机械设备状态监测与故障诊断

机械设备状态监测与故障诊断机械设备的状态监测与故障诊断是指利用现代科学技术和仪器，根据机械设备（系统、结构）外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损伤状况，确定故障的性质、程度、类别和部位，预报其发展趋势，并研究故障产生的机理。

机械设备状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之一，其实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态；预测设备的可靠性；确定其整体或局部是正常或异常。

它能对设备故障的发展作出早期预报，对出现故障的原因、部位、危险程度等进行识别和评价，预报故障的发展趋势，迅速地查寻故障源，提出对策建议，并针对具体情况迅速地排除故障，避免或减少事故的发生。

所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。

其内容包括●能使设备或系统立即丧失其功能的破坏性故障。

●由于设计、制造、安装或与设备性能有关的参数不当造成的设备性能降低的故障。

●设备处于规定条件下工作时，由于操作不当而引起的故障。

●设备的自然耗损，如磨损、疲劳、老化等所引起的故障。

机械故障诊断可以分类如下1．按目的分（1）功能诊断（2）运行诊断2．按方式分（1）巡回检测（2）在线监测3．按提取信息的方式分（l）直接诊断（2）间接诊断4．按诊断时所要求的机械运行工况条件分（l）常规工况诊断（2）特殊工况诊断5．按功能分（1）简易诊断（2）精密诊断设备诊断技术的三个环节（1）信息的采集（2）信息的分析处理3）状态的识别、诊断、预测和决策设备诊断技术覆盖的知识面较宽，它包括：数据采集技术，计算机数据分析处理技术，计算机诊断、预测、决策技术；设备本身的结构原理、运动学和动力学；设备的设计、制造、安装、运转、维护、修理知识；设备系统与部件的故障或失效机理及零部件可靠性方面的知识等等。

机械设备状态监测及诊断技术的主要工作内容如下（1）保证机器运行状态在设计的范围内 监测机器振动位移可以对旋转零件和静止零件之间临近接触状态发出报警。

监测振动速度和加速度可以保证力不致于超过极限；监测温度可以防止强度丧失和过热损伤等。

（2）随时报告运行状态的变化情况和恶化趋势 虽然振动监测系统不能制止故障发生，但能在故障还处于初期和局部范围时就发现并报告它的存在，以防止恶性事故发生和继发性损伤。

（3）提供机器状态的准确描述 机器的实际运行状态，是决定机器小修、中修、大修的周期和内容的依据，进而避免对机器不必要的拆卸而破坏其完整性。

（4）故障报警 警告某种故障的临近，特别是报警危及人身和设备安全的恶性事故，是状态监测重要的目的。

第一节 振动监测及诊断技术一、 机械振动的一般描述机械振动，从物理意义上来说，是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。

（一） 简谐振动简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。

其振动位移d 与时间t 的关系可用正弦曲线表示，表达式为d(t)=Dsin[ (2π/T) t +φ] （2-1） 式中，D —最大振幅，又称峰值，2D 称为峰峰值，其单位为mm 或μm ； T —振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔，单位为s ； φ—振动的初相位，单位为rad ；振动的周期的倒数称为振动频率，单位为Hz ，即 f=1/T （Hz ） 频率f 又可用角频率来表示，即ω=2π/T （rad/s ） ω和f 的关系为ω=2πf （rad/s ） d(t)=Dsin[ωt +φ] 描述机械振动的三个基本要素即是上述的振幅、频率和相位。

简谐振动除可用位移表示外，同样可用相应的振动速度和加速度表示。

速度和加速度的表达式经过一次和二次微分求得v(t)=d d/d t=D ωcos[ωt +φ]=Vsin[ωt +π/2+φ]=Vcos[ωt +φ] a(t)=d v/d t= -D 2ωsin[ωt +φ]=Asin[ωt +π+φ] 描述机械振动的三种特征量即是上述的位移、速度和加速度。

（二） 实测的机械振动1．振幅 振动幅值表征机械振动的强度和能量。

振幅值如前所述有三种特征量，即振动的位移、速度和加速度。

根据不同的需要，对振幅值可以有不同的描述方法，通常以峰值、平均值和有效值表征。

（1） 峰值 X p 表示振幅的单峰值。

在实际振动波形中，单峰值表示振动瞬时冲击的最大幅值。

X p-p 表示振幅的双峰值，又称峰-峰值，它反映了振动波形的最大偏移量。

（2）平均值 X 表示振幅的平均值，是在时间T 范围内设备振动的平均水平，其表达式为⎰=T 0dt )t (x T 1X（3） 有效值 X rms 表示振幅的有效值，它表征了振动的破坏能力，是衡量振动能量大小的量。

ISO 标准规定，振动速度的均方根值，即有效值为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个标准。

其数学表达式为dt )t (x T1X T 02rms ⎰=2．周期和频率 振动每重复发生一次所需的时间称为振动的周期。

每秒振动的次数称为频率，频率是振动的重要特征之一。

不同的结构、不同的零部件、不同的故障源，则产生不同频率的机械振动，因此频率分析是设备振动诊断中的重要手段。

3．相位 相位与频率一样都是用来表征振动特征的重要信息。

不同振动源产生的振动相位不同，对于两个振源，相位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消，起到减振作用。

相位测量可用于（1） 谐波分析； （2） 动平衡测定； （3） 振型测量； （4） 判断共振点等。

二、机械振动信号的分析方法振动信号的分析方法，可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分析以及频域分析。

