信号分析

(3)在开机过程中振幅出现峰值，大多是共振引起 的，包括箱体、支座、基础的共振。
(4)振幅某时刻突然增大，这可能是油膜振动引起的， 油膜支承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；或间 隙过小，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。
振动波形前沿与转速脉冲前沿之间形成的角度，即为供油提前角。通 过与标准供油角的比较，可判断供油提前、落后的情况。
3
频域分析法
频域分析法主要是通过对信号的频谱结构进行分析，确定信号由那 些频率成分组成，再通过对“故障特征频率”及“故障特征频率幅 值”的分析，就可准确地对设备的故障情况进行诊断。
在使用频域分析之前，首先要获得信号的频谱图，可以说频谱 图是频域分析的主要工具，因此，对频谱图的深刻理解是使用频谱 诊断的前提。
1
振动的基本知识
(3)非确定性信号： 不能用数学式描述，是一种随机过程。
噪声信号(平稳)
噪声信号(非平稳)
瞬态信号:如 x(t)= e-Bt . Asin(2*pi*f*t)
5
统计特性变异
6
1
1
振动的基本知识
1、确定性信号与非确定性信号
确定性信号：用明确数学关系式描述 非确定性信号：不能用数学关系式描述
18
3
2
时域分析法
(3) 时域指标的选择
峭度因子：
① 理论值在3左右; ② 根据它的变化值相对于 K=3 的情况，把正常轴承
和损伤轴承区分开来。
19
2
时域分析法
(3) 时域指标的选择
序号 1 2 3 4 5 6
幅值参数 波形因子 峰值因子 脉冲因子
裕度 峭度因子 均方根值
敏感度 差 一般
较好 好 好 较差
是余弦信号的初时相位，
figure(1);
%为x=sin(2*pi*f0*t+1/4*pi); f0=0.005
subplot(211);
plot(t,x);%作余弦信号的时域波形
xlabel('t');
ylabel('y');
title('余弦信号 时域波形');
grid;
y=fft(x,N);%进行fft变换
(1)横坐标分辨率△f： △f=fc/n n—fft变换的长度， fc—采集频率
(2)横坐标的频率值：
△f ╳ i
i——坐标的序号
fs=1;
N=100; %频率分辨率为fs/N＝0.01Hz，下面信号的频率0.05是0.01的整数倍，
n=0:N-1;
t=n/fs;
f0=0.05;%设定余弦信号频率
x=cos(2*pi*f0*t+1/3*pi);%生成正弦信号 %FFT是余弦类变换，最后得到的初始相位
信号的分析处理
振动信号的主要分析方法
1
振动的基本知识
2
时域分析法
3
频域分析法
4
倒频域分析法
5
幅值域分析法
6
相关域分析法
1
振动的基本知识
2、振动诊断机理 当零部件间隙（如磨损）、质量分布（如不平衡）、配合（如不对
中、供油提前角）发生改变时，会使部件间的接触冲击发生变化，或产 生附加的冲击，传递到机体表面，则表现为振动的增大（或减小）。
的分析需要。
5、频谱的种类:
1)幅值谱：x(f)(或x(f)/n),fft变换后实部与虚部之模。
2)功率谱：S(f)=x2(f)
3)功率谱密度：S(f)=x2(f)/(fc/2)
3
频域分析法
6、故障特征频率的提取:
(1)公式计算法
如滚动轴承、滑动轴承、转轴、齿轮、叶轮的频率，可 依据理论公式计算出故障频率，在实际应用中再进行修
(5)映射法
用神经网络方法对正常、故障情况下的频谱进行记忆。
6
4
倒频域分析法
1、 倒频谱分析法原理:
倒频谱分析是对频谱的再次谱分析，也称为二次频谱分析，是 近代信号处理科学中的一项新技术。它对具有同族或异族谱波以 及多成分边频的频谱图分析非常有效，具有解卷积作用，可以分 析和提取原信号或者传输系统特性，是检测复杂频谱图中周期分 量的有用工具。在振动和噪声源的识别、机械故障诊断和预报分 析中得到广泛应用。
5
3
频域分析法
典型滚动轴承的频谱图
3
频域分析法
3、频谱的获得: 1)Cooley-Tukey法
fft
平方
x(t)-----> x(f) ------> S(f),功率谱
是求频谱的主要方法
2)Blackman-Tukey法
相关分析
fft
x(t)---------> R(t) ------> S(f)
