8、3 按诊断对象分类按诊断对象分类 旋转机械的监测与诊断技术：旋转机械的监测与诊断技术：转子、轴系、汽轮发电机等；往复机械的监测与诊断技术往复机械的监测与诊断技术：内燃机、往复式压缩机、曲柄连杆机构等；工程结构的监测与诊断技术工程结构的监测与诊断技术：框架、桥梁、管道、容器等；基础零部件的监测与诊断技术基础零部件的监测与诊断技术：齿轮、轴承、电机等。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4（七）机器零部件失效信息（七）机器零部件失效信息 1.机器零部件运行信息的特点机器零部件运行信息的特点 1)机器零部件的运行信息是机器运行中伴随的各种物理现象；2)机器运行信息的传输的选

9、择性；3)机器失效信息间的关联性 4)机器零部件失效信息，经常具有非平稳性 5)机器零部件失效信息的微弱性 6)机器零部件失效信息的非线性特征 2.机器零部件运行信息的获取机器零部件运行信息的获取 机器零部件的运行信息，反映了机器零部件的工作状态。机器运行信息的获取包括了以下两个方面的内容：反映机器零部件失效信息的信号的测量；反映机器零部件失效信息的信号的测量；测量信号中机器零部件失效信息的提取。测量信号中机器零部件失效信息的提取。1)机器零部件失效信息的信号的测量机器零部件失效信息的信号的测量（1）静态测量方法）静态测量方法（2）动态测量方法）动态测量方法 机器零部件失效信息的测量和提取中，

10、应注意以下的问题：(a)由于机器零部件运行信息的多样性，在信息的收集和测量中采用的测量方式、测量方法、选用的传感器、选择的测量参数等也应根据机器的结构、零部件信息的特点等进行选定。(b)测试点的选择 根据机器零部件运行信息传输选择性，测试点应该根据机器结构尽量选择在离被测零部件距离最近的地方，并确保测试信息的传输路径短、传输路径对信息的衰减和歪曲程度小。同时，测试点的选择还应充分考虑传感器安装要求，以及机器外形等实际情况。(c)对于机器零部件早期失效所表现出来的微弱失效信息，在收集和测量时还应进行适当的放大、消噪等处理，以突出有用信息成分。同时还要注意测量仪器的连接、接地、屏蔽等测量环节。因此

11、，微弱失效信息的测量是获取机器零部件信息的重要步骤，采用准确的测量是获取机器零部件信息的保障。2)零部件失效信息的提取零部件失效信息的提取 机器零部件的失效信息往往可以通过一些特征量来反映。这些特征量可以直接选用产品的功率、油耗等功能参数，也可以是数学模型中的系数，比如时序模型的系数、状态空间方程的系数，或者也可通过信息处理方法来得到。因此，正确、有效地提取机器的运行信息，是及早识别机器零部件失效的关PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 5 键。零部件失效信息的特征可以分为：简单特征和复合特征，线性特征和非线性特征，单维与多维特征等。由于机器失效信息具有多样性、传输选择

12、性、非平稳性和微弱性等特点，因此在特征信息提取中应针对不同机器零部件信息的特点，选用相应合适的方法。常用的机器运行失效信息的特征提取方法有：(1)信息论方法信息论方法 信息论是研究信息的基本性质和度量方法以及信息的获得、传输、存贮、处理和交换等一般规律的科学。信息熵理论在机器零部件失效分析和维修等方面具有重要的应用。信息熵除了作为信息量的一种度量之外，利用信息熵的理论和概念，我们还可以通过对某类型机器故障的统计来衡量机器故障发生的不确定性，评价该类型机器的可诊断性、可维修性。利用信息熵还可衡量一台机器或一个系统的复杂程度。信息熵在测量结果一致性判别、模式分类准则确定等方面都有重要的应用。(2)

