振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

第2章機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

返回章目錄第一節(jié)概述第二節(jié)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)第三節(jié)噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)第四節(jié)溫度檢測(cè)技術(shù)1振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.1概述2.1.1機(jī)械故障及其分類

機(jī)械故障，就是指機(jī)械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺(tái)設(shè)備乃至一系列的設(shè)備組合）因偏離其設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。通常見到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)不起來、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、汽車制動(dòng)不靈、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)異常的聲音等都是機(jī)械故障的表現(xiàn)形式。

依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械故障可以分為很多種，對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行很好的分類后就能更好的針對(duì)不同的故障形式采取相應(yīng)的對(duì)策，常見的故障分類見表2-12振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.1概述分類依據(jù)故障名稱定義按故障性質(zhì)分暫時(shí)性故障永久性故障按引發(fā)故障的過程速率分突發(fā)性故障漸發(fā)性故障按故障發(fā)生的時(shí)期分（設(shè)備故障率如圖2-1所示，這種分類方法即按故障發(fā)生的時(shí)期分，對(duì)設(shè)備的維修工作具有重大意義）

早期故障使用期故障后期故障按故障的表現(xiàn)形式分結(jié)構(gòu)型故障參數(shù)型故障按故障機(jī)理分磨損腐蝕結(jié)構(gòu)失效系統(tǒng)失效表2-1常見的機(jī)械故障分類3振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.1概述圖2-1設(shè)備故障率曲線4振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.1概述2.1.2機(jī)械故障診斷的基本方法及分類機(jī)械故障診斷可以如下分類:1.按診斷參數(shù)分類振動(dòng)診斷適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械、軸承、齒輪等。溫度診斷適用于工業(yè)爐窯、熱力機(jī)械、電機(jī)、電器等。如紅外測(cè)溫監(jiān)控技術(shù)聲學(xué)診斷適用于壓力容器、往復(fù)機(jī)械、軸承、齒輪等。如管壁測(cè)厚、聲發(fā)射診斷技術(shù)。光學(xué)診斷適用于探測(cè)腔室和管道內(nèi)部的缺陷。如光學(xué)探傷法。油液分析、污染診斷適用于齒輪箱、設(shè)備潤滑系統(tǒng)、電力變壓器等。如鐵譜分析技術(shù)。壓力診斷適用于液壓系統(tǒng)、流體機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)和液力耦合器等。強(qiáng)度診斷適用于工程結(jié)構(gòu)、起重機(jī)械、鍛壓機(jī)械等。電參數(shù)診斷適用于電機(jī)、電器、輸變電設(shè)備、電工儀表等。5振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.1概述2.按目的分:（1）功能診斷（2）運(yùn)行診斷對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)診斷，了解其故障的情況。3.按周期分:（1）定期診斷每隔一定時(shí)間對(duì)監(jiān)測(cè)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和分析；

（2）連續(xù)診斷利用現(xiàn)代測(cè)試手段對(duì)設(shè)備連續(xù)進(jìn)行監(jiān)控和診斷。4.按提取信息的方式分:（1）直接診斷直接根據(jù)主要零件的信息確定設(shè)備的狀態(tài)，如主軸的裂紋、管道的壁厚等；

（2）間接診斷利用二次診斷信息來判斷主要零部件的故障，多數(shù)二次診斷信息屬于綜合信息；5.按診斷時(shí)所要求的機(jī)械運(yùn)行工況條件分:（1）常規(guī)工況診斷（2）特殊工況診斷6振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.1機(jī)械振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中常遇到的振動(dòng)有：周期振動(dòng)、近似周期振動(dòng)、窄帶隨機(jī)振動(dòng)和寬帶隨機(jī)振動(dòng)，以及其中幾種振動(dòng)的組合。周期振動(dòng)和近似周期振動(dòng)屬確定性振動(dòng)范圍，由簡諧振動(dòng)及簡諧振動(dòng)的疊加構(gòu)成。

