機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷(版)

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與

故障診斷王太勇教授、博士生導(dǎo)師天津大學(xué)機(jī)電科技中心主任9/22/20231天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生轉(zhuǎn)子事故9/22/20232天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生透平機(jī)械事故9/22/20233天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生水輪機(jī)事故9/22/20234天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生美國(guó)哥倫比亞號(hào)載人航天飛機(jī)失事9/22/20235天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過程中惡性事故時(shí)有發(fā)生斷裂部位三峽塔帶機(jī)斷裂事故

2002年9月3日9/22/20236天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷可以提高設(shè)備的可靠性，實(shí)現(xiàn)“事后維修〞到“預(yù)知維修〞的轉(zhuǎn)變，提高企業(yè)和設(shè)備的管理水平，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，防止重大事故的發(fā)生，降低事故危害性，從而獲得潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。機(jī)電設(shè)備故障診斷的意義：日本應(yīng)用故障診斷技術(shù)后，事故發(fā)生率減少75%，維修費(fèi)用降低25～50％。英國(guó)對(duì)2000個(gè)國(guó)營(yíng)工廠的調(diào)查說明，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)后，每年可節(jié)省維修費(fèi)用3億英鎊，而故障診斷系統(tǒng)的本錢為0.5億英鎊。9/22/20237天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷國(guó)外診斷技術(shù)的開展概況：★美國(guó)最早，1967年美國(guó)宇航局倡導(dǎo)成立了機(jī)械故障預(yù)防小組〔“MFPG〞〕★70年代英國(guó)機(jī)械保健中心成立，并用于核發(fā)電、鋼鐵、電力等診斷?！?1年日本開始開展自己的TPM〔全員生產(chǎn)維修〕：鋼鐵、石油、化工、鐵路★進(jìn)而歐美許多國(guó)家都在重視開展。如瑞典SPM軸承監(jiān)測(cè)、挪威船舶診斷、丹麥B&K的振動(dòng)與聲發(fā)射診斷

9/22/20238天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷國(guó)內(nèi)診斷技術(shù)的開展概況：★天津大學(xué)從1982年起研究齒輪傳動(dòng)、軸承、齒輪箱、切削過程等方面的診斷與監(jiān)控技術(shù)，成果主要：

1、設(shè)備的智能診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)

2、設(shè)備在線自動(dòng)報(bào)警與保護(hù)通用監(jiān)控系統(tǒng)

3、動(dòng)態(tài)測(cè)試與信號(hào)分析系統(tǒng)

4、模態(tài)分析系統(tǒng)★華中理工大學(xué)：汽輪發(fā)電機(jī)組診斷專家系統(tǒng)、鋼絲繩診斷系統(tǒng)★西安交通大學(xué)：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷RB—20，用于煉油行業(yè)★國(guó)防科技大學(xué)：望遠(yuǎn)號(hào)遠(yuǎn)洋考察船的在線監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)★哈爾濱工業(yè)大學(xué)：

20萬KW汽輪發(fā)電機(jī)組診斷

9/22/20239天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷診斷技術(shù)的特點(diǎn)：★技術(shù)研究和積累較多★在石化、電力等方面的應(yīng)用較多，效益好、易診斷★傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用少，主要原因是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、企業(yè)效益普遍不好★汽車制造業(yè)已經(jīng)逐步重視，如：玉柴、吉普、桑塔納、一汽、重慶長(zhǎng)安、“九五〞攻關(guān)工程等9/22/202310天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng):離線監(jiān)測(cè)與故障診斷定期或不定期的巡檢的方式采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后回放到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷分析。

