机械故障振动诊断

第4章 振动监测技术
4．1 机械振动基础
4. 1. 1 振动的分类及其特点 • （1）按激振方式分
自由振动: 外界有初始激励,自身弹性力 或惯性力的作用, 阻尼
受拍振动: 外界施加交变力 自激振动: 外界有输入,自身产生交变力 • （2）按振动规律分 确定性振动: 周期(简谐振动\复杂周期)、 非周期
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
例：汽车后桥齿轮在不同运行状态下振动加 速度信号的无量纲指标：脉冲指标I、峰值 指标C、波形指标K。从图形上看，脉冲指 标I、峰值指标C变化明显，可以作为齿轮 状态的诊断指标，I比C变化幅度更大。而 波形指标K的变化很小。
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
（2）相关分析 • 1）自相关函数 • 自相关函数的一个重要性质：周期信号的
机械故障诊断
港口机械系
第4章 振动监测技术
学习目标： • 1. 了解振动基础知识、振动测试传感器、记录及分析仪器 • 2. 掌握振动诊断的基础工作； • 3．了解信号分析与处理中的常用数学变换、时间序列分
析及信号处理的一些特殊方法; • 4. 掌握时域诊断方法和功率谱诊断方法。 • 5. 掌握转轴组件、齿轮、滚动轴承的故障振动的基本特征
方根幅值
1
2
Xr
|
x|2
P(x)dx
平均幅值（均值）
x | x| P(x)dx
均方幅值（均方根值）
1
Xrms| x|2 P(x)dx2
峰值
X pE m|a x(t)x |
峭度
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4
x4P(x)d
x4
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
• 无量纲型：
波形指标K：均方幅值/平均幅值 峰值指标C：峰值/均方幅值 脉冲指标I：峰值/平均幅值 裕度指标L：峰值/方根幅值 峭度系数S：峭度/均方幅值 高阶数的参量更能反应信号中的冲击成分。
• （2）频率: 每秒振动的次
数 周期的倒数 角频率:
2 f 2
T
（3）相位:
4．2 振动测试系统
4. 2. 1 常用的振动传 感器原理
（1）压电加速度传感 器
1）工作原理 发电原理, 机械能
转换成电能! 电荷微弱, 需要放
大
（1）压电加速度传感器
2）测量电路: 电荷放大器和电压放大器 3）传感器的结构 4）性能指标 5) 安装方法:
实际测量的某机械设备振动信号
4．3机械振动信号的分析与处理基础
4. 3. 1 信号分析与处理中的常用数学变换 （1）付里叶（Fourier）变换 • 付里叶级数
• 付里叶变换 X(f) x(t)ej2f tdt
• 付里叶逆变换 x(t) X(f)ej2ftdf
• 离散付里叶变化（DFT）工程计算方法 • 快速付里叶变换（FFT）快速工程计算方法
4. 3. 2 振动信号的时域分析 • 基于特征参量数值变化或图形变化的监测诊断原
理。 （1）统计特征分析
1）均值：静态分量。 2）均方值和均方根值：信号的平均能量，是 机械状态监测的重要指标（ISO2372）。 3）方差和均方差（标准差）：相对于均值的 波动。方差的变化（变大）可以反映机械设备的 状态变化。
• 性能特点及使用注意事项。
电涡流传感器
4. 2. 1 常用的振动传感器原理
（4）振动传感器的选用原则 主要性能指标
• 测量范围: 测量的幅度范围 • 频响范围: 测量的频率范围 • 灵敏度 • 精度 • 稳定性
4．2 振动测试系统
• 4. 2. 2 信号记录与处理设备 • （1）磁带机 • （2）数据采集器
尽量保证: 传感器壳体与被测对象的振动 一致性! 6）测量误差来源及使用注意事项
（2）磁电式速度传感器 • 工作原理: 线圈运动切割磁力线产生感生电流 • 结构与性能指标
（3）电涡流振动位移传感器
• 工作原理: 高频电流通过线圈-高频电磁场-金属板 产生电涡流-对抗磁场-线圈阻抗变化
• 等效电路\测量电路\电涡流传感器的结构
自相关函数仍然是同频率的周期信号，但 不具有原信号的相位信息。 • 不衰减的自相关函数与衰减的自相关函数。
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
• 例：相同齿轮箱的两种自相关函数图形。 自相关函数快速衰减的齿轮箱状态比不衰 减的或衰减缓慢的要好。为什么？很多故 障的振动有周期性。
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
• 数学原理到工程应用： 函数、信号、时间 历程、揭示信号的频率分布；
（2）拉普拉斯（Laplace）变换 （3）Z变换：离散系统的拉斯变换 （4）西尔伯特（Hilbert）变换：同一域中函
数互相映射； （5）小波变换：寻找突变信号；突变信号信
息量大。
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
数据采集的基本原理：完成一个采样过程， 将数据存储起来。
采样定理： 为防止混叠，采样频率必须不小 于2倍信号中的最大频率成分。 fs>2fmax。
数据采集器的主要性能指标： 数据采集器的两种主要类型：同步采集、巡回 采集。 • （3）信号分析与处理设备 计算机、其他信号分析及记录仪、Hp3562
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
和诊断方法。
学习难点： • （1）功率谱诊断方法、数学变换的工程作用。 • （2）齿轮、滚动轴承的故障振动特征。
第4章振动监测技术
内容概述： 本章介绍机械振动基本知识、测试仪器、
信号分析与处理中的常用数学变换、时域诊 断方法、功率谱诊断方法、时间序列分析及 信号处理的一些特殊方法。另外着重介绍了 转轴组件、齿轮、滚动轴承等典型机械零部 件故障振动的基本特征和它们的故障诊断方 法。
4．1 机械振动基础
随机振动: 不确定性 平稳随机振动 非平稳随机振动
许多机械故障产生的振动具有周期性, 但经常淹没在随机信号的噪音中! • （3）按振动频率分
低频（小于10Hz）、中频（1000Hz）、 高频（大于1000Hz）
4．1 机械振动基础
4. 1. 2 振动参量
• （1）振幅: 用位移\速度\ 加速度表示
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
4）概率密度函数：概率密度函数图形的 变化反映机械设备的状态变化。
• 例：相同型号机器的振动速度的概率密度 函数图形。图形较为分散的是状态不好的 机器，图形集中在原点的是状态良好的机 器。为什么？ 5）幅值参数：
4．3 机械振动信号的分析与处理基础
• 有量纲型：