机械故障诊断学复习提纲_甜梦文库
机械故障诊断学复习提纲
机械故障诊断讲课提纲一. 绪（一） 械故障的定义与分类1． 故障的定义 一台设备的功能指标低于正常时的最低限值时，即设备丧失规定功能的现象 称之为故障。 2． 故障的分类 （1） （2） （3） （4） （5） 按故障的性质分：可分为器质型故障与操作型故障； 按故障发生的进程分：可分为突发型故障和渐发型故障； 按发生故障的时间分：可分为磨合期故障、正常使用期故障、耗损期故障； 按故障复杂程度分：可分为单一型故障与复合型故障； 按故障的后果分：可分为轻微故障、一般故障、严重故障、致命故障。 （1）故障率（λ） ： 某种设备在 t 时间后的单位时间内发生故障的台数相对于 t 时间内还在工作 的台数的百分比值，称为该产品的瞬时故障率。 （2）典型故障曲线――浴盆曲线 实践证明大多数设备的故障率是时间的函数，典型故障曲线称之为“浴盆 曲线” ，曲线的形状呈两头高、中间低，具有明显的阶段性，可划分为三个阶段： 早期故障期、偶然故障期、严重（耗损）故障期。故障率 早期故障期 偶然故障期 耗损故障期论3． 故障的规律规定的故障率经维修故障率下降 有效寿命时间 典型故障率曲线（二） 机械故障诊断技术的实质与内内涵机器故障诊断技术是一种了解和掌握机器在运行过程中的状态，确定其整体1PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。它 包括“监测”与“诊断” 。故障诊断技术的实质包括以下内容。 1．故障诊断是工程问题： 必须面向工程实际，解决机器的设计、制造与运行问题；高可靠性；注重经 济效益。 2．故障诊断是综合技术 3．故障诊断是一种反求技术 故障诊断 ①整体→零部件 ②运行信息→机器性能 ③运行→设计、制造→运行 4．故障诊断的发展依赖前沿学科的进步 5．故障诊断的核心是模式识别问题 6．诊断的准确性是诊断工程赖以生存的要害 一般设计 零部件→整体 力学模型→机器行为 设计→制造→运行（三） 机械状态监测与故障诊断的目的目的：保证机器可靠、有效地发挥其应有的功能，包括以下三个方面： 1． 大效益； 2． 维修成本； 3． 通过性能评价为优化设计、制造提供数据与信息。 保证机器一旦状态异常或发生故障，能及时、正确地诊断出来，以便 采取相应措施，对机器进行预知性维修，以减少维修时间、提高维修质量、降低 正确识别运行状态和故障类型，保证机器安全可靠地运行，发挥其最（四） 机械状态监测与故障诊断的内容机械状态监测与故障诊断的内容包括状态监测、故障诊断 状态监测：采用各种测量、分析、判别方法，弄清机器所处的运行状态，结 合机器的历史状态与运行条件，为机器的性能评价、合理使用、安全运行、故障 诊断打好基础。 故障诊断：需进一步确定故障的性质、程度、类别、部位、原因、发展趋势 等，为预报、控制、调整、维护提供依据。具体包括四个方面： 1． 信号检测：正确选择传感器，测取与机器状态有关的诊断信息； 2． 特征提取：即诊断信息的处理，利用某种信号处理的方法，从信号中提取 与机器的状态与故障有关的特征； 3． 状态识别：根据特征识别机器的状态和故障，包括：建立判别函数、确定 判别准则、进行比较等；2PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn4． 诊断决策：分析机器所处的状态及故障类型、部位、性质、原因及发展趋 势，采取相应的措施：继续监测、重点监测、停机维修等。（五）诊断信息的来原与获取1 直接观察法通过看、摸、听来判断机器的状态，只能粗约地判断，适用于能直接观察到 的机器零件。同时可采用一些简单的仪器和方法，如滚动轴承检测仪、内窥镜等 来扩大观察能力。2 动态信息检测法利用某种传感器获取机器运行过程中的动态信息 动态信息有：振动、噪声、温度、压力、流量、力矩、功率等等，得较多的 方法为：振动信号、噪声信号检测法。3 磨损残留物的测定 4 设备性能测定（1）整机性能测定：测量输出或输出与输入的关系来判断设备运行状态； （2）零部件性能测定：用于对设备的可靠性起决定性作用的关键零部件。（六）机械故障诊断方法的分类1 按诊断的目的与要求分类功能诊断与运行诊断；直接诊断与间接诊断；定期诊断与连续监控；在线诊 断与离线诊断；常规工况下的诊断与特殊工况下的诊断；间易诊断与精密诊断。2 按监测与诊断技术分类振动与噪声监测技术：利用机器运行时的振动、噪声信号进行监测诊断； 超声与声发射监测技术：监测裂纹、裂纹扩展、材料内部缺陷等； 红外监测技术：利用红外辐射原理及仪器，监测机器运行中的温度变化； 润滑油样分析技术：分析润滑油样中携带的磨损残留物的成分、形状、数量、 大小等来识别故障。3 按诊断对象分类旋转机械的监测与诊断技术：转子、轴系、汽轮发电机等； 往复机械的监测与诊断技术：内燃机、往复式压缩机、曲柄连杆机构等； 工程结构的监测与诊断技术：框架、桥梁、管道、容器等； 基础零部件的监测与诊断技术：齿轮、轴承、电机等。3PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn（七）机器零部件失效信息1. 机器零部件运行信息的特点1) 机器零部件的运行信息是机器运行中伴随的各种物理现象 ； 2) 机器运行信息的传输的选择性； 3) 机器失效信息间的关联性 4) 机器零部件失效信息，经常具有非平稳性 5) 机器零部件失效信息的微弱性 6) 机器零部件失效信息的非线性特征2. 机器零部件运行信息的获取机器零部件的运行信息，反映了机器零部件的工作状态。机器运行信息的获 取包括了以下两个方面的内容： 反映机器零部件失效信息的信号的测量； 测量信号中机器零部件失效信息的提取。 1) 机器零部件失效信息的信号的测量 （1）静态测量方法 （2）动态测量方法 机器零部件失效信息的测量和提取中，应注意以下的问题： (a)由于机器零部件运行信息的多样性， 在信息的收集和测量中采用的测量方 式、测量方法、选用的传感器、选择的测量参数等也应根据机器的结构、零部件 信息的特点等进行选定。 (b) 测试点的选择 根据机器零部件运行信息传输选择性，测试点应该根据机器结构尽量选择在离 被测零部件距离最近的地方，并确保测试信息的传输路径短、传输路径对信息的 衰减和歪曲程度小。同时，测试点的选择还应充分考虑传感器安装要求，以及机 器外形等实际情况。 (c)对于机器零部件早期失效所表现出来的微弱失效信息， 在收集和测量时还 应进行适当的放大、消噪等处理，以突出有用信息成分。同时还要注意测量仪器 的连接、接地、屏蔽等测量环节。因此，微弱失效信息的测量是获取机器零部件 信息的重要步骤，采用准确的测量是获取机器零部件信息的保障。 2)零部件失效信息的提取 机器零部件的失效信息往往可以通过一些特征量来反映。这些特征量可以直 接选用产品的功率、油耗等功能参数，也可以是数学模型中的系数，比如时序模 型的系数、状态空间方程的系数，或者也可通过信息处理方法来得到。 因此，正确、有效地提取机器的运行信息，是及早识别机器零部件失效的关4PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn键。 零部件失效信息的特征可以分为：简单特征和复合特征，线性特征和非线 性特征，单维与多维特征等。 由于机器失效信息具有多样性、传输选择性、非平稳性和微弱性等特点， 因此在特征信息提取中应针对不同机器零部件信息的特点，选用相应合适 的方法。 常用的机器运行失效信息的特征提取方法有： (1)信息论方法 信息论是研究信息的基本性质和度量方法以及信息的获得、传输、存贮、处 理和交换等一般规律的科学。 信息熵理论在机器零部件失效分析和维修等方面具有重要的应用。 信息熵除了作为信息量的一种度量之外，利用信息熵的理论和概念，我们还 可以通过对某类型机器故障的统计来衡量机器故障发生的不确定性，评价该类型 机器的可诊断性、可维修性。 利用信息熵还可衡量一台机器或一个系统的复杂程度。 信息熵在测量结果一致性判别、模式分类准则确定等方面都有重要的应用。 (2)平稳机器零部件的信息提取 从平稳的物理量中提取机器零部件失效信息， 是人们最常用的信息提取方法。 这里平稳的物理量是指，其统计特征不随时间的变化而变化。因此，从平稳物理 量中提取零部件的失效信息，与平稳物理量的测试时间无关，同时测量到的信号 具有代表性。 从平稳物理量中提取信息除了常用的时域、幅值域分析方法外，频域分析方 法是重要的方法。 从上世纪 60 年代以来，随着快速傅立叶变换算法的出现，频谱分析的运算速 度得到大幅提高。傅立叶变换成为了频谱分析最基本、最有效和最广泛的工具。 准确地获取频域中的幅值、频率和相位信息，对机器零部件失效信息提取具 有重要意义。 在转子振动分析中，普通的傅立叶频谱分析方法给出的相位信息误差很大。 如果不进行精确计算，相位信息根本不能用。机器零部件失效初期，由于失效信 息比较微弱，频谱分析时往往会被淹没在噪声之中。另外，实际应用中往往还会 遇到许多特征频率密集在一起的情况。对于以上情况，提高频谱分析精度是实现 失效信息提取的有效途径。 提高离散频谱分析精度的方法有：比值内插法、频谱细化法、连续细化频谱 法等。从具体的实现算法上可分为：二分法、遗传算法、黄金分割等方法。 全息谱分析方法是一种基于傅立叶分析、并广泛用于回转机器状态监测和诊 断的方法。它集成了回转机器中转子振动的幅值、频率和相位信息，全面集成和5PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn利用了转子的振动信息，能准确反映和区分转子的不同工作状态和各种故障。 (3)非平稳机器零部件的信息提取 对于非平稳物理量的机器信息提取，应该选择非平稳的信息处理方法。如果 仍然采用平稳的信息处理方法，就很难提取到有用的零部件失效信息。 在机器零部件失效和诊断研究领域，如何从非平稳信号中提取设备状态信息 是众多学者研究的热点之一。传统的处理非平稳信号的方法以 Fourier 分析和数 字滤波技术为基础，主要有： (a)通过选择合适的窗函数，将非平稳信号分割为准平稳信号进行处理； (b)分析信号周期中的单一的信号成分，并进行周期平均； (c)变频采样(即跟踪测量)分析。 小波理论是二十世纪八十年代中期出现，非平稳信号的处理方法。 (4)统计模拟方法 统计模拟方法的基本思想是原始数据的“再采样”。 统计模拟将经典的统计计 算方法与计算机数值模拟技术结合起来，通过计算机模拟实现信息的再利用。 在信息处理领域，统计模拟方法特别适合于对“小样本”数据进行统计分析。 在时间序列分析中，统计模拟是模式识别和对自回归谱进行准确估算的强有 力的工具。 (5)主分量分析和核主分量分析 主分量分析、核主分量分析实现对大量测量结果中信息的压缩和浓缩，是信 息提取的重要手段。 主分量分析方法基于线性变换实现了对线性特征信息的提取，因此无法有效 地提取隐含在数据中的非线性信息。 核主分量分析方法借助于核函数来实现某种非线性映射，通过非线性映射将 输入矢量映射到高维特征空间，使之在高维空间具有更好的可分性，然后对高维 空间的映射数据做主分量分析，得到原始数据的非线性主分量，实现了隐含的非 线性特征信息的提取。 (6)遗传算法和遗传编程 遗传算法作为基于自然进化过程模拟的优化方法，是自然界生物“物竞天择， 适者生存”机制在优化方法上的体现。进化计算具有全局搜索、计算简单、对优化 对象的限制少等优点。进化过程以编码进行，进化操作(杂交、遗传、变异)以概 率方式选择，因此具有强的优化性能。 