13、平稳机器零部件的信息提取平稳机器零部件的信息提取 从平稳的物理量中提取机器零部件失效信息，是人们最常用的信息提取方法。这里平稳的物理量是指，其统计特征不随时间的变化而变化。因此，从平稳物理量中提取零部件的失效信息，与平稳物理量的测试时间无关，同时测量到的信号具有代表性。从平稳物理量中提取信息除了常用的时域、幅值域分析方法外，频域分析方法是重要的方法。从上世纪 60 年代以来，随着快速傅立叶变换算法的出现，频谱分析的运算速度得到大幅提高。傅立叶变换成为了频谱分析最基本、最有效和最广泛的工具。准确地获取频域中的幅值、频率和相位信息，对机器零部件失效信息提取具有重要意义。在转子振动分析中，普通的傅立

14、叶频谱分析方法给出的相位信息误差很大。如果不进行精确计算，相位信息根本不能用。机器零部件失效初期，由于失效信息比较微弱，频谱分析时往往会被淹没在噪声之中。另外，实际应用中往往还会遇到许多特征频率密集在一起的情况。对于以上情况，提高频谱分析精度是实现失效信息提取的有效途径。提高离散频谱分析精度的方法有：比值内插法、频谱细化法、连续细化频谱法等。从具体的实现算法上可分为：二分法、遗传算法、黄金分割等方法。全息谱分析方法是一种基于傅立叶分析、并广泛用于回转机器状态监测和诊断的方法。它集成了回转机器中转子振动的幅值、频率和相位信息，全面集成和PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建

15、 6 利用了转子的振动信息，能准确反映和区分转子的不同工作状态和各种故障。(3)非平稳机器零部件的信息提取非平稳机器零部件的信息提取 对于非平稳物理量的机器信息提取，应该选择非平稳的信息处理方法。如果仍然采用平稳的信息处理方法，就很难提取到有用的零部件失效信息。在机器零部件失效和诊断研究领域，如何从非平稳信号中提取设备状态信息是众多学者研究的热点之一。传统的处理非平稳信号的方法以 Fourier 分析和数字滤波技术为基础，主要有：(a)通过选择合适的窗函数，将非平稳信号分割为准平稳信号进行处理；(b)分析信号周期中的单一的信号成分，并进行周期平均；(c)变频采样(即跟踪测量)分析。小波理论是二

16、十世纪八十年代中期出现，非平稳信号的处理方法。(4)统计模拟方法 统计模拟方法的基本思想是原始数据的“再采样”。统计模拟将经典的统计计算方法与计算机数值模拟技术结合起来，通过计算机模拟实现信息的再利用。在信息处理领域，统计模拟方法特别适合于对“小样本”数据进行统计分析。在时间序列分析中，统计模拟是模式识别和对自回归谱进行准确估算的强有力的工具。(5)主分量分析和核主分量分析 主分量分析、核主分量分析实现对大量测量结果中信息的压缩和浓缩，是信息提取的重要手段。主分量分析方法基于线性变换实现了对线性特征信息的提取，因此无法有效地提取隐含在数据中的非线性信息。核主分量分析方法借助于核函数来实现某种非

17、线性映射，通过非线性映射将输入矢量映射到高维特征空间，使之在高维空间具有更好的可分性，然后对高维空间的映射数据做主分量分析，得到原始数据的非线性主分量，实现了隐含的非线性特征信息的提取。(6)遗传算法和遗传编程 遗传算法作为基于自然进化过程模拟的优化方法，是自然界生物“物竞天择，适者生存”机制在优化方法上的体现。进化计算具有全局搜索、计算简单、对优化对象的限制少等优点。进化过程以编码进行，进化操作(杂交、遗传、变异)以概率方式选择，因此具有强的优化性能。在遗传算法的发展中，将线性编码改进为非线性编码，是一种新的思路。它采用了层式编码结构，是对遗传算法的改进，被称为遗传编程。遗传编程更适合应用于

