振動(dòng)診斷技術(shù)課件

二、振動(dòng)信號(hào)的分析與處理

信號(hào)的分析與處理是機(jī)械故障診斷的前提和基礎(chǔ)。通過(guò)測(cè)試得到的信號(hào)，它是對(duì)系統(tǒng)的某些物理量，如位移、速度、加速度等進(jìn)行觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，其共同特點(diǎn)是隨時(shí)間而變化，即某一物理量隨時(shí)間變化的軌跡－－時(shí)域信號(hào)。它代表了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和特征。時(shí)域信號(hào)一般可反映出幅值、周期等物理信息。但信號(hào)不能直接獲得更多的有用信息，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理。所以，對(duì)信號(hào)分析與處理的目的是改變信號(hào)的形式，提取有用的信息，以便對(duì)所研究的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)作出估計(jì)和辨別。信號(hào)分析現(xiàn)在比較常用的方法有：時(shí)域分析法、頻域分析法、到頻譜分析法、小波分析法等，我們介紹現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的頻域分析法。由這些正弦波合成振幅時(shí)間時(shí)間頻率振幅各頻率譜線從頻率域觀測(cè)（頻譜觀測(cè)）頻率從時(shí)間域觀測(cè)振動(dòng)波形的時(shí)域－頻域變換頻域分析就是按傅里葉變換法將x(t)變換成頻率f的函數(shù)X(f)。例如：柴油機(jī)振動(dòng)分析六缸柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n=196rpm，即基頻f0＝3.26Hz。實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)和頻域分析的結(jié)果如圖所示。振動(dòng)是典型的復(fù)雜周期信號(hào)，在圖中時(shí)域波形曲線上僅僅能測(cè)得一個(gè)基本周期T=310ms，對(duì)應(yīng)的頻率f0＝1／T＝3.22Hz，與理論基頻f0＝3.26Hz相近。進(jìn)行頻譜分析的結(jié)果，在圖離散頻譜上測(cè)得：f1＝3.22Hz、f2＝6.44Hz、f3＝9.66Hz、f6＝19.42Hz、f9＝29.18Hzx(t)tfA(f)f1f2f3f4f5f6f7f8f9T振動(dòng)分析這5個(gè)主要頻率分量是以實(shí)際轉(zhuǎn)頻為基礎(chǔ)的二階、三階、六階和九階諧波分量。一階為主旋轉(zhuǎn)頻率分量，反映主軸系統(tǒng)的工作狀態(tài)；二階諧波分量反映往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；三、六、九階諧波分量往往是由于點(diǎn)火不均勻、活塞敲缸所引起的振動(dòng)。顯而易見(jiàn)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)的頻率分析可以獲得較豐富的柴油機(jī)工作狀態(tài)的信息，這就是時(shí)域波形分析所做不到的。一、確定診斷對(duì)象對(duì)一個(gè)具體的工礦企業(yè)來(lái)說(shuō)，如將為數(shù)眾多的全部設(shè)備都選作診斷的對(duì)象顯然是行不通的，這不僅增加了診斷工作量，降低了診斷效率；而且，診斷效果也不會(huì)理想。因此，必須經(jīng)過(guò)充分的調(diào)查研究，根據(jù)企業(yè)自身的生產(chǎn)特點(diǎn)以及各種設(shè)備的組成情況，有重點(diǎn)地選定用作診斷對(duì)象的設(shè)備，優(yōu)先選作診斷對(duì)象的設(shè)備應(yīng)該是：

1、直接的生產(chǎn)設(shè)備（主機(jī)、輔機(jī)的區(qū)別）；

2、一旦發(fā)生故障或停機(jī)，會(huì)造成很大損失的設(shè)備；

3、故障發(fā)生后，會(huì)造成二次公害的設(shè)備；

4、維修周期長(zhǎng)、維修費(fèi)用高的設(shè)備；

5、價(jià)格昂貴的大型精密和成套設(shè)備；

6、沒(méi)有備用機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備；

7、容易造成人身安全事故的設(shè)備；

8、故障發(fā)生頻率較高的設(shè)備?？傊?，診斷對(duì)象的確定是設(shè)備診斷面臨的第一個(gè)問(wèn)題，也是影響設(shè)備診斷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的關(guān)鍵因素，我們應(yīng)該本著量力而行、重點(diǎn)突出的原則，逐步擴(kuò)大診斷技術(shù)的成果。二、選定測(cè)量參數(shù)對(duì)于機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)診斷而言，可測(cè)量的幅值參數(shù)有位移、速度和加速度三種。振動(dòng)測(cè)量參數(shù)的選擇應(yīng)該考慮振動(dòng)信號(hào)的頻率構(gòu)成和所關(guān)心的振動(dòng)后果這兩方面的因素。從信號(hào)頻率角度來(lái)看，一般隨著信號(hào)頻率的提高，而依次選用位移、速度和加速度作為測(cè)量參數(shù)。因?yàn)閷?duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言，加速度a

