设备状态监测与故障诊断技术设备故障诊断的技术基础课件

第三章设备故障诊断的技术基础学习目标：熟悉设备故障诊断技术的内容；掌握设备故障信息获取和检测方法的框架知识；了解设备故障常用的3种评定标准及相对判断标准的制定方法；熟悉故障诊断中的信号处理，傅里叶变换在故障诊断的信号处理中占有核心的地位，须理解这一重要理论基础。2022/10/311机械振动状态监测与故障诊断技术在理论上和方法上都很成熟，它涉及很多学科知识。本章介绍设备故障诊断特别是振动诊断的技术基础，第三章设备故障诊断的技术基础学习目标：2022/10/2第一节设备故障诊断技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。

设备故障诊断的具体实施过程可以归纳为如下4个方面:(1)信息采集：设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等，这些信号一般是用不同的传感器来获取的，我们简称为数采。

(2)信号处理：这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程，也称特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是这个过程。2022/10/312第一节设备故障诊断技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监第一节设备故障诊断技术的内容(3)状态识别：将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对此以确定设备所处的状态，即是否存在故障、故障的类型和性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。(4)诊断决策：根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。图3-1设备诊断过程框图被测设备获取检测信号设备特征信息诊断决策设备允许参数故障确定趋势分析对比信号采集信号处理状态识别2022/10/313第一节设备故障诊断技术的内容(3)状态识别：将经过信号处第二节设备故障的信息获取和检测方法一、设备故障信息的获取方法：直接观察法、量化管理1．直接观测法（感性认知）判断主要靠人的经验和感官来感受、获取设备的状态信息，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。被更多地用在静止的设备中。在观测中有时使用一些辅助的工具和仪器，如倾听机器内部声音的听棒，检查零件内孔有无表面缺陷的光学窥镜，检查零件表面有无裂纹的磁性涂料及着色渗透剂等，来扩大和延伸人的观测能力。主要包括以下工具和仪器：★用耳朵听（听觉）→采取听棒、螺丝刀等工具；★用眼睛看（视觉）→有无缺件、变形、磨损、泄漏等情况；★用手摸（触觉）→振动、温度、泄漏点等情况；★用鼻子闻（嗅觉）→有无胶糊味，如电机过热的绝缘漆味；★当然，还有向操作者问→故障情况；★这与中医的“望、闻、问、切”有异曲同工之妙。2022/10/314第二节设备故障的信息获取和检测方法一、设备故障信息的获取第二节设备故障的信息获取和检测方法2．量化管理★用仪器测（将人的五官延伸到仪器上）⑴参数测定法根据设备运行的各种参数的变化来获取故障信息是广泛应用的一种方法。因为机器运行时由于各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是温度、压力、振动、噪声等，它们都能反映机器的工作状态。胀差、阻值等参数也是故障信息的重要来源。P23⑵磨损残渣测定法测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞环等的磨损残渣在润滑油中的含量，即润滑油液分析，也是一种有效的获取故障信息的方法。⑶设备性能指标的测定通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机器的工作状态。设备性能包括整机及零部件性能。P232022/10/315第二节设备故障的信息获取和检测方法2．量化管理2022/第二节设备故障的信息获取和检测方法二、设备故障的检测方法：1．振动和噪声的故障检测

大部分机器共有的表现形式，约占60%，可有如下诊断方法：★振动法：对机器主要部位的振动值如位移、速度、加速度、转速及相位值等进行测定，并与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行状况进行评定，最常用的方法之一。★特征分析法：对测得的上述振动量在时域、频域、时频域进行特征分析，确定机器各种故障的内容和性质。2022/10/316第二节设备故障的信息获取和检测方法二、设备故障的检测方法第二节设备故障的信息获取和检测方法★模态分析与参数识别法：利用测得的振动参数对机器零部件的模态参数进行识别，以确定故障的原因和部位。★冲击能量与冲击脉冲测定法：利用共振解调技术(IFD)测定滚动轴承的故障。

★声学法：对机器噪声的测量，了解机器运行情况并寻找振动源。2022/10/317第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/2372．材料裂纹及缺陷损伤的故障检测材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检测：★超声波探伤法

★射线探伤法★渗透探伤法

★磁粉探伤法★涡流探伤法

★激光全息检测法★微波检测技术

★声发射技术第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/3182．材料裂纹及缺陷损伤的故障检测第二节设备故障的信息获取3．设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测