特點(diǎn)：離線分析，對(duì)突發(fā)故障無能為力，但可精細(xì)分析例如：基于便攜式數(shù)采儀的故障診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)〔天津大學(xué)機(jī)電科技中心〕9/22/202311天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：離線監(jiān)測(cè)與故障診斷9/22/202312天津大學(xué)機(jī)電科技中心在線監(jiān)測(cè)與故障診斷由傳感器及高速實(shí)時(shí)數(shù)采硬件、控制計(jì)算機(jī)及監(jiān)測(cè)分析軟件組成。特點(diǎn)：在線監(jiān)測(cè)，可以給出設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，捕捉突發(fā)故障并進(jìn)行精細(xì)分析。例如：在線故障診斷與自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)〔天津大學(xué)機(jī)電科技中心〕機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：9/22/202313天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：在線監(jiān)測(cè)與故障診斷9/22/202314天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)床電源計(jì)算機(jī)監(jiān)控箱記錄、文件機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：在線監(jiān)測(cè)與故障診斷9/22/202315天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：前瞻性的故障診斷模式：以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，開發(fā)出主從分布式網(wǎng)絡(luò)化集成在線監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。特點(diǎn)：充分挖掘和發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)信息交換、資源共享的優(yōu)點(diǎn)，充分利用科研院所的專家資源，實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)的是數(shù)據(jù)而不是人〞，在網(wǎng)絡(luò)層面上實(shí)現(xiàn)故障信息的挖掘和故障類型確實(shí)診。例如：中國(guó)設(shè)備遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)〔天津大學(xué)機(jī)電科技中心〕9/22/202316天津大學(xué)機(jī)電科技中心狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：。。。。。。。。。。?！?信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)….信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)。。。。。。。。。。。….信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理機(jī)組機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)多機(jī)組網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷9/22/202317天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：前瞻性的故障診斷模式：9/22/202318天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息的獲取狀態(tài)特征的提取狀態(tài)判斷與決策測(cè)取的信號(hào)應(yīng)能反映設(shè)備的狀態(tài)與故障信息，具體包括：振動(dòng)、聲、力、溫度、超聲、油污染、銹蝕、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、電流、電壓等。其中：振動(dòng)信號(hào)最常用，方法成熟，信息量大；聲信號(hào)采用非接觸測(cè)量，測(cè)取方便，信息量大，但容易受干擾方法：以振動(dòng)測(cè)量為例，可以測(cè)：加速度、速度、位移。通常采用加速度傳感器。

9/22/202319天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷一、狀態(tài)信息的獲取壓電加速度傳感器

加速度傳感器輸出的電荷量與振動(dòng)加速度成正比。傳感器必須與前置電壓放大器、電荷放大器或測(cè)量放大器配用。直接放大可測(cè)加速度，經(jīng)過一次積分可測(cè)速度，經(jīng)過二次積分可測(cè)位移。加速度傳感器一般具有很高的固有頻率，適于測(cè)量高頻振動(dòng)或設(shè)備振動(dòng)中的高頻成分。例如齒輪箱的捏合頻率、滾動(dòng)軸承的特征頻率等。加速度傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。9/22/202320天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷一、狀態(tài)信息的獲取速度傳感器速度傳感器固定在被測(cè)物體上，物體振動(dòng)時(shí)，傳感器輸出的電量與振動(dòng)速度成正比。經(jīng)過一次積分可測(cè)位移，經(jīng)過一次微分可測(cè)加速度。速度傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。速度傳感器的頻響范圍較加速度低一些，不適合測(cè)量太高頻率的振動(dòng)。9/22/202321天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷一、狀態(tài)信息的獲取電渦流式位移傳感器渦流傳感器屬于非接觸式傳感器一類，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最多?？梢杂脕肀O(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如轉(zhuǎn)子的徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、軸心軌跡、軸心位置、油膜厚度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等信息。渦流傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體與傳感器探頭端面之間的距離。9/22/202322天津大學(xué)機(jī)電科技中心一、狀態(tài)信息的獲取機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷t0t0t0模擬信號(hào)離散量化傳感器輸出的信號(hào)一般都是諸如電壓、電荷、電阻變化值、電容變化值等模擬信號(hào)，在利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理之前必須對(duì)其進(jìn)行離散量化成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程如以下圖所示。模擬信號(hào)的采集9/22/202323天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔信號(hào)處理〕

