机械故障诊断技术复习题

1.时域信号统计指标和频谱图在机械故障诊断系统中的作用分别是
什么？
时域信号统计指标的主要作用是用于判定机械设备是否有故障（故障隐患）、程度如何、发展趋势怎样等维修指导性工作。

信号特征在时域中的统计指标主要有：平均值、均方根值（有效值）、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、歪度指标、峭度指标。

其中最主要的是均方根值，它是判定是否存在故障的重要指标。

其它指标用于回答故障程度如何。

这些指标的时间历程曲线用于回答发展趋势怎样。

频谱图在机械故障诊断系统中用于回答故障的部位、类型、程度等问题。

振动参数有三项：频率、幅值、初相位。

相位差与各部件之间的运动关系相关，频率与该部件的运动规律相关，振幅与该部件的运动平稳性相关。

当机械状态劣化时，首先表现的是运动平稳性变坏，由此造成振动幅值的增大。

关注频率与振动幅值的变化是机械故障分析工作的指导原则。

2.在观察频谱图作故障诊断分析时，应注意哪些要点？
1、注意那些幅值比过去有显著变化的谱线，分析它的频率对应着
哪一个部件的特征频率。

2、观察那些幅值较大的谱线（它们是机械设备振动的主要因素），关注这些谱线的频率所对应的运动零部件。

3、注意与转频有固定比值关系的谱线（它们是与机械运动状态有关的状态信息），注意它们之中是否存在与过去相比发生了变化的谱线。

3.频率细化分析的基本思想是什么？请简述频谱细化的过程。

频率细化分析的基本思想是利用频移定理，对被分析信号进行复调制，再重新采样作傅里叶变换，可得到更高的频率分辨率。

主要计算步骤如下:1、选用采样频率 s=2π/∆t进行采样，得到N点离散序列{x n}。

假设需要细化的频带是中心频率为 k的一个窄带 2- 1，这里的 1和 2分别是以 k的为中心频率的窄带的左、右端点频率。

2、用一个复序列e−j k n t乘以{x n}进行复调制，得到N点新离散复序列{y n}。

3、对{y n}进行低通滤波得到离散复序列{g n}。

4、对{g n}进行重新采样，得到离散复序列{r n}。

5、对重抽样后的复序列{r n}进行复数FFT变换，即可得到细化后中心频率为 k带宽为 2- 1的细化谱。

4.轴心轨迹图通常应用在什么场合？如何绘制轴心轨迹图？
轴心轨迹图常用于分析机械转子系统状态信息。

轴心运动轨迹是指轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹，简称为轴心轨迹。

轴心轨迹是一平面曲线，与幅频或相频特性曲线比较，它更加直观地反映了转轴的运动情况。

轴心轨迹的测量，是将两个涡流传感器安装在转轴同一截面上，彼此互成90°（因为轴心轨迹图中的x、y坐标是垂直的。

），两路信号必须同步采样。

轴心轨迹实际上是由x、y方向上的位移振动信号合成的李莎茹图形，
因此，如果直接把某一时刻x、y方向上的位移信号直接描绘在x、y坐标轴上，这一点就是该时刻轴心的位置，将不同时刻的轴心位置点连接起来，就形成了轴心轨迹图。

将x、y两个传感器所测的数值看作是轴心轨迹在x、y两个方向的投影，去掉其中的直流分量（平均值——代表传感器与轴颈表面的间隙），再按照(x,y)坐标值进行绘制。

5.倒频谱和一般的功率谱相比有什么优点？
倒频率表示频谱图中周期性频率分量波动的快慢。

倒频率越大，表示频谱图中频率变化周期越短，即快速波动。

倒频率越小，表示频谱图中的慢速波动。

倒频谱有以下优点：1、倒频谱是频域函数的傅里叶逆变换，对功率谱函数取对数的目的，是使变换后的信号能量格外集中，突出幅值比较小的信号的周期，可以有效地提取和识别频谱上的周期成分，便于对原信号的识别。

2、利用倒频谱分析方法可解卷积，易于分离源信号和传递系统，利于对原信号的识别。

3、倒频谱受传输途径的影响很小，便于排除因传感器安装位置的不同而带来的影响。

6.转子产生不平衡振动的机理是什么？不平衡故障的主要振动特征
是什么？
旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。