这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可应用下列方法：★光纤内窥技术★油液分析技术4．工艺参数（温度、压力、流量等）变化引起的故障检测机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数，如温度、压力、流量等的变化中。如在温度测量中，常规的接触式测温仪：装在机器上的热电阻、热电偶等；特殊场合中的非接触式测温仪：红外测温仪、红外热像仪等。它们依靠物体的热辐射进行测量。第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/3193．设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测第二节设备故障的信一、判断标准(绝对、相对、类比)为了对设备的状态作出判断，判断是否存在故障及故障的程度如何，必须对表征机器状态的测量值与规定的标准值进行比较。常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。1．绝对判断标准它要求在设备的同一部位或按一定的要求测得的表征机器设备状态的值与某种相应的判断标准相比较，以评定设备的状态。第三节设备故障的评定标准2022/10/3110一、判断标准(绝对、相对、类比)为了对设备的2022/10/31112022/10/2311设备状态的另一种振动评价标准

2022/10/3112设备状态的另一种振动评价标准 2022/10/23122022/10/31132022/10/23132．相对判断标准

它要求对设备的同一部位（同一工况）同一种量值进行测定，将设备正常工作情况的值定为初始值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。第三节设备故障的评定标准

相对判断标准的制定方法：在设备运行状态比较良好的时候（新安装好或大修后能够确认工作状态良好时），用数据采集器（测振仪）连续对确定的测点进行多次测量（最好能测20次以上，每次测量最好能间隔一段时间，传感器也应取下后再放上）。然后计算其平均值。2022/10/31142．相对判断标准第三节设备故障的评定标准相常用的平均方法首先，求出N次测量的算术平均值Vm=(V1+V2+…+VN)／N然后，报警限VT为算术平均值Vm的3～10倍，即

Vt=K·Vm,K=3～10其中，V1，V2，…，VN表示第1,2,…,N次测量的测量值；K表示报警因子，一般去3~10

第三节设备故障的评定标准2022/10/3115常用的平均方法第三节设备故障的评定标准2022/10/2首先，计算N次测量的算术平均值Vm和均方根值Vs:Vm=(V1+V2+…+VN)／N

Vs=(V1-Vm)2+(V2-Vm)2+...+(Vn-Vm)2／N

另一种平均方法然后，设定测量报警限

Vt=Vm

+kVs,k=2～5k根据设备的使用环境、工况变化范围、对设备振动的要求严格程度、设备的价格等来确定。每次测量的工况（如负载、转速等）应尽可能一致，并在以后的检测中也尽可能在该工况下测量。第三节设备故障的评定标准2022/10/3116首先，计算N次测量的算术平均值Vm和均方根值Vs:另一种平均3．类比判断标准定义：若有数台机型、规格均相同的设备，在相同工况和使用环境下对它们进行测定，经过相互比较作出判断，用这种方法对机器设备的状态进行评定而制订的标准称作类比判断标准。需要指出的是，在实践中，常将相对判断标准与类比判断标准两者结合制定统一的标准，而上述相对判断标准的制定方法也仅供参考，在实践中亦可以具体情况具体分析，后续会介绍。第三节设备故障的评定标准2022/10/31173．类比判断标准定义：若有数台机型、规格均相同的设备，在相同二、旋转机械的绝对判断标准

振动量是衡量旋转机械设备状态的重要参数。评定机器振动状态的物理量可以是：★振动加速度——在航空工业上习惯用振动加速度来评定，因航空结构振动频率较高，且通过加速度测量可以了解构件所受力的情况。★振动速度——对于轴承座，国际上规定用振动烈度（振动速度的有效值）作为评定的物理量，因为振动烈度反映了振动能量的大小，用振动烈度表示可以从能量观点直接反映振动物体的动强度。★振动位移——对于地面的旋转机械如汽轮发电机组、压缩机组等则以振动位移作为评定的物理量，因用位移量可以更直观、更直接地了解转子的运动情况。第三节设备故障的评定标准2022/10/3118二、旋转机械的绝对判断标准振动量是衡量旋转机械设备状态的重一、测量信号

第四节故障诊断中的信号处理信号或动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。这里所说的信号是指测量信号，它是对系统的某物理量，如位移、速度、加速度、应力、应变等进行观测获得的数据。这些物理量的共同特点是随时间、空间而变化，它们代表了系统的状态和特征。2022/10/3119一、测量信号第四节故障诊断中的信号处理信号或动态数据的1．测量信号分类