title('余弦信号 幅频谱图');
grid;
angle(y(6))*180/pi %求信号初时相位。频率坐标f为[0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0.06 ...]，所以谱线y中第6根谱线和信号x对应。
3
频域分析法
(3)分辨率△f与采集频率fc的关系： fc越大，则频谱的分辨率越低，但时域的分辨率越高。 一般采用高频采集数据，再隔点细化的方式 ，来同时满足时域、频域
根据时域波形的形状，可对特定的故障进行诊断。
1）对机器启动时的 波形分析
（以空压机为例）
(1)振幅恒定，可能是其它设备或地基引起振动；或流 体压力脉动或阀门振动。
(2)振幅随开机过程而非线性增大，可能是转子动平衡 不好；或轴承座和基础刚度小；或推力轴承损坏。
2
时域分析法
1）对机器启动时的 波形分析
（以空压机为例）
2
时域分析法
2）对机械松动的波形分析
当转子由于安装过盈不足发 生松动时，振幅将随时间呈不 规则的变化。
4
2
时域分析法
测试原理：振动传感器放在某缸缸盖； 光电传感器放在各缸基准点，对准飞轮 贴在该缸上止点处的反光片，同时进行 测量。
3）对发动机供油角 的波形分析
2
时域分析法
3）对发动机供油角 的波形分析
稳定性 好
一般 一般 一般
好 较好
20
2
时域分析法
时域指标诊断的特点
优点：直观、易于理解；包含的信息量大。 缺点：不易直接看出所包含信息与故障的联系（只
作定性分析）。 结论：信号的时域统计分析（包括均值、均方根值、
方差、概率密度函数等），在简单情况下可识别系 统的状态。
21
2
时域分析法
4 、时域的波形诊断法
4
倒频域诊断法
1、 倒频谱公式: 横坐标为“倒频率”(时间)，纵坐标为幅值m/s2
C(q) = F −1{log F (Y (t))}
2 、倒频谱分析原理: 当信号x(t)与附加信号h(t)(系统函数、回声等)以“卷积”的方式叠
加时，FFT变换后会产生频域信号相乘，即: x(t)*h(t) ←→x(f)h(f)
标准差
波形因子
峭度
峭度因子……………来自142时域分析法
(2) 无量纲统计指标
波形因子：有效值/绝对平均幅值 K = X rms X
峰值因子：峰值/有效值 C = Xˆ X rms
脉冲值：峰值/ 绝对平均幅值 I = Xˆ X
裕度：峰值/方根幅值
L = Xˆ Xr
15
2
时域分析法
(2) 无量纲统计指标
• 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A
• 平均绝对值 xav=0.637A
• 有效值 xrms=0.707A
• 平均值 x =0
9
2
时域分析法
1）简单、方便 2）当振源较为复杂时,只能
定性诊断,即指出设备有无
(1) 有量纲统计参数
异常；而无法指出具体的故 障部位。
∫ ∫
均值 ：
μx
=
1 lim T →∞ T
这样，频谱法无法将这二个信号分开。倒频谱可将x(t)与h(t) 分开。
其原理为: 卷积->(fft)->频域乘->(log)->频域和->(fft-1)->倒谱
4
倒频域分析法
3 、倒频谱的变换步骤:
1)先进行FFT变换，使时域的卷积等于频域相乘：
y(f)=x(f)h(f)
2)取对数，使积变为和：
Log(y(f))=log(x(f))+log(h(f))
<-------
fft-1
是用来求相关系数的方法
3
频域分析法
4、FFT的变换步骤:
1)FFT的变换函数 xf=fft(x,n)------X的n点离散傅里叶变换 x---为信号 n——变换长度，2K，k=0,1,…,一般k=10为1024点
2）fftshift(abs(xf)) 将零频率成分移动到频谱中心 3）求频谱的横坐标
② 对滚动体，保持架的冲击及突发性外界干扰或灰 尘等原因引起的瞬时振动比较敏感，测量值的变 化范围可能很大。
17
2
时域分析法
(3) 时域指标的选择
峰值因子：
① 表示波形是否有冲击的指标。 ② 一般说来，正常轴承振动的峰值指标范围为4到5
之间。 ③ 当滚动轴承出现剥落、裂纹、碎裂时，峰值指标
达到10以上。
偏态因子：
∫ K3 =
(+∞
x
−∞
−
μx
)3
p(
x)
dx
S3
峭度因子：峭度/标准差四次方
∫ K4 =
(+∞
