設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)第4章-振動(dòng)診斷方法課件

第四章振動(dòng)診斷方法學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法（包括直接觀察法、概率分析法、示性指標(biāo)法、時(shí)域同步平均法及相關(guān)函數(shù)診斷法）；熟知振動(dòng)診斷的頻域分析方法，明確頻域分析的主要內(nèi)容，并熟練掌握各種頻率項(xiàng)的計(jì)算或查詢方法；了解振動(dòng)診斷的其他方法如倒頻譜診斷法、軸心軌跡等。

振動(dòng)診斷是目前所有故障診斷技術(shù)中應(yīng)用最廣泛也是最成功的診斷方法，本章將介紹振動(dòng)診斷的基本方法。2022/12/111第一節(jié)振動(dòng)診斷方法概述利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行診斷，是設(shè)備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。統(tǒng)計(jì)資料表明，由于振動(dòng)而引起的設(shè)備故障，在各類故障中占60%以上。據(jù)國內(nèi)外報(bào)道，用振動(dòng)的方法可以發(fā)現(xiàn)使用中的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的34%，可節(jié)約維修費(fèi)用70%。利用振動(dòng)檢測和分析技術(shù)進(jìn)行故障診斷的信息類型多，量值變化范圍大，而且是多維的，便于進(jìn)行識(shí)別和決策。振動(dòng)檢測方法便于自動(dòng)化、集成化和遙控化，便于在線診斷、工況監(jiān)測、故障預(yù)報(bào)和控制，是一種無損檢驗(yàn)方法，因而在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。2022/12/112第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法一、波形分析及示性指標(biāo)1．直接觀察法

直接觀察時(shí)域波形可以看出周期、諧波、脈沖，利用波形分析可直接識(shí)別共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。適用于：典型信號(hào)、特征明顯的信號(hào)、經(jīng)驗(yàn)豐富人員。2．概率分析法采用時(shí)間歷程的概率分布來描述各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程。2022/12/113第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法圖4-2為一高速滾動(dòng)軸承工作時(shí)振動(dòng)加速度幅值的概率密度函數(shù)p(x)圖，其中實(shí)線為正常軸承，虛線為某故障軸承的p(x)圖。由于磨損、腐蝕、壓痕等使振幅增大，諧波增多，反映到p(x)圖上使其變峭，兩旁展寬。異常正常p(x)x2022/12/1153．示性指標(biāo)法式中：x(t)——系統(tǒng)中某特征點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)；

T——采樣時(shí)間；

p(x)——x(t)的概率密度函數(shù)。2022/12/116第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法①在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷中，對(duì)波形復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，常常采用其峰—峰值（雙振幅），記為xp-p即最大峰值與其相鄰的最低谷值之間的幅值作為振動(dòng)大小的特征量，稱為振動(dòng)的“通頻幅值”。峰—峰值的提取十分方便。這里順便給出簡諧振動(dòng)的均方根幅值、峰值、峰—峰值與平均幅值之間的關(guān)系，如圖4-3所示。2022/12/117第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法圖4-3有效值、峰值、峰峰值與平均值之間的關(guān)系②利用系統(tǒng)中某些特征點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的均方根幅值/有效值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法。適用于：設(shè)備作穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的情況；對(duì)于振動(dòng)不平穩(wěn)，且振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間變化時(shí)，采用振動(dòng)-時(shí)間圖診斷法。

③比值α3/(σx)3稱為偏態(tài)因數(shù)（簡稱偏態(tài)），此處σx為標(biāo)準(zhǔn)偏差。偏態(tài)是概率密度函數(shù)不對(duì)稱性程度的度量。比值α4/(σx)4或[α4/(σx)4－3]稱為峰態(tài)因數(shù)（簡稱峰態(tài)），是概率密度分布峭度程度的度量。峭度可以用作滾動(dòng)軸承故障診斷用。如軸承圈出現(xiàn)裂紋，滾動(dòng)元件或滾珠軸承邊緣剝裂等在時(shí)域波形中都可能引起相當(dāng)大的脈沖，用峭度作為故障診斷特征量是很有效的；但用于滑動(dòng)軸承的故障診斷就不靈敏了。