根据测量信号在时间历程内的变化特征分类如下，这里“时间”是泛指概念，可以表示空间坐标或时、空坐标。

第四节故障诊断中的信号处理

动态信号

确定性信号随机信号周期信号非周期信号平稳信号非平稳信号简谐复杂周准周期瞬态各态历非各态历调制型非一般非平稳信号期信号信号信号经信号经信号平稳信号随机信号2022/10/31201．测量信号分类第四节故障诊断中的信号处理2022/周期信号：包括简谐信号和复杂周期信号。表述简谐信号的基本物理量是频率、振幅和初相位；复杂周期信号可借助傅里叶级数展成一系列离散的简谐分量之和，其中任两个分量的频率比都是有理数。非周期信号：包括准周期信号和瞬态信号。准周期信号也是由一些不同离散频率的简谐信号合成的信号，但它不具有周期性，组成它的简谐分量中总有一个分量与另一个分量的频率比为无理数；瞬态信号的时间函数为各种脉冲函数或衰减函数，如有阻尼自由振动的时间历程就是瞬态信号。瞬态信号可借助傅里叶变换而得到确定的连续频谱函数。若随机信号的概率密度不随时间原点的选取而变化，则称其为平稳随机信号；反之，称为非平稳随机信号。第四节故障诊断中的信号处理2022/10/3121周期信号：包括简谐信号和复杂周期信号。第四节故障诊断中的大多数机械设备的振动信号类型是周期信号、准周期信号和平稳随机信号以及几种不同类型信号的组合。一般在启动或停机过程中的振动信号是平稳的。设备在正常运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机信号之中。若设备故障程度加剧，则振动信号中的周期成分加强，从而整台设备振动增大。因此，从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号中提取周期成分的过程。第四节故障诊断中的信号处理2022/10/3122大多数机械设备的振动信号类型是周期信号、准周期信号和平稳随机2．简谐信号

振动加速度尖峰振动速度尖峰上限平衡位置时间下限物体周期振动位移峰—峰值图3-3弹簧振动

[例]机械振动是物体（或其一部分）沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。图3-3所示的弹簧振动是简单机械振动的例子。

第四节故障诊断中的信号处理2022/10/31232．简谐信号振幅A（Amplitude）偏离平衡位置的最大距离，有时也称峰值或单峰值，2A则称为峰—峰值、双峰值或简称双幅。（位移、速度和加速度三者都可以这样表达。）频率f（frequency）为每秒钟的振动次数，描述振动的快慢，单位为次/秒，即赫兹（Hz）。f=1/T

圆频率（Angularfrequency）亦可用于描述振动的快慢，也称角频率，单位为弧度/秒（rad/s）。=2f=2/T

周期T

为每振动一次所需的时间，单位为秒（s）或毫秒（ms）。初相角（Initialphase）描述振动在起始瞬间的状态，单位为弧度（rad）。

相位φ（phase）表示振动质点的相对位置，是时间的函数，单位为弧度(rad）。

φ=t+

式中：t——时间，s或ms。简谐振动的三要素2022/10/3124振幅A（Amplitude）偏离平衡位置的最大距离，有时振动位移、速度、加速度之间的关系位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值依次为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。xvaxva2022/10/3125振动位移(Displacement):速度(Velocity):加速度(Acceleration):振动位移、速度、加速度之间的关系位移、速度、加速度都是同频常用的振动时域参数位移信号

峰峰值。单位为微米（m）

速度信号

有效值。单位为毫米/秒（mm/s）

加速度信号

峰值。单位为米/秒平方（m/s2）2022/10/3126第四节故障诊断中的信号处理常用的振动时域参数位移信号2022/10/2326第四节二、试验数据处理方法

去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼1．按任务可分为：★

预处理★

二次处理★

最终处理2．按方式可分为：★

在线处理（On-LineProcessing）★

离线处理（Off-LineProcessing）3．按手段可分为：★

模拟式分析

★

数字式分析——在现代故障诊断系统中广泛采用2022/10/3127第四节故障诊断中的信号处理二、试验数据处理方法去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及三、振动信号在频率域中的描述

1．傅里叶变换（FT）

数学算法把一个复杂的函数分解成一系列（有限或无限个）简单的正弦和余弦波，时域变换成频域，也就是将一个组合振动分解为它的各个频率分量，把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱，这就是傅里叶变换。这一理论基础早在19世纪早期/18世纪晚期由法国著名数学家傅里叶研究出来。2022/10/3128第四节故障诊断中的信号处理三、振动信号在频率域中的描述1．傅里叶变换（FT）按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信号（不管如何复杂），都可以分解成若干个谐波分量之和，即式中：A0——直流分量，mm；Akcos(2kf0t+k)——谐波分量，mm；k=1、2…，每个谐波称为k次谐波；Ak——谐波分量振幅，mm；f0——基波频率，即一次谐波频率，Hz；t——时间，s；k——谐波分量初相角，rad。2022/10/3129第四节故障诊断中的信号处理按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信