信號(hào)處理的方法：時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等信號(hào)處理的目的：采用各種技術(shù)和手段挖掘信號(hào)中內(nèi)含的本質(zhì)，即信息。具體到機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中就是提取設(shè)備相關(guān)信號(hào)〔包括振動(dòng)、聲音、溫度、壓力等〕的特征，對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行確診，提出正確的維修建議。9/22/202324天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕均值〔一階矩〕：描述信號(hào)的穩(wěn)定分量方差〔二階中心矩〕：描述信號(hào)的波動(dòng)分量信號(hào)的時(shí)域波形偏斜度〔三階矩〕：反映信號(hào)中大幅值成分的影響9/22/202325天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕峭度〔四階矩〕：反映信號(hào)中大幅值成分的影響信號(hào)的概率表示：概率密度函數(shù)的物理意義信號(hào)的概率密度函數(shù)：9/22/202326天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕應(yīng)用：直接應(yīng)用于機(jī)器狀態(tài)的診斷。例如，圖為車床變速箱的噪聲概率密度函數(shù)p(x)，a—新車床，b—舊車床，顯然新、舊車床變速箱噪聲概率密度函數(shù)p(x)值有較大差異。車床變速箱噪聲概率密度函數(shù)a)新車床噪聲p(x)b)舊車床噪聲p(x)9/22/202327天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕1、自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，即。2、當(dāng)時(shí)，自相關(guān)函數(shù)等于信號(hào)的方差3、當(dāng)時(shí)，自相關(guān)函數(shù)的值總是小于，即小于方差信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)：描述信號(hào)自身的相似程度重要規(guī)律：周期信號(hào)或者其他非隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)不隨變量的變化而衰減；隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)當(dāng)變量增大時(shí)將趨向于零。因此，自相關(guān)函數(shù)是在機(jī)器噪聲中查找周期信號(hào)或者瞬時(shí)信號(hào)的重要手段。9/22/202328天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕應(yīng)用：正常運(yùn)行狀態(tài)—機(jī)器噪聲是大量的、無序的、大小接近的隨機(jī)沖擊結(jié)果，有寬而均勻的頻譜。運(yùn)行不正常狀態(tài)—隨機(jī)噪聲將出現(xiàn)有規(guī)那么、周期性的脈沖，其大小比隨機(jī)沖擊大的多。例如;機(jī)構(gòu)中軸承磨損間隙增大時(shí)，軸與軸蓋就會(huì)有碰擊現(xiàn)象。首先運(yùn)用自相關(guān)函數(shù)查找出隱藏的周期分量，進(jìn)而依靠其幅值和波動(dòng)的頻率可以查找出機(jī)器的缺陷所在。圖C630型車床主軸箱噪聲的自相關(guān)函數(shù)9/22/202329天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)：描述兩個(gè)信號(hào)之間的相似程度或相關(guān)性性質(zhì)：1、互相關(guān)函數(shù)不一定是偶函數(shù)。2、當(dāng)時(shí)，互相關(guān)函數(shù)不一定是最大值。3、互相關(guān)函數(shù)具有反對(duì)稱性。重要規(guī)律：假設(shè)互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，那么表示兩個(gè)信號(hào)相似；假設(shè)互相關(guān)函數(shù)幾乎處處為零，那么表示兩個(gè)信號(hào)不相關(guān)。9/22/202330天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕應(yīng)用一：相關(guān)測(cè)速9/22/202331天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕應(yīng)用二：故障定位9/22/202332天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕發(fā)動(dòng)機(jī)與司機(jī)座的相關(guān)性較差，而后橋與司機(jī)座的互相關(guān)較大，可以認(rèn)為司機(jī)座的振動(dòng)主要是由汽車后輪的振動(dòng)引起的。應(yīng)用三：傳遞通道的相關(guān)測(cè)定9/22/202333天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕信號(hào)的幅值參數(shù)〔2〕平均幅值〔3〕均方幅值〔4〕峰值〔1〕方根幅值9/22/202334天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕〔2〕峰值指標(biāo)〔3〕脈沖指標(biāo)〔4〕裕度指標(biāo)信號(hào)的無量綱指標(biāo)=均方幅值/平均幅值=峰值/均方幅值=峰值/平均幅值=峰值/方根幅值〔1〕波形指標(biāo)9/22/202335天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔時(shí)域分析〕汽車后橋齒輪加速度信號(hào)的無量綱指標(biāo)如下圖是對(duì)28只汽車后橋齒輪在不同運(yùn)行狀態(tài)下振動(dòng)的加速度信號(hào)經(jīng)過計(jì)算得到的無量綱指標(biāo)。由圖課件，波形指標(biāo)K的變化很小，沒有足夠的診斷能力；脈沖指標(biāo)I最好，可以作為齒輪運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)良診斷指標(biāo)。峰值指標(biāo)C比起脈沖指標(biāo)I要差一些。9/22/202336天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔頻域分析〕將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中去進(jìn)行分析，最普遍的方法就是通過快速傅立葉變換〔FFT〕進(jìn)行的