2022/12/118第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法012345-1-2-3-4-500.20.40.60.8g23>g23<g23=xp(x)峭度系數(shù)：2022/12/1110第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法二、時(shí)域同步平均法時(shí)域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號(hào)中提取周期性分量的有效方法，也稱相干檢波法。（可參考相關(guān)書籍）

三、相關(guān)函數(shù)診斷法相關(guān)函數(shù)是振動(dòng)信號(hào)在時(shí)延域上的描述，在系統(tǒng)的振源識(shí)別和故障診斷中有著廣泛的應(yīng)用。(1)利用自相關(guān)函數(shù)可檢測過程信號(hào)中是否混有周期性的確定性函數(shù)，從而觀測出由于故障而產(chǎn)生的周期性信號(hào)的大小和位置。診斷軸承磨損造成的間隙增大、軸與軸承蓋的撞擊、滾動(dòng)軸承滾道的剝蝕、齒輪齒面的嚴(yán)重磨損、花鍵配合間隙的增加以及切削顫振等故障。2022/12/1112第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法

(3)根據(jù)傳播路徑來識(shí)別振源和故障的位置。

(4)當(dāng)不能直接觀測振源時(shí)：

例如，在探測地下水（油）管的泄漏位置時(shí)，就可利用圖4-5所示的配置來診斷管道的泄漏故障。當(dāng)管道在某處破損時(shí)會(huì)發(fā)出漏水聲，通過管道向左右傳播。在漏水段的兩端布置兩個(gè)傳感器測點(diǎn)，然后通過互相關(guān)函數(shù)求出時(shí)差τ，即可測定泄漏位置。

放大器互相關(guān)分析放大器傳感器1□□傳感器2

管道圖4-5管道泄漏的檢測2022/12/1114第二節(jié)振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法地下管道泄漏的檢測漏損處K視為向兩側(cè)傳播聲響的聲源，漏油的音響傳至兩傳感器就有時(shí)差，在互相關(guān)圖上時(shí)差處有最大值。2022/12/1115一、頻域分析的主要內(nèi)容

振動(dòng)頻譜中包含機(jī)器零部件的機(jī)械狀態(tài)信息，振動(dòng)診斷的任務(wù)從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個(gè)頻譜分量與監(jiān)測的機(jī)器的零部件對(duì)照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。這主要包括：振動(dòng)頻譜中存在哪些頻譜分量？每條頻譜分量的幅值多大？這些頻譜分量彼此之間存在什么關(guān)系？如果存在明顯的高幅值頻譜分量，它的精確的來源？它與機(jī)器的零部件對(duì)應(yīng)關(guān)系如何？第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法2022/12/1116二、頻率項(xiàng)一臺(tái)機(jī)器設(shè)備在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種頻率項(xiàng)，單位可使用赫茲（Hz），即次/每秒。2022/12/1117旋轉(zhuǎn)頻率項(xiàng)（簡稱工頻或基頻）旋轉(zhuǎn)頻率（fz）=轉(zhuǎn)速（rpm）/60常數(shù)頻率項(xiàng)通常用來定義恒定不變的頻率，例如電源頻率（注：我國交流電源的頻率為50Hz）。齒輪頻率項(xiàng)第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法

首先進(jìn)行齒輪振動(dòng)分析，若以一對(duì)齒輪作為研究對(duì)象，若忽略齒面上摩擦力的影響，則其振動(dòng)方程為

Mrx”+Cx’+K(t)x=K(t)E1+K(t)E2(t)