如图3-7所示，如果测得的振动信号x(t)由4个谐波分量组成，那么，通过信号分析可将其分解成1、2、3、4这4个简谐信号，并把时域信号变换至频域信号。

a

x(t)

a1

a2

1′

O

t

a3

1

2′

f1

t

a4

2

3′

f2

t

3

4′

f3

t

4

f4

t

f图3-7傅里叶变换原理图示x(t)——综合信号；1~4——谐波分量；1’~4’——频率分量；f1~f4——谐波分量的频率；a——综合信号幅值；a1~a4——谐波分量幅值2022/10/3130如图3-7所示，如果测得的振动信号x(t)由2．有限傅里叶变换在工程上只能研究某一有限时间间隔（-T，T）上的平均能量（功率），也就是仅在（-T，T）上进行傅里叶变换，称为有限傅里叶变换。3．离散傅里叶变换（DFT）设有一单位脉冲采样函数Δ0(t)，采样间隔为Δt，则对x(t)的离散采样就意味着拿x(t)乘Δ0(t)，然后再对两者的积函数x(nΔt)进行傅里叶变换，即称为离散傅里叶变换。2022/10/3131第四节故障诊断中的信号处理2．有限傅里叶变换在工程上只能研究某一有限时间间隔（-T4．快速傅里叶变换（FFT）在进行离散傅里叶变换计算时，常省略Δt和Δf，进而得到快速傅里叶变换的计算公式。这里需要指出的是，在工程实践中，正是运用它把信号中所包含的各种频率成分分别分解出来，结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。现在FFT算法的各种典型程序和集成芯片已很成熟，频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成，用时只需选用就可以了。2022/10/3132第四节故障诊断中的信号处理4．快速傅里叶变换（FFT）在进行离散傅里叶变换计算时，各种振动波形的频谱名称波形频谱名称波形频谱2022/10/3133第四节故障诊断中的信号处理各种振动波形的频谱名称小结（一）设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程为信息采集、信号处理、状态识别、诊断决策。设备故障信息的获取方法包括直接观测法、参数测定法、磨损残渣测定法及设备性能指标的测定。设备故障的检测方法包括振动和噪声的故障检测、材料裂纹及缺陷损伤的故障检测、设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测及工艺参数变化引起的故障检测。设备故障的评定标准常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。可用平均法制定相对判断标准。2022/10/3134小结（一）设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障小结（二）从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号中提取周期成分的过程。组成周期成分的简谐振动可用位移、速度和加速度三个参量来表征，每个参量有三个基本要素：即频率、振幅和初相位。试验数据处理的目的就是去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼的加工过程，提高信噪比，找出客观事物本身的内在规律和客观事物之间的相互关系。振动信号频率分析的数学基础是傅里叶变换；在工程实践中，运用快速傅里叶变换的原理制成频谱仪，这是故障诊断的有力工具。2022/10/3135小结（二）从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号问题与回答互动时间2022/10/3136问题与回答互动时间2022/10/2336一、单项选择题（在备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在题干中的横线上）

1．润滑油液分析是一种

。A、直接观测法B、参数测定法C、磨损残渣测定法D、设备性能指标测定2．下列情况中能产生振动的是

。A、润滑B、转子与静止部分碰撞C、冷却D、密封3．ISO7919是一种

。A、绝对判断标准B、相对判断标准C、类比判断标准4．在ISO7919标准中，振动在

内的机器通常认为是可以接受的，可以无限制地长期运行。A、区域AB、区域BC、区域CD、区域D2022/10/3137一、单项选择题（在备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在5．振动烈度能反映出振动

。A、能量B、质量C、变量D、速度6．根据ISO7919和ISO10816标准的准则二，若轴承座振动或轴振动的幅值合格，但变化量超过报警限值的

，不论是振动变大或者变小都要报警。A、10％B、15％C、25％D、30％7．下列参数中，不属于简谐振动三要素的是

。A、频率B、振幅C、初相位D、时间8．若有一简谐振动，其位移x=Asin（t+），则其速度的幅值为

。A、AB、AC、A2D、9．振动信号频率分析的数学基础是

，频谱仪是运用

的原理制成的。A、傅里叶变换B、有限傅里叶变换C、离散傅里叶变换D、快速傅里叶变换2022/10/31385．振动烈度能反映出振动。2022/10/2338二、判断题（在括号内选择打“√”或“×”）