、速度v

和位移s

，三者之間存在如下的關(guān)系式為：a=ωv=ω2s

式中ω

簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率。由此可以看出，ω

越大，則加速度和速度的測(cè)定靈敏度相對(duì)越高。通常，三種測(cè)量參數(shù)的適用頻段范圍見(jiàn)下表。

對(duì)振動(dòng)檢測(cè)最重要的要求之一，就是能在足夠?qū)挼念l率范圍內(nèi)測(cè)量所有主要頻率分量的全部信息，包括不平衡、不對(duì)中、滾動(dòng)體損壞、齒輪嚙合，葉片共振、軸承元件徑向共振、油膜渦動(dòng)和油膜振蕩等有關(guān)的頻率成分，其頻率范圍往往超過(guò)1kHz。很多典型的測(cè)試結(jié)果表明，在機(jī)器內(nèi)部損壞還沒(méi)有影響到機(jī)器的實(shí)際工作能力之前，高頻分量就已包含了缺陷的信息。為了預(yù)測(cè)機(jī)器是否損壞，高頻信息是非常重要的。因此，測(cè)量加速度值的變化及其頻率分析常常成為設(shè)備故障診斷的重要手段。測(cè)量參數(shù)位移速度加速度適用頻帶0~100Hz10~1000Hz>1000Hz三、選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)在確定了診斷對(duì)象和測(cè)量參數(shù)之后，接下來(lái)的問(wèn)題是要確定監(jiān)測(cè)設(shè)備的哪些部位,即監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇問(wèn)題。信號(hào)是信息的載體，選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)并采用合適的檢測(cè)方法是獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的重要條件。真實(shí)而充分地檢測(cè)到足夠數(shù)量的能夠客觀地反映設(shè)備運(yùn)行工況的信號(hào)是診斷成功與否的先決條件，如果所檢測(cè)到的信號(hào)不真實(shí)、不典型、或不能客觀地、充分地暴露設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，那么，后續(xù)的各種功能即使再完善也枉然。因此，測(cè)量點(diǎn)選擇的正確與否，關(guān)系到能否對(duì)設(shè)備故障作出正確的診斷。一般情況下，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量及方向的確定應(yīng)考慮的總原則是：能對(duì)設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)作出全面的描述；應(yīng)是設(shè)備振動(dòng)的敏感點(diǎn)；應(yīng)是離機(jī)械設(shè)備核心部位最近的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，常見(jiàn)的振動(dòng)測(cè)定方法有測(cè)軸振動(dòng)和測(cè)軸承的振動(dòng)兩種。一股而言，對(duì)于非高速旋轉(zhuǎn)體，以測(cè)定軸承的振動(dòng)為多；而對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)體，則以測(cè)定軸的振動(dòng)位移居多。這是因?yàn)楦咚贂r(shí)軸承振動(dòng)的測(cè)定靈敏度有所下降。在測(cè)軸承的振動(dòng)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近軸承的承載區(qū)；與被監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件最好只有一個(gè)界面，盡可能避免多層相隔，以減少振動(dòng)信號(hào)在傳遞過(guò)程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減；測(cè)量點(diǎn)必須要有足夠的剛度。在測(cè)軸振動(dòng)時(shí),常見(jiàn)的有測(cè)軸與軸承座的相對(duì)振動(dòng)和測(cè)軸的絕對(duì)振動(dòng)(很少用)兩種方法。

四、確定測(cè)量周期測(cè)量周期的選定應(yīng)根據(jù)設(shè)備的不同種類及其所處工況確定監(jiān)測(cè)周期，是設(shè)備診斷的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以下所列僅供參考。

1．定期檢測(cè)即每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)設(shè)備檢測(cè)一次。對(duì)于汽輪壓縮機(jī)、燃汽輪機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，可每天檢測(cè)一次；對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)等可每周檢測(cè)一次；當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有變化征兆時(shí)，應(yīng)縮短監(jiān)測(cè)周期，而對(duì)于新安裝和大修后的機(jī)器，應(yīng)頻繁檢測(cè)，直至運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2．隨機(jī)點(diǎn)檢專職設(shè)備檢測(cè)維修人員一般不定期地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)備操作人員或責(zé)任人則負(fù)責(zé)設(shè)備的日常檢測(cè)工作，并作必要的記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象時(shí)，即報(bào)告設(shè)備專職檢測(cè)維修人員，進(jìn)行相應(yīng)的處理。隨機(jī)點(diǎn)檢也是企業(yè)設(shè)備管理中經(jīng)常采取的一種策略。

