电机故障加速度数据统计与分析本科毕业论文设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)电机故障加速度数据统计与分析摘要随着科技的发展，越来越多的领域涉及到电机，例如交通、生产、建筑等。当然，电机的普及使用也使电机故障日益增多，其故障原因也日渐复杂。如何快速有效地检测电机所发生的故障也成为了某些领域的研究热点。电机运转的振动信号包含了很多丰富的信息，这就是我们能获得电机信息的最有效途径。同时，这些信号也成为了我们评判一台电机好坏的重要依据。本文主要对基于LABVIEW测控平台所采集到的电机振动信号数据，然后结合MATLAB 仿真软件对电机加速度信号进行处理和分析。 利用傅里叶变换，和时频分析等方法进行对电机信号的分析，最终来

2、判断电机的好坏和故障类型。关键词电机故障；振动信号；MATLAB ；傅里叶变换；时频分析AbstractWith the development of science and technology, more and more areas involved in motor, such as transportation, production, construction etc. Of course, the motor is widely used to increase motor fault, the fault reasons are complex. How to quickly

3、and effectively detect fault motor some areas.The vibration signal of motor contains a lot of rich information, the most effective way is that we can obtain the information of the motor. At the same time, these signals important basis for us to judge the quality of a motor. This paper focuseson the

4、motor vibration signal measurement and control platform based on the LABVIEW data collected, and then combined with MATLAB simulation software for processingand analyzing the motor acceleration signal. Using Fu Liye transform and time-domain analysis methods to analyze the electrical signal to judge

5、 the quality of the final or motor and fault type.Keywordsmotor fault the vibration signal MATLAB Fu Liye transform time domain analysis目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1本课题研究的背景和意义 .11.2电机故障常见类型 .11.3电机振动（测试与参数）的相关标准 .21.4电机故障特点与测试常用方法 .31.4.1 故障的特点 .31.4.2 故障测试常用方法 .41.5故障诊断技术的概况 .41.6设备故障诊断技术的局限性 .

6、51.7本文的主要工作 .5第 2 章 电机故障加速度数据的采集 .72.1实验原理 .72.2数据采集卡简介 .72.2.1数据采集卡名片 .72.2.2数据采集卡的分类 .72.2.3 数据采集卡功能 .82.3 LABVIEW 软件简介 .82.4电机加速度信号数据采集过程 .82.5本章小结 .10第 3 章 时频分析的基本理论 .103.1基本概念 .113.2时频分析的发展史.113.3测不准原理 .113.4时频分析的性能评价 .123.5本章小结 .13第 4 章 时频分析常用方法.144.1短时傅里叶变换 .144.1.1短时傅里叶变换的定义 .144.1.2短时傅里叶变换的

7、特性 .144.2Wigner-Ville 分布 .154.2.1Wigner-Ville 分布的定义 .154.2.2Wigner-Ville 分布的性质 .154.3小波变换 .164.4 本章小结 .17第 5 章 关于 MATLAB软件的简介 .185.1MATLAB 简介 .185.1.1MATLAB软件描述 .错误！未定义书签。5.1.2MATLAB的主要功能 .185.2MATLAB 时频分析工具箱 .195.3实验基本步骤 .195.4 本章小结 .19第 6 章 信号数据统计分析 .206.1单个电机信号的分析 .206.1.1单个信号傅里叶变换 .206.1.2单个信号的时

8、频分析 .216.2频域分析 .236.3对数据平均值、标准差、峰度、偏度的处理分析 .266.3.1平均值、标准差、峰度和偏度 .266.3.2在 MATLAB 软件上进行平均值、标准差、峰度和偏度的分析.276.4本章小结 .错 误！未定义书签。结论与不足 .错 误！未定义书签。参考文献 .错 误！未定义书签。致谢 .29附录 1 单个信号读取程序并进行傅里叶变换和时频分析.30附录 2程序设置 .31第1章绪论1.1 本课题研究的背景和意义电机，作为现代化生产必不可少的一个重要部分。我们的生活更是与之息息相关。家庭中的大部分电器内部都含有电机。而现代化生产或者流水线作业更是离不开电机，电