偏心矩较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦力矩，表现为某一点始终回转到水平放置的转子
下部（其偏心力矩小于摩擦力矩的区域内），称之为静不平衡。

当偏心距较小时，不会表现出静不平衡的特征。

在转子旋转时，偏心距会使转子产生一个与转动频率同步的离心力矢量，离心力F=me 2，从而激发转子的振动，这种现象称之为动不平衡。

静不平衡的转子，由于偏心距e较大，会表现出更为强烈的动不平衡振动。

当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下：1、时域波形为近似的等幅正弦波。

2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆。

3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值。

4、在三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。

5、
转子的进动方向为同步正进动。

6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。

7、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在轴向上的振幅一般不明显。

8、振幅随转速变化明显。

7.转子轴系不对中故障可分为哪几类？其主要故障特征有哪？
轴系不对中可分为三种：平行不对中、交叉不对中、组合不对中。

主要故障特征如下：1、不对中所出现的最大振动往往表现在紧靠联轴节两端的轴承上。

2、轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。

3、平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动。

4、不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。

5、对于刚性联轴节，平行不对中易激起2倍转速频率的径向振动，同时也存在工频（转速频率）和多倍频的振动成分。

角度不对中易激起工频轴向振动，同时也存在多倍频振动。

6、转子
之间的不对中，由于在轴承不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴心轨迹形状为椭圆形。

随着预加载荷的增大，轴心轨迹形状将变为香蕉形、“8”字形或外圈中产生一个内圈等形状。

7、在全息图中2、4倍频椭圆较扁，并且两者的长轴近似垂直。

8.油膜涡动与油膜振荡的形成机理是什么？油膜振荡的故障特征有
哪些？油膜涡动和油膜振荡有什么区别？
涡动就是转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运动。

轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成进口断面大于出口断面的油楔。

油液进入油楔后压力升高，如果轴颈表面线速度很高而载荷又很小，则轴颈高速旋转，使油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度就是油楔本身的前进速度。

如果转子轴颈主要是油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的1/2，所以称为半速涡动。

油膜激励引起的半速涡动是正向涡动运动。

在半速涡动刚出现的初期阶段，由于油膜具有非线性特性（即轴颈涡动幅度增加时，油膜的刚度和阻尼较线性关系增加得更快），抑制了转子的涡动幅度，使轴心轨迹为一稳定的封闭图形，转子仍能平稳地工作。

随着转速的升高，半速涡动成分的幅值逐渐增大。

直至转速升高到第一临界转速的两倍附近时，涡动频率与转子一阶自振频率相重合，转子轴承系统将发生激烈的油膜共振，这种共振涡动就称为油膜振荡，振荡频率为转子系
统的一阶自振频率。

如果继续升高转速，振动并不减弱，而且振动频率基本上不再随转速而升高。

轴承发生油膜振荡的故障特征主要表现如下：1、油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生的，它不受外部激励力的影响。

所以，一旦发生大振幅的油膜振荡后，如果继续升高转速，振幅也不会下降，而且振动频率始终为转子的一阶自振频率，转子的挠曲振型也为一阶振型，与升高后的转速不发生关系。

2、高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界转速2倍以上。

发生油膜振荡以后的转子主振动频率也就固定不变。

3、油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率Ω和转速频率ω的多倍频成分以及这两个主振频率Ω和ω的和差组合频率成分，即mω±nΩ（m、n为正整数）。

4、发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加成花瓣形状。

5、发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，因而会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。

轴承中的油膜共振与摩擦涡动联合作用引起的转子大振动，会给轴承和迷宫密封带来严重损伤。

6、转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不下降。

但是降低转速，振动也并不马上消失，油膜振荡消失的转速要低于它的起始转速，具有惯性效应。

7、油膜涡动和油膜振荡在全息谱上的故障特征是在分倍频区内偏心率很小的椭圆油膜涡动与油膜振荡的区别如下：1、油膜涡动与油膜振荡的发
生条件①只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上，在半润滑轴承上不发生。

②油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。

2、油膜涡动与油膜振荡的信号特征①油膜涡动的振动频率随转速变化，与转速频率的关系为f=(0.43~0.48)f n。

②油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化。

③两者的振动随油温变化明显。

3、油膜涡动与油膜振荡的振动特点①油膜涡动的轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双椭圆，较稳定。

