机电设备实验报告

实验一振动检测故障诊断一、实验内容与目的1、了解振动信号采集、分析与处理的整个过程及注意事项；2、了解并掌握测试仪器的连接、信号的敏感参数选取、测点布置及各注意事项；3、掌握信号的时域分析、频域分析理论与特点。

二、实验设备⑴振动实验台，电机及数据线等；⑵振动加速度传感器YD36（2只）：电荷灵敏度SC=7.99 PC/m.s-2；⑶DLF2通道四合一放大滤波器；⑷INV306DF 16通道智能信号采集仪；⑸Coinv Dasp2003专业版信号采集分析与处理系统。

信号采集与分析系统基本框图如图1－1所示。

图1 信号采集与分析系统框图另外，简易诊断设备有BZ－8701A便携式测振仪。

三、实验原理1、振动测量敏感参数的选取常用的振动测量参数有加速度a(t)、速度v(t)和位移x(t)。

假定振动位移信号x(t)为：x(t)= Asin(ωt+ϕ) （1）则振动速度信号为：v(t) = Aωcos(ωt+ϕ) （2）ωsin(ωt+ϕ) （3）振动加速度信号为：a(t) =-A2由上式可知，当传感器拾取的信号很微弱时，位移信号x(t)和速度信号v(t)幅值很小，由于频率的放大作用，加速度的信号的幅值相比相应的位移和速度分量的幅值要大得多，加速度参数在高频范围更加敏感，所以选择加速度振动信号。

实用上，参数的选定可参考以下频率范围进行：低频范围（10～100Hz）―位移参数；中频范围（10～1000Hz）―速度或称振动烈度（Vrms）；高频范围（＞1000Hz）―加速度参数。

2、振动信号分析与处理（傅里叶级数）对于一个复杂的周期振动信号可以用傅里叶级数展开，即可将这个信号分解成许多不同的频率的正弦和余弦的线性叠加。

四、实验步骤1、根据选取的敏感参数选择振动传感器；2、合理布置测点，测点布置的是否合理，直接关系到采集信号的真空性。

要注意以下：⑴所布置的测点要固定，且固定面要光滑、绝缘，并且要用特殊明显的标记符号标出。

因为测点位置不同，测出来的信号也不同。

⑵测点应布置在反映振动特征最敏感的部位。

一般轴承是反映振动诊断信息最集中和最敏感的部位，因此把风机和电机的轴承座列为主要测点。

⑶测点应选在与轴承座联接刚度较高的地方或箱体上的适当位置，而且安装面要光滑。

⑷振动信号通过不同零件联接的界面一次，其振动能量就损失约80%左右，所以在选择测点时应注意尽是减少中间界面。

⑸尽量保持每次测量时机器的工况条件、测量参数、使用的测量仪器和测量方法（如传感器的固定方法）相同。

这样才能保证每次所测量数据的真实性及相互可比性。

3、测试仪器选择与布置测试仪器应选择分辨率、灵敏度较高的仪器。

布置时，应尽量减小电噪声的干扰和外来噪声的干扰，以及数据通道之间的信号干扰等。

4、信号的示波、分析与处理。

五、实验注意事项1、安装传感器时，千万不要与机器的转动部件相接触；2、连接各测试仪器时，要注意断电，待连接完毕并经检查确认连接无误时，接通电源；3、测试仪器要轻拿、轻放，特别要注意传感器安装时要放稳、放平；4、实验完毕时，先断电，然后拆线，放好各测试仪器。

实验二机床轴承故障诊断一、实验目的1、熟悉实验室故障诊断平台以及常用仪器仪表；2、了解滚动轴承的基本知识以及不同形式的故障轴承；3、学习基于振动分析常用的诊断方法；4、理解轴承故障的在线诊断技术及方法；5、掌握信号的调制与解调原理与方法。

二、实验要求1、熟悉实验流程及安全操作要求，实验前正确校准系统；2、正确布置测点位置；3、选取合适的采样参数；4、仪器必须接地。

三、实验理论知识1、正常轴承的振动信号特征正常的轴承也有相当复杂的振动和噪声。

有些是由轴承本身结构特征引起的；有些和制造装配有关，如滚动体和滚道的表面波纹、表面粗糙度以及几何精度不高，在运转中都会引起振动和噪声。

⑴轴承结构特征引起的振动滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载的滚子数目不同，因而承载刚度会有所变化，引起轴心的起伏波动，振动频率Zfoc（图1），要减少这种振动的振幅可采用游隙较小的轴承或加预紧力去除游隙。

图1 滚动轴承的承载刚度与滚子位置的关系⑵轴承刚度非线性引起的振动滚动轴承的轴向刚度常呈非线性（图2），特别是当润滑不良时，易产生异常的轴向振动。

在刚度曲线呈对称非线性时，振动频率为fn，2fn，3fn，……；在刚度曲线呈非对称非线性时，振动频率为fn，1/2fn，1/3fn，……,分数谐频（fn为轴回转频率）。

这是一种自激振动，常发生在深沟球轴承，自调心球轴承和滚柱轴承不常发生。

图2 轴承的轴向刚度2、轴承制造装配的原因⑴加工面波纹度引起的振动由轴承零件的加工面的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见。

这些缺陷引起的振动为高频振动，高频振动及轴心的振摆不仅会引起轴承的径向振动，在一定条件下还会引起轴向振动。

表1列出的振动频率与波纹度峰数的关系。

表中n为正整数、Z为球数、fic为单个滚动体在内圈滚道上的通过频率、fc为保持架转速、fbc为滚动体相对于保持架的转动频率。

如图3所示，当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动，振动频率为nfn，fn为轴回转频率，n=1,2，…。