1．设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。

（）2．对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析属于状态识别阶段。

（）3．用听棒倾听机器内部的声音属于直接观测法。（）4．对机器零部件性能的测定，主要反映在强度方面，这对预测机器设备的可靠性，预报设备破坏性故障具有重要意义。（）5．光纤内窥技术可用于检测设备零部件材料的磨损及腐蚀故障。（）6．ISO10816是一种相对判断标准。（）7．相对判断标准是在不同工况下对设备同一部位进行多次测量后取平均制定的。（）8．在航空工业上习惯用振动位移来评定。（）9．对于汽轮发电机组、压缩机组等一般以振动加速度作为评定的物理量。

（）2022/10/3139二、判断题（在括号内选择打“√”或“×”）1．设备故障诊断10．振动烈度即振动速度的有效值，也即振动速度的均方根幅值。（）11．从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号中提取简谐信号的过程。（）12．频率是周期的倒数。（）13．在简谐振动中，初相角是时间的函数。（）14．相位相反的振动会使振动互相抵消，起到减振的作用。（）15．同一简谐振动的位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。（）16．同一简谐振动的位移、速度、加速度三者之间的相位关系：加速度落后速度90º，速度落后位移90º。（）17．在进行观测数据的测量和分析时，其信号中与被研究事物无关的干扰是噪声。（）18．在现代故障诊断系统中一般采用模拟式信号处理。（）19．傅里叶变换是由频域变换成时域。（）2022/10/314010．振动烈度即振动速度的有效值，也即振动速度的均方根幅值。第三章结束

谢谢大家!2022/10/3141第三章结束

谢谢大家!2022/10/2341第三章设备故障诊断的技术基础学习目标：熟悉设备故障诊断技术的内容；掌握设备故障信息获取和检测方法的框架知识；了解设备故障常用的3种评定标准及相对判断标准的制定方法；熟悉故障诊断中的信号处理，傅里叶变换在故障诊断的信号处理中占有核心的地位，须理解这一重要理论基础。2022/10/3142机械振动状态监测与故障诊断技术在理论上和方法上都很成熟，它涉及很多学科知识。本章介绍设备故障诊断特别是振动诊断的技术基础，第三章设备故障诊断的技术基础学习目标：2022/10/2第一节设备故障诊断技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。

设备故障诊断的具体实施过程可以归纳为如下4个方面:(1)信息采集：设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等，这些信号一般是用不同的传感器来获取的，我们简称为数采。

(2)信号处理：这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程，也称特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是这个过程。2022/10/3143第一节设备故障诊断技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监第一节设备故障诊断技术的内容(3)状态识别：将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对此以确定设备所处的状态，即是否存在故障、故障的类型和性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。(4)诊断决策：根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。图3-1设备诊断过程框图被测设备获取检测信号设备特征信息诊断决策设备允许参数故障确定趋势分析对比信号采集信号处理状态识别2022/10/3144第一节设备故障诊断技术的内容(3)状态识别：将经过信号处第二节设备故障的信息获取和检测方法一、设备故障信息的获取方法：直接观察法、量化管理1．直接观测法（感性认知）判断主要靠人的经验和感官来感受、获取设备的状态信息，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。被更多地用在静止的设备中。在观测中有时使用一些辅助的工具和仪器，如倾听机器内部声音的听棒，检查零件内孔有无表面缺陷的光学窥镜，检查零件表面有无裂纹的磁性涂料及着色渗透剂等，来扩大和延伸人的观测能力。主要包括以下工具和仪器：★用耳朵听（听觉）→采取听棒、螺丝刀等工具；★用眼睛看（视觉）→有无缺件、变形、磨损、泄漏等情况；★用手摸（触觉）→振动、温度、泄漏点等情况；★用鼻子闻（嗅觉）→有无胶糊味，如电机过热的绝缘漆味；★当然，还有向操作者问→故障情况；★这与中医的“望、闻、问、切”有异曲同工之妙。2022/10/3145第二节设备故障的信息获取和检测方法一、设备故障信息的获取第二节设备故障的信息获取和检测方法2．量化管理★用仪器测（将人的五官延伸到仪器上）⑴参数测定法根据设备运行的各种参数的变化来获取故障信息是广泛应用的一种方法。因为机器运行时由于各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是温度、压力、振动、噪声等，它们都能反映机器的工作状态。胀差、阻值等参数也是故障信息的重要来源。P23⑵磨损残渣测定法测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞环等的磨损残渣在润滑油中的含量，即润滑油液分析，也是一种有效的获取故障信息的方法。⑶设备性能指标的测定通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机器的工作状态。设备性能包括整机及零部件性能。P232022/10/3146第二节设备故障的信息获取和检测方法2．量化管理2022/第二节设备故障的信息获取和检测方法二、设备故障的检测方法：1．振动和噪声的故障检测