②油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。

由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。

9.转子发生碰摩故障时的振动特征有哪些？
1、转子碰摩后发生转速波动，发生短暂时间的转子扭转振动。

2、
发生局部碰摩时，接触力和转子运动之间为非线性关系，使转子产生分数次谐波和高次谐波振动响应。

频谱上除转子工频外，还存在非常丰富的高次谐波成分。

3、转子的进动方向由正向进动变为反向进动。

4、较轻的局部碰摩，轴心轨迹出现小圆环内圈。

随着碰摩程度的增加，内圈小圆环数增多，且形状变化不定。

当发生整周摩擦时，轴心轨迹形状像花瓣形。

在重摩擦转子中，往往出现12 的频率成分，其轴心轨迹形状为“8”字形。

10.旋转失速的故障特征有哪些？喘振与旋转失速的区别与联系有哪
些？
旋转失速基本特征如下：1、失速区内因为压力变化剧烈，会引起
叶轮出口和管道内的压力脉动，发生机器和管道振动。

2、旋转失速产生的振动基本频率，叶轮失速在0.5～0.8倍转速频率范围内，扩压器失速在0.1～0.25倍转速频率范围内。

在振动频率上既不同于低频喘振，又不同于较高频率的不稳定进口涡流。

3、压缩机进入旋转失速范围以后，虽然存在压力脉动，但是机器的流量基本上是稳定的，不会发生较大幅度的变动。

4、旋转失速引起的振动，在强度上比喘振要小，但比不稳定进口涡流要大得多。

喘振和旋转失速主要区别如下：1、旋转失速的气体流动是非轴对称的，叶道中的一个或数个失速团沿叶栅圆周方向传播，因此气流脉动是沿着压缩机叶轮圆周方向产生的。

而喘振时的气流脉动是沿着机器的轴向方向形成，虽然脉动幅度很大，但是气流基本呈轴对称分布。

2、旋转失速时，压缩机叶轮或扩压器周向各流道的气体流量随时间而脉动变化，但是通过压缩机总的平均流量是不变的。

而喘振时机器总的平均流量却是随时间而变化的。

3、旋转失速的气流脉动频率、振幅主要与压缩机本身的叶栅几何参数及转速有关，而与压缩机管网容积的大小无关。

但是喘振的频率、振幅却与管网容积大小密切相关，管网容积越大，喘振频率越低，振幅越大，深度喘振会往往引起转子或叶片零件的损坏。

4、旋转失速频率比喘振频率高得多，但是机器内的压力脉动幅度则喘振远大于旋转失速。

5、旋转失速是属于压缩机本身工作不稳定的一种气动现象。

而喘振不单独是机器本身问题，还与整个管网系统联系在一起，是整个系统的稳定性问题。

6、从全息谱上看，旋转失速
严重时，低频分量会不断加大，其幅值会远远超过转频分量，成为机组的主要振源。

这时，经常会伴随有喘振出现。

因此，可以认为旋转失速是喘振的前兆。

11.旋转机械常见的故障有哪些？转子-轴承系统的稳定性是指什
么？如何判断其稳定性？
常见的故障有转子的不平衡、转子与联轴器的不对中、转轴弯曲、转轴横向裂纹、连接松动、碰摩、喘振等。

转子-轴承系统的稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。

如果响应时间随时间增加而消失，则转子系统是稳定的，反之则不稳定。

12.常见的齿轮失效形式有哪些？
根据齿轮损伤的形貌和损伤过程或机理，故障的形式通常分为齿的断裂、齿面疲劳（点蚀、剥落、龟裂）、齿面磨损、齿面划痕等四类。

13.边频带分析一般从哪两个方面进行？
边频带出现的机理是齿轮啮合频率fm的振动受到了齿轮旋转频率fr的调制而产生，边频带的形状和分布包含了丰富的齿面状况信息。

一般从两方面进行边频带分析：一是利用边频带的频率对称性，找出f m±nfr（1，2…）的频率关系，确定是否为一组边频带。

如果是边频带，则可知道啮合频率fm和旋转频率fr。

二是比较各次测量中边频带振幅的变化趋势。

当边频间隔为旋转频率
fr时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的周期变化及载荷的周期波动等缺陷存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就重复作用一次，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。

