故障诊断原理 (DEMO)

振动故障诊断原理

用作特征分析的方法有频域分析、时域分析、统计分析、小波分析及波形结构分析等等。1．利用时域指标进行诊断的原理

当振动特征较为明显的设备(如齿轮、轴承、柴油机等)出现故障时，在振动的时域上，会表现为其各指标值（峰值、峰－峰值、平均值、有效值）的增大(或减小)，这样，通过与标准时域指标的对比，即可对设备的大致运行状况进行评估。

利用时域指标进行诊断，只能对设备进行定性诊断，即指出该设备有无故障；而对故障的定位则较为困难，即很难指出该设备什么部位出了故障。

研究振动问题时，一般将研究对象(如一部机器、一种结构)称为系统；把外界对系统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的动态行为，称为响应或输出。振动分析(理论或实验分析)就是研究这三者间的相互关系。

2．利用频域指标进行诊断的原理

设备在运转时．各部件都是以一定的振动频率及频率幅值进行振动的，即每个部件都有自身的“特征频率”及“特征频率幅值”。当特征频率幅值增大时，表明该部件可能出现故障。

因此、利用频域进行诊断时，只需分析出某一部件的特征频率，并重点对该特征频率的幅值进行监测，通过与标准特征频率的对比，即可对该部件的运行状态进行诊断。

在一般情况下，设备各部件的特征频率是不相同的，因而通过对不同特征频率的监测，即可实现对不同部件故障的区分，因此，通过频域诊断不仅可以实现故障的定性，而且也可以实现定位。频域分析是振动诊断技术的基础，结合时域分析、时延域分析、幅值域分析、倒频域分析等技术，就可对设备进行全面综合的诊断。

时域分析法及其诊断实例：

时域分析的方法分为两种：时域幅值分析法及时域波形分析法。

a)时域幅值分析法主要是研究信号幅值最大值和最小值、幅值的平均值和波动程度、平

均幅值等，并通过这些参数对故障进行诊断；

b)时域波形诊断法主要是通过对时域波形形状的分析，对待定的故障进行诊断。

一、时域幅值分析法

设时域信号为x(t)，时间长度为T;进入计算机后的离散数据为x（n），共有N个数据点，则时域幅值分析法的主要指标有：

1、最大值max、最小值min

2、峰－峰值

3、平均值

4、绝对平均值

5、有效值

6、方差

7、变异系数

8、偏态系数

9、峰态系数

二、时域波形诊断法

1．时域波形诊断法对开、停机过程的诊断

利用时域波形诊断法对机械设备在开机和停机过程中的振动曲线形状进行分析可以对相应的故障进行评判。

例：对多台离心式空气压缩机的开机过程进行测量，测到的振幅A随时间t变化的几种波形如图4—9所示，试用时域波形诊断法对可能的故障进行分析。

解：

图4—9(a)中振幅不随开机过程而变化，说明可能是其它设备或地基引起振动．也可能是流体压力脉动或阀门振动引起的；

图4—9(b)中振幅随开机过程而增大，则可能是转子动平衡不好，也可能是轴承座和基础刚度小，另外也可能是推力轴承损坏等；

图4—9(c)在开机过程中振幅出现峰值，这大多是共振引起的，包括箱体、支座、基础共振的情况；

图4—9(d)是振幅在开机过程中振幅某时刻突然增大，这可能是油膜振动引起的，也可能是间隙过小或过盈不足引起的。大型回转机械一般是靠油膜支承转子，转子达到某一转速后振动就可能突然增大，当转速再上升时，振幅也不下降，这就是油膜振动。若间隙过小，则当温度或离心力等引起的变形达到一定值时会引起碰撞，从而也使振幅突然增大。

2．时域波形诊断法对机械松动的诊断

时域波形诊断法还可对零件的松动进行诊断。这时，是对机械设备在正常运转时进行数据测量。

图4—10是利用时域波形诊断法对风机的检测数据，从图中可以看出，风机的振动不稳定，振幅是随时间变化的，这说明振动系统是时变系统，其原因是由于风机叶轮套装过盈不足导致旋转时松动，因而振动不稳定。

3．自相关分析法诊断实例

当用噪声来诊断机器状态时，正常运行下的机器噪声是大量的、无秩序的，大小接近相等的随机冲击的结果，因此具有较宽而均匀的频谱。当机器运行状态不正常时，在随机噪声中将出现有规则的、周期的脉冲，其大小要比随机冲击大的多。

例如，在机构中轴承磨损而间隙增大时，轴与轴承盖就会有撞击的现象。同样．如果滚动轴承的滚道出现剥蚀、齿轮传动中某个齿面严重磨损或花键配合的间隙增加等情况出现时，在随机噪声中都会出现周期信号。因此．用噪声诊断机器故障时首先就要在噪声中查出隐藏的周期分量；特别是在故障发生的初期，周期信号不明显，直观难以发现的时候，可以采用自相关分析方法。依靠R(τ)的幅值和波动的频率查出机器缺陷之所在。

所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析处理，然后将结果与事先制订的某标准进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消除故障，保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统的参数(质量、刚度、阻尼等)来确定系统的输入．以判断系统环境的特性，如寻找振源等问题的研究。

任何振动工程问题都可以用图1—1—2来概括说明。这里的输入是指作用在系统上的激励或干扰，输出也称为响应。对于机械振动而言，激励大多为力，而常用的响应物理量一般分为位移、速度和加速度。

要引起振动，必须要有干扰(力)。例如，我们坐在开动的汽车中感到振动是由于汽车发动机转动和车轮通过不平的路面而产生的干扰力所致。这种有输入的振动称为强迫振动或受迫振动。当我们上船经过跳板时也会感到振动，这种振动也属于受迫振动之列。但是当我们走过之后，跳板仍在振动，这种现象在跳板较薄时更为显著。这种在外界干扰力撤去之后依然存在的振动称为自由振动或固有振动。从理论上讲，若无阻力存在，跳板会永远地振动下去。事实上，阻力总是存在，在一走的时间之后，振动便会感觉不到了，这就是自由衰减振动。

被测信号中包含着多种信息，其中有需要研究的有用信息．也有不需要研究的无用信息。这些叠加在有用信息上的无用信息，称为噪声。有用信息和无用信息对所测信号的贡献之比，称为信噪比。显然，信噪比越高，对测试过程越有利。噪声对测试过程相结果将形成干扰。这种干扰可以来自被测对象、或者是测试系统内部，也可能来自周围的环境。噪声往往是不可避免的，它对被测信号所产生的影响，最终将以误差的形式表现出来，导致测试精确度降低，甚至使测试工作无法进行。有用信息和无用信息是一个相对的概念，有些无用信息始终扮演噪声的角色，而另一些无用信息，则可以转化为有用信息。

时域分析法包括求取信号的特征值，对信号作相关分析，以了解信号自身或不同信号间的相似程度或关联性。幅值域分析法是研究信号在各个时刻的瞬时幅值的取值分布状态。频率域分析法是以频率为自变量来研究信号的幅值、相位和能量等的分布，可得到相应的幅值谱、相位谱、能量谱以及功率谱等，故又称为频率分析。