1.簡諧振動(dòng)簡諧振動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)中最基本、最簡單的振動(dòng)形式。其振動(dòng)位移x與時(shí)間t的關(guān)系可用正弦曲線表示，表達(dá)式為：

式中：D：振幅，又稱峰值（mm或）；

T：振動(dòng)的周期，即再現(xiàn)相同振動(dòng)狀態(tài)的最小時(shí)間間隔（s）；

φ：振動(dòng)的初相位（rad）。7振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.實(shí)測(cè)的機(jī)械振動(dòng)：(1)振幅振幅表征機(jī)械振動(dòng)的強(qiáng)度和能量，通常以峰值、平均值和有效值表征。1)峰值Xp表示振幅的單峰值，在實(shí)際振動(dòng)波形中，單峰值表示振動(dòng)瞬時(shí)沖擊的最大幅值。Xp-p表示振幅的雙峰值，又稱峰-峰值，它反映了振動(dòng)波形的最大偏移量。2)平均值表示振幅的平均值，是在時(shí)間T范圍內(nèi)設(shè)備振動(dòng)的平均水平，其表達(dá)式為：8振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)3)有效值表示振幅的有效值，他表示了振動(dòng)的破壞能力，是衡量振動(dòng)能量大小的量。ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，振動(dòng)速度的方均根值即有效值，為“振動(dòng)烈度”，作為衡量振動(dòng)強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)注。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(2)頻率頻率是振動(dòng)的重要特征之一。不同的結(jié)構(gòu)、不同的零部件、不同的故障源，則產(chǎn)生不同頻率的機(jī)械振動(dòng)。(3)相位不同振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)都有各自的相位。對(duì)于兩個(gè)振源，相位相同可使振幅疊加，產(chǎn)生嚴(yán)重后果；反之，相位相反可能引起振動(dòng)抵消，起到減振的作用。9振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.2機(jī)械振動(dòng)的信號(hào)分析

設(shè)備故障診斷的內(nèi)容包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析診斷和故障預(yù)測(cè)三個(gè)方面。其具體實(shí)施過程可以歸納為以下四個(gè)方面。（1）信息采集；（2）信號(hào)處理；（3）狀態(tài)識(shí)別；（4）診斷決策診斷內(nèi)容如圖2-2所示：圖2-2設(shè)備診斷過程

10振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄1.數(shù)字信號(hào)采集

機(jī)械故障診斷與監(jiān)測(cè)所需的各種機(jī)械狀態(tài)量（振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等）一般用相應(yīng)的傳感器換為電信號(hào)再進(jìn)行深處理。通常傳感器獲得的電信號(hào)為模擬信號(hào)，它是隨時(shí)間連接變化的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，信號(hào)分析中一般都將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種計(jì)算和處理。（1）采樣采樣是指將所得到的連續(xù)信號(hào)離散為數(shù)字信號(hào)，其過程包括取樣和量化兩個(gè)步驟。（2）采樣間隔及采樣定理根據(jù)Shannon采樣定理，帶限信號(hào)（信號(hào)中的頻率成分）不丟失信息的最低采樣頻率為：式中：——原信號(hào)中最高頻率成分的頻率。2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)11振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.振動(dòng)信號(hào)的幅值域分析3.

振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析4.

振動(dòng)信號(hào)的頻域分析（1）傅里葉變換（FT）

數(shù)學(xué)算法把一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)分解成一系列（有限或無限個(gè)）簡單的正弦和余弦波，時(shí)域變換成頻域，也就是將一個(gè)組合振動(dòng)分解為它的各個(gè)頻率分量，把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜。按照傅里葉變換的原理，任何一個(gè)平穩(wěn)信號(hào)（不管如何復(fù)雜），都可以分解成若干個(gè)諧波分量之和，即:式中：

式中：——直流分量(mm)；——諧波分量，單位為mm；k=1,2,···········2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)12振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄時(shí)域函數(shù)的傅里葉變換為：相應(yīng)的時(shí)域函數(shù)也可用X(f)的傅里葉逆變換表示為：———諧波分量振幅(mm)；————基波頻率，即一次諧波頻率；t——時(shí)間(s)；——諧波分量初相角(rad)。2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)13振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄

工程中的復(fù)雜振動(dòng)，正是通過傅里葉變換得到頻譜，再以頻譜圖為依據(jù)來判斷故障的部位以及故障的嚴(yán)重程度的。如圖2-5所示為將采集的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻譜。圖2-5各種傅里葉變換2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)14振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2.3振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷的常用儀器設(shè)備渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器的工作原理，如圖2-6所示。在傳感器的端部有一線圈，線圈中有頻率較高（1～2MHz）的交變電壓通過。當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出渦流，而所形成的磁通又穿過原線圈。這樣，原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感。它將位移的變化線性地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)以便進(jìn)行測(cè)量。圖2-6渦流式位移傳感器的工作原理圖

2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)15振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.

磁電式速度傳感器

磁電式速度傳感器的工作原理如圖2-8所示，其主要組成部分包括線圈、磁鐵和磁路。磁路里留有圓環(huán)形空氣間隙，而線圈處于氣隙內(nèi)，并在振動(dòng)時(shí)相對(duì)于氣隙運(yùn)動(dòng)。磁電式速度傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里面切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（傳感器的輸出電壓）與線圈相對(duì)于磁力線的運(yùn)動(dòng)速度成正比。圖2-8磁電式速度傳感器的工作原理

16振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)3.壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)制成的機(jī)電換能器。某些晶體材料，如天然石英晶體和人工極化陶瓷等，在承受一定方向的外力而變形時(shí)，會(huì)因內(nèi)部極化現(xiàn)象而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，材料又回復(fù)不帶電狀態(tài)。這些材料能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，利用材料壓電效應(yīng)制成的傳感器稱為壓電式傳感器。目前用于制造壓電式加速度傳感器的材料主要分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類。當(dāng)壓電式傳感器承受機(jī)械振動(dòng)時(shí)，在它的輸出端能產(chǎn)生與所承受的加速度成正比例的電荷或電壓量。與其它種類傳感器相比，壓電式傳感器具有靈敏度高、頻率范圍寬、線性動(dòng)態(tài)范圍大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此成為振動(dòng)測(cè)量的主要傳感器形式。17振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

常見的壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。壓電元件在正應(yīng)力及切應(yīng)力作用之下都能在極化面上產(chǎn)生電荷，因此在結(jié)構(gòu)上有中心壓縮式和剪切式兩種類型。圖2-9壓電式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)(a)周邊壓縮式(b)中心壓縮式(c)倒置中心壓縮式(d)剪切式1—機(jī)座；2—壓電元件；3—質(zhì)量塊；4—預(yù)緊彈簧；5—輸出引線

18振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)4.記錄儀器

記錄儀用來記錄和顯示被測(cè)振動(dòng)隨時(shí)間的變化曲線（時(shí)域波形）或頻譜圖。如電子示波器、光電示波器、磁帶記錄儀、X-Y記錄儀、電平記錄儀等。對(duì)于測(cè)量沖擊和瞬態(tài)過程，可采用記憶式示波器和瞬態(tài)記錄儀。5.振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析儀器（1）設(shè)備簡易診斷儀器。簡易診斷儀器通過測(cè)量振動(dòng)幅值的部分參數(shù)，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)作出初步判斷。這種儀器體積小，價(jià)格便宜，易于掌握，適合由工段、班組一級(jí)來組織實(shí)施進(jìn)行日常測(cè)試和巡檢。按其功能可分為：振動(dòng)計(jì)、振動(dòng)測(cè)量儀和沖擊振動(dòng)測(cè)量儀等。（2）振動(dòng)信號(hào)分析儀。信號(hào)分析儀種類很多，一般由信號(hào)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、存儲(chǔ)、分析等部分組成，有的還配有軟盤驅(qū)動(dòng)器，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。（3）離線監(jiān)測(cè)與巡檢系統(tǒng)。離線監(jiān)測(cè)與巡檢系統(tǒng)一般由傳感器、采集器、監(jiān)測(cè)診斷軟件和微機(jī)組成，有時(shí)也稱為設(shè)備預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)。