式中：x——沿作用線上齒輪的相對(duì)位移；

C——齒輪嚙合阻尼；

K(t)——齒輪嚙合剛度；

Mr——齒輪副的等效質(zhì)量，Mr=m1·m2/(m1+m2)，其中m1、m2分別為兩齒輪質(zhì)量；

E1——齒輪受載后的平均靜彈性變形；

E2(t)——為齒輪的誤差和異常造成的兩個(gè)齒輪間的相對(duì)位移（亦稱故障函數(shù)）。2022/12/1118齒輪頻率項(xiàng)第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法齒輪嚙合剛度的變化頻率，即齒輪嚙合頻率：fc=fz1·z1=fz2·z2式中：

fz1——主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)頻率；z1——主動(dòng)輪齒數(shù)；

fz2——從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)頻率；z2——從動(dòng)輪齒數(shù)。在齒輪振動(dòng)信號(hào)中存在調(diào)幅、調(diào)頻現(xiàn)象。OUBSISOL齒輪箱上輥下輥輸入軸2022/12/1120第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法調(diào)制后的信號(hào)，除原來的嚙合頻率分量外，增加了一對(duì)分量（fc+fz）和(fc－fz)。它們以fc為中心，以fz為間距對(duì)稱分布于fc兩側(cè)，所以稱為邊頻帶，右下角圖中的上邊頻和下邊頻即是。

嚙合頻率下邊頻上邊頻2022/12/1121第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法

齒輪邊帶頻率=mfc±nfz其中，m，n=1,2,3,…。隨著齒輪故障的發(fā)展，邊頻越來越豐富，幅值增加?？捎玫诡l譜作進(jìn)一步分析。D—節(jié)圓直徑d—滾珠直徑—接觸角z—滾珠數(shù)n—軸的轉(zhuǎn)速dD外環(huán)故障頻率內(nèi)環(huán)故障頻率滾珠故障頻率保持架碰外環(huán)保持架碰內(nèi)環(huán)2022/12/1123P44。fz×z=n×z/60，P41第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法通過頻率一般在1kHz以下，是滾動(dòng)軸承重要信息特征之一。目前很多公司開發(fā)的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)軟件均內(nèi)置了軸承頻率項(xiàng)數(shù)據(jù)庫，只需輸入軸旋轉(zhuǎn)頻率及選擇軸承生產(chǎn)商、軸承型號(hào)即可自動(dòng)計(jì)算出通過頻率。如美國ENTEK公司開發(fā)的EMONITOROdyssey軟件就有這一功能，非?？旖莘奖?。另外，也可到各大軸承制造商如日本NSK公司網(wǎng)站下載軸承頻率項(xiàng)數(shù)據(jù)庫。2022/12/1124第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法由于各種固有頻率只取決于元件的材料、形狀和質(zhì)量，與軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，一旦軸承元件出現(xiàn)疲勞剝落就會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，從而激發(fā)起各種固有振動(dòng)。所以，利用這些固有振動(dòng)當(dāng)中的某一種是否出現(xiàn)，即可診斷有否疲勞剝落。

缺點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)采時(shí)頻程（即預(yù)備采集的頻率范圍）需設(shè)置較高甚至很高，如果同時(shí)需要分析低頻信號(hào)時(shí)就不方便了。2022/12/1126第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法倍乘頻率項(xiàng)

典型倍乘頻率項(xiàng)為離心泵、離心風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)葉片通過頻率。

通過頻率=旋轉(zhuǎn)頻率×葉片數(shù)電機(jī)頻率項(xiàng)

包括電源頻率（FL）、滑差頻率（FS）、極通過頻率（FP）、轉(zhuǎn)子條通過頻率（RBPF）、線圈通過頻率（CPF）等。

滑差頻率=（同步轉(zhuǎn)速－實(shí)際轉(zhuǎn)速）/60式中：同步轉(zhuǎn)速（NS）=60×電源頻率/極對(duì)數(shù)

極通過頻率=滑差頻率×極對(duì)數(shù)