3．長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)于某些大型關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，一旦測(cè)定值超過(guò)設(shè)定的檻值即進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)而采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

四、典型零部件故障的振動(dòng)診斷齒輪的故障診斷

齒輪箱是各類機(jī)械的變速、傳動(dòng)部件，它的運(yùn)行好壞影響到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。在齒輪箱中各零件失效比例為：齒輪60％，軸承19％，軸10％，箱體7％，緊固件3％，油封1％。齒輪的故障比率最大。實(shí)踐證明：采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)法對(duì)齒輪進(jìn)行診斷是行之有效的。下面對(duì)齒輪常見(jiàn)故障如齒面損傷、齒輪偏心、齒輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡、輪齒折斷、齒距誤差等來(lái)分析其振動(dòng)特性，以便對(duì)故障進(jìn)行診斷。Fm3fmf齒面損傷引起振動(dòng)的時(shí)域波形和頻域特性2fmTm=1/fm2、齒面損傷的時(shí)域波形和頻域特性分析齒面損傷主要有：疲勞點(diǎn)蝕、塑性變形、膠合、磨損還有氣蝕（油中析出的氣泡被壓碎，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力，使齒面產(chǎn)生沖蝕麻點(diǎn)）、電蝕（由電氣設(shè)備傳導(dǎo)至嚙合齒廓的漏電流，產(chǎn)生火花放電侵蝕齒面，使齒面產(chǎn)生電弧麻點(diǎn)）。齒面損傷所激發(fā)的振動(dòng)波形如圖所示。低頻的嚙合頻率成分幅值加大，隨著齒面損壞和磨損的加劇，在其振動(dòng)譜中存在嚙合頻率的2次、3次高次諧波或1／2，1／3，…..的分頻成分。Frfmf齒輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡的時(shí)域波形和頻域特性4、齒輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡的時(shí)域波形和頻域特性分析齒輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡的振動(dòng)波形如圖所示，其主要頻率成分與正常情況基本相同，即為旋轉(zhuǎn)頻率fr和嚙合頻率fm

，但旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)的振幅較正常情況大。fr2

fr3frfmf輪齒局部折斷的時(shí)域波形和頻域特性5、輪齒局部折斷的時(shí)域波形和頻域特性分析當(dāng)齒輪存在局部折斷時(shí)，在嚙合過(guò)程中該輪齒將激發(fā)異常大的沖擊振動(dòng)，在振動(dòng)波形上出現(xiàn)較大的周期性脈沖幅值，其主要頻率成分為旋轉(zhuǎn)頻率fr及其高次諧波nfr

，并經(jīng)常激發(fā)起系統(tǒng)以固有頻率振動(dòng)，其振動(dòng)波形如圖所示。Frfmf齒距誤差的時(shí)域波形和頻域特性6、齒距誤差的時(shí)域波形和頻域特性分析當(dāng)齒輪存在齒距誤差時(shí)，齒輪在每轉(zhuǎn)中的速度將時(shí)快時(shí)慢的變化，致使嚙合振動(dòng)的頻率受旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)的調(diào)制，其振動(dòng)波形如圖所示。其頻譜包含旋轉(zhuǎn)頻率fr

、嚙合頻率fm成分及其邊頻帶fm±nfr

（n=1，2，3，…)。低速軸轉(zhuǎn)頻高速軸轉(zhuǎn)頻中頻齒嚙合頻率邊帶二階齒嚙合頻率三階齒嚙合頻率說(shuō)明：實(shí)際測(cè)試所得到的頻譜圖遠(yuǎn)非上面的那么簡(jiǎn)單，而是要比較復(fù)雜得多，其中的譜峰通常很難是以單一頻率線出現(xiàn)，而多表現(xiàn)為一個(gè)連續(xù)的頻段。齒輪的異常現(xiàn)象也很少以單一的形式出現(xiàn)，而往往是多種故障形式的綜合，所以這些都給齒輪的故障診斷帶來(lái)了許多應(yīng)用的困難。例如：典型的一對(duì)直齒嚙合傳動(dòng)實(shí)測(cè)譜線如圖，其中：小齒輪n1=2400rpm

z1=29

fr1=n1/60=40Hz大齒輪n2=1310rpm

z2=53

f