x
−∞
− μx )4
p ( x) dx
S4
诊断用途：用来检验信号偏离正态分布的程度。 16
2
时域分析法
(3) 时域指标的选择 峰值：
① 它对瞬时现象可得出正确的指示值。特别是初期 阶段轴承表面剥落，非常容易由峰值的变化检测 出来。
3
1、 频域指标:
频域分析法
1）特征频率： 频谱图横坐标 f，Hz 2）特征频率幅值: 频谱图纵坐标 A, m/s2
3
频域分析法
2、频域分析法特点: 各个部件在运转时，都以一定的特征频率进行振动，特征频率所
对应的幅值即代表了该部件的振动大小。通过特征频率，可将各个部 件的振动分开，实现定位诊断。
频域定位分析原理图
3、振动分析指标的领域
按横坐标的量纲，分为以下几个域：
1）时域指标
2）频域指标
3）倒频域指标 4）幅值域指标
5）时延域
6) 相位域
1
振动的基本知识
(1) 周期信号：x (t)=x ( t + nT )
简单周期信号
复杂周期信号
4
1
振动的基本知识
(2)非周期信号：再不会重复出现的信号。
准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t) = sin(t)+sin(√2.t)
12
2
2
时域分析法
(1) 有量纲统计参数
∫
峭度：
K=
(+∞
x
−∞
−
μx
)4
p ( x) dx
∑ 离散化公式：
Kˆ =
1 N
N
(x
i =1
(ti ) − μ)4
峭度值：可以敏感捕捉信号中的冲击成分。
13
2
时域分析法
(1) 有量纲统计参数
常用指标 均值 峰值
无量纲统计指标： 峰值因子
有效值
脉冲因子
ψ
2 x
=
1 N
N
x2
i =1
ti
有效值（均方根值）： Xˆ rms =
诊断用途：用以描述振动烈度。
∑ ( ) 1
N
N
x2
i =1
ti
11
2
时域分析法
(1) 有量纲统计参数
∑ 方差：
( ) σ
2 x
=
1 N
N
⎡⎣ x
i =1
ti
2
− μˆx ⎤⎦
大方差
小方差
方差：反映了信号绕均值的波动程度。（标准差）
3)进行频谱反变换：
C(q)=f-1(log(y(f)))
4 、倒频谱的种类:
功率倒谱：
Cq=f(log(S(f))
幅值倒谱：
Cq=f(log(x(f))
不平衡 故障
•不对中 •齿轮故障 •轴承故障
冲击故 障
正常信号
7
1
振动的基本知识
2、连续时间信号与离散时间信号 (1) 连续时间信号:在所有时间点上有定义
(2) 离散时间信号:在若干时间点上有定义
采样信号
8
2
时域分析法
平均绝对值
正峰值
有效值
峰峰值 负峰值
平均值
简谐振动：x=Asin(ω t+π/2)
正。
(2)振源—响应分 对可能振源进行分析，对其响应的频率高、低进行推测，
析法
划定特征频率的范围。
(3)标准、故障频 谱对比法
找出差异最大的频率，作为故障特征频率。
(4)特定时域图形 变换法
对某段特定的时域波形进行FFT变换，对比正常、故障状 态下的频谱特征，如发动机燃烧爆发波形、往复泵阀门 落座波形等。
T
x(t)dt =
0
∞ xp ( x) dx
−∞
绝对平均值：
∑ 离散化计算公式：μˆ x
=
1 N
N i =1
x (ti )
∑ x = 1 T | x (t ) | d t
T0
μx
均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流 分量（常值分量）。
10
2
时域分析法
(1) 有量纲统计参数
∑ ( )
均方值：
mag=abs(y)*2/N;%求幅值 乘上后面的2/N得到正确幅值
f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y);%进行对应的频率转换
subplot(212);
plot(f(1:N/2),mag(1:N/2));%做频谱图
xlabel('频率(Hz)');
ylabel('幅值');
所谓“谱”，系指按照一定规律列出的图标或绘制的图像，所 谓的“频谱”就是指的按频率排列起来的各种成分，典型的频谱图 如下页图所示。
3
频域分析法
典型的频谱图
频谱图的横坐标是频率，且横坐标上频率点是等间隔的，频率
间隔为：
Δf = fc N
其中：
fc − −数据的采样频率； N − −傅里叶变换点数，一般为1024点。