在機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中，一些零部件都有自己的特征頻率，我們把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中，查找對(duì)應(yīng)的特征頻率及其幅值的大小，就可以粗略判斷故障的部位和程度。9/22/202337天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕波德圖：波德圖是反響及其振幅和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。如下圖。圖中以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，振幅和相位角為縱坐標(biāo)。這種圖形一般用跟蹤矢量濾波器在機(jī)器起動(dòng)或停車階段測(cè)得。從波德圖上可以得到：〔1〕轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種轉(zhuǎn)速下的振幅和相位?！?〕轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速?！?〕轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振放大系數(shù)?！?〕轉(zhuǎn)子振型?！?〕系統(tǒng)的阻尼大小。9/22/202338天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕奈奎斯特圖：奈奎斯特圖是把振幅與相位隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系用極坐標(biāo)的形式表示出來。如下圖。圖中用一旋轉(zhuǎn)矢量的點(diǎn)代表轉(zhuǎn)子的軸心，該點(diǎn)在各轉(zhuǎn)速下所處位置的極半徑表示軸的徑向振幅，角度就是相位角。從奈奎斯特圖上可以得到比波德圖更多的信息，例如轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的方位。9/22/202339天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷瀑布圖：瀑布圖是三坐標(biāo)圖，x軸為振動(dòng)頻率，y軸為轉(zhuǎn)速或者時(shí)間間隔，z軸為振動(dòng)幅值。如下圖。二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕瀑布圖常用來表達(dá)機(jī)器振動(dòng)在驟變過程或者啟動(dòng)停車過程中各頻率成分的幅值變化，可以判斷機(jī)器的臨界轉(zhuǎn)速、振動(dòng)原因以及系統(tǒng)的阻尼情況。例如，機(jī)器過臨界轉(zhuǎn)速、軸承發(fā)生油膜振蕩、零件磨損以及各種突然發(fā)生的亞異步振動(dòng)等，均能在瀑布圖上獲得分析故障原因的有用信息。9/22/202340天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷軸心軌跡：軸心軌跡的獲取是利用相互垂直的兩個(gè)非接觸式傳感器分別安置于轉(zhuǎn)子某一截面上，同時(shí)采集數(shù)據(jù)繪制而成。如下圖。二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕通過分析軸心軌跡的運(yùn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，可以確定轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)方向〔正進(jìn)動(dòng)和反進(jìn)動(dòng)〕。軸心軌跡在故障診斷中可以用來確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、空間振型曲線以及局部摩擦，如不對(duì)中、摩擦、油膜振蕩等。9/22/202341天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕軸心位置：借助于相互垂直的兩個(gè)電渦流傳感器，監(jiān)測(cè)直流間隙電壓，就可得到轉(zhuǎn)子軸頸中心的徑向位置。如下圖。通過軸心位置圖可判斷軸頸是否處于正常位置，對(duì)中好壞、軸承標(biāo)準(zhǔn)高是否正常、軸瓦有否變形等情況，從長(zhǎng)時(shí)間軸心位置的趨勢(shì)可以觀察出軸承的磨損情況。軸心位置圖是指轉(zhuǎn)軸在沒有徑向振動(dòng)情況下軸心相對(duì)于軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。9/22/202342天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷二、狀態(tài)特征的提取〔其他分析方法〕趨勢(shì)分析：趨勢(shì)分析是把所測(cè)得的特征數(shù)據(jù)值和預(yù)報(bào)值按一定的時(shí)間順序排列起來進(jìn)行分析。如下圖。這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動(dòng)、1倍頻振動(dòng)、2倍頻振動(dòng)、0.5倍頻振動(dòng)、軸心位置等。時(shí)間序列可以按前后各次采樣、按小時(shí)、按天等。趨勢(shì)分析在故障診斷中起著重要的作用。9/22/202343天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法轉(zhuǎn)軸組件的故障診斷轉(zhuǎn)軸組件是機(jī)器中主要的裝配單元。它的振動(dòng)類型可分為徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三類。其中徑向振動(dòng)對(duì)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的影響最大，成了振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象?；剞D(zhuǎn)機(jī)械中的振動(dòng)可分為兩種形式，其一是同步振動(dòng)，又稱為強(qiáng)迫振動(dòng)，主要由轉(zhuǎn)子的不平衡、聯(lián)軸器的不對(duì)中、安裝不良等引起的。其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻；振動(dòng)的幅值在轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速前隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大；超過臨界轉(zhuǎn)速，那么隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡處理，可以有效減輕和抑制這種振動(dòng)。9/22/202344天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法轉(zhuǎn)軸組件的故障診斷另一種振動(dòng)的形式是亞同步振動(dòng)，又稱自激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率低于轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率。這種振動(dòng)常常在某個(gè)轉(zhuǎn)速下突然發(fā)生，具有極大的危害性。常見的亞同步振動(dòng)有油膜渦動(dòng)、油膜振蕩?！?〕油膜渦動(dòng)：油膜渦動(dòng)的頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一般，常稱為半速渦動(dòng)或半頻渦動(dòng)?！?〕油膜振蕩：隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，油膜渦動(dòng)頻率也增加，兩者保持一個(gè)近乎不變的恒定比，約為50％。但當(dāng)轉(zhuǎn)速約為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍的時(shí)候，隨著轉(zhuǎn)速增加，渦動(dòng)頻率將保持不變，等于轉(zhuǎn)子的一階臨界回轉(zhuǎn)頻率，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。9/22/202345天津大學(xué)機(jī)電科技中心為鋼球數(shù)；為鋼球直徑；為滾道節(jié)徑；為接觸角；為回轉(zhuǎn)頻率。滾動(dòng)軸承的常見故障主要有：磨損、疲勞〔點(diǎn)蝕、剝落〕、塑性變形、腐蝕以及斷裂、膠合等 其他失效形式。機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法滾動(dòng)軸承的故障診斷軸承的特征頻率計(jì)算公式：〔1〕內(nèi)圈剝落：〔2〕外圈剝落：〔3〕鋼球剝落：〔4〕內(nèi)滾道不圓：〔5〕保持架不平衡：9/22/202346天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法滾動(dòng)軸承的故障診斷滾動(dòng)軸承常用分析方法：帶通濾波法共振解調(diào)法——包絡(luò)譜脈沖沖擊法SPM頻譜分析法油樣分析〔鐵譜、光譜、磁塞〕軸承溫度：如高速機(jī)車的軸溫監(jiān)測(cè)9/22/202347天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法滾動(dòng)軸承的故障診斷右圖為某外圈有剝落206軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜和包絡(luò)譜圖。7500Hz附近為測(cè)試棒引起的高頻固有振動(dòng)。以15200Hz為中心頻率，以帶寬3200Hz進(jìn)行包絡(luò)分析得到以下圖。其上408Hz、816Hz譜線非常明顯，這分別是外圈故障特征頻率的一倍頻和二倍頻。在三倍頻1224Hz處也有譜峰存在，但不明顯。9/22/202348天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法齒輪箱的故障診斷齒輪箱常見故障斷裂：41%疲勞（點(diǎn)蝕、剝落）：31%齒面劃痕：10%磨損：10%其他：如塑變、腐化：8%1、嚙合頻率及其高次諧波2、磨損時(shí)諧波較基頻幅值增加快3、由調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的邊頻帶〔除磨損外〕4、寄生成分：加工分度誤差引起，載荷大寄生力大齒輪箱故障信號(hào)特征：9/22/202349天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法齒輪箱的故障診斷1、嚙合頻率及其高次諧波