在遗传算法的发展中，将线性编码改进为非线性编码，是一种新的思路。它 采用了层式编码结构，是对遗传算法的改进，被称为遗传编程。遗传编程更适合 应用于层式结构的优化，在机器失效模型的建立、失效模式判别函数优化等方面 有重要的应用。 (7)其它的信息处理方法6PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn时域平均 盲源分离 支持向量 3）机器运行信息的利用 机器运行信息本质上是机器零部件状态的表露，同时机器运行信息也包含了 与机器结构有关的特征。 因此，通过对机器运行中零部件失效信息等的提取，不但可以了解机器零部 件的工作状态、失效情况，同时也可以获得机器设计、制造方面的特征。 （1）机器零部件故障的识别 机器零部件失效的识别，是机器零部件失效信息提取的主要目的之一。 机器零部件的失效，往往会直接或间接地引起机器整体功能或性能的变化。 通过对机器零部件信息的分析，确定失效的零部件，从而才能有目的地对失 效零部件进行更换、修复或调整。 （2）机器设计、制造缺陷的识别 机器的某个零部件或某个子系统在设计和制造上的缺陷，往往会引起机器整 体功能的下降。通过对各个零部件或子系统失效信息的提取和分析，有助于发现 存在缺陷的部件，为进一步改进设计、提高制造精度提供了依据。二. 信号的时域分析方法(一)信号的分类信号可分为动态信号与静态信号两大类。 静态信号：不随时间变化的信号称为静态信号； 动态信号：随时间变化的信号称为动态信号； 正弦周期信号 周期信号－ 确定性信号－ 非周期信号－ 动态信号－ 瞬变信号 复杂周期信号 准周期信号平稳随机信号 随机信号－ 非平稳随机信号7PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn1. 确定性信号可用明确的数学关系表示或图表描述的信号称为确定性信号。它又可分为周 期和非周期信号。 (1)周期信号 瞬时幅值随时间重复变化的信号称为周期信号。一般表达式为： x(t)=x(t+kT), 式中：t－时间（2）准周期信号K=1,2,……T－周期当若干个周期信号叠加时，如果它们的周期的最小公倍数不存在（趋向无穷 大） ，则和信号不再为周期信号，但它们的频率描述还具有周期信号的特点，称为 准周期信号。 （3）瞬变信号 一般将持续时间短、有明显的开端和结束的信号称为瞬态信号。瞬态信号的 频谱特征为连续谱。2 随机信号（不确定信号）无法用确定的时间函数来表达的信号称随机信号。 即对同一事物的变化过程， 独立地重复多次观察，所得到的信号是不同的，波形在无限长的时间内不会重复。 随机信号要用概率统计的方法进行分析。（二）信号的获取 1.信号的获取过程信号预处理 A/D被测对象传感器与放 大器磁带记录仪信号分析仪计算 机监测仪器图2－3 信号获得与处理过程图从被测对象上安装传感器获取模拟信号，经放大后可有以下几种处理方式： 1) 直接送到故障监测仪器进行处理，显示及记录结果； 2) 通过 A/D 转换采样，把数字信号送计算机处理分析； 3) 送信号分析仪进行采样及数据处理，还可将处理结果通过接口送计算机作 二次处理；8PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn4) 用磁带记录仪记录模拟信号，经回放送信号处理仪或计算机处理。2.采样过程1） 取样 把 连 续 信 号 x(t) 按 一 定的 时 间 间 隔 Δ t 逐 点 取 其 瞬 时 值 x(t1) 、 x(t2) 、 x(t3)……x(tn)，tn=n*Δt 取样即在时间上对信号离散化。 2） 量化 将取样值表示为量化单位的整数倍。即在取值上进行离散化。也就是将采样 信号 x(ti)通过二进制编码把离散量变成数字量的过程。 3） 量化误差3. 采样定理基本问题：如何正确、合理地选择采样间隔Δt 及总长度 T； 目 的：保证所得的信号真实地代表原来的连续信号。 fs≥2fmax 或采样间隔△t 应保证： △t≤1/2fmax 式中： fs－采样频率；fmax－采样后要求分辨的最高频率；Δt－采样间隔。 一般取： fs＝（2.56～4）fmax (2)解决频率混淆的办法 a. 提高采样频率 fs 以满足采样定理，一般取 fs＝（2.56－4）fmax b. 用低通滤波器滤去不必要的高频成分，以防止频率混淆现象，此时的低 通滤波器也称抗混频滤波器，滤波器截止频率取： fcut = fs/（2.56～4） c. 当用带通滤波器时，信号频率满足 f1≤f≤f2，当带宽 fB=f2 －f1 比频率上限 f2 小很多时，可降低采样频率，一般取 fs＝（2－4）fB (3)Nyqusit 频率 采样后能把信号的波动保留下来的最大频率。称为 Nyqusit 频率。 （1） 采样定理（三）信号的时域参数分析方法1.信号的幅值概率密度函数9PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn2.有量纲时域参数在工程实际中遇到的随机信号大多是平稳随机过程，对于这类信号幅值概率 密度函数外，还可用均值、方差、等动态指标来描述。连续信号 均 值： x = x 1 T = 离散信号 x = x2∫T0x (t )dt1 N =∑Nxii =1均方根值： 方根幅值： 绝对平均值： 偏 峭 方 斜 度： 度： 差：rms1 T∫T0x 2 (t )dtrms1 NN∑Nx i22i =1?1 T ? xr = ? ∫ x (t ) dt ? 0 ?T ? 1 T x = x (t ) dt N ∫0 α＝ β＝ 1 T 1 T? ? 1 x r = ? xi ? ∑ ? ? N i =1 1 N x = ∑ xi N i ?1 α = β = 1 N 1 N∫T0 Tx 3 (t )dt x 4 (t )dtT∑ ∑N i =1Ni =1x i3∫0x i4Dx = x xmax max最 (小 ) 大 值： 峰 －峰 值：1 x (t ) ? x T ∫0 = max ( x i (t )) ? x min() dt2Dx = xmin2 1 N xi ? x ∑ N i =1 = min ( x i (t ))()i = 1,2, ? , N注意： a. 信号的均值反映信号中的静态部分，一般对诊断不起作用，对计算其它参 数有很大影响，一般在计算时应先从数据中去除均值，剩下对诊断有用的动态部 分。 b.偏斜度α反映 p(x)对纵坐标的不对称性，如果α越大，不对称越厉害。 c.随着故障的增大，均方根值、方根幅值、绝对平均值、峭度及峰值会不同 程度地增大，且峭度最为敏感。峭度对探测信号中含有脉冲的故障最敏感、有效。3. 无量纲幅域参数常用的无量纲指标有： 波形指标(Shape Factor ) 峰值指标(Crest Factor ) Sf = Cf = If = 均方根值 x ＝ rms 绝对平均值 x 最大值 x ＝ max 均方根值 xrms 最大值 x ＝ max 绝对平均值 x脉冲指标(Im pusle Factor )10PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn裕度指标(Clearance Factor) 峭度指标(Kurtosis Factor) 注意：CL f = Kv =最大值 x ＝ max 方根幅值 xr 峭度4(均方根值)＝β 4 xrmsa. 一般，原始数据增加一倍，有量纲幅域参数增大，无量纲幅域参数不变；b. 对于正弦波、三角波，不管频率（f） 、幅值（A）多大，这些参数的值不变；这是由 于频率不会改变幅值概率密度函数，幅值的变化对算式的分子、分母影响相同。c. 对于正态随机信号，波形指标、峭度指标为定值，其余指标随峰值概率减 小而上升； d. 峭度指标、裕度指标、脉冲指标对脉冲故障比较敏感，早期故障发生时， 大幅脉冲不很多，均方根值变化不大，但上述指标已增加，当故障发展时，这些 指标会增加，到一定的程度会逐渐下降。即：这些参数对早期故障敏感，但稳定 性不好； e. 均方根值对早期故障不敏感，但稳定性好。 所以在使用这些参数时应注意采取以下措施： （1）同时使用 Kv、CLf 与 xrms 进行监测，以兼顾敏感性与稳定性； （2）连续监测可发现峭度指标（或裕度指标）的变化趋势，当指标值上升到 顶点开始下降时，要密切注意故障是否发生。(四) 信号的自相关分析时域参数只考虑了信号的幅值特征,而与信号的时序无关。 而时域分析的重要 特点是信号的时序，在时域信号中提取信号特征的方法主要有相关分析、时序分 析、时域平均等。1. 自相关函数a.定义： 自相关函数描述随机信号一个时刻与另一个时刻的依赖关系，即研究 t 时刻 与 t＋τ时刻两个随机变量的相关性，记作 Rx(τ)。Rx (τ ) = lim1 T x(t)x(t +τ )dt 0 T →∞ T ∫b 自相关函数的性质 (a) Rx(τ)为偶函数，即 Rx(τ)＝Rx(－τ) (b) 当τ＝0 时，Rx(0)为最大值，即 Rx(τ) ≤Rx(0)＝E[X2(t)] (c) 如果定义自相关系数： ρx(τ)= Rx(τ) /Rx(0)11PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn则：|ρx(τ)| ≤1 Rx(τ)有量纲，不同波形的自相关程度很难比较； ρx(τ) 无量纲，作为相关性的度量更直观。 (d) 如果τ →∞limRx (τ )2 存在，则： R x (∞) = ? x(e)周期性号的自相关函数仍为周期信号，两者周期相同，但丢失相位信息。 c.自相关函数的计算 实际计算中对连续信号 x(t)取时间长度为 T， 对离散信号 xi,取数据长度为 N。 Rx (τ ) = 1 T ?τ∫T ?τ0x (t )x (T ? τ )dtN ?k i =1Rx (k ? ?t ) =1 N ?k∑x xi i +k式中：0&τ&T；K=0,1,2,…M；△t-采样间隔 d.自相关函数的作用 ⑴．在信号中找出周期信号或瞬时信号； ⑵．用自相关函数的幅值或波动频率查找机器缺陷； ⑶．用自相关函数求自谱。2. 互相关函数a. 定义：描述随机信号{x(t)}、{y(t)}之间的相关性的函数 1 T Rxy (τ ) = lim ∫ x (t ) y (t + τ )dt (2 ? 26) T →∞ T 0 b. 互相关函数的性质： (a)对称性（互相关函数为非奇、非偶函数） ：Rxy(τ)=Ryx(－τ)； (b) Rxy (τ ) ≤ Rxx (0)Ryy (0)即 Rxy(0)一般不为最大值。即峰值不一定在τ＝0处，且峰值偏离原点的距离表示两个信号取得最大相关程度的时移； (c)果 x(t)、y(t)零均值且相互独立，则：Rxy(τ)＝0，可用这个性质检测隐 藏在噪声中的规则信号； (d)同频率周期信号的互相关函数也是同频率周期信号且保留相位信息。 c. 互相关系数 ρ xy (τ ) = Rxy (τ )Rx (0)Ry (0)ρ xy (τ ) ≤ 1 且： ρxy（τ）与ρx（τ）一样无量纲，直接反映两组随机数据之间的相关性，不 需要进行物理量的转换和标定。12PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cnd.互相关函数的应用 (a)测量某种随机干扰的平均传输速度 (b)把 x(t)看作输入，y(t)看作输出，则 Rxy（τ）不但反映了经过系统的时 间，也反映了经过系统后的信号变化； (c)已知信号传递通道的时间为τ1 、τ2 、τ3 ，则可利用 Rxy（τ）确定各 通道影响的大小，只要观察τ1 、τ2 、τ3 对应的峰值即可。