18、层式结构的优化，在机器失效模型的建立、失效模式判别函数优化等方面有重要的应用。(7)其它的信息处理方法 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7 时域平均 盲源分离 支持向量 3）机器运行信息的利用）机器运行信息的利用 机器运行信息本质上是机器零部件状态的表露，同时机器运行信息也包含了与机器结构有关的特征。因此，通过对机器运行中零部件失效信息等的提取，不但可以了解机器零部件的工作状态、失效情况，同时也可以获得机器设计、制造方面的特征。（1）机器零部件故障的识别 机器零部件失效的识别，是机器零部件失效信息提取的主要目的之一。机器零部件的失效，往往会直接或间接地引起机器整体

19、功能或性能的变化。通过对机器零部件信息的分析，确定失效的零部件，从而才能有目的地对失效零部件进行更换、修复或调整。（2）机器设计、制造缺陷的识别 机器的某个零部件或某个子系统在设计和制造上的缺陷，往往会引起机器整体功能的下降。通过对各个零部件或子系统失效信息的提取和分析，有助于发现存在缺陷的部件，为进一步改进设计、提高制造精度提供了依据。二二.信号的时域分析方法信号的时域分析方法 (一一)信号的分类信号的分类 信号可分为动态信号与静态信号两大类。静态信号静态信号：不随时间变化的信号称为静态信号；动态信号动态信号：随时间变化的信号称为动态信号；正弦周期信号 周期信号 确定性信号 复杂周期信号 准

20、周期信号 非周期信号 动态信号 瞬变信号 平稳随机信号 随机信号 非平稳随机信号 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 8 1.确定性信号确定性信号 可用明确的数学关系表示或图表描述的信号称为确定性信号。它又可分为周期和非周期信号。(1)周期信号周期信号 瞬时幅值随时间重复变化的信号称为周期信号。一般表达式为：x(t)=x(t+kT),K=1,2,式中：t时间 T周期 （2）准周期信号准周期信号 当若干个周期信号叠加时，如果它们的周期的最小公倍数不存在（趋向无穷大），则和信号不再为周期信号，但它们的频率描述还具有周期信号的特点，称为准周期信号。（3）瞬变信号）瞬变信号

21、一般将持续时间短、有明显的开端和结束的信号称为瞬态信号。瞬态信号的频谱特征为连续谱。2 随机信号（不确定信号）随机信号（不确定信号）无法用确定的时间函数来表达的信号称随机信号。即对同一事物的变化过程，独立地重复多次观察，所得到的信号是不同的，波形在无限长的时间内不会重复。随机信号要用概率统计的方法进行分析。（二）信号的获取（二）信号的获取 1.信号的获取过程信号的获取过程 信号预处理A/D被测对象传感器与放大器磁带记录仪信号分析仪计算机监测仪器图23 信号获得与处理过程图 从被测对象上安装传感器获取模拟信号，经放大后可有以下几种处理方式：1)直接送到故障监测仪器进行处理，显示及记录结果；2)通

22、过 A/D 转换采样，把数字信号送计算机处理分析；3)送信号分析仪进行采样及数据处理，还可将处理结果通过接口送计算机作二次处理；PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9 4)用磁带记录仪记录模拟信号，经回放送信号处理仪或计算机处理。2.采样过程采样过程 1）取样 把连续信号 x(t)按一定的时间间隔t 逐点取其瞬时值 x(t1)、x(t2)、x(t3)x(tn)，tn=n*t 取样即在时间上对信号离散化。2）量化 将取样值表示为量化单位的整数倍。即在取值上进行离散化。也就是将采样信号 x(ti)通过二进制编码把离散量变成数字量的过程。3）量化误差 3.采样定理采样定理

23、基本问题：如何正确、合理地选择采样间隔t 及总长度 T；目 的：保证所得的信号真实地代表原来的连续信号。（1）采样定理采样定理 fs2fmax 或采样间隔t 应保证：t1/2fmax 式中：fs采样频率；fmax采样后要求分辨的最高频率；t采样间隔。一般取：fs（2.564）fmax (2)解决频率混淆的办法解决频率混淆的办法 a.提高采样频率 fs 以满足采样定理，一般取 fs（2.564）fmax b.用低通滤波器滤去不必要的高频成分，以防止频率混淆现象，此时的低通滤波器也称抗混频滤波器，滤波器截止频率取：fcut=fs/（2.564）c.当用带通滤波器时，信号频率满足 f1ff2，当带宽

