设备状态监测与故障诊断技术第4章-振动诊断方法

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第二节 振动诊断的时域分析方法
(2)利用互相关函数检测和回收隐藏在外界噪声中的有用信号的时 延，可用于汽车振源的诊断。
发动机与司机座的振动相
关性较差，而后桥与司机座 振动互相关较大，即：司机 座的振动主要由汽车后轮的 振动引起的。
司机坐振动源分析
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x
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第二节 振动诊断的时域分析方法
3．示性指标法
峰值
平均幅值
X max|x(t)|
Xp
_

偏斜度指标 (简称偏度) 峭度指标(简称峭度)
3 x3 p( x)dx


1 T |x(t)|dt 0 T
4 x 4 p( x)dx

均方根幅值(有效值)
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第三节 振动诊断的频域分析方法
每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 齿轮的啮合刚度就变化一次。变化曲线如图4-6所示。可见 直齿轮刚度变化较为陡峭，斜齿轮或人字齿轮刚度变化较为 平缓，这也是斜齿轮或人字齿轮相比直齿轮使用寿命长的主 要原因。
K （ t） K （ t）
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第三节 振动诊断的频域分析方法
外环故障频率
f
P44。fz〓z=n〓z/60，P41
z d n (1 cos ) 2 D 60
d D

D — 节圆直径 d — 滚珠直径 — 接触角 z — 滚珠数 n — 轴的转速
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内环故障频率
f z d n (1 cos ) 2 D 60
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第二节 振动诊断的时域分析方法
④当时间信号中包含的信息不是来自一个零件或部件，而是属于 多个元件时， 【比如在多级齿轮的振动信号中往往包含有来自高速齿轮、低 速齿轮以及轴承等部件的信息。】

可利用下列的一些无量纲示性指标进行故障诊断或趋势分析：
波形因数 X K RMS Xp
C X X RMS
滚珠故障频率
f D d 2 n 2 1 ( ) cos 60 d D
1 d n (1 cos ) 2 D 60
保持架碰外环
f
保持架碰内环
f 1 d n (1 cos ) 2 D 60
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第三节 振动诊断的频域分析方法

通过频率一般在1kHz以下，是滚动轴承重要信息特征之一。

这里顺便给出简谐振动的均方根幅值、峰值、峰—峰值与 平均幅值之间的关系，如图4-3所示。
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图4-3 有效值、峰值、峰峰值与平均值之间 的关系
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第二节 振动诊断的时域分析方法
②利用系统中某些特征点振动响应的均方根幅值/有效值作为故 障诊断的判断依据是最简单、最常用的一种方法。 适用于：设备作稳态振动的情况； 对于振动不平稳，且振动响应随时间变化时，采用振动-时间 图诊断法。 ③比值α3/(σx)3称为偏态因数（简称偏态），此处σx为标准偏差。 偏态是概率密度函数不对称性程度的度量。 比值α4/(σx)4或[α4/(σx)4－3]称为峰态因数（简称峰态），是概率密 度分布峭度程度的度量。 峭度可以用作滚动轴承故障诊断用。如轴承圈出现裂纹，滚动 元件或滚珠轴承边缘剥裂等在时域波形中都可能引起相当大的 脉冲，用峭度作为故障诊断特征量是很有效的；但用于滑动轴 承的故障诊断就不灵敏了。

目前很多公司开发的设备故障诊断系统软件均内置了轴承频率 项数据库，只需输入轴旋转频率及选择轴承生产商、轴承型号 即可自动计算出通过频率。
如美国ENTEK公司开发的EMONITOR Odyssey软件就有这一功 能，非常快捷方便。另外，也可到各大轴承制造商如日本NSK 公司网站下载轴承频率项数据库。
齿轮边带频率
=mfc〒nfz 其中，m，n=1,2,3,…。

啮合频率
下 边 频
上 边 频
随着齿轮故障的发展，边频 越来越丰富，幅值增加。 可用倒频谱作进一步分析。

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第三节 振动诊断的频域分析方法
滚动轴承频率项
滚动轴承在发生表面剥落、裂纹、压痕等滚动面局部损伤 时，会产生冲击振动。这种振动从性质上可分成两类：
第二节 振动诊断的时域分析方法
(3)根据传播路径来识别振源和故障的位置。 (4)当不能直接观测振源时：