(五) 时域平均回转机械和往复机械在运行过程中，反映其运行状态的各种信号是随机器 运转而周期性重复的，其频率是机器回转频率的整倍数。 这些信号又往往被伴随产生的噪声干扰，在噪声较强时，不但信号的时间 历程显示不出规律性，而且由于常用的谱分析不能略去任何输入分量，在频谱图 中这些周期分量很可能被淹没在噪声中。 时域平均是从噪声干扰的信号中提取周期性信号的过程，也称相干检波。 对机械信号以一定的周期为间隔去截取信号，然后将所截得的信号叠加后平均， 消除信号中的非周期分量及随机干扰，保留确定的周期成分。提高信噪比。1.定义设：x(t)由 s(t)（周期信号）与 n(t)（白噪声）组成：x (t ) = s (t ) + n(t )以 s(t)的周期 T 截取信号 x(t)，即将 x(t)分成 N 段，每段有 M 个点，将各 段对应点相加。由于白噪声不相关所以： x(ti )NID～（0，1）= NS (ti ) + N n(ti )得时域平均后的输出信号 ：y(ti ) = S (ti ) + n(ti ) / Nn(ti ) / N 表示输出信号的白噪声，信噪比提高了 N 倍。2.时域平均和谱分析方法的差异：谱分析只需摄取一个输入信号，时域平均法除输入信号外，还要摄取时标 信号。 谱分析提供了各个频带内的频率，不能略去任何输入信号分量，因而，待 检机器的信号完全可能淹没在噪声之中；时域平均法可以消除与给定周期无关的 全部信号分量，因此可以在噪声环境下工作。3.时域同步平均13PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn时域平均按其选取平均周期的方法不同，可以分为时域同步平均、无时标 时域平均。 时域同步平均可以消除与给定频率无关的信号分量，包括噪声和无关的 周期信号，提取与给定频率有关的周期信号，因此能在噪声环境下工作，提高分 析信噪比。 平均结果清楚地显示信号在给定周期内的机械图像，这对于识别机械在运 行过程不同时刻的状态是很有价值的。 时域同步平均也可作为一种重要的信号预处理过程。 (1)时域同步平均的概念 设：x(t)为回转机械运行中产生的振动信号，对应的离散信号为 xn=x(n△t)，△t 为采样间隔。按回转频率 f0 提取相应的周期信号，将 xn 期 分为 P 段，每段对应周 xn 可以表示为： T = 1/ f 0 ，并设各段采样点数相等为 N。则，时域同步平均xn=1 P?1 ∑ xn + PN P P =0H( f ) = 1 sin Pπ f / f 0 P sin π f / f 0幅频特性：相频特性： Φ (f ) = π ( P ? 1) f / f 0(2)时域同步平均的工作原理4.无时标时域平均在工程实际中获取的机器的动态信号不一定都有同步时标信号，如果需要 对这些信号采用时域平均方法消噪，需要用无时标时域平均方法。 无时标时域平均方法存在截断误差对平均结果的影响问题。14PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn(六)信号的预处理信号预处理的目的：提高信号中所包含信息的可靠性和数据分析精度，使故 障诊断的可靠性和灵敏度提高。 信号预处理的核心：采用各种滤波技术提高信噪比。1. 提取或去除趋势项在信号分析中，一般把周期大于记录长度的频率成分称为趋势项。 原因 a 由于环境条件（温度、电压等）变化或仪器漂移――从数据中去除趋势项； b 被测机器本身性能不稳定――提取趋势项作为诊断信息。 方法 用模拟电路： a. 去除趋势项用高通滤波器； b. 提取趋势项用低通滤波器。 对离散数据进行处理: 通常可用多项式拟合方法提取趋势项。2 线性滤波方法。目的及种类 （1）目的：去除或减少噪声，提高信噪比。 （2）种类： 滤波分模拟滤波和数字滤波两类。 模拟滤波：用硬件来实现。 数字滤波：对采集到的离散数据的一种运算过程。它精度高，可靠性好，灵 活，易改变滤波特性，得到广泛应用。 滤波器的基本类型有： a． 低通滤波器：能传输 0～f0 频带内的信号 b． c． d． 高通滤波器：能传输 f 0 ~ ∞ 频带内的信号 带通滤波器：能传输 f1 ~ f 2 频带内的信号 带阻滤波器：不能传输 f1 ~ f 2 频带内的信号各种滤波器的作用 （1） 低通滤波器: ①去掉信号中不必要的高频成分，降低采样频率，避免频率混淆； ②提取趋势项；15PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn③降低对记录设备的要求； ④去掉高频干扰。 （2）高频滤波器： ① 去除趋势项，以得到平稳得数据； ② ②去除低频干扰（外界机械振动干扰） ； ③去掉信号中不必要的低频成分。 （3）带通滤波器： ①抑制感兴趣频带以外的频率减少，提高信噪比； ②用窄带滤波器从噪声中提取周期成分； ③调制信号检测。 （4）带阻滤波器：抑制某一特定频率的干扰3. 同态滤波方法简介对非线性信号，要用同态滤波的方法。这种方法的特点： ①先把相乘或卷积信号通过某种变换变成相加关系； ②再用线性滤波的方法去掉不需要的成分。 解乘积的同态滤波法 可用框图表示为：x(t)对数变换x1(t)线性滤波s1(t)指数变换s(t)解卷积的同态滤波方法： Cx(τ)x(t)傅氏变换X(f)对数变换lgX(f)逆傅氏变换线性滤波Cs(τ)傅氏变换lgS(f)指数变换S(f)逆傅氏变换s(t)三. 信号的频域分析方法（一）频域分析的基本概念频谱分析：利用某种变换将复杂信号分解为简单信号的叠加。 频谱：将动态信号的频率成分的幅值、相位、与频率的关系表达出来的图形。 频谱图分为：离散谱――与周期性、准周期性信号对应； 连续谱――与非周期信号及随机信号对应，用谱密度。16PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn1.周期信号的频谱周期信号：x(t)＝x(t+nT) 可展开成傅氏级数∞其中 T――周期， n――整数。x (t ) = A0 + ∑ Ak cos (2πkf 0 t + ? k )k =1式中： A0 ? ?直流分量 Ak ? ?振幅 ? k－－相位Ak cos(2πkf 0 t + ? k )－－谐波分量为基频的整数倍1 T 周期信号可以分解为无限多个频率为基频的整数倍的谐波分量之和。 通常采用谱图的形式来表示周期信号的谐波分量。最基本的谱图有： 幅值谱――各谐波分量的振幅 Ak 与频率的图示关系； 相位谱――各谐波分量的相位φk 与频率的图示关系。 2. 非周期信号的频谱 非周期信号（如瞬态信号、脉冲信号等）的频谱必须用连续谱表示。 ∵ 非周期信号可看作周期无穷大(T―→∞) 的周期信号，其基频趋向于 0， 因此，其谐波分量的间隔将无穷小，其频谱为连续谱。 ∴ 对非周期信号不能用幅值谱的概念，需要用谱密度的概念。 谱密度：单位频率区间上的幅值强度，通过傅氏变换获得。 f 0－－基频 f0 =幅值谱： 式 中： 模： 相 角：j－－虚数单位，X(f )为复数 ? ( f )＝arg X ( f )为相位谱 X(f )－－为幅值谱密度X(f ) = ∫ x(t )e ? j 2πft dt∞ ?∞3. 平稳随机信号的频谱 平稳随机信号的频谱为连续谱，由于样本曲线的波形各不相同，幅值谱对平稳随 机信号没有意义 ∴平稳随机信号的频谱是指功率谱密度。 自谱密度函数S x ( f ) = lim或1 2 E X(f ) T →∞ T[]S x (ω ) = lim1 2 E X (ω ) T → ∞ 2πT[]自谱密度函数的性质：17PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn① S x ( f ) 是实的非负偶函数； ② S x ( f )是R x (τ )的傅氏变换，R x (τ )是S x ( f )的傅氏逆变换。 ? S ( f ) = ∞ R (τ )e ? j 2πfτ dτ ∫?∞ x ? x 即? ∞ ? R x (τ ) = ∫ S x ( f )e j 2πfτ df ?∞ ? 由于 S x (ω )、R x (τ )均为实偶函数 ，可用 e jωτ 的实部余弦函数来代替 。 ? S (ω ) = ∞ R (τ ) cos ωτ dτ ∫?∞ x ? x ? 1 ∞ ? R x (τ ) = S x (ω ) cos ωτ dω ? 2π ∫? ∞ 功率谱与幅值谱的关系 S x (ω ) = X (ω ) / T2即：要得到信号 x(t)的功率谱有两条途径： ① 相关图法―― 先求R x (τ )，再求S x (ω ) ② 周期图法―― 先求X (ω )，再求S x (ω )FT x(t) X(ω)时 域频 域Rx(ω) FTSx(ω)(二) 傅氏变换1. 定义若： X(f )=∫ x(t )e∞ ?∞ ∞? j 2πftdtx(t ) = ∫ X ( f )e j 2πft dt?∞则：称 x(t)与 X(f)为傅氏变换对。 记作：x(t)←→X(f)；18PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cnX(f)为 x(t)的傅氏变换；x(t)为 X(f)的傅氏逆变换。2. 傅氏变换的基本性质a 线性叠加性 若：x1(t)、x2(t)的傅氏变换为：X1(f)、X2(f) 则：x1(t)＋x2(t)的傅氏变换为：X1(f)＋X2(f) 一般： C1x1(t)＋C2x2(t)←→C1X1(f)＋C2X2(f) C1、C2 为常数。 b 对称性 如果：x(t)←→X(f)； 则： X(6t)←→x(7f) 也就是说：如果 X(f)是信号 x(t)的谱，则 X(6t)的谱是 x(7f)。 c 尺度变换 如果：x(t)←→X(f) 令：t’=kt， 其中 k 为大于 0 的常数 则： x(kt ) ←→ 1 ?f? X? ? k ?k?即：时间尺度扩展或压缩 k 倍，相应的频率尺度压缩到 1/k 或扩展 k。 同理： 1 ?t? x? ? ←→ X (kf ) k ?k? 则： x(t ? t0 ) ←→ X ( f )e ? j 2πft 0d 时移定理：如果：x(t)←→X(f)；e 频移定理： x(t )e j 2πf 0t ←→ X ( f ? f 0 ) f 卷积与乘积 信号 x1(t)、x2(t)的卷积记作：x1(t)*x2(t)， 定义：如果：x1(t)←→X1(f)、x2(t)←→X2(f) ；则： x1(t)*x2(t)←→ X1(f)X2(f) 反之：x1(t) x2(t)←→ X1(f) * X2(f)(三) 提高谱分析精度的一些方法常用的提高频谱分析精度的方法有：窗函数、频率细化、平均等。1. 窗函数的选择常用的窗函数有以下几种： ① Hanning 窗（汉宁窗） w(t ) = ②Hamming 窗（海明窗） ③指数窗 ④矩形窗 w(t ) ={ w(t ) = {0.5 ? 0.5 cos ?t ......... 0≤ t ≤T 0...... t & 0 ,t &T其中 w = 2πf = 2π / T0.54 ? 0.46 cos ? ,t ??0≤ t ≤T 0 ,??t & 0 ,t &T{e ?