24、 fB=f2 f1 比频率上限 f2 小很多时，可降低采样频率，一般取 fs（24）fB(3)Nyqusit 频率频率 采样后能把信号的波动保留下来的最大频率。称为采样后能把信号的波动保留下来的最大频率。称为 Nyqusit 频率。频率。（三）信号的时域参数分析方法（三）信号的时域参数分析方法 1.信号的幅值概率密度函数信号的幅值概率密度函数 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 102.有量纲时域参数有量纲时域参数 在工程实际中遇到的随机信号大多是平稳随机过程，对于这类信号幅值概率密度函数外，还可用均值、方差、等动态指标来描述。()()()()()()()()()()

25、()()()()N,1,2,i x min x max x 1D 1D N1 T1 N1 T1 1x 1x 1 x1 x 1 x1 x 1x 1x minmaxminmax12x02x140413031021r20r12rms02rms01=xtxtxxxNdtxtxTxdttxxdttxxNdttxNxNdttxTxNdttxTxNdttxTiiNiiTNiiTNiiTNiiTNiiTNiiTTNii值：峰峰值：大小最差：方度：峭度：斜偏绝对平均值：方根幅值：均方根值：值：均离散信号连续信号 注意：a.信号的均值反映信号中的静态部分，一般对诊断不起作用，对计算其它参数有很大影响，一般在计算时

26、应先从数据中去除均值，剩下对诊断有用的动态部分。b.偏斜度反映 p(x)对纵坐标的不对称性，如果越大，不对称越厉害。c.随着故障的增大，均方根值、方根幅值、绝对平均值、峭度及峰值会不同程度地增大，且峭度最为敏感。峭度对探测信号中含有脉冲的故障最敏感、有效。3.无量无量纲纲幅域参数幅域参数 常用的无量纲指标有：()()()xxpuslexxCrestxxShapermsrmsmaxfmaxffI Factor ImC Factor S Factor 绝对平均值最大值脉冲指标均方根值最大值峰值指标绝对平均值均方根值波形指标=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 11()()

27、()44vmaxfK Factor CL Factor rmsrxKurtosisxxClearance均方根值峭度峭度指标方根幅值最大值裕度指标=注意：a.一般，原始数据增加一倍，有量纲幅域参数增大，无量纲幅域参数不变；b.对于正弦波、三角波，不管频率（f）、幅值（A）多大，这些参数的值不变；这是由于频率不会改变幅值概率密度函数，幅值的变化对算式的分子、分母影响相同。c.对于正态随机信号，波形指标、峭度指标为定值，其余指标随峰值概率减小而上升；d.峭度指标、裕度指标、脉冲指标对脉冲故障比较敏感，早期故障发生时，大幅脉冲不很多，均方根值变化不大，但上述指标已增加，当故障发展时，这些指标会增加，

28、到一定的程度会逐渐下降。即：这些参数对早期故障敏感，但稳定性不好；e.均方根值对早期故障不敏感，但稳定性好。所以在使用这些参数时应注意采取以下措施：（1）同时使用 Kv、CLf与 xrms进行监测，以兼顾敏感性与稳定性；（2）连续监测可发现峭度指标（或裕度指标）的变化趋势，当指标值上升到顶点开始下降时，要密切注意故障是否发生。(四四)信信号号的的自相关自相关分析分析 时域参数只考虑了信号的幅值特征,而与信号的时序无关。而时域分析的重要特点是信号的时序，在时域信号中提取信号特征的方法主要有相关分析、时序分析、时域平均等。1.自相关函数自相关函数 a.定义定义：自相关函数描述随机信号一个时刻与另一