轉(zhuǎn)子條通過頻率=旋轉(zhuǎn)頻率×轉(zhuǎn)子條數(shù)

線圈通過頻率=旋轉(zhuǎn)頻率×定子線圈數(shù)式中：定子線圈數(shù)=每兩極的線圈數(shù)×極對(duì)數(shù)2022/12/1127第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法皮帶頻率項(xiàng)

皮帶頻率通過皮帶輪轉(zhuǎn)速、節(jié)圓直徑、皮帶長度代入公式計(jì)算得出，皮帶頻率低于電動(dòng)機(jī)或被驅(qū)動(dòng)機(jī)器的轉(zhuǎn)速。同步皮帶頻率通過皮帶齒數(shù)、皮帶輪轉(zhuǎn)速、皮帶輪齒數(shù)代入公式計(jì)算得出，其中：

同步皮帶傳動(dòng)頻率=皮帶頻率×皮帶齒數(shù)

=旋轉(zhuǎn)頻率×同步皮帶輪齒數(shù)鏈頻率項(xiàng)

鏈傳動(dòng)頻率=旋轉(zhuǎn)頻率×鏈輪齒數(shù)諧頻頻率項(xiàng)

指某個(gè)基準(zhǔn)頻率（例如fz、fc）的各次倍頻。準(zhǔn)確地說，每種頻率項(xiàng)均存在諧頻頻率項(xiàng)。2022/12/1128第三節(jié)振動(dòng)診斷的頻域分析方法二、軸心軌跡

軸心運(yùn)動(dòng)軌跡是利用安裝在同一截面內(nèi)相互垂直的兩支電渦流傳感器對(duì)軸頸振動(dòng)測量后得到的。軸心軌跡非常直觀地顯示了轉(zhuǎn)子在軸承中的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)情況，它可以用來指示軸頸軸承的磨損、軸不對(duì)中、軸不平衡、液壓動(dòng)態(tài)軸承潤滑失穩(wěn)以及軸磨擦等。

傳感器的前置放大器輸出信號(hào)經(jīng)濾波后，將交流分量輸入示波器的x軸和y軸或監(jiān)測計(jì)算機(jī)，便可以得到轉(zhuǎn)子的軸心軌跡。

P462022/12/1130第四節(jié)振動(dòng)診斷的其他方法三、振動(dòng)模態(tài)分析診斷法

振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)故障診斷的主要方法。理論計(jì)算如Lanczos、子空間迭代等。2022/12/1131第四節(jié)振動(dòng)診斷的其他方法

四、故障診斷的頻率響應(yīng)函數(shù)法

以某型號(hào)人造衛(wèi)星的診斷為例對(duì)頻響函數(shù)法作一定性的分析以簡略說明之（見P46）。

五、隨機(jī)減量故障診斷法

隨機(jī)減量法是通過系統(tǒng)隨機(jī)響應(yīng)樣本的平均，去掉響應(yīng)的隨機(jī)成分，而獲得在一定初始激勵(lì)下系統(tǒng)自由響應(yīng)的方法。小結(jié)（一）利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行診斷，是設(shè)備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法包括直接觀察法、概率分析法、示性指標(biāo)法、時(shí)域同步平均法及相關(guān)函數(shù)診斷法。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷中，對(duì)波形復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，常常采用其峰—峰值；而利用均方根幅值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法；峭度廣泛應(yīng)用于滾動(dòng)軸承故障診斷。2022/12/1132小結(jié)（二）4．振動(dòng)頻譜中包含機(jī)器零部件的機(jī)械狀態(tài)信息，振動(dòng)診斷的任務(wù)從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個(gè)頻譜分量與監(jiān)測的機(jī)器的零部件對(duì)照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。5．一臺(tái)機(jī)器設(shè)備在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種頻率項(xiàng)，包括旋轉(zhuǎn)頻率項(xiàng)、常數(shù)頻率項(xiàng)、齒輪頻率項(xiàng)、滾動(dòng)軸承頻率項(xiàng)、倍乘頻率項(xiàng)、電機(jī)頻率項(xiàng)、皮帶頻率項(xiàng)、鏈頻率項(xiàng)和諧頻頻率項(xiàng)等。6．振動(dòng)診斷的其他方法包括倒頻譜診斷法、軸心軌跡、振動(dòng)模態(tài)分析診斷法、頻率響應(yīng)函數(shù)法、隨機(jī)減量故障診斷法等。2022/12/1133問題與回答互動(dòng)時(shí)間2022/12/1134一、單項(xiàng)選擇題（在備選答案中選出一個(gè)正確答案，并將其號(hào)碼填在題干中的橫線上）