齒輪在嚙合過程中載荷的分配是變化的，載荷的變化會(huì)引起齒輪剛性的變化，從而引起齒輪的振動(dòng)，這種振動(dòng)通常稱為嚙合振動(dòng)。該振動(dòng)在頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率及其高次諧波。均勻磨損后嚙合頻率及其高次諧波振動(dòng)分量的幅值都會(huì)上升，但基頻增長(zhǎng)較慢，而高次諧波分量的增長(zhǎng)比基頻快。齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)波形及其頻頻9/22/202350天津大學(xué)機(jī)電科技中心2、由調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的邊頻帶在一對(duì)齒輪嚙合過程中，其嚙合頻率及其高次諧波可以看作一個(gè)高頻振蕩〔載波〕，而那些在每周呈現(xiàn)出一次或二次的振動(dòng)信號(hào)，如齒面上的點(diǎn)蝕、剝落后引起的振動(dòng)信號(hào)〔故障信號(hào)〕可視為緩變信號(hào)〔調(diào)制信號(hào)〕。兩種信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制效應(yīng)。在頻譜圖中，兩譜線間的間隔就是調(diào)制信號(hào)的頻率，這是非常有價(jià)值的診斷信號(hào)。找出調(diào)制信號(hào)的頻率，就可判斷其相應(yīng)的故障。機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法齒輪箱的故障診斷幅值調(diào)制過程9/22/202351天津大學(xué)機(jī)電科技中心3、寄生成分〔鬼線〕機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法齒輪箱的故障診斷