19振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)（5）網(wǎng)絡(luò)化在線巡檢系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化在線巡檢系統(tǒng)由固定安裝的振動(dòng)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測(cè)診斷軟件和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等組成，也可直接連接在監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)之后。（6）高速在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。對(duì)于石化、冶金、電力等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備的重要部件可采用高速在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)通道的振動(dòng)信號(hào)連續(xù)、并行地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和診斷。

（7）故障診斷專家系統(tǒng)。診斷的專家系統(tǒng)是一種基于人工智能的計(jì)算機(jī)診斷系統(tǒng)，能夠模擬故障診斷專家的思維方式，運(yùn)用已有的診斷理論和專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和推斷，并能在實(shí)踐中不斷修改、補(bǔ)充和完善知識(shí)庫，提高診斷專家系統(tǒng)的性能和水平。20振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.4實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)診斷的步驟

通觀振動(dòng)診斷的全過程，診斷步驟可概括為3個(gè)環(huán)節(jié)，即：準(zhǔn)備工作、診斷實(shí)施、決策與驗(yàn)證。

1．確定、了解診斷對(duì)象

診斷的對(duì)象就是機(jī)器設(shè)備。根據(jù)企業(yè)自身的生產(chǎn)特點(diǎn)以及各類設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)、組成情況，有重點(diǎn)地選定作為診斷對(duì)象的設(shè)備。一般來說，這些設(shè)備應(yīng)該是如下幾種情況。①稀有、昂貴、大型、精密、無備臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備。②連續(xù)化、快速化、自動(dòng)化、流程化程度高的設(shè)備③一旦發(fā)生故障可能造成很大經(jīng)濟(jì)損失，或是環(huán)境污染，或是人身傷亡事故等影響的設(shè)備。④故障率高的設(shè)備21振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

在確定了診斷對(duì)象的范圍后，在實(shí)施設(shè)備診斷之前，必須對(duì)每臺(tái)診斷對(duì)象的各個(gè)方面有充分的認(rèn)識(shí)了解，就像醫(yī)生治病必須熟悉人體的構(gòu)造一樣，有很多企業(yè)的故障診斷從業(yè)人員在對(duì)本企業(yè)設(shè)備進(jìn)行診斷時(shí)往往比信號(hào)分析專家更準(zhǔn)確，就是因?yàn)樗麄冏龅搅藢?duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備了如指掌。所以了解診斷對(duì)象是開展現(xiàn)場(chǎng)診斷的第一步。概括起來,對(duì)一臺(tái)列為診斷對(duì)象的設(shè)備要著重掌握5個(gè)方面的內(nèi)容：（1）設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要掌握兩點(diǎn)：①搞清楚設(shè)備的基本組成部分及其連接關(guān)系。②必須查明各主要零件（特別是運(yùn)動(dòng)零件）的型號(hào)、規(guī)格、結(jié)構(gòu)參數(shù)及數(shù)量等，并在結(jié)構(gòu)圖上標(biāo)明，或另予說明。22振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)（2）機(jī)器的工作原理和運(yùn)行特性主要要了解以下內(nèi)容：①各主要零部件的運(yùn)動(dòng)方式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還是往復(fù)運(yùn)動(dòng)。②機(jī)器的運(yùn)動(dòng)特性：平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)還是沖擊性運(yùn)動(dòng)。③轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度：低速（＜600r/min）、中速（600～6000r/min）還是高速（＞6000r/min）；勻速還是變速。④機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)及振動(dòng)測(cè)量時(shí)的工況參數(shù)值，如：排出壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、電流、電壓等。（3）機(jī)器的工作條件主要了解以下幾項(xiàng)：①載荷性質(zhì)：均載、變速還是沖擊負(fù)載②工作介質(zhì)：有無塵埃、顆粒性雜質(zhì)或腐蝕性氣體。③周圍環(huán)境：有無嚴(yán)重的干擾（或污染）源存在，如振源、熱源、粉塵等。（4）設(shè)備基礎(chǔ)形式及狀況：搞清楚是剛性基礎(chǔ)還是彈性基礎(chǔ)。（5）主要技術(shù)檔案資料23振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.確定診斷方案