1．振動(dòng)診斷的優(yōu)點(diǎn)不包括

。A、量值變化范圍大B、適用各類故障C、便于在線診斷D、無損檢測2．在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷中，對(duì)波形復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，常常采用

。A、有效值B、峰值C、峰—峰值D、平均幅值3．利用

作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法。A、有效值B、峰值C、峰—峰值D、平均幅值4．下列示性指標(biāo)中，

作為滾動(dòng)軸承故障診斷特征量是很有效的，但用于滑動(dòng)軸承的故障診斷就不靈敏了。A、平均幅值B、均方根幅值C、偏度D、峭度2022/12/11355．在進(jìn)行振動(dòng)診斷的時(shí)域分析時(shí)，按其診斷能力由大到小順序排列，大體上為

。A、峰態(tài)因數(shù)→裕度因數(shù)→波形因數(shù)B、裕度因數(shù)→峰態(tài)因數(shù)→波形因數(shù)C、峰態(tài)因數(shù)→波形因數(shù)→裕度因數(shù)D、裕度因數(shù)→波形因數(shù)→峰態(tài)因數(shù)6．下列頻率項(xiàng)中恒定不變的是

。A、工頻B、齒輪頻率項(xiàng)C、倍乘頻率項(xiàng)D、常數(shù)頻率項(xiàng)7．軸承頻率項(xiàng)中的通過頻率由大到小排列依次是

。A、內(nèi)環(huán)、滾動(dòng)體、外環(huán)B、外環(huán)、內(nèi)環(huán)、滾動(dòng)體C、內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體D、外環(huán)、滾動(dòng)體、內(nèi)環(huán)8．下列頻率項(xiàng)組合中，由運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪箱本身產(chǎn)生的是

。A、旋轉(zhuǎn)頻率項(xiàng)、常數(shù)頻率項(xiàng)、齒輪頻率項(xiàng)、軸承頻率項(xiàng)B、旋轉(zhuǎn)頻率項(xiàng)、齒輪頻率項(xiàng)、軸承頻率項(xiàng)、倍乘頻率項(xiàng)C、旋轉(zhuǎn)頻率項(xiàng)、齒輪頻率項(xiàng)、軸承頻率項(xiàng)、諧頻頻率項(xiàng)D、常數(shù)頻率項(xiàng)、齒輪頻率項(xiàng)、軸承頻率項(xiàng)、諧頻頻率項(xiàng)2022/12/1136二、判斷題（在括號(hào)內(nèi)選擇打“√”或“×”）

1．振動(dòng)檢測方法便于自動(dòng)化、集成化和遙控化。（）2．直接觀察時(shí)域波形當(dāng)信號(hào)中含有周期信號(hào)或短脈沖信號(hào)時(shí)更為有效。

（）3．概率分析法不屬于時(shí)域故障診斷。（）4．峰—峰值不便提取。（）5．均方根值診斷法多適用作穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的情況。（）6．相關(guān)函數(shù)診斷法可用于診斷管道的泄漏故障。（）7．直齒輪的嚙合剛度變化比斜齒輪或人字齒輪平緩。（）8．齒輪邊頻帶