9、机一停止运转，意味着整条流水线几乎处于瘫痪状态，所以，电机是否发生故障直接影响着生产效率，当电机发生故障时，损坏的不仅是电机本身，还会危及人生安全，给社会造成极大的损失，因此，今年来，国家和社会都加大了关于电机故障这方面的研究，以求更快更有效地消除电机故障对社会生产的影响。从二十世纪六七十年代至今，电机故障诊断技术有了突飞猛进的进展，随着计算机技术的进步，这电机的研究达到了智能化的阶段，特别是对电机采集信号并对其信号进行多层次的分析处理已经成为了趋势。但是由于我国的电机故障诊断技术起步较晚，而且很多大型的工厂等都没有专门对电机故障研究的部门， 大部分都仅仅是从科研部门或者高等学院开始，再将所研

10、究得出的技术面向社会推广，这已经是将维修电机故障的时间大大延长了。因此，我觉得我国的有实力的大型生产企业有必要加深对电机故障的研究。随着科技的进步，现代化工业逐渐向自动化和高速化发展，为了降低生产成本，提高生产率，电机的转速越来越高了，电机也越来越复杂了。当然，随之而来的就是电机的磨损率，故障率也大大地提高了，这就大大地阻碍了生产率的发展。但是如果某些比较先进的设备的电机发生故障，造成经济损失这方面事小，若是稍微不慎，就会给自身或者群众带来生命威胁。例如美国“航天者”号飞机失事，前苏联切尔诺贝利核电站爆炸等。但是无可厚非的是，电机不可能没有故障，无论科技多么先进或者用料多么上乘，也总会有一定的

11、几率发生故障。那么我们应该怎么做呢？我们必须要对设备的状态无时无刻地监控，对设备所发生的异常及时地通过有效地手段进行收集，并对已经成形的故障进行诊断和分析，并通过信号的分析，有效地推断出其故障的部位及其原因，快速地采取有效的措施。所以，对电机故障的研究具有重要的意义。1.2 电机故障常见类型电机故障类型通常为以下几种：(1) 碰磨故障碰磨故障是电机常见的故障之一，这是由于电机运行中，电机组转动部件和静止部件发生碰磨。而动静碰磨可分为径向碰磨和轴向碰磨。电机碰磨故障发生前具有多种征兆，在发生碰磨故障时，其信号特征会发生较大变化，例如振动信号的时域波形会发生异变，振动幅值将逐渐减小等。 电机发生碰

12、磨故障的原因如下：(1)动静部件的间隙过小； (2)电机转轴振动过大。(2) 轴承故障轴承故障是由于某些原因造成电机轴承损坏而发生的故障。据了解，电机大多都是 “端盖滑动轴承式”机构和“端盖滚动轴承式”结构。所以超出预先固定值负载，非有效的密封，过度的配合而导致过小轴承间隙等都是造成轴承故障的原因。(3) 动不平衡故障电机动不平衡故障主要是由于力偶不平衡和静不平衡所引起的，也就是说质量中心线与轴几何中心线轴线既不平行也不相交的不平衡状态。当电机旋转时，转子产生一定的离心力，使电机整体产生振动，当振动过大时，就会引起电机的动不平衡问题。电机动不平衡故障的振动特征就是过大，也可以归结于转子的质量偏

