机械故障诊断学第2章

1、机械故障诊断学机械故障诊断学机械设备故障诊断与医学诊断有许多相似之处，机械设备出现故障（隐患）时，会反映出各种征兆，诸如振动、温度、压力等信号的变化。但不是所有信号对任何故障隐患都很敏感，如对齿轮箱来说，若是轴承出现破损，振动信号的变化要比温度信号敏感；若是润滑不足，则温度信号就比振动信号敏感。这就是说设备在不同的运行状态下（故障也是一类运行状态），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的获取，不仅与所特征信息的获取，不仅与所选择的信号内容有关，而且与传感器的类型、选择的信号内容有关，而且与传感器的类型、传感器的精度和测点位置有关。传感器的精度和测点位置有关。l 概述l 振动信号检测l 计算机

2、辅助信号采集系统l 信号预处理特征分析与提取是故障诊断基础特征分析与提取是故障诊断基础第2章 特征信号检测 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上信号信号是反映设备运行状态的信息载体特征信号选择原则 能敏感地反应工况状态变化 能实时采集对传感器类型的选择要求 能反映物理特征 易于安装中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 传感器是人类器官的延伸l 传感器的选择 分类 位移、温度、压力、流量、速度传感器等。 机械式、电气式、光学式、流体式等。 物性型、结构型能量转换型(无源型、 发电型或主动传感器)、能量控制型( 有源型、能量调节型或被动传感器)模拟式、数字式中南大学 机电工程学院

3、李群明 2015年上f (t) mkcy0(t)y1(t)单自由度系统在基础受力所产生的受迫振动 )()()()()(1100202tkytydtdctkytydtdctdtydm21201012012)()()()(tdtydmtkydttdyctdtydm)()()(1001tytyty令l 振动信号检测:最常见l动态测量:位移、速度、加速度、频率、相位l静态测量：固有频率、阻尼、刚度、响应、模态中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上2222/2/1)/()(nnnA 2/1/2arctgnnmkn/ckm2固有频率：阻尼比：以y1(t)作为输入： 中南大学 机电工程学院 李群明 2

4、015年上位移输入：幅-频曲线中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上00.511.522.53020406080100120140160180n/01. 00.10.20.50.710位移输入：相-频曲线中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上当n时，A()接近于1，表明质块相对基础的运动与基础的运动近乎相等，即质块在惯性座标中几乎处于静止状态。上述原理是研究振动测试的基础。 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上以 作为输入： )(1ty 2222/2/1)/1 ()(nnnA 2/1/2arctgnn中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上00.511.522.5300

5、.511.522.533.544.55nA()加速度输入：幅-频曲线01. 00.10.20.50.71中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 涡流式位移传感器涡流式位移传感器 LwA202w ： 线圈匝数 ：空气的磁导率 0中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上传感器的自感量L与距离关系 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.911.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25, mmL中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上壳体罗纹六角螺母探头同轴电缆传感器

6、本体中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 磁电式速度传感器：当穿过某一线圈的磁电式速度传感器：当穿过某一线圈的磁通发生变化时，会产生感应电动势，其磁通发生变化时，会产生感应电动势，其电动势的输出与线圈的运动速度成正比电动势的输出与线圈的运动速度成正比 e=WBlvsin e=kWBA中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上图 电磁式绝对速度计1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴中南大学 机电工程学

7、院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 金属膜FF压电晶片中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上等效电荷源等效电压源CaRaqCaRaua压电器件相当于具有一定电容的电荷源：ACa0aaCqu 电容两极板间开路电压为：中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上若考虑负载（测量电路），等效电路如下：电荷源等效电路CaRaqCcRiCi电压源等效电路CaRauaCcRiCiicaaCCCqCqu假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，

8、则输出电压：中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo高通滤波其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 1)()(sRCsRCsUsUaai中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。 电荷放大电路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上电荷放大等效电压放大电路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf1)()(sRCsRCsUsUaai其中，R = Ra/Ri C = Ca + Cc + Ci +