29、个时刻的依赖关系，即研究 t 时刻与 t时刻两个随机变量的相关性，记作 Rx()。()()(1lim0dttxtxTRTTx+=b 自相关函数自相关函数的性质的性质 (a)Rx()为偶函数，即 Rx()Rx()(b)当0 时，Rx(0)为最大值，即 Rx()Rx(0)EX2(t)(c)如果定义自相关系数：x()=Rx()/Rx(0)PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 12 则：|x()|1 Rx()有量纲，不同波形的自相关程度很难比较；x()无量纲，作为相关性的度量更直观。(d)如果(e)周期性号的自相关函数仍为周期信号，两者周期相同，但丢失相位信息。c.自相关函数的

30、计算自相关函数的计算 实际计算中对连续信号 x(t)取时间长度为 T，对离散信号 xi,取数据长度为 N。()()()()=+=kNikiixTxxxkNtkRdtTxtxTR1011 式中：0=0.cos5.05.0,0.0)(其中Tfw/22=Hamming 窗（海明窗）TttTtttw1222111122MM,.dddddddba般把所有点均考察过，一，不作聚类中心，直到小于，为第二个聚类中心，的距离大于等于点。如果到再考虑密度次大的样本，为第一个聚类中心度，密度最大的样本点球里的样本数目称为密为半径作球，落在以样本点为球心，人为选择两正数，方法是：密度法来选择聚类中心对不了解的样本，采

31、用中心，可直观选择法来确定对已有一定了解的问题(5)参数模参数模型型法法 用自回归模型来识别设备的状态与故障 a 时域识别：时域识别法为先建信号的 AR 模型，然后利用模型的系数i，方差2a，AIC 指标来识别。b 频域识别：用功率谱的谱峰频率识别机器状态。(三三)设备状态与故障的设备状态与故障的预预报报 预预报报：即设备在今后的运行过程中状态会发生什么变化，故障发展到什么程度？主要通过某种方法推断设备今后可能的变化及故障的产生发展，是设备预知性维修的重要手段，预报必须有足够的历史信息。1 预预报报技术分类技术分类（1）按）按预预报报结结果果分：分：a 定性预报：主要研究分析预报对象在未来所表

32、现的性质；b 定量预报：在历史数据及统计资料的基础上加以确定，如振动量，磨损量等。（1）预预报报期期限限分：分：短期预报、中期预报、长期预报。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 27常用的预报方法常用的预报方法：主观预报法、回归预报法、参数模型预报法主观预报法、回归预报法、参数模型预报法 回归预报法回归预报法研究引起未来状态变化的各种客观环境因素的作用找出期间的统计关系。a 一元线性回归预报；b 多元线性回归多元线性回归 参数模型预报参数模型预报是最为常用的一种预报方法。参数模型预测法首先对观测的历史数据的模型做一定的假设，然后经过对模型参数的估计得到相应的预测值。常

33、用的参数模型有多项式曲线拟合、主观概率预测、回归预测、卡尔曼滤波器、确定型时间序列、随机型时间序列、灰色模型等。如果假设的模型与实际不符，这种方法的性能就较差。(3)时序预报方法，用时序预报方法，用 AR 模型预报步骤如下：模型预报步骤如下：a 确定模型关系得基本形式；b 进行模型识别：从一大类时序模型中选一个小类试验模型；c 进行参数估计：选出一个具体模型；d 检验所选模型是否合适。四四.机械故障诊断中的监测技术机械故障诊断中的监测技术 (一一)振动监测技术振动监测技术 1.机械振动的分类与特性机械振动的分类与特性 机械振动的分类机械振动的分类 非平稳随机振动）宽带随机振动（白噪声窄带随机振

34、动平稳随机振动随机振动性振动）过度过程（单发的一次可变换成周期振动）准周期振动（经处理后非周期振动弦波叠加）复杂周期振动（多条正）简谐振动（单一正弦波周期振动确定性振动机械振动 振动的幅值振动的幅值:设实测的机械振动的信号为 x(t)，则振幅的表示方法有以下三种：a、峰值：px，峰峰值：ppx_ b、均值：=TdttxTx0)(1 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 28c、有效值(均方根值)：=TrmsdttxTx02)(1 振动的振动的频率频率：频率是振动的重要特征之一，频率分析是诊断的重要手段。相相位位：对两个振动：相位相同可使振动叠加，振动加剧 相位相反可能使