13、心。部件的脱落都会引起电机的动不平衡故障。动不平衡往往会导致电机组运行不稳定，从而导致机器容易损坏，我们应该努力避免这个问题。(4) 电机共振问题共振的原因就是当自振频率和强迫振动频率一致时所引发出的一系列问题，共振很容易造成机器过早地损坏。 那么我们该如何解决这个共振问题呢？有以下措施：1)改变刚性；2) 增加或减掉重量； 3) 采取隔振措施； 4) 安装调谐阻尼器； 5) 要将动平衡调精确。1.3 电机振动（测试与参数）的相关标准电机振动标准表振动强度适用机器类别振动速度 V nmsIIIIIIIV(mms)0.28AAAA0.450.711.12B1.8B2.8CB4.5CB7.1C11

14、.2C18D28DD45D注： (1)类为小型电机（小于15kW 的电动机等）；类为中型机器（ 15kW75kW的电动机等）；类为大型原动机（硬基础） ； 类为大型原动机（弹性基础） 。(2) A、B、C、 D 为振动级别。 A 级好， B 级满意， C 级不满意， D 级不允许。测量速度 RMS 值应在轴承壳的三个正交方向上。1.4 电机故障特点与测试常用方法故障的特点电机的故障类型有很多种， 但其故障现象多数都有随机特性， 因为设备在运行过程中，不同时刻所产生的信号数据也是不同的， 这就为我们对检测到的数据来判断出准确的数据是非常困难的。世上没有相同的两个人或者两片树叶，电机也是一样，即使

15、是同一型号同一参数的电动机，但在装配的时候不同和工作条件的不同，其动态特性模型参数也会有较大的差异。电机的内部零件繁多，一个部件的损坏很大几率会导致另一部件发生故障，这就决定了电机故障的并发性和多层次性。这为电机维修带来了很大的难度。除了随机性和并发性外，电机故障还有连续性、离散性、模糊性等特点。故障测试常用方法古中医中，医师一般都是使用“望、闻、问、切。”来治疗病人。那么在检测电机故障时，我们怎么办呢？一开始时，研究人员一般都是“耳听、眼看、手摸”来直观地得出电机到底发生了什么样的故障。在设备诊断技术问世后，这种低效率，繁琐的情况得到了根本的改善。至今，根据信号类型的不同，诊断技术可大致分为

16、：温度诊断、光谱诊断、声振诊断等。但由于受到当时技术条件的限制，在初期，人都要亲力亲为，经过仪器处理后的信号都要人自己去分析，因此，这带来了许多的限制，只有经验丰富的专家和技术人员才能准确地判别出故障类型。但经过这些年的研究，人工智能日益发达。电机诊断技术以设备故障机理为基础，科学技术为辅，经过准确采集出能反映设备状态的各种信息，并利用各种各样的计算方法或者变换来处理这些信息，从而有效地得出其故障类型。1.5 故障诊断技术的概况在六十年代中期，设备诊断技术就已经在美国出现，起初的目的是用于航天事业，军事设备等检测。但随着时间的变迁，工业在近几十年得到了空前的发展，而对设备的要求也越来越高，这要

17、求也是设备的构造越来越复杂。其造价也日渐昂贵。那么，一旦设备损失，就会造成不可挽救的后果。由此，开始了设备诊断技术。这是在工作环境下，根据机械设备在运行过程中所产生的各种信息来判断机械设备是否发生故障， 并由此判别出设备所产生故障的原因和部位。诊断的过程主要是以下几个步骤：一，检测设备的信号，如噪声、振动、温度等；二，从特征信号中提取特征；三，进行特征信号的分析；四，得出结论。而电机故障诊断技术是设备诊断技术的其中之一。电机故障诊断技术时至今天可分为三个阶段：第一阶段：诊断结果是以人的经验为主，对电机信号只作简单的数据处理。第二阶段：以动态测试技术和传感器技术为主要途径，利用信号处理软件对信号