例如，在探测地下水（油）管的泄漏位置时，就可利用图4-5所 示的配置来诊断管道的泄漏故障。当管道在某处破损时会发出漏 水声，通过管道向左右传播。在漏水段的两端布置两个传感器测 点，然后通过互相关函数求出时差τ，即可测定泄漏位置。
t (a) 直齿轮 图4-6 啮合刚度变化曲线 (b) 斜齿轮
t
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第三节 振动诊断的频域分析方法
齿轮啮合刚度的变化频率，即齿轮啮合频率：
式中： fz1——主动轮旋转频率； z1——主动轮齿数； fz2——从动轮旋转频率； z2——从动轮齿数。

fc=fz1· z1=fz2· z2
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第二节 振动诊断的时域分析方法
一、波形分析及示性指标
1．直接观察法 直接观察时域波形可以看出周期、谐波、脉冲，利用波 形分析可直接识别共振现象和拍频现象。

适用于：典型信号、特征明显的信号、经验丰富人员。
2．概率分析法 采用时间历程的概率分布来描述各态历经的随机过程。
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第二节 振动诊断的时域分析方法
概率密度函数的估计
Tx Pr x x(t ) x x lim T T
Tx ti
i 1
n
Pr [ x x(t ) x x] p( x) lim x x 0
x( t ) x+x x 0 T
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放大器 互相关分析 放大器
传感器1 □
□ 传感器2 管道
图4-5 管道泄漏的检测
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地下管道泄漏的检测
漏损处K视为向两侧传播声响的声源，漏油的音响传至两 传感器就有时差，在互相关图上时差处有最大值。
1 S v m 2
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第三节 振动诊断的频域分析方法
一、频域分析的主要内容
振动频谱中包含机器零部件的机械状态信息，振动诊 断的任务从某种意义上讲，就是读谱图，把频谱上的每个 频谱分量与监测的机器的零部件对照联系，给每条频谱以 物理解释。这主要包括：

振动频谱中存在哪些频谱分量？ 每条频谱分量的幅值多大？ 这些频谱分量彼此之间存在什么关系？ 如果存在明显的高幅值频谱分量，它的精确的来源？它与 机器的零部件对应关系如何？
XRMS
1 T 2 x (t )dt 0 T
2
方根幅值
1 1 T 2 X r |x(t)| dt 0 T
式中：x(t)——系统中某特征点的振动响应； T——采样时间； p(x)——x(t)的概率密度函数。
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第二节 振动诊断的时域分析方法
①在旋转机械振动监测和故障诊断中，对波形复杂的振动信号， 常常采用其峰—峰值（双振幅），记为xp-p即最大峰值与其 相邻的最低谷值之间的幅值作为振动大小的特征量，称为 振动的“通频幅值”。峰—峰值的提取十分方便。

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第一节 振动诊断方法概述





利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有 效、最常用的方法。 统计资料表明，由于振动而引起的设备故障，在各类故障中 占60%以上。 据国内外报道，用振动的方法可以发现使用中的航空发动机 故障的34%，可节约维修费用70%。 利用振动检测和分析技术进行故障诊断的信息类型多，量值 变化范围大，而且是多维的，便于进行识别和决策。 振动检测方法便于自动化、集成化和遥控化，便于在线诊断、 工况监测、故障预报和控制，是一种无损检验方法，因而在 工程实际中得到广泛应用。
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第二节 振动诊断的时域分析方法
偏度系数和峭度系数 偏度系数： g1
0.5 0.4
Ex
3
பைடு நூலகம்3
1 xt N t 1
N
3
g1 = 0 g1 ＜ 0 g1 ＞ 0
p (x )
0.3 0.2 0.1
0
-5
-4
-3
-2
-1

第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作面缺陷 受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的“通过振动”， 其发生周期可从转速和零件的尺寸求得： 例如，在轴承零件的圆周上发生了一处剥落时，由于冲击振 动所产生的相应频率称为“通过频率”，我们通常也叫“故 障频率”，因剥落的位置不同而不同 。求取通过频率的公式 如下：
在齿轮振动信号中存在调幅、调频现象。 BS 输 入 轴 IS OU OL 上辊
下辊
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齿轮箱
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第三节 振动诊断的频域分析方法

调制后的信号，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量（fc+fz） 和(fc－fz)。它们以fc为中心，以fz为间距对称分布于fc两侧，所以称为边 频带，右下角图中的上边频和下边频即是。
x
0
1
2
3
4
5
9
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第二节 振动诊断的时域分析方法
峭度系数： g 2
0.8
Ex
4
4
2
1 N