图3 轴承偏心引起的轴承振动⑶滚动体大小不均匀引起轴心摆动滚动体大小不均匀会导致轴心摆动，还有支承刚性的变化。

振动频率为fc 和fc±fn，n=1,2，…，此处fc为保持架回转频率，fn为轴回转频率⑷轴弯曲引起轴承偏斜轴弯曲引起轴上所装轴承偏移，造成轴承振动。

滚动轴承在运转中，由于各种原因会产生振动和噪声。

轴承声响有如下几种：①轴承本质声音：滚道声、碾轧声；②与制造有关的声音：保持架声音、高频振动声；③与使用有关的声音：伤痕声、尘埃声。

2、滚动轴承的振动测量与简易诊断⑴测点的选择由于滚动轴承的振动在不同方向上反映出不同的特征，因此，应尽量考虑在水平（X）、垂直（Y）和轴向（Z）三个方向上进行振动检测。

⑵传感器的选择与固定滚动轴承的振动属于高频振动，故传感器应采用钢制螺栓固定。

四、实验设备1、旋转机械振动故障模拟试验平台；2、加速度传感器和激光转速仪；3、电荷放大器；4、测试软件。

五、实验步骤1、通过老师的讲解，了解实验一般原理；2、传感器的校正以及传感器安装位置的选择；3、传感器正确地连接到分析仪输入通道；4、设置测试参数：包括硬件参数、分析参数、测试内容、信号源参数；5、选择显示窗口并开始检测系统；6、开始测试。

开启旋转机械振动故障模拟试验平台，稳定在某一转速，观察信号，收集数据和波形；7、数据存储与检测报告；8、实验结果分析。

六、实验结果及分析滚动轴承故障振动信号为一调制信号，采用适当的解调分析方法，将轴承调制信号提取出来，从而有效地识别齿轮箱的故障，达到故障诊断的目的。

滚动轴承在正常的工作状态下，其输出的振动信号为一平滑正弦波。

当其工作表面出现剥落、点蚀等故障时，其输出信号就会表现为以某一频率为中心的调制信号。

在本次实验中，在对各种原理熟悉后，着重观察了轴承的三个故障，并对其进行分析。

在了解熟悉故障诊断试验平台后，在滚动轴承的0°、90°、180°方向上有三个加速度传感器，用来采集轴承转动时在三个方向上的数据，将传感器采集的数据进行处理后输送到相应的故障分析软件中，对采集数据进行分析诊断。

1、轴承内滚道损伤分析在变频电机电压频率为10Hz、轴承转动速度为300rpm时，对轴承以20K的采样频率，采集了65536个信号点，再根据经验公式得到轴承内滚道损伤时对应的故障特征频率为：f BPI=0.6Nn=0.6×5×12=36Hz其中，转频N=300/60=5Hz，n是滚珠个数（本实验中为12）。

波形频谱图表明：轴承转动频谱呈林状分布，最大峰值出现在36.01Hz，此频率为基频。

峰值分别出现在二倍频、三倍频、四倍频……等处，具有丰富的高次谐波。

根据滚动轴承精密诊断方法中轴承内滚道损伤时其振动频率和波形的特点，两者在频率和波形上及其相似，与上面的经验公式得出的数据相吻合，据此可以确定产生故障的原因为轴承内滚道损伤。

2、轴承外滚道损伤分析在变频电机电压频率为10Hz、轴承转动速度为300rpm时，对轴承以20K的采样频率，采集了65536个信号点，再根据经验公式得到轴承内滚道损伤时对应的故障特征频率为：f BPO=0.4Nn=0.4×5×12=24Hz其中，转频N=300/60=5Hz，n是滚珠个数（本实验中为12）。

波形频谱图表明：轴承转动频谱呈林状分布，最大峰值出现在23.498Hz，此频率为基频。

峰值分别出现在二倍频、三倍频、四倍频……等处，具有丰富的高次谐波。

根据滚动轴承精密诊断方法中轴承外滚道损伤时其振动频率和波形的特点，两者在频率和波形上及其相似，与上面的经验公式得出的数据相吻合，据此可以确定产生故障的原因为轴承外滚道损伤。

3、轴承滚珠损伤分析在变频电机电压频率为20Hz、轴承转动速度为600rpm时，对轴承以20K的采样频率，采集了65536个信号点，再根据经验公式得到滚动体损伤时对应的故障特征频率为：f BS=0.2×2Nn=0.2×2×10×12=48Hz其中，转频N=600/60=10Hz，n是滚珠个数（本实验中为12）。

波形频谱图表明：轴承转动频谱呈林状分布，最大峰值出现在49.133Hz，此频率为基频。

峰值分别出现在二倍频、三倍频、四倍频……等处，具有丰富的高次谐波。

根据滚动轴承精密诊断方法中滚动体损伤时其振动频率和波形的特点，两者在频率和波形上及其相似，与上面的经验公式得出的数据相吻合，据此可以确定产生故障的原因为轴承滚动体损伤。

实验三数控机床主传动系统故障诊断一、实验目的：1、了解主传动系统结构及工作原理；2、掌握数控机床主轴编码器、变频器的功能和主传动系统的故障诊断与维修方法。

二、实验内容：主轴编码器、变频器、主轴转向的故障诊断与维修三、实验步骤：1、主传动系统结构及工作原理主轴部件是机床的重要部件之一，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接影响。

特别是如果数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响将更为严重。

数控机床主轴部件在结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴的定向停止等问题。

数控机床主轴的支承主要采用图1所示的三种主要形式。

图1（a）所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。

这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。

图1（b）所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。

这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。