9、 (1+A)Cf (1+A)Cf 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上ICP Sensor System中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上压电式加速度传感器中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上ICPCHARGEMODE(Ranged for500 mV/gSensitivity) 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上钢螺栓a)钢螺栓c)绝缘螺栓b)云母垫圈 薄蜡层探针d )e)粘接剂 粘接螺栓f )粘接剂g )磁 铁中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上中南大学 机电

10、工程学院 李群明 2015年上各种振动传感器的测量范围 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上电机千分尺刻度盘倾斜金属板涡流位移传感器涡流位移传感器的校准仪 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上要求: 灵敏度高 动态特性良好 噪声小 滞后、漂移误差小 功耗小，复现性好，有互换性 防水及抗腐蚀 结构简单、成本低中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上l 计算机辅助信号采集系统被测被测对象对象传传感感器器信号信号调理调理多路多路模拟模拟开关开关采样采样保持保持A/D计计算算机机总总线线D/A低通低通滤波滤波激励激励装置装置功率功率放大放大CPUROMRAM键盘显示显示控制逻辑控制

11、逻辑中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上工业控制计算机PC 总线多通道同步采集A/D卡AC/DC分离通道选择模拟信号隔离采样控制转速测量振动信号采集模块温度、压力等非振动信号输入开关量输入非振动信号采集模块开关量 采集模块. 振动信号输入AC/DC选择透平压缩机组信号透平压缩机组信号采集装置示意图采集装置示意图 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 信号调理信号调理 1、交、直流分离 2、信号滤波 3、信号放大 4、信号积分中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 A/D A/D转换转换 012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

12、2468101214x( t )x ( t )xt时间 t= kD,D, sD中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上x(t)01234tABCTs混叠现象中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上q 采样定理 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上若原始信号是带限信号， 则采样后信号不发生混采样后信号不发生混叠的条件为：叠的条件为：fs 2fh（如下图）。其中fh为信号中的最高频率。此即为采样定理采样定理。 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上q 消除混叠的措施v 提高采样频率。但提高采样频率将导致在 同样信号长度下，采样点数随之提高，增 加计算负担。v 应用抗混滤波器降

13、低信号中的最高频率。 从理论上讲，由于抗混滤波器的非理想特 性，信号中高频分量不可能完全衰减，因 此不可能彻底消除混叠。中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上 数字信号处理数字信号处理 及其存在问题及其存在问题 时域采样： 时域离散化截断： 时间有限化 频域采样： 频域离散化结果：结果：时、频域周期化时、频域周期化中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上q 截断、泄漏和窗函数 x(t) w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00fW(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截断的正弦信号频谱中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上q 减小

14、泄漏的措施 提高截断信号长度，即提高矩形窗宽度，此 时 sinc函数主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，由 于旁瓣衰减较快，故可减小泄漏，但显然采 样点数随之提高，增加计算负担。 采用其它窗函数。一个好的窗函数应当：主 瓣尽可能窄（提高频率分辨力）、旁瓣相对 于主瓣尽可能小，且衰减快（减小泄漏）。 中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗 w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf汉宁窗（余弦窗）-18dB/oct-32dB4/T汉宁窗-12dB/oct-26dB4/T三角形窗-6dB/oct-13dB2/T矩形窗旁瓣衰减速度最大旁瓣幅度主瓣宽度窗函数类型中南大学 机电工程学院 李群明 2015年上x(t) w(t)0tX(f)*W(f)-f0f00TT-Ts2(t)0S2(f)0ffX(f)*W(f)S2(f)x(t) w(t)*s2(t)T频域采样-f0f00fq 频域采样q栅栏效应：相当于透过栅栏观赏风景,只能看到频谱的一部分,而其它频率点看不见,因此很可能使一部分有用的频率成分被漏掉频率细化中南大学 机电工程学院 李群明