在對(duì)診斷對(duì)象全面了解的基礎(chǔ)上，接著就要確定具體的診斷方案。診斷方案正確與否，關(guān)系到能否獲得必要充分的診斷信息，必須慎重對(duì)待。一個(gè)比較完整的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)診斷方案應(yīng)包括下列內(nèi)容。（1）選擇測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)就是機(jī)器上被測(cè)量的部位，它是獲取診斷信息的窗口。測(cè)點(diǎn)選擇正確與否，關(guān)系到能否獲得人們所需要的真實(shí)完整的狀態(tài)信息。只有在對(duì)診斷對(duì)象充分了解的基礎(chǔ)上，才能根據(jù)診斷目的恰當(dāng)?shù)剡x擇測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)滿足下列要求。

①對(duì)振動(dòng)反應(yīng)敏感。②信息豐富。③適應(yīng)診斷目的。⑤符合安全操作要求。④適于安置傳感器。24振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

有些設(shè)備的振動(dòng)特性有明顯的方向性，不同方向的振動(dòng)信號(hào)也往往包含著不同的故障信息。因此，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)一般都應(yīng)測(cè)量3個(gè)方位，即水平方向、垂直方向和軸向，如圖2-11所示。測(cè)點(diǎn)一經(jīng)確定后，就要經(jīng)常在同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。這要求必須在每個(gè)測(cè)點(diǎn)的3個(gè)測(cè)量方位處作出永久性標(biāo)記，如使用油漆或打上樣沖眼，或加工出固定傳感器的螺孔。尤其對(duì)于環(huán)境條件差的場(chǎng)合，這一點(diǎn)更加重要，在測(cè)高頻振動(dòng)時(shí)，曾經(jīng)出現(xiàn)過測(cè)定點(diǎn)偏移幾毫米后，測(cè)定值相差6倍的情況。圖2-11測(cè)點(diǎn)的3個(gè)測(cè)量方向25振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)（2）預(yù)估頻率和振幅

振動(dòng)測(cè)量前，對(duì)所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍和幅值大小要作一個(gè)基本的估計(jì)，為選擇傳感器、測(cè)量儀和測(cè)量參數(shù)、分析頻帶提供依據(jù)，同時(shí)防止漏檢某些可能存在的故障信號(hào)而造成誤判或漏診。（3）選擇與安裝傳感器

用于測(cè)量振動(dòng)的傳感器有3種，一般都是根據(jù)所測(cè)量的參數(shù)類別選用：測(cè)量位移采用渦流式位移傳感器，測(cè)量速度采用電動(dòng)式速度傳感器，測(cè)量加速度采用壓電式加速度傳感器。

表2-4是壓電式加速度傳感器幾種常用安裝形式的性能比較，其中采用螺紋連接測(cè)試結(jié)構(gòu)最為理想。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量時(shí)，尤其是對(duì)于大范圍的普查測(cè)試，由于采用永久磁座安裝最簡便且性能適中，因此是最常用的方法。26振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)安裝方法及頻響范圍（±3dB）優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)手持鋼探桿：1～1000Hz手持鋁探桿：1～700Hz附著快速適用各種表面頻率范圍有限注意手持方法磁座：1～2000Hz附著快速頻率范圍有限機(jī)器上須有鐵磁性表面，該表面必須干凈螺紋連接：1～10000Hz可用頻率范圍寬測(cè)量重現(xiàn)性最佳需有螺孔接頭，費(fèi)時(shí)間表2-4壓電式加速度傳感器常用安裝方法及特點(diǎn)

27振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)3．進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量與信號(hào)分析

