机械故障诊断技术 习题参考答案

参考答案教材：设备故障诊断，沈庆根、郑水英，化学工业出版社，2006.3第1版2010.6.28 于电子科技大学1第1章概论1.1 机械设备故障诊断包括哪几个方面的内容？答：机械设备故障诊断所包含的内容可分为三部分。

第一部分是利用各种传感器和监测仪表获取设备运行状态的信息，即信号采集。

采集到的信号还需要用信号分析系统加以处理，去除无用信息，提取能反映设备状态的有用信息（称为特征信息），从这些信息中发现设备各主要部位和零部件的性能是处于良好状态还是故障状态，这部分内容称为状态监测，它包含了信号采集和信号处理。

第二部分是如果发现设备工作状态不正常或存在故障，则需要对能够反映故障状态的特征参数和信息进行识别，利用专家的知识和经验，像医生诊断疾病那样，诊断出设备存在的故障类型、故障部分、故障程度和产生故障的原因，这部分内容称为故障诊断。

第三部分称为诊断决策，根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施。

在故障的预防措施中还包括对设备或关键零部件的可靠性分析和剩余寿命估计。

有些机械设备由于结构复杂，影响因素众多，或者对故障形成的机理了解不够，也有从治理措施的有效性来证明诊断结论是否正确。

由此可见，设备诊断技术所包含的内容比较广泛，诸如设备状态参数（力、位移、振动、噪声、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机器发生振动和机械损伤时的原因分析，故障的控制与防治，机械零部件的可靠性分析和剩余寿命估计等，都属于设备故障诊断的范畴。

1.2 请简述开展机械设备故障诊断的意义。

答：1、可以带来很大的经济效益。

①采用故障诊断技术，可以减少突发事故的发生，从而避免突发事故造成的损失，带来可观的经济效益。

②采用故障诊断技术，可以减少维修费用，降低维修成本。

2、研究故障诊断技术可以带动和促进其他相关学科的发展。

故障诊断涉及多方面的科学知识，诊断工作的深入开展，必将推动其他边缘学科的相互交叉、渗透和发展。

2第2章故障诊断的信号处理方法2.1 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包括平均值、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。

这些指标在故障诊断中不能孤立地看，需要相互印证。

同时，还要注意和历史数据进行比较，根据趋势曲线作出判别。

2.2 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？答：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、发展趋势怎样等这类维修指导性工作。

信号特征在时域中的统计指标有两类：单值函数类和分布函数类。

单值函数类统计指标以简单的1个数值来实现判定要求，因而成为机械故障诊断系统中时域信号特征的主要指标。

它们是：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。

2.3 在观察频谱图作故障诊断分析时，应注意哪些要点？答：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。

2.4 频率细化分析的基本思想是什么？请简述频谱细化的过程。

答：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。

{}g 复调制细化分析过程1、选用采样频率ts Δ=πω2进行采样，得到N 点离散序列{}n x 。

假设需要细化的频带是中心频率为k ω的一个窄带12ωω−，这里的1ω和2ω分别是以k ω为中心频率的窄带的左、右端点频率。

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

3、对{}n y 进行低通滤波得到离散复序列{}n g 。

4、对{}n g 进行重新采样，得到离散复序列{}n r 。

5、对重抽样后的复序列{}n r 进行复数FFT 变换，即可得到细化后中心频率为k ω带宽为12ωω−的细化谱。

2.5 轴心轨迹图通常应用在什么场合？如何绘制轴心轨迹图？答：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。

2.6 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。

2.7 倒频谱和一般的功率谱相比有什么优点？答：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。

2.8 Hilbert 变换有什么特点？简述Hilbert 变换实现解调的原理。

答：Hilbert 变换有以下特点：1、希尔伯特变换是从时域到时域的变换，它是在时域内进行的，不同于在时域和频域间进行转换的傅里叶变换。

2、希尔伯特变换的结果是将原信号的相位平移了90°（负频率作+90°相移，正频率作-90°相移），所以这种变换又称为90°移相滤波器或垂直滤波器。

3、希尔伯特变换只影响原信号的相位，不会影响到原来信号的幅值。

4、希尔伯特变换前后，原信号的能量不会由于相位的移动发生变化。

5、由于变换只是将原信号作了90°相移，原信号与它的希尔伯特变换构成正交副。

Hilbert 变换解调原理：设一窄带调制信号))(2cos()()(0t t f t a t x ϕπ+=，其中)(t a 是缓慢变化的调制信号。

令)(2)(0t t f t ϕπθ+=，dtt d f dt t d t )(2)()(0ϕπθμ+==是信号)(t x 的瞬时频率。

设)(t x 的希尔伯特变换为))(2sin()()(0t t f t a t x ϕπ+=′。

则它的解析信号为：))](2sin())(2)[cos(()()()(00t t f j t t f t a t x j t x t q ϕπϕπ+++=′+=解析信号的模或信号的包络为：)()()(22t x t x t a ′+=3 第3章 旋转机械故障诊断3.1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？答：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2ωme F =，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。

3.2 转子轴系不对中故障可分为哪几类？其主要故障特征有哪些？答：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。