αt / T ,??0≤ t ≤T 0 ,??t & 0 ,t &T,??0 ≤ t ≤T w(t ) = {1 0,??t & 0,t & T窗函数的指标：19PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn最大旁瓣值: 用最大旁瓣峰值与主瓣峰值之比取对数表达 20lg（A 旁/A 主）dB,此值为负数，越小越好。 ② 旁瓣衰减率: 10 个相邻旁瓣峰值的衰减比的对数表示， 记作 dB/10 oct, 比值大衰减快，泄漏少。 ③ 主瓣宽：以下降 3dB 时的带宽表示，用 3dB 带宽乘以△f，△f 表示 分辨率。主瓣窄则可精确确定出峰值频率。 ④ 主瓣顶点最大误差： 以％表示 a 矩形窗泄漏严重，主瓣顶点误差最大，主瓣最窄，用于需精确确定出主瓣 峰值频率时； b 汉宁窗泄漏最少，使用最多但主瓣较宽，主瓣误差也较大，需修正； c 指数窗无旁瓣，但主瓣明显加宽，主要用于脉冲或衰减信号，以提高信噪 比。①2. 频率细化技术细化谱的作用： ① 提高频率分辨率 ② 提高信噪比3. 用多次平均提高谱分析精度(四)脉冲响应与传递函数（1） 递函数对线性系统 设：x(t)←→X(f) 、 y(t)←→Y(f) 则：称 Y(f) /X(f)为系统的频率响应函数或频率传递函数，简称传递函数。 H(f )= Y(f ) X(f )H(f)为复数，有幅值与相角。 H ( f ) = H ( f ) e j? ( f ) OH(f)O――H(f)的模，称幅频特性；Φ（f）――H(f)的相角，称相频特性。 ∵ 功率谱密度与幅值谱有如下关系：S( f ) = X(f ) T2=X ( f )X ? ( f ) T 得： H ( f ) =2∴由 H ( f ) =Y(f ) X(f )Y ( f )Y ? ( f ) S y ( f ) = X ( f )X ? ( f ) S x ( f )2即，输入与输出信号的功率谱密度关系： S y ( f ) = H ( f ) S x ( f )20PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn传递函数在诊断中的作用： ①了解被监测、诊断系统的特性； ②研究故障信息的传递方式和传递路径。 （2） 脉冲响应函数 设：H(f)的逆傅氏变换为：h(t) 则：由傅氏变换的卷积和乘积性质得： y (t ) = h (t ) ? x (t ) h(t)称为脉冲响应函数。 当系统的输入端受到单位脉冲函数（δ函数）时，系统的输出（响应）即为 h(t)； ∴ h(t)称为单位脉冲响应函数。 单位脉冲响应函数的作用 ①单位脉冲响应函数与系统的传递函数为一傅氏变换对， ∴ 知道一个就可以求另一个。 ②若：已知系统的单位脉冲响应函数，则：对任意输入 x(t)，就能求出系统的输出 y(t)。 单位脉冲响应函数：在时域表示了系统的特性 传递函数： 在频域中表示了系统的特性。 或： y (t ) = ∫ h(τ )x (t ? τ )dτ0 ∞（五）频谱的表示方法及频域特征提取方法1.频谱的各种表示方法1)坐标的刻度 谱图的纵、横坐标都可以用线性或对数来刻度。 线性坐标：其优点是符合习惯、直观，但是当坐标值的变化范围很大时， 坐标值小的很难表达清楚。 对数刻度：一般以分贝 dB 表示，对数刻度扩大了小幅值的范围，压缩了大 幅值的范围。 相位的变化范围为－1800～＋1800，变化范围不太大，所以，相位谱一般 都用线性刻度。 频率刻度：一般都是线性的，但对于倍频程谱分析用对数刻度。 2)坐标形式 直角坐标：由于谱函数是单值函数，在直角坐标中不会发生谱图图形的重叠， 所以，直角坐标是谱图最常用的形式，但是，幅值与相角必须分别表示，幅值与 相角的对应关系不如极坐标表达的清楚。 极坐标：在极坐标图中表达的是 X(f) 的矢量端点轨迹，矢量的模和相角， 即：OX(f)O和Oφ(f)O。极坐标在振动参数识别、系统的稳定性分析中用的较21PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn多。但当谱峰很多时，在极坐标图上将发生图形的重叠，不好l认。 3)横坐标的单位 （1） 转速谱（CPM Spectrum） 对于回转机械，许多振动与转速有关，为了直观地表达这种关系，将横坐标 单位取为 CPM（转/分） ，它与频率的换算关系为：CPM＝60f 2）阶比谱（Order Ratio Spectrum） 如果把横坐标的每个频率 fi 除以某个频率 fr，这样，横坐标的单位就成为 无量纲的，称为阶比。频率与阶比的转换关系为：ORDER＝fi/fr2.频域特征的提取方法(1)峰值频率及其幅值 (2)设定若干频率窗：在谱图的某些频段设定如果频率窗，以各窗口的平均高度或 面积（功率）作为特征值。 (3)谐波分析 (4)用功率谱密度函数的统计矩来抽取特征(六)倒谱分析方法定义：功率谱的对数值的逆傅氏变换称为倒谱。 设信号 y (t ) 的功率谱为 S y ( f ) ，则倒谱 C y (τ ) 为 C y (τ ) = F ?1 [log S y ( f )] F ?1[] 表示傅氏逆变换， τ 表示倒谱的时间变量，称倒频率 倒谱的作用： 倒谱可把复杂的信号简单化，便于识别所关心的信号成分。 倒谱的优点： ① ② ③ 可以在输出信号中将信号源的输入效应和传递通道的效应分开，便于查找 功率谱上的周期分量简化成单根谱线，容易识别； 少谱图中的虚假谱峰。 故障源；倒谱的应用： ①倒谱可以剔除回声影响； ②消除信号传递通道的不同带来的影响； ③提取功率谱图上的周期分量，例如由于调制引起的边频分量。（七）全息谱分析技术二维全息谱的原理22PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn二维全息谱将转子某截面上的振动情况既精确，又直观地表达出来，它由直 线、圆和椭圆组成图形，将转子中心的振动轨迹分解为不同的频率分量，各阶频 率分量的图形还标明了生成方向和起始点位置，点的位置反映各阶振动的初相位。 构成二维全息谱的基础：FFT 谱，即二维全息谱由二张幅值谱及二张相位谱的 信息合成。 二维全息谱的应用 二维全息谱可与 FFT 谱结合来分析，可提高对故障的判断能力。另外，由二 维全息谱可提取合成轴心轨迹，提纯轴心轨迹等，对信号进行提纯，有效可靠地 提取故障特征。四 设备状态的识别与预报（一）时序分析方法简介1. 时间序列的基本概念时间序列：按照事件发生的前后顺序排列所得的一系列数据。 时间序列分析方法 （简称时序分析方法） ： 以研究的系统的运行数据建立数学模型， 用这个模型来分析数据的变化规律，进而研究产生这些数据的系统的状态和特性。2.自回归模型AR（M）模型 对于来自平稳随机过程的一组样本 {x k } ， k = 1,2, ? , n 可以建立一个自回归模型： x k = ? 1 x k ?1 + ? 2 x k ?2 + ? + ? M x k ? M + a k 式中： ? i ―为自回归系数，i＝1,2,…M a k ―为模型的残差或随机干扰，它为 N 个两两独立的白噪声输入2 2 a k ~ NID(0, σ a ) ，即 a k 服从均值为 0，方差为 σ a 的正态分布M―为模型中自回归部分的阶次 称为 M 阶自回归模型，记作：AR（M） AR（1）模型 x k = ? 1 x k ?1 + a k 表示 xk 与 xk-1 之间的依赖关系，记作 AR（1） 用最小二乘法得自回归系数及方差23PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn? 1 = ∑ x k x k ?1 / ∑ x k2?1k =2 k =2 2 = σann1 n 2 1 n 2 x ? x = ak ( ) ? ∑ k 1 k ?1 n ? 1 ∑ n ? 1 k =2 k =2φ1是衡量 xk 对 xk-1 依赖关系的尺度，φ1 大，依赖程度大，序列的后效性强，φ1小，依赖程度小。 一般情况 AR（M）模型阶数的确定 （1） 经验方法： 设 n 为序列 {x k } 中 x 的个数，则 M 可取 n＝20～50 n=50～100 n＝100～200 M = n/2 n n M = ~ 3 2 M = 2n / ln( 2n) φ1 ≤ 1（2） AIC 定阶准则2 AIC = n ln σ a + 2M（3） FPE 准则2 FPE = σ an+M n?M3 自回归谱对 x k = a k + ? 1 x k ?1 + ? 2 x k ? 2 + ? + ? M x k ? M 作 Z 变换后可得其自回归谱： Sx ( f ) =2 ?t σa 2 ? j 2πkf?t1 ? ∑? k ek =1M自回归谱的主要优点 （1） 谱峰尖锐，频率定位精确清晰 （2） 频率分辨率强 （3） 对周期性强的信号不需要严格整周期采样 （4） 采样数目少。(二)设备状态与故障的识别方法1 识别的概念 识别：对设备的状态与故障进行分类的过程。24PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn识别的不确定性 ①随机性DD事物的因果关系不确定造成的 ②模糊性DD事物边界不清楚，即质与量方面没有明确的界限 识别过程中的两类错误 ①漏检：把异常状态的设备误认为是正常状态的设备； ②谎报：把实际处于正常状态的设备认为是异常状态的设备。 识别的步骤 ①特征提取： ? ?建立设备状态与故障的样本模型 ②识别： ? ? ?把现有状态与故障归属到样本中某一项?2 常用的识别方法（1）直接识别法 （2）统计识别法 （3） 判别函数法 （4） 聚类识别 按样本之间的相似程度分类，相似的归为一类，不相似的归为一类，称为聚 类。聚类分析适合于没有标准样本的分类问题。 按样本之间的相似程度分类，必须有表示相似程度的量：相似尺度。有以下 几种距离指标： a 欧氏距离 ? ? D = xi ? x j = ?∑ ( xik ? x jk ) 2 ? ?k ? b 马氏距离 D 2 = ( Χ ? M ) T C ?1 ( Χ ? M ) X DD样本向量；MDD均值向量；CDD样本总体协方差矩阵 ? ? Dm = ?∑ ( xik ? x jk ) m ? ? ?k 利用距离聚类有两种方法： ① 系统类聚法 ?a.定义样本之间的距离 ? 步骤： ?b.确定类与类之间的距离，如最长，最短，重心距离等 ?c.进行逐步并类，把最接近的两类并作一类。 ? ② 动态聚类法。1/ m 1/ 2C 明氏距离：25PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn选择聚类中心初始分类分类合理否？ NoYes最终分类修改分类选择聚类中心; ?a.对已有一定了解的问题，可直观选择法来确定中心 ? ?b.对不了解的样本，采用密度法来选择聚类中心，方法是： ? ?人为选择两正数，d 2 & d 1 ,以样本点为球心，d 1为半径作球，落在 ? ?球里的样本数目称为密度，密度最大的样本点为第一个聚类中心M 1， ?再考虑密度次大的样本点。如果到M 的距离大于等于d ，为第二个聚类中心， 1 2 ? ? ?小于d 2，不作聚类中心，直到把所有点均考察过，一般d 2 = 2d 1 (5)参数模型法 用自回归模型来识别设备的状态与故障 a 时域识别：2 时域识别法为先建信号的 AR 模型，然后利用模型的系数 ? i ，方差 σ a ，AIC 指标来识别。 b 频域识别：用功率谱的谱峰频率识别机器状态。 6．