大部分机器共有的表现形式，约占60%，可有如下诊断方法：★振动法：对机器主要部位的振动值如位移、速度、加速度、转速及相位值等进行测定，并与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行状况进行评定，最常用的方法之一。★特征分析法：对测得的上述振动量在时域、频域、时频域进行特征分析，确定机器各种故障的内容和性质。2022/10/3147第二节设备故障的信息获取和检测方法二、设备故障的检测方法第二节设备故障的信息获取和检测方法★模态分析与参数识别法：利用测得的振动参数对机器零部件的模态参数进行识别，以确定故障的原因和部位。★冲击能量与冲击脉冲测定法：利用共振解调技术(IFD)测定滚动轴承的故障。

★声学法：对机器噪声的测量，了解机器运行情况并寻找振动源。2022/10/3148第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/2372．材料裂纹及缺陷损伤的故障检测材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检测：★超声波探伤法

★射线探伤法★渗透探伤法

★磁粉探伤法★涡流探伤法

★激光全息检测法★微波检测技术

★声发射技术第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/31492．材料裂纹及缺陷损伤的故障检测第二节设备故障的信息获取3．设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测

这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可应用下列方法：★光纤内窥技术★油液分析技术4．工艺参数（温度、压力、流量等）变化引起的故障检测机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数，如温度、压力、流量等的变化中。如在温度测量中，常规的接触式测温仪：装在机器上的热电阻、热电偶等；特殊场合中的非接触式测温仪：红外测温仪、红外热像仪等。它们依靠物体的热辐射进行测量。第二节设备故障的信息获取和检测方法2022/10/31503．设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测第二节设备故障的信一、判断标准(绝对、相对、类比)为了对设备的状态作出判断，判断是否存在故障及故障的程度如何，必须对表征机器状态的测量值与规定的标准值进行比较。常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。1．绝对判断标准它要求在设备的同一部位或按一定的要求测得的表征机器设备状态的值与某种相应的判断标准相比较，以评定设备的状态。第三节设备故障的评定标准2022/10/3151一、判断标准(绝对、相对、类比)为了对设备的2022/10/31522022/10/2311设备状态的另一种振动评价标准

2022/10/3153设备状态的另一种振动评价标准 2022/10/23122022/10/31542022/10/23132．相对判断标准

它要求对设备的同一部位（同一工况）同一种量值进行测定，将设备正常工作情况的值定为初始值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。第三节设备故障的评定标准

相对判断标准的制定方法：在设备运行状态比较良好的时候（新安装好或大修后能够确认工作状态良好时），用数据采集器（测振仪）连续对确定的测点进行多次测量（最好能测20次以上，每次测量最好能间隔一段时间，传感器也应取下后再放上）。然后计算其平均值。2022/10/31552．相对判断标准第三节设备故障的评定标准相常用的平均方法首先，求出N次测量的算术平均值Vm=(V1+V2+…+VN)／N然后，报警限VT为算术平均值Vm的3～10倍，即

Vt=K·Vm,K=3～10其中，V1，V2，…，VN表示第1,2,…,N次测量的测量值；K表示报警因子，一般去3~10

第三节设备故障的评定标准2022/10/3156常用的平均方法第三节设备故障的评定标准2022/10/2首先，计算N次测量的算术平均值Vm和均方根值Vs:Vm=(V1+V2+…+VN)／N

Vs=(V1-Vm)2+(V2-Vm)2+...+(Vn-Vm)2／N

另一种平均方法然后，设定测量报警限

Vt=Vm

+kVs,k=2～5k根据设备的使用环境、工况变化范围、对设备振动的要求严格程度、设备的价格等来确定。每次测量的工况（如负载、转速等）应尽可能一致，并在以后的检测中也尽可能在该工况下测量。第三节设备故障的评定标准2022/10/3157首先，计算N次测量的算术平均值Vm和均方根值Vs:另一种平均3．类比判断标准定义：若有数台机型、规格均相同的设备，在相同工况和使用环境下对它们进行测定，经过相互比较作出判断，用这种方法对机器设备的状态进行评定而制订的标准称作类比判断标准。需要指出的是，在实践中，常将相对判断标准与类比判断标准两者结合制定统一的标准，而上述相对判断标准的制定方法也仅供参考，在实践中亦可以具体情况具体分析，后续会介绍。第三节设备故障的评定标准2022/10/31583．类比判断标准定义：若有数台机型、规格均相同的设备，在相同二、旋转机械的绝对判断标准