35、振动抵消，起减振作用 相位测量可用于：谐波分析、动平衡测定、振型测量、判断共振点。2.振动监测振动监测参数参数 振动监测振动监测参数参数 选择振动监测参数，希望这些参数包括丰富的信息量。通常用来描述振动的响应的三个参数为：振动的位移、振动的速度、振动的加速度。要根据频率特性来选择这些参数，一般：频振动时的振动强度由振动位移值来度量；中频振动时的振动强度由振动速度值来度量；高频振动时的振动强度由振动加速度值来度量。对大多数机器来说，选择振动速度为好，对发电、石化工业的大机组，一般采用振动位移。对轴承、齿轮等部件，用振动加速度监测比较合适。3.测振测振传传感感器器（一（一次次仪仪表表）及及特特性性

36、 1)测振测振传传感感器器的的作用作用 把被测对象的机械振动量（d，v，a）在要求的范围内准确地接受下来，并把它们转变成电信号输出。2)测振测振传传感感器器的分类的分类(按按所所测测参数参数形式形式分分)(1)位移传感器输出电量与振动位移成正比 最常用相对位移电涡流式电容式非接触式应变式电阻式接触式位移传感器)(2)速度传感器输出电量与振动速度成正比 变间隙式非接触式动磁式动圈式接触式速度传感器(3)加速度传感器输出电量与振动加速度成正比 应变式常用压电式：测绝对振动加速度传感器)(PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 293)测振传感器的性能指标测振传感器的性能指标(

37、1)灵敏度：传感器的输出电量(电压或电荷)与输出振动量(d,v,a)之比称为传感器的灵敏度，vUS=灵敏度一般与频率有关，所以需了解灵敏度适应的频率范围。(2)频响特性：传感器的频响特性是指灵敏度不超出某一规定精度范围时输入机械量的频率范围。(3)固有频率：传感器的谐振频率(4)动态范围：指传感器能测的最大振动量(5)分辨率：输出电压 U 的变化量U 可分辨时，输入机械量的最小变化量),(avd(6)温度、湿度等环境条件 4)电电涡流涡流式位移传式位移传感感器器 特点特点：与被测物体不接触 适适用用范围范围：a、旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动)；b、小型机械的振动测量。优优点点

38、：a、线性度好，动态范围差；b、频率范围宽(DC10000Hz)；c、线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变；d、能长时间连续可靠地工作；e、长性传输抗干扰能力强；d.能在油、气及某些化学成分介质中工作。结构类结构类型型 a.变间隙型电涡流传感器；b.变面积型电涡流传感器。原原理理：在传感器的端部有一线圈，线圈通以交频(一般 12MHz)的交变电流。当线圈平面靠近一导体面时，穿过导体的磁通量随时间而变化，在导体表面感应出电涡流，涡流产生的磁通又穿过原线圈。所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的线圈，互感的大小与线圈离导体表面的间隙有关。涡流涡流传传感感器器的的系系统响统响应特应特性性

39、涡流传感器的系统响应特性即间隙 d 与输出电压的关系曲线测量时输出电压U 的变化反映间隙的 d 变化，也就是导体表面的振动。被被测物测物体体尺尺寸寸及及材料材料对测对测量量性能的性能的影影响响 a尺寸的影响 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 30当被测物体为圆柱，且传感器中心线垂直于被测物体轴线，要求：D3d（d 为探头头部直径）如果 Dd，灵敏度会下降 70左右。被测体厚度要求：左右）频率（通常为导磁率导电率厚度式中：1MHzf b cm 3.50fb=b.表面加工质量的影响 不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测表面的粗糙度 Ra要求在0.40.8m 之