鬼線是頻譜圖上的一個(gè)頻率分量，其產(chǎn)生的原因?yàn)榧庸み^程給一個(gè)齒輪帶來的周期性缺陷，缺陷來源于分度渦輪、蝸桿及齒輪的誤差。鬼線是由一定的幾何誤差產(chǎn)生的，載荷改變對(duì)其影響很小。磨損使鬼線分量幅值減小，卻使其嚙合頻率下的幅值增大。9/22/202352天津大學(xué)機(jī)電科技中心齒輪箱的故障診斷(頻譜細(xì)化法)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法頻譜細(xì)化分析是近幾年開展起來的一項(xiàng)信號(hào)處理的新技術(shù)。能夠以指定的、足夠高的頻率，分析頻率軸上任一窄帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，獲得更高的頻率分辨率。右圖是某齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)。細(xì)化后發(fā)現(xiàn)嚙合頻率2252Hz附近調(diào)制了大量的低速軸的轉(zhuǎn)頻譜線，判斷齒輪存在嚴(yán)重磨損或斷齒。停機(jī)檢修斷定診斷是正確的。某齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)波形、頻譜及其細(xì)化譜9/22/202353天津大學(xué)機(jī)電科技中心齒輪箱的故障診斷(倒頻譜分析)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法倒頻譜分析能區(qū)別出因調(diào)制而引起的功率譜中的周期分量，診斷出調(diào)制源。倒譜將信號(hào)變換到一個(gè)新的時(shí)間域－倒頻域。倒頻譜能將原來譜圖上成簇的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，以便觀察。從而可是別處復(fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)，別離和提取出密集信號(hào)中的周期成分。這對(duì)于具有周期成分及度成分邊頻帶等復(fù)雜信號(hào)的識(shí)別尤為有效。倒頻譜的根本步驟9/22/202354天津大學(xué)機(jī)電科技中心齒輪箱的故障診斷(倒頻譜分析)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法右上圖是某齒輪箱的時(shí)域波形，中圖是其倒頻譜圖，以下圖為低頻信號(hào)擴(kuò)展后的頻譜圖。圖中可以清楚地看到主要特征頻率對(duì)應(yīng)地時(shí)域點(diǎn)，如5軸和6軸嚙合頻率3.695Hz對(duì)應(yīng)地269.87ms?？梢耘袛噙@兩軸的嚙合齒輪之間出現(xiàn)了均勻磨損。同時(shí)還可看到點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率16.93Hz及其2倍頻33.77Hz出幅值較大，由此可以判斷蹲在電機(jī)轉(zhuǎn)子初始不平衡和不對(duì)中現(xiàn)象。9/22/202355天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)〔系統(tǒng)方案〕上海吳中泵站水泵單機(jī)組在線監(jiān)測(cè)9/22/202356天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)〔硬件方案〕工控計(jì)算機(jī)A/D變換器采樣保持抗混濾波增益控制調(diào)理器預(yù)處理器數(shù)據(jù)采集器ICP集成壓電傳感器9/22/202357天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)〔軟件功能〕數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊設(shè)置巡檢路徑數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)庫(kù)建立主控模塊信號(hào)分析模塊軸承數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)備檔案庫(kù)報(bào)表管理動(dòng)態(tài)報(bào)警門限數(shù)字濾波零均值處理時(shí)域統(tǒng)計(jì)頻域分析故障診斷模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