振动量是衡量旋转机械设备状态的重要参数。评定机器振动状态的物理量可以是：★振动加速度——在航空工业上习惯用振动加速度来评定，因航空结构振动频率较高，且通过加速度测量可以了解构件所受力的情况。★振动速度——对于轴承座，国际上规定用振动烈度（振动速度的有效值）作为评定的物理量，因为振动烈度反映了振动能量的大小，用振动烈度表示可以从能量观点直接反映振动物体的动强度。★振动位移——对于地面的旋转机械如汽轮发电机组、压缩机组等则以振动位移作为评定的物理量，因用位移量可以更直观、更直接地了解转子的运动情况。第三节设备故障的评定标准2022/10/3159二、旋转机械的绝对判断标准振动量是衡量旋转机械设备状态的重一、测量信号

第四节故障诊断中的信号处理信号或动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。这里所说的信号是指测量信号，它是对系统的某物理量，如位移、速度、加速度、应力、应变等进行观测获得的数据。这些物理量的共同特点是随时间、空间而变化，它们代表了系统的状态和特征。2022/10/3160一、测量信号第四节故障诊断中的信号处理信号或动态数据的1．测量信号分类

根据测量信号在时间历程内的变化特征分类如下，这里“时间”是泛指概念，可以表示空间坐标或时、空坐标。

第四节故障诊断中的信号处理

动态信号

确定性信号随机信号周期信号非周期信号平稳信号非平稳信号简谐复杂周准周期瞬态各态历非各态历调制型非一般非平稳信号期信号信号信号经信号经信号平稳信号随机信号2022/10/31611．测量信号分类第四节故障诊断中的信号处理2022/周期信号：包括简谐信号和复杂周期信号。表述简谐信号的基本物理量是频率、振幅和初相位；复杂周期信号可借助傅里叶级数展成一系列离散的简谐分量之和，其中任两个分量的频率比都是有理数。非周期信号：包括准周期信号和瞬态信号。准周期信号也是由一些不同离散频率的简谐信号合成的信号，但它不具有周期性，组成它的简谐分量中总有一个分量与另一个分量的频率比为无理数；瞬态信号的时间函数为各种脉冲函数或衰减函数，如有阻尼自由振动的时间历程就是瞬态信号。瞬态信号可借助傅里叶变换而得到确定的连续频谱函数。若随机信号的概率密度不随时间原点的选取而变化，则称其为平稳随机信号；反之，称为非平稳随机信号。第四节故障诊断中的信号处理2022/10/3162周期信号：包括简谐信号和复杂周期信号。第四节故障诊断中的大多数机械设备的振动信号类型是周期信号、准周期信号和平稳随机信号以及几种不同类型信号的组合。一般在启动或停机过程中的振动信号是平稳的。设备在正常运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机信号之中。若设备故障程度加剧，则振动信号中的周期成分加强，从而整台设备振动增大。因此，从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号中提取周期成分的过程。第四节故障诊断中的信号处理2022/10/3163大多数机械设备的振动信号类型是周期信号、准周期信号和平稳随机2．简谐信号

振动加速度尖峰振动速度尖峰上限平衡位置时间下限物体周期振动位移峰—峰值图3-3弹簧振动

[例]机械振动是物体（或其一部分）沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。图3-3所示的弹簧振动是简单机械振动的例子。

第四节故障诊断中的信号处理2022/10/31642．简谐信号振幅A（Amplitude）偏离平衡位置的最大距离，有时也称峰值或单峰值，2A则称为峰—峰值、双峰值或简称双幅。（位移、速度和加速度三者都可以这样表达。）频率f（frequency）为每秒钟的振动次数，描述振动的快慢，单位为次/秒，即赫兹（Hz）。f=1/T

圆频率（Angularfrequency）亦可用于描述振动的快慢，也称角频率，单位为弧度/秒（rad/s）。=2f=2/T

周期T

为每振动一次所需的时间，单位为秒（s）或毫秒（ms）。初相角（Initialphase）描述振动在起始瞬间的状态，单位为弧度（rad）。

相位φ（phase）表示振动质点的相对位置，是时间的函数，单位为弧度(rad）。

φ=t+

式中：t——时间，s或ms。简谐振动的三要素2022/10/3165振幅A（Amplitude）偏离平衡位置的最大距离，有时振动位移、速度、加速度之间的关系位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值依次为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。xvaxva2022/10/3166振动位移(Displacement):速度(Velocity):加速度(Acceleration):振动位移、速度、加速度之间的关系位移、速度、加速度都是同频常用的振动时域参数位移信号