在確定了診斷方案（目前的頻譜分析儀還包括建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、設(shè)置巡檢路線等步驟）之后，根據(jù)診斷目的對(duì)設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量。在所測(cè)量參數(shù)中必須包括標(biāo)準(zhǔn)中所采用的參數(shù)，以便在作狀態(tài)識(shí)別時(shí)使用。如果沒有特殊情況，每個(gè)測(cè)點(diǎn)必須測(cè)量水平、垂直和軸向3個(gè)方向的振動(dòng)值。4．實(shí)施狀態(tài)判別根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和信號(hào)分析所得到的信息，對(duì)設(shè)備狀態(tài)作出判斷。首先判斷它是否正常，然后對(duì)存在異常的設(shè)備作進(jìn)一步分析，指出故障的原因、部位和程度。對(duì)那些不能用簡易診斷解決的疑難故障，須動(dòng)用精密手段加以確診。5．作出診斷決策通過測(cè)量分析、狀態(tài)識(shí)別等幾個(gè)程序，弄清了設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，為處理決策創(chuàng)造了條件。這時(shí)應(yīng)當(dāng)提出處理意見，或是繼續(xù)運(yùn)行，或是停機(jī)修理。對(duì)需要修理的設(shè)備，應(yīng)當(dāng)指出修理的具體內(nèi)容，如待處理的故障部位、所需要更換的零部件等。6．檢查驗(yàn)證28振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.5軸承故障的振動(dòng)診斷

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械零件，它的工作好壞對(duì)機(jī)器的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，甚至造成設(shè)備損壞。1.滾動(dòng)軸承的常見故障（1）磨損（2）疲勞（3）壓痕（4）腐蝕（5）電蝕（6）破裂（7）膠合（粘著）（8）保持架損壞2.滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻率特征29振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

如圖2-12所示為滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)。假設(shè)滾道面與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng)，承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無變形，外圈固定，則滾動(dòng)軸承工作時(shí)的特征頻率如下：(1)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率滾動(dòng)軸承工作時(shí)多數(shù)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，也可能外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，但外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于帶動(dòng)滾珠的線速度大，故軸承的壽命約減少1/3。轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可由它們的轉(zhuǎn)速n(r/min)求得：(2)滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率

(3)滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率（即保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）30振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)（4）滾動(dòng)體通過內(nèi)圈的一個(gè)缺陷時(shí)的沖擊振動(dòng)頻率（5）滾動(dòng)體通過外圈的一個(gè)缺陷時(shí)的沖擊振動(dòng)頻率式中D——滾動(dòng)體節(jié)徑（即滾動(dòng)體中心所在圓的直徑）（mm）；

d——滾動(dòng)體直徑（mm）；

z——滾動(dòng)體數(shù)目；

α——接觸角。31振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)圖2-12滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)

32振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)3.滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測(cè)量4.振動(dòng)信號(hào)分析診斷方法滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)分析故障診斷方法和精密診斷方法兩種。（1）滾動(dòng)軸承故障的簡易診斷法：在利用振動(dòng)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行簡易診斷的過程中，通常是將測(cè)得的振幅值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)測(cè)的振幅值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。①振幅值監(jiān)測(cè)。②峰值系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。③峭度系數(shù)檢測(cè)。④沖擊脈沖法（SPM法）。⑤共振調(diào)解法（IFD法）33振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)(2)滾動(dòng)軸承故障的精密診斷法

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率成分十分豐富，既含有低頻成分，又含有高頻成分，而且每一種特定的故障都對(duì)應(yīng)有特定的頻率成分。①低頻信號(hào)分析法。②中、高頻信號(hào)絕對(duì)值分析法。34振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.6齒輪故障的振動(dòng)診斷

齒輪故障診斷的困難在于信號(hào)在傳遞中所經(jīng)的環(huán)節(jié)較多（齒輪-軸-軸承-軸承座-測(cè)點(diǎn)），高頻信號(hào)在傳遞中基本喪失，故需借助于較為細(xì)致的信號(hào)分析技術(shù)達(dá)到提高信噪比和有效地提取故障特征的目的。這一過程很難在一個(gè)簡單儀器中實(shí)現(xiàn)，所以到目前為止，還沒有專門的齒輪診斷儀問世。1.齒輪的異常及常見失效形式齒輪的異常通常包括以下三個(gè)方面：（1）制造誤差