主分量分析的步骤： a 将原始数据对其均值标准化 b 计算协方差矩阵 c x , c x = AT c y A c 求 c x 的特征值 λ1 ≥ λ 2 ≥ ? ≥ λ m d 求 λi 对应的特征向量 Di e 将 Di 标准化，使 Di = 1 f 在 m 个主分量中选取 m ' & m 个主分量方向， 经特征提取后保存下来的信息量为：2 2 ) /(δ 12 + δ 22 + ? + δ m ) η = (δ 12 + δ 22 + ? + δ m= (λ1 + λ2 + ? + λm ' ) /(λ1 + λ2 + ? + λm )(三)设备状态与故障的预报预报：即设备在今后的运行过程中状态会发生什么变化，故障发展到什么程 度？26PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn主要通过某种方法推断设备今后可能的变化及故障的产生发展，是设备预知 性维修的重要手段，预报必须有足够的历史信息。1 预报技术分类（1）按预报结果分： a 定性预报：主要研究分析预报对象在未来所表现的性质； b 定量预报：在历史数据及统计资料的基础上加以确定，如振动量，磨损量等。 （2） 预报期限分：短期预报、中期预报、长期预报。常用的预报方法：主观预报法；回归预报法 回归预报法研究引起未来状态变化的各种客观环境因素的作用找出期间的统计关 系。 a 一元线性回归预报；b 多元线性回归 (3)时序预报方法，用 AR 模型预报步骤如下： a 确定模型关系得基本形式； b 进行模型识别：从一大类时序模型中选一个小类试验模型； c 进行参数估计：选出一个具体模型； d 检验所选模型是否合适。四.机械故障诊断中的监测技术(一)振动监测技术 1. 机械振动的分类与特性机械振动的分类 ? ? ?简谐振动（单一正弦波 ） ? ?周期振动? ? ?复杂周期振动（多条正 弦波叠加） ? 确 定性 振动 ? ? ?准周期振动（经处理后 可变换成周期振动） ? ? 非 周 期 振动 ? ? ? 机械振动? ?过度过程（单发的一次 性振动） ? ? ? ?窄带随机振动 ? 平稳随 机 振动 ? ? ?随机振动 ? ?宽带随机振动（白噪声 ） ? ? ? ?非平稳随机振动 ? 振动的幅值:设实测的机械振动的信号为 x(t)，则振幅的表示方法有以下三种： a、 峰值： x p ，峰峰值： x p _ p27PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cnb、均值： x =1 T∫ x(t )dt0Tc、 有效值(均方根值)： x rms =1 T∫T0x 2 (t )dt振动的频率：频率是振动的重要特征之一，频率分析是诊断的重要手段。 相位：对两个振动：相位相同可使振动叠加，振动加剧 相位相反可能使振动抵消，起减振作用 相位测量可用于：谐波分析、动平衡测定、振型测量、判断共振点。2. 振动监测参数振动监测参数 选择振动监测参数，希望这些参数包括丰富的信息量。通常用来描述振动的 响应的三个参数为：振动的位移、振动的速度、振动的加速度。要根据频率特性 来选择这些参数，一般： 频振动时的振动强度由振动位移值来度量； 中频振动时的振动强度由振动速度值来度量； 高频振动时的振动强度由振动加速度值来度量。 对大多数机器来说，选择振动速度为好，对发电、石化工业的大机组，一般 采用振动位移。对轴承、齿轮等部件，用振动加速度监测比较合适。3.测振传感器（一次仪表）及特性1) 测振传感器的作用 把被测对象的机械振动量（d，v，a）在要求的范围内准确地接受下来，并把它们转变成电信号输出。 2) 测振传感器的分类(按所测参数形式分) (1)位移传感器――输出电量与振动位移成正比 ? ?电阻式 ?接触式? ? ?应变式 位移传感器? ?非接触式?电容式 ? ? ?电涡流式(相对位移)最常用 ? (2)速度传感器――输出电量与振动速度成正比 ? ?动圈式 ?接触式? 速度传感器? ?动磁式 ? ?非接触式 ― ―变间隙式 (3)加速度传感器――输出电量与振动加速度成正比28PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn?压电式：测绝对振动(常用) 加速度传感器? ?应变式 3) 测振传感器的性能指标 (1)灵敏度：传感器的输出电量(电压或电荷)与输出振动量(d,v,a)之比称为传感器的 灵敏度， S =U v灵敏度一般与频率有关，所以需了解灵敏度适应的频率范围。 (2)频响特性：传感器的频响特性是指灵敏度不超出某一规定精度范围时输入机械 量的频率范围。 (3)固有频率：传感器的谐振频率 (4)动态范围：指传感器能测的最大振动量 (5) 分 辨 率： 输 出 电压 U 的 变 化量 Δ U 可分 辨 时， 输入 机 械量 的最 小变 化量 ?d (?v, ?a ) (6)温度、湿度等环境条件 4) 电涡流式位移传感器 特点：与被测物体不接触 适用范围：a、旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动)； b、小型机械的振动测量。 优点： a、线性度好，动态范围差； b、频率范围宽(DC～10000Hz)； c、线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变； d、能长时间连续可靠地工作； e、长性传输抗干扰能力强； d. 能在油、气及某些化学成分介质中工作。 结构类型 a. 变间隙型电涡流传感器； b. 变面积型电涡流传感器。 原理：在传感器的端部有一线圈，线圈通以交频(一般 1～2MHz)的交变电流。 当线圈平面靠近一导体面时，穿过导体的磁通量随时间而变化，在导体表面感应 出电涡流，涡流产生的磁通又穿过原线圈。 所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的线圈，互感的大小与线 圈离导体表面的间隙有关。 涡流传感器的系统响应特性 涡流传感器的系统响应特性即间隙 d 与输出电压的关系曲线测量时输出电压 U 的变化反映间隙的 d 变化，也就是导体表面的振动。29PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn被测物体尺寸及材料对测量性能的影响 a．尺寸的影响 当被测物体为圆柱，且传感器中心线垂直于被测物体轴线， 要求：D≥3d（d 为探头头部直径）如果 D＝d，灵敏度会下降 70％左右。 被测体厚度要求： b = 50.3 δ ?f cm式中： b－－厚度 δ－－导电率 ?－－导磁率 f－－频率（通常为1MHz左右） b. 表面加工质量的影响 不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测表面的粗糙度 Ra 要求在 0.4～0.8μm 之间（磨或抛光） c.材料的影响 当被测物体为导磁材料（如普通钢）时，由于磁效应和涡流效应同时存在， 且磁效应与涡流效应相反，会抵消一部分涡流效应，使灵敏度变低。 当被测物体为弱导磁或非导磁材料（如铜、铝等）时，由于磁效应弱，相对 来说涡流效应强，灵敏度高。 涡流传感器的安装 a.探头间的距离 b.探头与安装面的距离 c.探头的安装间隙 使用时的注意事项 a、安装时要注意平均间隙的选取，即平均间隙加上振动间隙(总间隙)应处于 传感器的线形范围内，否则会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性 中点。 b、选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。 应用 a、 测量轴的相对振动(安装在轴承座) b、测量轴的绝对振动(安装在固定点，对小型机械) c、 测相位(键相) d、测振型，隔一定距离安装 x、y 两个传感器 e、 测轴的偏心，放轴承座外侧，因为需知道偏心的位置，所以需键相信号 缺点：对被测对象的材料敏感；需外部电源；安装麻烦。30PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn5) 压电式加速度传感器 优点：灵敏度高；频率范围宽；动态范围大；体积小。 灵敏度 a、 电荷灵敏度 Sq = Q A (C (库) ms ? 2 )Q――单位加速度幅值所产生的电荷量库仑(e) A――加速度幅值 b、电压灵敏度 Sv = Ca――传感器的电容量 幅频特性相 对 输 出 可以用于设备诊断的频率范围 可以测出接近于正确的振幅 随传感器的安装方法而 定的传感器的谐振频率 振幅相位都可以 正确测出的范围 低 频 相 位 界 限 10 高 频 相 位 界 限 1000 高 频 界 限 ⌒ 取 决 于 传 感 器 的 特 性 传感器的 谐振频率Sq Ca(V / ms 2 )0.010.110010000传感器的使用与安装 a、 用螺钉直接固定于机体上，接受的频率特性与传感器相一致 b、用沾接剂固定，频率特性良好 c、 用蜡固定，频率特性好，不耐温 d、用磁座，频率特性受影响，方便4. 设备的振动监测1 )振动电平值监测 振动电平值监测是一种简单常用的方法，它只测量机组某些特定测点的总振 级大小。一般只需在机组的特征点处(如轴承处)安装传感器，用简单的测振计定期31PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn⌒低 频 界 限 ⌒ 取 决 于 电 缆 和 放 大 器⌒频率监测。振平可用：有效值、峰值等，振平监测参数：d、v、a 均可。 一般用振动量值的相对变化表示(级)比较可靠。 2) 转速振平监测 用于升、降速过程。在升、降速过程中，测量振平值随转速变化的曲线(转速 振平图)，利用这些曲线判断机器的故障。 3) 响应谱监测 用机器某些特征点处的振动响应的频谱作的某些故障诊断的依据，可用功率 谱或幅值谱。（二）噪声监测技术1. 基本概念声波的分类及特点 (1)按频率高低分： ?a、次声f & 20 Hz的声波，波长长、能远距离传播 ? ?b、可听声f = 20 ~ 20000 Hz ? ?c、超声f & 20000 Hz，频率高，波长短，传播时方向性好， ?对固体穿透力强，空气中衰减快 ? (2)按声源形状分 ?平面声波：波阵面为平面 → 面声源 ? ?球面声波：波阵面为球面 → 点声源 ?柱面声波：波阵面为柱面 → 线声源 ? 声场与自由场 (1)声场：有声波存在的弹性媒质所占有的空间 (2)自由场：各向同性的无边界的媒质中的声场，工程测量中一般用半自由场。 声音的量与量级 ?声压P，帕( p a ) ? ? 瓦 w 2) (1)噪声的量： ?声强I， 2 ( 米 m ? ? ?声功率W，瓦( w) ? P P0 = 2 * 10 ? 5 p a ?声压级：LP = 20 lg , P 0 ? ? I I 0 = 10 ?12 w 2 ?声强级：L I = 10 lg , m I0 ? ? W , W0 = 10 ?12 w ?声功率级：LW = 10 lg W0 ?32(2)噪声的级频程PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn频程有上限频率 f2，下限频率 f1，中心频率 f 中，带宽△f，频程的划分由上、 下限频率的比值来确定。 f2 = 2n f1 常用的频程有： n＝1 称 1 倍频程或倍频程 n＝1/3 称 1/3 倍频程 ?f = 0.707 f中 ?f = 0.231 f 中2. 