峰峰值。单位为微米（m）

速度信号

有效值。单位为毫米/秒（mm/s）

加速度信号

峰值。单位为米/秒平方（m/s2）2022/10/3167第四节故障诊断中的信号处理常用的振动时域参数位移信号2022/10/2326第四节二、试验数据处理方法

去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼1．按任务可分为：★

预处理★

二次处理★

最终处理2．按方式可分为：★

在线处理（On-LineProcessing）★

离线处理（Off-LineProcessing）3．按手段可分为：★

模拟式分析

★

数字式分析——在现代故障诊断系统中广泛采用2022/10/3168第四节故障诊断中的信号处理二、试验数据处理方法去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及三、振动信号在频率域中的描述

1．傅里叶变换（FT）

数学算法把一个复杂的函数分解成一系列（有限或无限个）简单的正弦和余弦波，时域变换成频域，也就是将一个组合振动分解为它的各个频率分量，把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱，这就是傅里叶变换。这一理论基础早在19世纪早期/18世纪晚期由法国著名数学家傅里叶研究出来。2022/10/3169第四节故障诊断中的信号处理三、振动信号在频率域中的描述1．傅里叶变换（FT）按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信号（不管如何复杂），都可以分解成若干个谐波分量之和，即式中：A0——直流分量，mm；Akcos(2kf0t+k)——谐波分量，mm；k=1、2…，每个谐波称为k次谐波；Ak——谐波分量振幅，mm；f0——基波频率，即一次谐波频率，Hz；t——时间，s；k——谐波分量初相角，rad。2022/10/3170第四节故障诊断中的信号处理按照傅里叶变换的原理，任何一个平稳信

如图3-7所示，如果测得的振动信号x(t)由4个谐波分量组成，那么，通过信号分析可将其分解成1、2、3、4这4个简谐信号，并把时域信号变换至频域信号。

a

x(t)

a1

a2

1′

O

t

a3

1

2′

f1

t

a4

2

3′

f2

t

3

4′

f3

t

4

f4

t

f图3-7傅里叶变换原理图示x(t)——综合信号；1~4——谐波分量；1’~4’——频率分量；f1~f4——谐波分量的频率；a——综合信号幅值；a1~a4——谐波分量幅值2022/10/3171如图3-7所示，如果测得的振动信号x(t)由2．有限傅里叶变换在工程上只能研究某一有限时间间隔（-T，T）上的平均能量（功率），也就是仅在（-T，T）上进行傅里叶变换，称为有限傅里叶变换。3．离散傅里叶变换（DFT）设有一单位脉冲采样函数Δ0(t)，采样间隔为Δt，则对x(t)的离散采样就意味着拿x(t)乘Δ0(t)，然后再对两者的积函数x(nΔt)进行傅里叶变换，即称为离散傅里叶变换。2022/10/3172第四节故障诊断中的信号处理2．有限傅里叶变换在工程上只能研究某一有限时间间隔（-T4．快速傅里叶变换（FFT）在进行离散傅里叶变换计算时，常省略Δt和Δf，进而得到快速傅里叶变换的计算公式。这里需要指出的是，在工程实践中，正是运用它把信号中所包含的各种频率成分分别分解出来，结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。现在FFT算法的各种典型程序和集成芯片已很成熟，频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成，用时只需选用就可以了。2022/10/3173第四节故障诊断中的信号处理4．快速傅里叶变换（FFT）在进行离散傅里叶变换计算时，各种振动波形的频谱名称波形频谱名称波形频谱2022/10/3174第四节故障诊断中的信号处理各种振动波形的频谱名称小结（一）设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程为信息采集、信号处理、状态识别、诊断决策。设备故障信息的获取方法包括直接观测法、参数测定法、磨损残渣测定法及设备性能指标的测定。设备故障的检测方法包括振动和噪声的故障检测、材料裂纹及缺陷损伤的故障检测、设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测及工艺参数变化引起的故障检测。设备故障的评定标准常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。可用平均法制定相对判断标准。2022/10/3175小结（一）设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障小结（二）从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从信号中提取周期成分的过程。组成周期成分的简谐振动可用位移、速度和加速度三个参量来表征，每个参量有三个基本要素：即频率、振幅和初相位。试验数据处理的目的就是去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼的加工过程，提高信噪比，找出客观事物本身的内在规律和客观事物之间的相互关系。振动信号频率分析的数学基础是傅里叶变换；在工程实践中，运用快速傅里叶变换的原理制成频谱仪，这是故障诊