(3)齒輪的損傷（2）裝配誤差35振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻率特征

振動(dòng)和噪聲信號(hào)是齒輪故障特征信息的載體，目前能夠通過各種振動(dòng)信號(hào)傳感器、放大器及其他測(cè)量儀器測(cè)量出齒輪箱的振動(dòng)和噪音信號(hào)，通過各種分析與識(shí)別仍然是最為有效的方法。但也應(yīng)看到，在許多情況下，從齒輪的嚙合波形也可以直接觀察出故障。

(1)嚙合頻率（2）齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制（3）齒輪振動(dòng)信號(hào)中的其它成分3.齒輪的振動(dòng)測(cè)量4.齒輪的簡易診斷方法36振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)2.2.7旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的振動(dòng)診斷

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指那些主要功能是有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來完成的機(jī)械,例如離心式壓力機(jī)、汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、離心機(jī)、發(fā)電機(jī)、離心泵等。由于轉(zhuǎn)子、軸承、殼體、聯(lián)軸體、密封和基地等部分的結(jié)構(gòu)、加工及安裝方面的缺陷，使機(jī)械在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；機(jī)械運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行、操作、環(huán)境等方面的原因所造成的機(jī)械狀態(tài)的劣化，也會(huì)表現(xiàn)為振動(dòng)的異常。（1）轉(zhuǎn)子不平衡在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的各種異常現(xiàn)象中，由于不平衡造成的振動(dòng)的情形占有很高的比例。由轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心之間的物理差異所引起的不平衡一般可分以下三種形式：①靜不平衡。③動(dòng)不平衡。②偶不平衡。37振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)（2）轉(zhuǎn)子軸線不對(duì)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械在安裝時(shí)應(yīng)保證良好的對(duì)中，即連接的轉(zhuǎn)子中心線為一條連續(xù)的直線，并且軸承標(biāo)高應(yīng)能適應(yīng)轉(zhuǎn)子軸心曲線運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，否則轉(zhuǎn)子軸線會(huì)產(chǎn)生不對(duì)中。旋轉(zhuǎn)機(jī)械因?qū)χ胁涣伎梢鸲喾N故障：①導(dǎo)致動(dòng)、靜部件磨損，引起轉(zhuǎn)軸熱彎曲。②改變軸系臨界轉(zhuǎn)速，使軸系振型變化或引起共振。③使軸承載荷分配不均，惡化軸承工作狀態(tài)，引起半速渦動(dòng)或油膜振蕩，甚至引起軸瓦升溫，燒毀軸瓦。（3）機(jī)械松動(dòng)（4）油膜渦動(dòng)和油膜振蕩38振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

機(jī)器運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲是反映機(jī)器工作狀態(tài)的診斷信息的重要來源。只要抓住所研究的機(jī)器零部件的生振發(fā)聲的機(jī)理和特征，就可對(duì)機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行診斷。在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)中，噪聲監(jiān)測(cè)也是較常用的方法之一。2.3.1噪聲測(cè)量聲音的主要特征量為聲壓、聲強(qiáng)、頻率，質(zhì)點(diǎn)振速和聲功率等，其中聲壓和聲強(qiáng)是兩個(gè)主要參數(shù)，也是測(cè)量的主要對(duì)象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在機(jī)器噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)中，廣泛用FFT分析儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲源頻譜分析。另外還采用了雙話筒互譜技術(shù)進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量，利用聲強(qiáng)的方向性進(jìn)行故障定位和現(xiàn)場(chǎng)條件下的聲功率級(jí)的確定。1.噪聲測(cè)量用的傳聲器39振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

傳聲器按機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的方式不同，分為電容式傳聲器（其結(jié)構(gòu)如圖2-16所示）、壓電式傳聲器（如圖2-17所示）和駐極體式傳聲器。