1．数字信号处理（1）采样 在信号处理技术中即定义为将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包括取样和量化两个步聚。

（2）采样间隔及采样定理 根据Shannon 采样定理，带限信号（信号中的频率成分f ＜f max ）不丢失信息的最低采样频率为f s ≥ 2f max式中，f max 为原信号中最高频率成分的频率。

当不满足采样定理时，将会产生频率混淆现象，采样得到的数字信号将不能正确反映原有信号的特征。

解决频率混淆的办法是a ．提高采样频率以满足采样定理。

f s = 2f max 为最低限度，一般取f s =（2.56~4 ）f max 。

b ．用低通滤波器滤掉不需要的高频成分以防止频混现象。

此时的低通滤波器也称为抗混频滤波器。

如滤波器的截止频率为fc ，则有f s =（2.56~4 ）f c 。

（3）采样长度和频率分辨率 一般在信号分析仪中，采样点数是固定的（如N=1024、2048，4096点等），各档分析频率范围取f a = f s /2.56 = 1/（2.56Δt ） 则频率分辨率：Δf=1/N Δt=2.56 f a /N=(1/400，1/800，1/1600，…) f a这就是信号分析仪的频率分辨率选择中通常所说的400线，800线，1600线，…。

2．振动信号的幅值域分析 描述振动信号的一些简单的幅值域参数，如峰-峰值、峰值、平均值和均方根值等，它们的测量和计算简单，是振动监测的基本参数。

在机械故障诊断领域中，目前常用的无量纲指标有波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标等。

随机信号的幅值概率密度函数p(x)是指振动信号幅值为x 的概率。

通过幅值概率密度函数的形状可以判断信号的类型，它可直接用于机械设备的故障诊断。

3．振动信号的时域分析相关分析包括自相关分析和互相关分析。

自相关函数描述的是同一信号中不同时刻的相互依赖关系，其定义为⎰+=∞TT x dt )t (x )t (x T 1lim )(R ττ4．振动信号的频域分析频谱分析中常用的有幅值谱和功率谱，另自回归谱也常用来作为必要的补充。

幅值谱表示了振动的参数（位移、速度、加速度）的幅值随频率分布的情况；功率谱表示了振动参量的能量随频率的分布；相应自回归谱为时序分析中自回归模型在频域的转换。

频谱分析计算是以傅里叶积分为基础的，它将复杂信号分解为有限或无限个频率的简谐分量，目前频谱分析中已广泛采用了快速傅里叶分析方法（FFT ）。

时域函数x(t)的傅立叶变换为dt e )t (x )f (X ft 2j ⎰∞∞--=π相应的时域函数x(t)也可用X(f)的傅里叶逆变换表示为 df e )f (X )t (x ft 2j ⎰∞∞-=π∣X(f)∣为幅值谱密度，一般被称为幅值谱。

自功率谱可由自相关函数的傅立叶变换求得，也可由幅值谱计算得到。

其定义为τττπd e )(R )f (S f 2j x x ⎰∞∞--=2T x )f (X T21lim )f (S ∞=实际上，对于工程中的复杂振动，我们正是通过傅立叶变换得到频谱，再由频谱图为依据来判断故障的部位以及故障的严重程度的。

5．几种常用的频谱处理技术简介 （1）加窗技术常用的窗函数有 a. Hanning 窗⎧ 0.5(1-cos2πt /T ) 0≤t ≤Tw(t)= ⎨ ⎩ 0 t<0, t>T b. Hamming 窗⎧ 0.54(1-0.85cos2πt /T ) 0≤t ≤T w(t)= ⎨ ⎩ 0 t<0, t>T c. 矩形窗⎧ 1 0≤t ≤Tw(t)= ⎨ ⎩ 0 t<0, t>T （2）频率细化技术（Zoom 技术）三、 振动监测参数及其选择（一）测定参数的选定通常用于描述机械振动响应的三个参数是位移（单位常用μm 表示）、速度（单位常以mm/s ，cm/s 表示）、加速度（单位常以重力加速度g 或mm/s2表示）。

从测量的灵敏度和动态范围考虑，高频时的振动强度由加速度值度量，中频时的振动强度由速度值度量，低频时的振动强度由位移值度量。

从异常的种类考虑，冲击是主要问题时测量加速度；振动能量和疲劳是主要问题时测量速度；振动的幅度和位移是主要问题时应测量位移。

（二）测量位置的选定首先应确定测量轴振动还是轴承振动。

其次应确定测点位置。

不论是测轴承振动还是测轴振动，都需要从轴向、水平和垂直三个方向测量。

（三）振动监测的周期1．定期巡检 2．随机点检 3．长期连续监测四、振动监测标准及机器状态评价（一）振动监测标准绝对判断标准 绝对标准是将被测量值与事先设定的“标准状态槛值”相比较以判定设备运行状态的一类标准。

常用的振动判断绝对标准有ISO2372、ISO3495、VDI2056、BS4675、GB6075-85、ISO10816等。

2．相对判别标准 对于有些设备，由于规格、产量、重要性各种因素难以确定绝对判别标准，因此将设备正常运转时所测得的值定为初始值，然后对同一部位进行测定并进行比较，实测值与初始值相比的倍数叫相对标准。

3．类比判断标准 数台同样规格的设备在相同条件下运行时，通过对各设备相同部件的测试结果进行比较，可以确定设备的运行状态。