18、进行处理的现代化诊断技术，现今社会处于这一阶段。这也在生产上得到了广泛的应用。第三阶段：随着电机的复杂程度加深，随着计算机几人工智能技术的发展，利用高端技术对信号进行处理，这就是现代化的智能诊断技术。1.6 设备故障诊断技术的局限性从设备诊断技术问世至今， 传统的诊断方法被广泛应用于工业的生产上，但时至今天，设备故障诊断技术都没有一套完整的理论体系和相关的诊断参考技术规范。 该技术都是具有单一性，是针对不同电机所产生的故障进行单对单诊断的，这没有代表性和规范性。电机长期都是在环境恶劣下运行，其自身高速运转，这就为电机设备诊断技术带来了一大难题，设备诊断技术的根本就是采集到电机的状态信息等，但由

19、于电机自身原因或环境原因，在采集信息的时候就会收集到很多不利于分析的信息。这为信号的提取造成了很大的困难。诊断的准确性受到很大的考验，诊断结果也差强人意，往往会造成误诊或者是漏诊。如今，国内外都对电机设备诊断技术这一课题加大了研究力度，因为建立一套完整齐全的故障诊断理论体系用以指导设备科学诊断是非常有必要的， 尽管通过多源信息融合可以对信号进行有效的处理。但由于诊断界限难定，使得研究理论模糊化，很多分析法都仅仅停留在理论上，实际操作的可行性不大，电机故障诊断技术看似已经成熟，但后期的维修却没有行之有效的方法，因此，建立一套从采集提取特征判别维修的成熟的诊断技术已经迫在眉睫。1.7 本文的主要工

20、作本文主要利用 MATLAB 这个软件来对电机信号进行处理。通过利用傅里叶变换，时频分析和频域分析等计算方法来进行对信号的处理，来建立电机信号的特征库，从而对电机故障作出总结和更好地进行诊断。本设计在理论上对时频分析和频域分析有一定的认识，在进行对信号的仿真时，多采用的是对信号的频域分析。本文主要工作如下：第一章绪论，介绍本课题的背景和意义，电机故障的常见类型和电机的振动标准电机故障的特点和常用测试方法，设备诊断技术的概况。第二章对实验原理进行了描述，并对电机信号的采集过程进行了介绍。第三章对时频分析的定义和发展史作了简单的描述，并引出了测不准原理及其性能评价第四章描述了几个时频分析的方法，包

21、括短时傅里叶变换，Wigner-Ville 分布和小波变换。第五章对 MATLAB 软件的简介。第六章对信号进行统计分析，分别通过平均值、标准差、偏度、峰度等方面对信号进行处理，得出不同故障信号数据之间的差异。第七章结论与不足。第 2 章 电机故障加速度数据的采集2.1 实验原理利用加速度传感器通过NI9234 数据采集卡将好与坏的电机发出的振动信号，采集到PC机上并将该数据保存，便于后面的数据处理。如图2-1 所示图 2-1 实验原理图2.2 数据采集卡简介数据采集卡名片数据采集（简称 DAQ ），指的是从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程，然后送到PC 机中

22、进行数据分析和处理。数据采集系统是通过测试平台的软硬件产品来进行实现的。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ) 功能的计算机扩展卡。数据采集卡的分类由于 PC 总线的板卡种类非常多，所以其分类方法也是各式各样的。根据板卡处理信号的不同，我们可以把数据采集卡分为模拟量输出板卡( DA 卡) 、模拟量输入板卡 ( AD 卡) 、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。数据采集卡功能数据采集卡无论在科学研究室还是在工业生产上，都具有不可忽视的分量。在工业现场和实验室可以实现多方面的测控，如温度、湿度、压力、振动、应变电桥、脉冲、开关量、编码器、加速度、角度、等输出信号都可以用数据

23、采集卡进行采集。数据采集还附带有输出功能，一般可以输出电压、电流、PWM 、脉冲、开关量（集电极开路输出、继电器输出、 TTL 输出）等信号用于现场设备仪器的驱动与控制。2.3 LABVIEW软件简介LABVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）是杰夫·考度斯基（ Jeff Kodosky）是在 1986 年发明的。 LABVIEW 是一种基于 G 语言的图形化开发语言，这是一种与C 和 BASIC 一样的， LABVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。它是一种面向仪器的图形化编程