旋转频率fr指示出问题齿轮所在的轴。

齿轮的点蚀等均布性故障会在频谱上形成边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧。

齿轮的剥落、齿根裂纹及部分断齿等局部性故障产生的边频带阶数多而谱线分散。

14.滚动轴承最常见的失效形式有哪些？分别简要介绍失效原因。

轴承转速小于1r/min时，轴承的损坏形式主要是塑性变形。

转速大于10r/min时，轴承的损伤形式主要如下：1、疲劳剥落（点蚀）：滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的切应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表面层金属呈片状剥落下来，形成剥落凹坑，这种现象称为疲劳剥落。

疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动。

在正常工作条件下，疲劳剥落是轴承失效的主要原因。

2、磨损或擦伤：滚动体与滚道之间的相对运动，以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。

润滑不良，装配不正确，均会加剧磨损或擦伤。

3、锈蚀和电蚀：锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。

锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。

电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜产生电火花放电，使轴承工作表面形
成密集的电流凹坑4、断裂：轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。

转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。

除上述故障形式之外，还有装配不当、机械冲击和反复换向等原因会引起保持架的摩擦和断裂。

保持架与内、外圈摩擦，发出噪声和振动，严重时卡死滚动体，滚动体在滚道上以滑动代替滚动，结果是摩擦发热，温度迅速升高，烧毁轴承。

此外，润滑剂不足，高速、高温、重载，将导致接触表面的胶合和回火变形
15.滚动轴承有哪些特征频率？其计算公式是什么？
假设滚动轴承的外圈固定在轴承座上，只有内圈随轴一起以频率f旋转，并作如下假设：①滚动体与滚道之间无滑动接触；②每个滚动体直径相同，均匀分布在内外滚道之间；③径向、轴向受载荷时各部分无变形。

受轴向力时轴承的故障特征频率有下面的几种。

各参数含义如下图所示，其中d为滚动体的直径,D i内环滚道的直径,D o为外圈滚道的直径,D m轴承滚道直径。

1、内圈旋转频率fn（轴的转频）：fn=n/602、内圈有缺陷时的故障特征频率：f i=z f n(1+dcos D m)3、外圈有缺陷时的故障特征频率：f o=z2f n(1−dcos D
m)4、滚珠有缺陷时的故障特征频率（注意这是只碰外圈（或内圈）一次的频率，如果每转一圈分别碰外圈和内圈各一次的话，则频率应该加倍）：f RS=12f n(1−d2cos2 D m2)D m d。

5、保持架碰外圈时的故障特征频率：f B0=12f n(1−dcos D m)6、保持架碰内圈时的故障
特征频率：f Bi=12f n(1+dcos D m)式中，z为滚动体的个数，β为压力角，n为转轴的转速（r/min）
16.常见的齿轮失效形式有哪些？
根据齿轮损伤的形貌和损伤过程或机理，故障的形式通常分为齿的断裂、齿面疲劳（点蚀、剥落、龟裂）、齿面磨损、齿面划痕等四类。

信号特征的时域提取方法包括哪些？答：信号特征的时域提取方法主要包括一些时域指标的提取，如平均值、均方根值、有效值、峰值、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、偏度指标（或歪度指标、偏斜度指标）、峭度指标等。

这些指标在故障诊断中不能孤立地看，需要相互印证。

还要注意和历史数据进行比较，根据趋势曲线作出判别。

什么是二维全息谱？全息谱和轴心轨迹图有什么联系？振动信号的特征是通过全息谱的什么来反映的？答：将转子测量截面上水平和垂直两方向的振动信号作傅里叶变换，从中提取各主要频率分量的频率、幅值和相位。

然后按照各主要频率分量分别进行合成，并将合成结果按频率顺序排列在一张谱图上，就得到了二维全息谱。

二维全息谱就是在一个平面坐标上表示出转子振动时各个频率分量下的轴心轨迹。

谱图的横坐标为转子振动的阶比（即频率），对转子截面水平和垂直方向的振动信号作FFT谱分析，对应地提取出各主要阶比频率的幅值和相位，再将各个频率成分在水平和垂直方向上的幅值和相位进行融合，得到各频率分量对
应的轨迹图形，将这些轨迹图依次放置在横坐标的相应位置上，就形成了二维全息谱。

二维全息谱包含了转子测量面处的频率、幅值和相位的全部信息。

一般情况下，二维全息谱是偏心率不等的椭圆，椭圆的偏心率和长轴方向不同程度地反映了该频率成分的振动特点。