40、间（磨或抛光）c.材料的影响 当被测物体为导磁材料（如普通钢）时，由于磁效应和涡流效应同时存在，且磁效应与涡流效应相反，会抵消一部分涡流效应，使灵敏度变低。当被测物体为弱导磁或非导磁材料（如铜、铝等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应强，灵敏度高。涡流涡流传传感感器器的的安装安装 a.探头间的距离 b.探头与安装面的距离 c.探头的安装间隙 使使用时用时的的注意事注意事项项 a、安装时要注意平均间隙的选取，即平均间隙加上振动间隙(总间隙)应处于传感器的线形范围内，否则会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性中点。b、选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。应用应用 a、测量轴的相对

41、振动(安装在轴承座)b、测量轴的绝对振动(安装在固定点，对小型机械)c、测相位(键相)d、测振型，隔一定距离安装 x、y 两个传感器 e、测轴的偏心，放轴承座外侧，因为需知道偏心的位置，所以需键相信号 缺缺点点：对被测对象的材料敏感；需外部电源；安装麻烦。5)压压电电式加式加速速度度传传感感器器 优优点点：灵敏度高；频率范围宽；动态范围大；体积小。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 31灵敏度灵敏度 a、电荷灵敏度)(2=msCAQSq库 Q单位加速度幅值所产生的电荷量库仑(e)A加速度幅值 b、电压灵敏度 )/(2msVCaSSqv=Ca传感器的电容量 幅频特幅频特

42、性性 1000可以用于设备诊断的频率范围可以测出接近于正确的振幅振幅相位都可以正确测出的范围相对输出低频界限取决于电缆和放大器低频相位界限高频相位界限高频界限取决于传感器的特性传感器的谐振频率随传感器的安装方法而定的传感器的谐振频率0.010.11010010000频率 传传感感器器的的使使用用与与安装安装 a、用螺钉直接固定于机体上，接受的频率特性与传感器相一致 b、用沾接剂固定，频率特性良好 c、用蜡固定，频率特性好，不耐温 d、用磁座，频率特性受影响，方便 4.设备的振动监测设备的振动监测 1)振动振动电平值电平值监测监测 振动电平值监测是一种简单常用的方法，它只测量机组某些特定测点的总

43、振级大小。一般只需在机组的特征点处(如轴承处)安装传感器，用简单的测振计定期监测。振平可用：有效值、峰值等，振平监测参数：d、v、a 均可。一般用振动量值的相对变化表示(级)比较可靠。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 322)转速振平监测转速振平监测 用于升、降速过程。在升、降速过程中，测量振平值随转速变化的曲线(转速振平图)，利用这些曲线判断机器的故障。3)响应谱监测响应谱监测 用机器某些特征点处的振动响应的频谱作的某些故障诊断的依据，可用功率谱或幅值谱。（二）噪声监测技术（二）噪声监测技术 1.基本概念基本概念 声波的分类及特点声波的分类及特点(1)按频率高低分

44、：=中衰减快对固体穿透力强，空气播时方向性好，频率高，波长短，传、超声、可听声距离传播的声波，波长长、能远、次声HzfcHzfbHzfa20000200002020(2)按声源形状分 线声源面柱面声波：波阵面为柱点声源面球面声波：波阵面为球面声源面平面声波：波阵面为平 声场与自由场声场与自由场(1)声场：有声波存在的弹性媒质所占有的空间(2)自由场：各向同性的无边界的媒质中的声场，工程测量中一般用半自由场。声音的量与量级声音的量与量级 (1)噪声的量：)()()(22wWmwIpPa，瓦声功率米瓦，声强，帕声压 (2)噪声的级 =wWWWLmwIIILpPPPLWIaP120021200500

45、10 ,lg1010 ,lg1010*2 ,lg20声功率级：声强级：声压级：频频程程 频程有上限频率 f2，下限频率 f1，中心频率 f中，带宽f，频程的划分由上、下限频率的比值来确定。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 33nff212=常用的频程有：n1 称 1 倍频程或倍频程 中ff707.0=n1/3 称 1/3 倍频程 中ff231.0=2.噪声测噪声测量量 传传声声器器 把声能转化为电能，用来直接测量声场中的声压。常用的传声器为电容式传声器。(1)灵敏度：开路输出电压与输入声压之比)(pvPVS=(2)频率特性 传声器的频率特性希望在 2020000Hz