特征量提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法線性回歸預(yù)測(cè)模型時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型灰色預(yù)測(cè)模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型原始數(shù)據(jù)管理去除趨勢(shì)項(xiàng)非線性回歸預(yù)測(cè)模型

時(shí)頻/小波分析軸心軌跡特征頻率計(jì)算軸心軌跡加窗處理趨勢(shì)提取9/22/202358天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)〔系統(tǒng)特色〕采用高性能ICP傳感器精度好，抗干擾性能強(qiáng)。抗混濾波、程控增益等信號(hào)調(diào)理單元，保證信號(hào)的正確、可靠采集。實(shí)時(shí)連續(xù)大樣本采集，保證信號(hào)不丟點(diǎn)。在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，便于突發(fā)故障檢測(cè)自動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于精密分析。16種參數(shù)報(bào)警、頻帶窄帶多級(jí)報(bào)警。強(qiáng)大的軸承數(shù)據(jù)庫(kù)功能。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。時(shí)、頻域、小波、倒譜等強(qiáng)大信號(hào)分析功能。9/22/202359天津大學(xué)機(jī)電科技中心參數(shù)報(bào)警返回9/22/202360天津大學(xué)機(jī)電科技中心窄帶報(bào)警返回9/22/202361天津大學(xué)機(jī)電科技中心軸承數(shù)據(jù)庫(kù)返回9/22/202362天津大學(xué)機(jī)電科技中心遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)返回9/22/202363天津大學(xué)機(jī)電科技中心頻譜分析返回

下一頁9/22/202364天津大學(xué)機(jī)電科技中心小波分析返回

下一頁9/22/202365天津大學(xué)機(jī)電科技中心譜陣分析返回

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下一頁9/22/202369天津大學(xué)機(jī)電科技中心遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析與管理返回

下一頁9/22/202370天津大學(xué)機(jī)電科技中心現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖1返回

下一頁9/22/202371天津大學(xué)機(jī)電科技中心現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖2返回

下一頁9/22/202372天津大學(xué)機(jī)電科技中心現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖3返回

下一頁9/22/202373天津大學(xué)機(jī)電科技中心現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖4返回9/22/202374天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷五、相關(guān)研究成果車輛故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)車輛變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)診斷技術(shù)是對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，然后采用各種分析方法和智能診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，判斷故障源及故障程度，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的趨勢(shì)，從而進(jìn)行有針對(duì)性地維修和保養(yǎng)。9/22/202375天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷五、相關(guān)研究成果便攜式故障診斷分析儀TD2000系列便攜式故障診斷分析儀采用高性能計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡，具有抗振性好、抗干擾能力強(qiáng)、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，特別應(yīng)用于野外作業(yè)及惡劣工況條件下進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)分析。

9/22/202376天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷五、相關(guān)研究成果嵌入式便攜故障診斷分析儀嵌入式便攜故障診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)是由天津大學(xué)機(jī)電科技中心開發(fā)的，該系統(tǒng)提供了一整套應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)測(cè)維修的集成解決方案。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的在線采集、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)，并與工廠的設(shè)備管理系統(tǒng)無縫集成，從而充分滿足關(guān)鍵設(shè)備的巡檢、點(diǎn)檢的需要。

9/22/202377天津大學(xué)機(jī)電科技中心機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷五、相關(guān)研究成果便攜式故障診斷分析儀基于筆記本和USB接口的TD2000B型故障診斷分析儀具有熱插拔、攜帶方