噪声测量传声器 把声能转化为电能，用来直接测量声场中的声压。常用的传声器为电容式传声 器。 (1)灵敏度：开路输出电压与输入声压之比 S =V (2)频率特性 传声器的频率特性希望在 20～20000Hz 内平值，被测信号的 f 不同，灵敏度 也不同的特性称传声器的频率特性。 (3)指向性 D (θ ) = S (θ ) S (0) P (v ) pθ ――与传声器膜片的法向夹角S(θ)――与传声器膜片的法向夹角方向的灵敏度 S(0)――与传声器膜片的法向夹角为 0 方向的灵敏度 声级计 声级计是基本的噪声测量仪器。3. 声强测量优点：(1)判断声源的位置；(2)求噪声发射功率；(3)不受声学环境的干扰。 原理 I r = ∫ S pr u r ( f )df =?∝ ∝ n I m [ S12 ( f i )] 1 ∑ 2πρ?r i =1 fi即：Ir =n I m [ S12 ( f i )] 1 ∑ 2πρ?r i =1 fi式中：S12(fi)――频率 fi 处点 1 和点 2 的声压的互谱；Im I m ――虚部33PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn用双通道 FFT 求互谱，可用求出某点的声强。 声强探头的类型和特点 声强探头是把两个相匹配的传声器按一定的排列方式安装在一个架子上，使 两传声器中心之间的距离为△r。 (1)声强探头的内排列方式： a、对置式：两传声器面对面安装，间距△r。在同一条轴线上，当△r 相同时， 对置式比顺置式的声压梯度灵敏度高。 b、顺置式：两传声器的轴线在同一直线上，膜片向同一方向。 c、并列式：两传感器的轴线平行，△r 调整方便，但安装时不易保持与测量 轴线对称。 (2)声强探头的指向特征 Q (θ ) = I(0)――法向测量时的声强 I(θ)――与法向测量呈θ 角时的声强 I (θ ) I (0)5. 噪声源识别主观评价与估计法，凭经验； 近场测量法，用于找主要声源； 表面振速测量法，等振曲线； 频谱分析法(三)声发射检测技术 1.概述1)声发射：固体的微观结构的不均匀或内部缺陷导致局部应力集中，在外力的作用下， 促使塑性变形的加大或发生裂纹的产生与扩展所释放弹性波(应变能)的现象， 称作 声发射。 声发射的频率范围很宽，从次声、可听声到超声（5×107Hz 左右） 。 声发射幅值差异很大，从几微伏～几百伏。 按声发射的振荡形式不同，声发射可分为： 连续型声发射：由一系列低幅连续信号构成，主要与塑性变形有关； 突发型声发射：由高幅度的不连续、持续时间很短(ms 级)的信号构成，与裂 纹的形成、扩展有关。 2) 声发射检测技术 用仪器检测、分析声发射信号并确定声发射源的技术称声发射检测技术。34PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn多数金属材料塑性变形或断裂时都有声发射信号，但声发射信号的强度一般 很弱，需借助于灵敏度好的传感器才能检测出来。3) 声发射检测技术的特点（1）声发射是一种动态无损检测技术 （2）声发射检测不受材料限制 （3）声发射检测灵敏度高 （4）声发射检测可实现实时动态检测。 （5）声发射检测可对大型构件实行整体检测。 4) 声发射检测技术的应用范围 声发射检测技术的应用范围很广。 a 压力容器的安全性评估； b 机械制造过程监控； c 复合材料特性研究； d 结构完整性评价； e 焊接构件疲劳损伤检测； f 泄漏检测。 5 声发射检测技术的优点与局限性 优点 (1)对裂纹的遥测和定位；(2)测量系统可很快设置；(3)灵敏度高；(4)对测试目标只 要求有限地接近；(5)可检测活动裂纹；(6)只需相对小的负载；(7)有时能预报毁坏 负载。 局限性 (1)结构必须承载；(2)与材料密切相关；(3)测量会受到不明电噪声和机械噪声的干 扰； (4)定位精度有限；(5)对裂纹类型只能给出有限信息；(6)难于解释测量结果；2.声发射产生机理1)位错运动与塑性变形 2)裂纹的形成与扩展 3 )塑性变形的声发射 (1) 屈服效应 材料在屈服区会出现明显的声发射峰，材料在屈服变形后会产生断裂。所以 对塑性材料可根据材料屈服点附近的声发射峰，对将要产生的断裂实行预报警。 但对脆性材料，在屈服变形之后很快就断裂，可供预报的时间很短。 (2)不可逆效应――凯赛尔效应 当试件第一次受力卸载时，再次以同样的方式加载，在达到以前受力的最大 载荷前不出现声发射这种现象称不可逆效应(或凯塞尔效应)。不可逆效应可用于：35PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cna、 试验检测到的声发射信号的真实性，排除外界干扰； b、推断材料受过的最大应力。3.声发射的传播固体介质内部变形时，不但产生体积变形，而且产生剪切变形，激发纵波和 横波，当传播到不同介质之间的界面时还会产生反射与折射，从而产生波型转换， 同时出现纵波与横波，还可能出现表面波。 循轨波：在实际应用中，固体中某一点的声发射，在传播过程中两个界面的 多次反射，每次反射都要发生波型转换，这种方式传播的波称为循轨波，循轨波 的传播速度接近横波。 循轨波的另一个性质是：频率不同的波传播速度不同引起的频散现象。4.声发射信号特征参数 1)声发射信号的特征参数（1）声发射事件与振铃的计数率和总和 事件计数法 事件：一个突发型声发射信号即为一个事件。 事件计数：突发型声发射信号经包络检波后其波形超过阀值电压部分所形成 的脉冲计数称为事件计数。 事件计数率 ：单位时间的事件计数。 事件总和：事件计数的累加之和。 振铃计数法 振铃计数：声发射信号超过阀值部分所形成的脉冲计数称为振铃计数。 声发射率：单位时间的振铃计数。 事件振铃数：一个事件的振铃计数。 （2）幅度及其分布 幅度分布的作用：可以明显地将塑性变形对应的连续型声发射与裂纹开裂所 对应的突发型声发射区别开来。 （3）能量分析 能量分析反映了声发射源以弹性波形式释放的能量相对大小。它是对放大器 输出信号的电压进行的。 （4）有效值电压 有效值电压是表征声发射信号的主要参数之一，直接与声发射能量有关。 有效值电压多用于连续型声发射信号，例泄漏检测的分析。 （5）波形的时间参数 上升时间：声发射振荡从首次超过阀值电压开始直至振荡幅度达到最大时所 经过的时间，突发型声发射的上升时间一般比周围环境的的工业干扰的上升时间 短得多。可根据上升时间把缺陷声发射信号与工业干扰信号区分开来。 持续时间：一个声发射事件中，从它的振荡首次超过阀值电压到再降落到低 于阀值电压所经过的时间，即一个声发射“事件”所经历的时间。 下降时间从声发射振荡的最大振幅开始直至它下降到低于阀值电压为止所经 过的时间。它表征了声发射本身及在材料中传播的衰减特性之总和。 到达时差△t36PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn在多通道列阵之中，以第一个接收到声发射信号的探头为参考，其它探头与 第一个探头接收同一个声发射源的信号所存在的时间差称为达到时差△t。即各个 探头所接收到信号的首次超过阈值电压的时间差别。5. 声发射源的定位方法直线定位法 取两探头的连线的中点为坐标原点，取从 1 到 2 为正方向。声发射源的位置 坐标可由下式确定： ?t x = sign( ?t ) C 2 信号先到探头 2 sign(△t ) =1 sign(△t)=－1 信号先到探头 1 △t――到达两探头的时差(取绝对值) C――声速（循规波的声速） 可用于焊缝缺陷的定值，输送管道缺陷的定位。 平面正三角形定位法 把四个探头分别置于正三角形的三个顶点 S1(－1,－B)、S2(0，－B)、S3(0， A)及内心 S0(0，0)，且以内心为直角坐标系原点。P(x、y)为声发射源，到 S0（0， 0）的距离为 r，则 P(x、y)点到 S1、S2、S3 的距离与 r 之的差分别为： δ 1＝pS1 ? pS 0 = C?t10 δ 2 = pS 2 ? pS 0 = C?t 20 δ 3 = pS 3 ? pS 0 = C?t 30 式中： ?t10、?t 20、?t 30 ――分别为信号到达 S1、S2、S3 相对于 S0 的时差。 CDDD为循轨波的视在声速。 则声发射源 P(x、y)为四个圆的交点，方程为：2 ?x 2 + y 2 = r 2 = C 2t 0 ? 2 2 2 2 ?( x + 1) + ( y + B) = C (t 0 + ?t10 ) ? 2 2 2 2 ?( x ? 1) + ( y + B ) = C (t 0 + ?t 20 ) ? x 2 + ( y ? A) 2 = C 2 (t + ?t ) 2 ? 0 30解方程组得：x、y6. 从噪声干扰中鉴别声发射源的方法幅度鉴别：在声发射仪的主放大器的输出端，设置适当的阀值电平，剔除低 于阀值的电平仪器内部噪音干扰及周围环境的外界干扰。用硬件。 频率鉴别：任何一种构件或设备都是由某种材料构成的，通过具体材料缺陷 的声发射信号的频谱分析，确定这种材料谱线最丰富的频段，然后设置声发射检 测系统的频响范围与只之相对应，就可实现频率鉴别，排除频带外的干扰，一般 工业干扰频率&60kHz，声发射频率&100kHz。37PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn时间鉴别： 在外界环境干扰噪声中，有些干扰信号的前沿上升时间慢；检测区域外较远 的声发射源的信号经介质中的传播，前沿变缓。所以如果确定监视区域，也就确 定了有用声发射信号的前沿上升时间△T0。 若某一信号的前沿上升时间为△T，则： △T≤△T0，检测通道开通，信号被接收；△T&△T0， 检测通道关闭，信号被排除。空间鉴别： 主副鉴别：主探头 M j ( j = 1,2, ?? n) 置于鉴别区域内。 副探头 S i (i = 1,2, ?? m) 置于鉴别区域外。 当副探头 S i 先接到信号时，把主探头 M j 的通道关闭，排除区域外的干扰。当 主探头 M j 先接到信号时，把检测通道开通。 符合鉴别 这种方法所监测的区间为两探头的中间区域，适用于对焊缝进行监测。 设：声发射源到两个探头的时间分别为 t1、t2，确定符合时间为 ?t 0 则： | t1 ? t 2 |≤ ?t 0 | t1 ? t 2 |& ?t 0 检测通道开通； 检测通道关闭。时间、空间鉴别都是按一定的逻辑关系在干扰噪声中鉴别声发射信号，因此， 统称为逻辑鉴别。 统计鉴别： 对由 4 个探头组成的声发射源定位阵列，根据阵列的最大时差定出 4 个探头 接收到的全部时差组合，并标出各种时差组合可能确定的位置，采用软件进行统 计处理，因为缺陷位置固定不变，噪声干扰是随机的，所以作大量统计处理可以 鉴别缺陷位置。7. 声发射信号的处理方法声发射信号的处理方法与振动信号处理方法类似，主要有： 时域分析方法；频域分析方法；小波分析方法等。8.发射检测系统声发射检测系统由探头与声发射仪两部分构成。 1 )声发射探头 高灵敏度探头(单端谐振式)：结构简单，频响特性为窄频带，谐振频率取决于 晶片的厚度。 差动式探头：与单端谐振式的区别在于晶片的构造形式，一个图形晶片外套 一个环形晶片，特性相同，极性反接。抗干扰能力强。与差动前置放大器相配合 使用。38PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn高温探头 宽频带探头 2)常用的声发射仪有：单通道、多通道声发射仪。 