46、 内平值，被测信号的 f 不同，灵敏度也不同的特性称传声器的频率特性。(3)指向性)0()()(SSD=与传声器膜片的法向夹角 S()与传声器膜片的法向夹角方向的灵敏度 S(0)与传声器膜片的法向夹角为 0 方向的灵敏度 声声级级计计 声级计是基本的噪声测量仪器。3.声声强强测测量量 优优点点：(1)判断声源的位置；(2)求噪声发射功率；(3)不受声学环境的干扰。原原理理=niiimuprffSIrdffSIrr112)(21)(即：=niiimrffSIrI112)(21 式中：S12(fi)频率 fi处点 1 和点 2 的声压的互谱；ImmI 虚部 用双通道 FFT 求互谱，可用求出某点的

47、声强。声声强探头强探头的类的类型型和特点和特点 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 34声强探头是把两个相匹配的传声器按一定的排列方式安装在一个架子上，使两传声器中心之间的距离为r。(1)声强探头的内排列方式：声强探头的内排列方式：a、对置式：两传声器面对面安装，间距r。在同一条轴线上，当r 相同时，对置式比顺置式的声压梯度灵敏度高。b、顺置式：两传声器的轴线在同一直线上，膜片向同一方向。c、并列式：两传感器的轴线平行，r 调整方便，但安装时不易保持与测量轴线对称。(2)声强探头的指向特征声强探头的指向特征)0()()(IIQ=I(0)法向测量时的声强 I()与法向测

48、量呈 角时的声强 5.噪声噪声源识别源识别 主主观观评价评价与与估估计法计法，凭，凭经验经验；近场近场测测量量法法，用用于找于找主主要声要声源源；表表面面振振速速测测量量法法，等，等振振曲曲线线；频谱频谱分析法分析法（三）（三）超声检测技术超声检测技术 1、超声波波型：板波波型表面波波型横波波型纵波波型 2、超声场地区域、特点：(1)区域：近场区、远场区(2)特点：近场区声压起伏大，很难估计缺陷的大小，探伤时避开 远场区声压随声程与时间 t 变化，还与离开中心轴的方向角 r 有关 3、探头：直探头、斜探头、组合探头 4、方法：脉冲反射法穿透法共振法 5、穿透法的优缺点 PDF 文件使用 pdf

49、Factory Pro 试用版本创建 35(1)优点动探测的各阶容易实现连续自对形状简单、批量较大检测速度快设备简单、操作容易、材料工件，和衰减系数大的匀质适于探测薄工件的缺陷(2)缺点位置要求较高对发射、接收探头相对探伤灵敏度较低不能探测缺陷的深度 6、超声探伤的优缺点(1)优点：、检验成本低、仪器便于携带较大的灵敏度、对很厚的构件也能有、适于计算机数据处理置尺寸等信息、可取提供缺陷深度位及很大厚度的范围、可探测多种材料类型fedcba(2)缺点：、先进的仪器昂贵计检验措施、对具体对象要独立设释、显示结果有时难以解、对探伤人员要求高dcba (三三)声发射检测技术声发射检测技术 1.概述概述

50、 1)声发射：声发射：固体的微观结构的不均匀或内部缺陷导致局部应力集中，在外力的作用下，促使塑性变形的加大或发生裂纹的产生与扩展所释放弹性波(应变能)的现象，称作声发射。声发射的频率范围很宽，从次声、可听声到超声（5107Hz 左右）。声发射幅值差异很大，从几微伏几百伏。按声发射的振荡形式不同，声发射可分为：连续型声发射：连续型声发射：由一系列低幅连续信号构成，主要与塑性变形有关；突发型声发射突发型声发射：由高幅度的不连续、持续时间很短(ms 级)的信号构成，与裂纹的形成、扩展有关。2)声发射检测技术声发射检测技术 用仪器检测、分析声发射信号并确定声发射源的技术称声发射检测技术。多数金属材料塑