圖2-16電容式傳聲器結(jié)構(gòu)簡圖圖2-17壓電式傳聲器結(jié)構(gòu)簡圖

2.聲級(jí)計(jì)聲級(jí)計(jì)是現(xiàn)場(chǎng)噪音測(cè)量中最基本的噪音測(cè)量儀器，可直接測(cè)量出聲壓級(jí)。一般由傳聲器、輸入放大器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、帶通濾波器、輸出放大器、檢波器和顯示裝置所組成40振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

2.3.2噪聲源與故障源識(shí)別

噪聲檢測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是通過噪聲測(cè)量和分析來確定機(jī)器設(shè)備故障的部位和程度。首先必須尋找和估計(jì)噪聲源，進(jìn)而研究其頻率組成和各分量的變化情況。從中提取機(jī)器運(yùn)行狀況的信息。噪聲識(shí)別的方法很多、從復(fù)雜程度、精度高低以及費(fèi)用大小等方面均有很多大差別，這里介紹幾種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用的識(shí)別方法。1.主觀評(píng)價(jià)和估計(jì)方法2.近場(chǎng)測(cè)量法3.表面振速測(cè)量法4.頻譜分析法5.聲強(qiáng)法41振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

2.4溫度檢測(cè)技術(shù)2.4.1溫度測(cè)量基礎(chǔ)1.溫度與溫標(biāo)(1)溫度溫度是一個(gè)很重要的物理量，他表示物體的冷熱程度，也是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。(2)溫標(biāo)用來量度物體溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度叫作溫度標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo)。2.溫度測(cè)量方式溫度測(cè)量方式可分為接觸式與非接觸式兩類。3.常用的溫度檢測(cè)儀表、儀器常見測(cè)溫儀表見表2-7。

42振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

測(cè)溫方式分類名稱作用原理接觸測(cè)溫膨脹式溫度計(jì)：液體式、固體式液體或固體受熱膨脹壓力表溫度計(jì)：液體式、氣體式、蒸氣式封閉的固體容積中的液體、氣體或某種液體的飽和蒸氣受熱體積膨脹或壓力變化電阻溫度計(jì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體受熱電阻變化熱電偶溫度計(jì)物體的熱電性質(zhì)非接觸測(cè)溫光電高溫計(jì)物體的熱輻射光學(xué)高溫計(jì)紅外測(cè)溫儀紅外熱像儀紅外熱電視表2-7測(cè)溫儀表、儀器分類表

43振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

2.4.2接觸式溫度測(cè)量常用于設(shè)備診斷的接觸式溫度檢測(cè)儀表有下列幾種：1.熱膨脹式溫度計(jì)這種溫度計(jì)是利用液體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)制成的，如水銀溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力表式溫度計(jì)等。2.電阻式溫度用于電阻式溫度計(jì)的感溫元件有金屬絲電阻及熱敏電阻。（1）金屬絲電阻溫度計(jì)常用的測(cè)溫電阻絲材料有鉑、銅、鎳（2）半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)半導(dǎo)體熱敏電阻通常是用鐵，錳，鎳，鋁，鈦，鎂，銅等一些金屬的氧化物做原料制成，也常用它們的碳酸鹽，硝酸鹽和氯化物等做原料制成。它的阻值隨溫度升高而降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)。44振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)5/8/2024返回章目錄2.3噪聲監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

3.熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線所組成，廣泛地用于300-1300℃溫度范圍內(nèi)的測(cè)溫。（1）熱電偶測(cè)溫的基本原理由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組成的閉合回路中，如果使兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度，回路就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱為熱電勢(shì)，這一現(xiàn)象即是熱電效應(yīng)，組成的器件為熱電偶。組成熱電偶的兩種導(dǎo)體，稱為熱電極。通常把一端稱為自由端、參考點(diǎn)或冷端，而另一端稱為工作端、測(cè)量端或熱端。如圖2-24所示。圖2-24熱電極

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(2)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝比較成熟、應(yīng)用廣泛