对声发射仪的基本要求 a、 检测微弱的声发射信号，要求增益高，噪声低； b、排除各种噪声干扰，要有一定的信号鉴别能力； c、 用特征参数表征声发射信号，要有一定的数据处理能力。 9.声发射检测技术的应用 1) 压力容器定期检测中的应用 2) 输送管道的检测 ?泄漏检测 ? ?运行检测 3) 核电站的应用 ? ?定期检修后水压试验检测 ?核压力容器及回路系统水压试验检测 ? 4) 其它设备的检测 ?工艺过程质量控制 ? 5) 其它方面的应用 ?焊缝检测 ?材料研究 ?(四)红外检测技术1.红外线：在光谱中红光光谱之外的具有强烈效应的辐射波。红外线的波长：0.75~`1000μm（看见光 0.4～0.7μm） 按波长的大小可分为： 近红外区：0.75~3μm 中红外区：3～6μm 远红外区：6～15μm 超远红外区：15～1000μm2.热辐射与红外辐射(1)热辐射：任何物体在绝对零度（－273.15 ?C）以上都能以电磁波的形式向周围辐射能 量。热辐射是整个电磁波的一个组成部分，它由红外线（波长大于 780nm） 、可见 光（波长 380～780nm） 、紫外线（波长小于 380nm）等组成（1nm＝10－9 m） 。 热辐射的强度与光谱成分取决于辐射的温度。物体的温度不同，辐射的波长组成 成分不同，辐射的能量也不同。热辐射中很重要的成分为红外辐射。 一般说的热辐射是系统处于平衡状态时的辐射，对于热辐射的度量要考虑空 间、时间、波长、辐射能的发射方向。 （2） 红外辐射： 可见光的红端到毫米波的宽广的波长范围内的电磁波辐射(即波长 范围 0.76（0.78）～1000 μm 的光辐射。)称红外辐射。39PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 ? .cn3.红外测温技术红外测温的特点与优缺点 （1）特点：测温范围广：－170～3200℃ 测温精度高：可分辨 0.01k 测温反应速度快：可在几秒内测出物体的温度 可测目标小：最小可测出直径为 7.5 μm 目标的温度 非接触测量：不会破坏温度场 测距可远可近 （2）红外测温的要求： ①知道被测物体的发射率。 ②被测物体的辐射能充分抵达红外探测器。 ③消除背景噪声。 （3）优点： ①非接触测量，对被测物体无影响。 ②可测运动中的物体。 ③可测瞬态温度。 ④可对点、线、面测温。 ⑤可测绝对温度，也可测相对温度。 （4）缺点： ①仅测表面温度。 ②要求精度高时测温要求严格。 红外成像：把红外辐射转换成可见光显示出来。 红外成像系统：利用红外探测器、光电成像物镜和光电扫描系统，在不接触的情 况下接收物体表面的红外辐射信号，该信号转换为电信号后，经电子系统处理传 至显示屏上，得到景物表面热分布相应的“实时热图像” 。 物体表面红外辐射信号 红外探测器 光电成像系统 光电扫描系统 信号转换 显示屏 实时热像。 红外成像可分为： 主动式：用一红外辐射源照射物体，利用被反射的红外辐射摄取物体像。 被动式：利用物体自身反射的红外辐射摄取物体的像。 被动式红外成像称为热像，显示热像的仪器为热像仪。热像系统的探测目标： 物体自身发射的热辐射。 热成像的特点： 可给出空间分辨率和温度分辨率都较好的设备温度场的二维图形。 可自一定距离外提供非接触、非干扰式的测量。 可提供快速和实时的测量，从而可进行温度瞬态研究和大范围的快速观察。 具有全被动式、全天候的特点。 可选探测波段为： ①1μm 左右的近红外段 ②2～2.5μm 段 ③3.5～4.2μm 段，短波段，常用此段 ④8～14μm 段，长波段，用于低温及远距离探测40PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn一般用③、④。4 红外测温技术在设备诊断中的应用（1）红外测温技术在铁路交通运输中的应用红外轴温检测技术 车辆运行中 ： 轴温超过正常运行温度 燃轴事故 导致车辆故 障。 红外轴温检测技术的测量方法 铁路两侧安装红外线轴温探测器。 轴箱红外辐射 红外探头中的光学系统聚焦 红外探测元件 红外辐射转 换 成 微 弱 的 电 脉冲 信号 电子 线 路放 大 记录 显 示。 处理方法 目前的红外轴温探测器采用相对温度测量方法，以环境温度为背景，红外探 头输出轴箱温度与环境温度的差值电脉冲信号，这样轴温越高 电脉冲信号 越大。 车轴箱温度在线监测装置 在线监测装置是在每节车厢都装上轴温在线监测系统，每个轴承箱上都要安 装一个温度传感器（如热敏电阻） 。 温度信号 电信号 列车办公室 微机处理 数码显 示各轴承的实时温度。（2）红外测温技术在冶金工业中的应用高炉监测 钢锭轧制过程中的动态温度场的测定 用热像仪在不改变轧制速度的情况下，跟踪测量钢锭温度场随时间的变化， 判断均热炉加挡墙后钢锭间的温度分布改善情况。（3）红外测温技术在石化企业中的应用用于点检 为对设备检测制订规划，做到有计划定时定点检修，对关键设备设立精密检 测点，从热像图中提取各种重要信息，建立设备档案，以便对设备的故障进行准 确的判断和预报。 所用的方法：比较法。 建立各种安全标准的热像图，即建立标准图谱。 对运行设备定期巡回检测。 实时热像图与标准热像比较。 根据差异程度，结合工艺结构、材料进行综合分析。 判断设备是否正常，发生故障的性质、部位。 在化工生产流程中的应用 可检查： （1）换热器的漏洞和堵塞。41PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn（2）油封故障。（3）转化炉炉墙温度，了解保温状况及热损失部位，记录异常部位。（4）红外测温技术在电力系统中的应用电力设备的计划监测 监测对象：发电厂、高压超高压变电站、输电线路接头等。 监测内容：温度分布、温升。 监测作用：可确定设备内部的缺陷位置。 电力设备临时监测 用于重大设备的故障诊断。 测试方法及注意事项 通电电流：应选择高负荷的季节，高负荷的时间进行监测。 气候条件： a．温度对测定结果影响不大。 b．日照会造成误差，所以应在阴天或日落后进行监测。 c．风会冷却发热部位，造成误差。 d．雨、雾能使红外线衰减或散乱、水份还有冷却效果，所以应避开雨雾天气 检测。 距离：测距太远时，射入图像超过了空间分辨率范围，测出的温度是对物体与 空间的平均温度，会产生误差。 发射率： 为取得被测对象的真实温度， 必须掌握物体的发射率。 一般是 0.7～0.9。 诊断异常的方法 （1）模型的比较法：实测与标准比较。 （2）三相比较法：正常时电力设备三相温升平衡，所以比较三相温度分布可 以判别有无异常。 （3）相邻部位比较。 （4）检测设备整体温度，检查有否过热点。（5）在机械工业中的应用机床主轴箱热变形检测；磨削温度检测；焊接质量的热像检测。(五) 油样分析技术1. 油样分析的步骤1) 了解被测设备的情况 (1) 机器的机构及润滑方式：摩擦副相对运动的类型、润滑方式等。 (2) 摩擦副材料的性能：材料成分，热处理情况，表面硬度。 (3) 机器运行条件：转速、载荷、温度、有否异常等。 (4) 设备运转历史及维修保养情况：上次大修时间。原因、措施等。 (5) 润滑油性能。 2) 油样抽取 油样抽取是关键环节，它应保证所取出的油样具有代表性。 (1) 取样部位 a、 循环油路：选在回油管路经过过滤器之前部位 b、非循环油路：停机后半小时内取样，在整个油箱一半稍深处 (2) 取样间隔：视机器的重要性、使用性、负荷特性而定。取样间隔参考值：42PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn(3) 采样规范 a、 对某一待监测的设备，一定要固定取样位置、取样时间； b、绝对保证吸油器具的清洁、无污染，无上次使用的残油，无其它杂质 颗粒及水份混入； c、 动作小心，不让污染杂质带入油样及待监测的设备。 (4) 原始数据记录完整 认真填写样品瓶所贴的标签：取样日期，油样种类，取样部位，机器运 行时间，机器状态，润滑油使用时间等。 3) 油样处理 4) 将油样送入油样分析仪器，测取数据或分析结果。 5) 根据分析结果判断机器状态。2.常用的油样分析方法1)油样光谱分析法 油样光谱分析法是通过测定油样中所含各种金属元素的含量，反推出含这些 元素的机械零部件的磨损状态。 分光光度计法：是利用物质对光的吸收作用而建立的分析方法。 优缺点 ?灵敏度高 ? 优点： ?准确度与稳定性较好 ?对微量元素的分析效果好 ? ?只能给出油样中各种元素的含量，不能确定磨损部位 缺点： ? ?速度慢，不同元素要配制不同的溶液 原子吸收分光光度法 将待测元素的化合物(溶液) ―→ 高温下试样原子化―→变成原子蒸汽，当 单色光(或特征辐射线)源发射出的光束穿过一定厚度的原子蒸汽时， 光的一部分被 待测元素的基态原子吸收。监测系统测量特征辐射性减弱后的光强度，由吸光度 可求出待测元素的含量。 优缺点 ?灵敏度高； ? ?精确度高； (1)优点? ?适用范围广； ?取样量少。 ? ?麻烦，测一个元素要换一个光源； ? (2)缺点?火焰法要用燃料气，不方便，不安全； ?只能给出磨屑中元素的含量，不能了解磨屑的外形、尺寸等。 ? 原子发射光谱法 原子发射光谱是由于物质内部运动的原子和分子受到外界能量后发生变化而 得到的。 优缺点43PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn?油样不需预处理，分析速度快； 优点? ?读书准确，重复性好，分析容量大。 ?价格昂贵，安装条件较严格，实验费用高； ? 缺点?与铁谱技术相比，探测较大粒度磨粒的灵敏度低， ?不能获得磨屑形态方面的信息。 ? ∴ 在判断磨损类型和预报灾变发生的能力方面存在不足。2) 油样铁谱分析技术铁谱分析技术： 利用高梯度的强磁场将润滑油中所含的机械磨损碎屑按其磨 粒大小有序地分离出来，通过对磨屑的形状、大小、成分、数量及粒度分布等进 行定性与定量的观察、判断设备磨损状况、预报零部件的失效。 优缺点 优点 (1) 应用范围广，能分离出润滑油中含有较宽尺寸范围的磨屑。 光谱对&10μm 磨粒敏感，铁谱对 0.1～102μm 以上的颗粒都敏感。 (2) 可对磨屑进行定性观察分析和定量测量，以判断机器的磨损程度，还可 对磨屑的组成元素进行分析，以判断磨屑产生的部位。 定性观察分析：用双光显微镜和扫描电子显微镜。 定量测定：用光密度计法，颗粒定量仪法，微观粒子分析法等。 缺点 (1) 对润滑油中非铁系颗粒的检测能力低； (2) 规范化不够，分析结果对操作人员的经验有较多的依赖性；(3) 对大规模设备群的诊断工作不很适应。六.旋转机械故障诊断技术（一）旋转机械的特征参量与测试1 旋转机械振动的特殊性： 振动一般呈很强的周期性；大型旋转机械的振动主要是转轴。 ∴ 旋转机械的状态监测主要是针对其振动特点进行的。 2 旋转机械的状态特征参量 振幅：正常设备的振幅一般稳定在某一个范围内，如果振幅发生变化，意味着设 备状态有变化。对振幅监测可以判断设备的运行状态。旋转机械通常使用位移振 幅。 振动频率：振动频率分为基频和倍频（各次谐波频率） 。 特定的频率―→对应一定的故障。 旋转机械中，振动频率以转频的倍频、分倍频的形式出现。44PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn相位：许多设备故障从幅值谱上不易区分时，需对相位作进一步的分析。 转速：旋转机械的转速变化与设备的运行状态有非常密切的关系。当设备发 生故障时，转速也会相应地变化。 