24、环境，用来进行数据的采集和控制，数据分析和表达，测试和测量，实验室自动化及监控过程，其目的是简化程序的开发工作。LABVIEW其实是一中虚拟仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。 虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。2.4 电机加速度信号数据采集过程本次对电机加速度信号数据的采集主要是利用三相鼠笼式电动机来进行对数据信号的采集，其具体参数如图2-2 所示图 2-2 三相鼠笼式电动机给电机加上电源，电机运转，那么我们就能对电机信号采集了。在对信号进行采集的时候，由于器材不足，所以我们仅仅只能用几台好的电机进行测试，首先，我们要先对好的电机进行采集

25、，然后再通过各种人为因素造成电机发生各种故障，例如：电机前轴承故障、电机后轴承故障、电机异物故障等。如图2-3 所示图 2-3 人为制造电机故障然后我们在利用计算机、NI 数据采集卡和LABVIEW软件组成的数据采集系统对电机加速度信号进行采集并保存。如图2-4 所示图 2-4 采集电机加速度数据2.5 本章小结本章简单介绍了实验的原理和实验数据的采集过程，也对数据采集卡的定义、分类、功能进行了一个概括，对LABVIEW软件作了一个简介。第 3 章 时频分析的基本理论由于电机所处的环境都比较复杂，所提取的信号都是非常微弱的，所以有效的检测和特征提取是一个重要的研究课题。一种好的信号分析方法可以

26、使研究事半功倍。自从时频分析出现后，从一开始在设备上应用，到现在为许多领域服务，其应用潜力可见一斑。至今为止，时频分析在很多地方都有明显的作用，例如故障信号分析、地震信号处理、语音信号处理、图像处理、信号重建、声呐处理等。本章主要内容首先讲述了时域分析的基本概念以及阐述了时域分析的研究现状。虽然傅里叶变换一直都是信号处理最简单快捷，效果最好的一种分析手段，但对于日渐复杂的信号处理，傅里叶变换明显已经不能满足现今的要求。傅里叶变换只是单纯频域的信号分析方法。而在时域方面，却完全不能显示出特性，所以需要其他更好的分析方法来对信号进行处理，例如Wigner-Ville 分布，小波变换等。3.1 基本

27、概念信号分析的根本目的是从该信号中提取其有关特征，根本手段就是通过对该信号进行某种变换，从而达到以求得效果。由于实践已经证明傅里叶变换只适合于频域分析，分析出的结果也只能显示出信号的正弦波的相对幅度以及个数，根本不能显示出其具体的相位信息。而时频分析指的是时间和频率相结合，以显示出信号所包含的演化特性及其频率分量。对于连续稳定的正弦波，可以用傅里叶变换进行简单的研究，但现在的信号大部分都是非连续，非线性，非平稳的信号，故我们需要一个以一维的时间信号以二维的时间频率密度函数形式表达出来的时域分析方法。3.2 时频分析的发展史20 世纪 40 年代，poter和 koening等人提出了 Spec

28、trogram( 声谱图 ) 方法，也称为 STFT方法。其基本原理是：若非平稳信号在分析窗函数的一个比较短的时间间隔内是平稳的，然后沿时间轴移动窗函数，计算出每个时刻的功谱图。由于这是使用一个固定的短时窗函数，是一种较为单一分辨率的信号分析方法。到 1932 年，物理学家提出了 Wigner 分布，在 1947 年的时候， Ville 将Wigner 分布引入到信号处理分析中，从而发展到现在著名的一种时域分析技术Wignr Ville 分布。这是描述时频分布比较有力的计算方法。到 1966 年， L.Cohen 发现所有 WVD 的时频二维都能被二次时频分布卷积得到，这称为 Cohen 类时

29、频分布。历经了半个世纪， 都是在原基础上不断完善时频分析在信号中的作用，以求更全面地把信号诠释出来。3.3 测不准原理时间一带宽乘积定理，就是测不准原理，也称之为不确定原理。这是关于傅里叶变换对的描述。测不准原理是由W.Heisenberg在 1927 年于论文“ On the Conceptual Contengof Quanturn Theoretical Kinematics and Mechanics”中首次提出，并且推导出不确定式，之后由Weyl 用标准偏差来定义不确定性，并且给出了Schwarz 不定式作为其不确定原理的依据，后来C.G.达尔文把傅里叶变换对和测不准原理联系在一起，

30、在 1930 年，Schrdinger信号 s(t)是一个具有有限能量的零均值多重信号，s(t)的有限宽度 T=t和频谱 S(f)的有限宽度 B=f分别成为该信号的时宽和带宽，并且定义为以下T2( t)2t22t22(t) |s(t)| dtt和222222B( t)(tf ) |s( f )| dtff在不改变信号幅值的基础上沿时间拉伸 s(t)。若sk()() 表示为后续的信号，其中k为ts kt拉伸比。由时宽的定义可以看出，拉伸信号是原信号时宽的k 倍，也就是说 T skkT s ，那么拉伸信号的傅立叶变换就是 sk( f )1f0 . 由带宽的定义可以看出，拉伸信k S( k ) ，

31、k号是原信号带宽的 sk( f )1f0 ，也就是说是原信号的1倍。由此可见，无论k S(k ), kk怎样，拉伸后的信号与原信号的时宽带宽的乘积都会相等，而且这也表达了一个信号的带宽时宽之间的乘积恒是常数。时宽带宽乘积 =TB = tf143.4 时频分析的性能评价时频具有很多的优点 :(1)它能同时兼顾时间和频率这两个方面的性能，并且将其联系起来分析。(2)对于非平稳信号的分析， 时频分析是有效地工具， 这是在时间和频率这两方面的一个创新。(3)在时频相平面上，可以准确地找到相应的对应关系。(4)通过对核函数附加约束条件， 就可以设计出符合预期希望的时频分析， 来更好地对信号进行处理。除了

32、上述的优点，时频分析还有以下缺点：(1)时频分析不能用信号的“瞬时能量”来解释某一时刻或某一频率处的时频分析。只能从总体大概把握时间和频率的关系。(2)由于双线性时频分布是非线性的，使得两个信号和的时频分布存在交叉项，也就是说信号处理后已不再是两个信号各自分布的和。3.5 本章小结本章主要简要地描述了时频分析的基本理论和其发展史，通过人们不断对时频分析这种信号分析方法的完善，至今已经比较成熟，本章最后对时频分析的性能作了一个简短的分析和概括。第 4 章 时频分析常用方法如果可以有一个函数可以同时用时间和频率来描述信号，那么就能计算出某一确定时间和频率范围内能量所占的百分比，这就是今天的时频分析

33、。 而根据时频分析这本质特征，我们可以将各种各样的时频分析归纳大致如下：(1) 线性时频分析； (2) Cohen 类双线性时频分析。4.1 短时傅里叶变换为了处理时域和频域的局部化矛盾， D.Gabor 在 1946 年提出了短时傅里叶变换。其基本理论就是把信号划分成许多较小的时间间隔， 然后用傅里叶变换来对每个时间间隔分析，即得到该时间间隔这一特定时刻的频率分量。这是时频分析中是最常用的方法。短时傅里叶变换的定义短时傅里叶变换的定义为：用窗函数w(t)抽取一段信号，并且对其做傅里叶变换，移动该窗函数，重复上述过程，就可得到短时傅里叶变换：STFTs (t , f )s( )w* (t )e j 2 f d短时傅里叶变换的特性从定义上可以看出，窗函数w(t) 同时具有时间移位和频率调制作用，这就使得STFT具有了局部特性， 当某一信号与窗函数不匹配时