时域波形：时域波形综合反映了振动信号的振幅、频率、相位，可简单直观地表 示振动情况。 轴心轨迹：轴心轨迹是轴心上的点相对于轴承座的运动轨迹，形象地反映了转子 的实际振动情况。 轴位移（轴向位移） ：轴向位置是止推盘和止推轴承之间的相对位移。 轴心位置：轴心位置是描述安装在轴承中的转轴平均位置的特征参量。涡流传感 器的直流分量表示轴心位置的变化。 3.旋转机械的振动监测 测试对象和测量部位的选择：旋转机械的大多数故障都与转子及其组件有关。主 要监测转子的振动。 转轴振动测量：一般测轴的径向振动 x、y。 相位测量：键相信号 转速测量：用键相信号或用齿盘 轴位移测量 轴心轨迹测量 轴心位置测量：直流分量 → 轴心位置 轴承温度测量：热电偶或热电阻 （二）旋转机械发生故障的原因 旋转机械的故障来源及主要原因： 故障来源 2. 结构不合理，应力集中； 3. 工作转速接近或落入临界转速区； 设计、 制造 4. 运行点转速接近或落入非稳定区； 5. 零部件加工、制造不良，精度不够； 6. 零部件材质不良，精度不够，制造缺陷； 7. 转子动平衡不符合技术要求。 1. 安装不当，零部件错位，预负荷大； 2. 轴系对中不良； 安装维修： 3. 机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当； 4. 管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度； 5. 转子长期放置不当，改变了动平衡精度； 主要原因 1. 设计不当：动态性能不良，运行时发生强迫振动或自激振动；45PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn6. 安装或维修过程中破坏了机器原有的配合精度。 1. 机器在非设计状态下运行(如超转速、超负荷等)改变机器工作特 性； 2. 润滑或冷却不良； 运行操作： 3. 旋转体局部损坏或结垢； 4. 工艺参数(温度、压力、流量、负荷等)操作不当，机器运行失稳； 5. 启、停车过程中操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或临界区停 留时间长。 1. 长期运行转子挠度增大； 2. 旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹； 机器劣化 3. 零部件磨损、点蚀或腐蚀等； 4. 配合面受力裂化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质； 5. 机器沉降不均匀，机器壳体变形。(三)旋转机械的振动特性1 转子涡动（进动） 转子中心在相互垂直的两个方向上作频率为ωn 的简谐振动。一般，x、y 不相 等，转子中心点的轨迹为一椭圆。转子中心的这种运动是一种“涡动”或称作“进 动” 。 正进动：转子的涡动方向与转子转动角速度ω同向时，称正进动； 反进动：转子的涡动方向与转子转动角速度ω反向时，称反进动。 2 临界转速 转子的振幅随转速的增大而增大，到某一转速时振幅达到最大值，超过这一转 速后振幅随转速增大逐渐减小，且稳定在某一范围内，这一转子振幅最大的转速 称为转子的临界转速。 刚性转子：转子工作转速 n 小于临界转速时，称为刚性转子； 柔性转子：转子工作转速 n 大于临界转速时，称为柔性转子。 同步振动 （又称强迫振动） ：振动频率为转子的回转频率及其谐波，主要由不平衡、 不对中等造成的，其振幅在ω&ωn 时随ω增大而增大；在ω&ωn 时随ω增大而有所 减少；在ω=ωn 时有共振。 亚同步振动（又称自激振动） ：振动的频率低于转子的回转频率。亚同步振动往往 在某转速时 n&nn 突然发生，对设备危害极大。 亚同步振动的特点： （1）提高动平衡精度对亚同步振动出现的转速及振幅不产生影响； （2）在转速超过一阶临界转速时才会发生亚同步振动； （3）振动频率接近常数，与转子的自振频率相接近，一般不随机组的转速而变；46PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn（4）增加基础支座的弹性可提高发生亚同步振动的门槛转速； （5）增加支座的阻尼可提高发生亚同步振动的门槛转速； （三）旋转机械信号采集及分析的基本步骤 1 旋转机械信号采集与分析的基本步骤： （1）信号预处理与采集； （2）作 FFT 变换提取频域特征； （3）作全息谱分析。 2 旋转机械振动信号分析的基础 旋转机械的振动信号以正弦信号为基础，在理想状态下，旋转机械的转轴绕轴 心 O 旋转， 传感器拾取的信号应为一条直线， 但实际中， 由于偏心 e 的存在， 在 x、 y 方向上采集的信号为正弦信号，与 FFT 变换的特性相符合。 ∴在旋转机械的信号分析中，FFT 方法是作为信号分析的基本手段。 同时，在 FFT 分析的基础上，融合 x、y 轴方向的信息的全息谱分析技术，可 更有效地诊断旋转机械的故障。 3 基于全息谱分析技术的旋转机械诊断系统结构初 始 信 号 时 域 分 析趋 势提 取 时 域 波 形 轴 心 轨 迹滤 波 轴 心 轨 迹合 成 轴 心 轨 迹合 成 趋 势 提 取频 域 分 析X 向 幅 值 谱 Y 向 幅 值 谱 2 维 全 息 谱 3 维 全 息 谱时 频 分 析短 时 轴 谱 短 时 幅 谱全 息 瀑 布 图4 转机械故障分类 旋转机械的常见故障可按其频率大小分为：低频故障、转频故障、全频和高频 故障。 (1)低频故障：喘振、支座松动、流体激励、油膜涡动（油膜震荡） 、管道激励、旋 转脱落、气封磨损、非线性故障等。 (2)转（工）频故障：转子失衡、转子弯曲、转子裂纹、轴承故障等。 (3)全频和高频故障：转子不对中、转子裂纹、碰摩等。（四）旋转机械的典型故障及特点47PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn1. 转子不平衡故障及诊断 （1）转子不平衡的原因： 转子不平衡可分为：原始不平衡、渐发性不平衡、突发性不平衡。 原始不平衡（转子质量偏心） ?制造误差 ? ? ? 原因 ?装配误差 ? 出厂时动平衡没有达到精度要求，投入之初便会产生较大 ?材质不均匀? ? ? 的振动。 ?不均匀结垢? ? ? 渐发性不平衡：原因 ?不均匀磨损? 振动值随运行时间的延长而增大。 ?不均匀腐蚀? ? ? ?转子上零部件脱落? 突发性不平衡：原因 ? ? 振动值突然显著增大后稳定在一定水平 ?叶轮流道有异物 ? 上。 （2） 转子不平衡振动的特点 a 振动的时域波形近似为正弦波； b 在频谱图中，能量集中在基频，会出现较小的高次谐波； c 当ω&ωn 时，振幅随转速增大而增大； 当ω&ωn 时，转速增大时振幅趋于一个较小的稳定值； 当ω接近ωn 时，振幅具有最大的峰值。 d 转子的轴心轨迹为一椭圆 e 转子的进动方向为同步正进动。 f 工作转速一定时，相位稳定。 g 振动的强烈程度对转速变化很敏感。 （3）转子不平衡的诊断方法 转子不平衡的诊断方法是根据转子不平衡的振动特点来诊断， 主要看振动信号 的波形、特征频率、相位稳定性、轴心轨迹等。 （4） 注意 (1)对于老设备：工频分量增大时，可能有较大的不平衡； (2)对新安装设备，工频分量增大时，可能还有下述因素的影响： a、转子是否遇到临界转速？――常用其它方法确定临界转速； b、转子是否与基础共振？――可用相关分析方法诊断。 基础共振：使机组上各点都以同一频率和相位振动。不平衡造成的振动 在顺旋转方向上各点振动有相位差。 (4) 用涡流传感器不接触测量时，注意测点处轴颈加工的不同心或椭圆。可用48PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn降低转速的方法来检验。若低速时振动与高速时相同，则为假不平衡。 （5）转子动平衡方法 转子动平衡的范围 a、刚性转子： 当 n&1800r/min 和长颈比 L/D≤0.5 ，或 n&900r/min，只作静平衡。 当 n&1800r/min，或 n&900r/min 和 L/D&0.5 时必须进行动平衡。 b、柔性转子必须进行动平衡 转子动平衡的方法： a、平衡机法 适用范围：①平衡失衡较大，不能在运行转速下平衡的转子。 ②不能在现场校准的转子。 ③不能在现场进行无损检测的转子。 ④大修中由于其它原因已经吊出的转子。 优点：效率高，精密的平衡转子。 ?低速动平衡：对一般的电机、鼓风机、低压水泵 方法： ? ?高速动平衡：一阶至二阶临界转速以上的高速转子 b、现场动平衡法 优点：不需拆卸机器，比较安全，避免装拆引起的误差。可微量地补偿转子 的腐蚀和磨损。 原理及步骤：测转子同一平面内两支撑处的振动信号和键相信号(一般测刚性 差的平面)，求出其幅值与相角，根据振幅与相角加配重。 ①测原始失衡状态下左右侧面上各自的振幅与相角； ②左侧面上加配重，重新测振幅与相角； ③把配重取下放在右侧面上，重新测振幅与相角； ④经计算确定配重的适当位置及大小；(2)现场动平衡。 c.全息动平衡方法2. 转子弯曲故障及诊断1) 转子弯曲的种类 (1)永久性弯曲：转子成弓形弯曲后无法恢复。启动时振动就大； (2)转子临时性弯曲：可以恢复的弯曲。随升速振幅变大。 2) 转子弯曲振动的机理 转子弯曲会产生与转子质量偏心类似的旋转矢量激振力。与质量偏心引起的 振动不同之处： 弯曲时两端产生锥形运动，轴向产生较大的工频振动。 转子弯曲时，由于弯曲产生的弹力与不平衡产生的离心力相位不同，两者相互49PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn会有所抵消，转子振动的振幅在某个转速下会减小。 3) 转子弓形弯曲（永久性弯曲）的原因及振动特点 (1)原因 a、设计制造：结构不合理、制造误差、材质不均匀。 b、安装、维修：1）长期存放不当引发永久性弯曲；2）轴承安装错位，转子 有较大的预负荷。 c、运行操作：高速高温机器停机后未及时盘东。 d、机器劣化：转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲。 (2)振动特征 a、特征频率：1 倍频，并伴有 2 倍频。 b、振动稳定：振动方向为径向、轴向，相位特征稳定。 c、轴心轨迹：椭圆 d、进动方向：正进动 e、振动随转速的变化明显 f、时域波形：正弦波 4)转子临时弯曲的原因及振动特性 (1)转子临时性弯曲的原因 a、设计制造：结构不合理，制造误差大，材质不均匀 b、安装、维修：转子有较大的预负荷 c、运行操作：升速过快，加载太大 d、机器裂化：转子稳定性差 (2)振动特性： a、特征频率：1 倍频，伴有 2 倍频。 b、振动稳定性：振动随转速变化明显，振动方向为径向、轴向，相位特征稳 定（正常运行时稳定，升机过程中有变化） 。 c、轴心轨迹：椭圆 d、进动方向：正进动3.转子不对中故障分及诊断1) 转子不对中形式: 平行不对中； 角度不对中；综合不对中。 2) 产生转子不对中的原因 (1)初始安装误差 (2)负载、自重作用使转子弯曲 (3)支承架不均匀膨胀引起热态工作下转子对中不良(热不对中) (4)地基不均匀下沉。50PDF 文件使用 &pdfFactory Pro& 试用版本创建 .cn3) 转子不对中故障的特征 (1) 不对中现象的最大振动再紧靠联轴节两端的轴承上。 (2)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，刚性转子 A轴&A 径。