机械设备故障诊断技术专项培训

机械设备故障诊疗技术北京科技大学机械工程学院阳建宏.10机械设备故障诊断技术专项培训第1页复习2What?1Why?3How

?什么是设备故障诊疗为何要进行设备故障诊疗怎样进行设备故障诊疗保障设备安全给机器看病监测、诊疗、决议故障诊疗基本概念：机械设备故障诊断技术专项培训第2页复习多样性层次性相关性延时性不确定性故障诊疗特点：机械设备故障诊断技术专项培训第3页背景介绍例：电机驱动压缩机运转电机轴旋转频率电机冷却风扇叶片经过频率压缩机风扇叶片经过频率该怎样分析？机械设备故障诊断技术专项培训第4页背景介绍基于振动分析故障诊疗应该具备知识：信号采集（传感器、A/D、采样定理）信号分析基础（FFT、卷积）信号处理方法（幅域、时域、频域）振动温度鉄谱设备磨损曲线时间幅值随设备劣化，不一样技术对设备诊疗有效性机械设备故障诊断技术专项培训第5页工程信号分析与处理信号分类与描述周期信号与傅里叶级数非周期信号与傅里叶变换离散傅里叶变换与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第6页信号分类模拟信号和数字信号模拟信号——时间和幅值均连续抽样信号——时间离散，幅值连续数字信号——时间和幅值均离散工程信号分析与处理

信号分类与描述抽样量化机械设备故障诊断技术专项培训第7页信号分类依据信号和时间变量是否连续分：连续时间信号、离散时间信号从信号改变规律分：确定性信号、随机性信号按信号幅值随时间改变规律分：静态信号(直流信号)、动态信号工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第8页信号分类工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第9页周期信号周期信号定义最小重复时间，称为周期简单周期信号，如正弦信号、其有单一频率，又称为简谐周期信号。工程信号分析与处理

信号分类与描述幅值：振动能量大小频率：故障定位相位机械设备故障诊断技术专项培训第10页简单周期信号工程信号分析与处理

信号分类与描述简单弹性质量系统在旋转机械中，因转子质量不平衡产生振动例1：例2：F（t）te

c多故障耦合及噪声存在，使得实际信号不会是标准正弦波机械设备故障诊断技术专项培训第11页信号分类工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第12页复杂周期信号复杂周期信号是由频率比为有理数不一样频率正弦信号迭加而成周期确实定依据各频率值最大条约数倒数来确定工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第13页复杂周期信号减速箱轴承座振动信号工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第14页信号分类工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第15页非周期信号准周期信号：由一系列频率比为无理数正弦波组成工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第16页信号分类工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第17页非周期信号瞬变信号：比如，锤子敲击力；承载缆绳断裂时应力改变；热电偶插入加热炉中温度改变过程等，这些信号都属于瞬变非周期信号，而且可用数学关系式描述。单自由度振动模型在脉冲力作用下响应工程信号分析与处理

信号分类与描述机械设备故障诊断技术专项培训第18页实测信号1=有用信号+噪声+冲击比如：

旋转机械不平衡故障

实际监测信号成份机械设备故障诊断技术专项培训第19页实测信号2=低频信号调制高频信号比如：

轴承内圈故障信号

实际监测信号成份机械设备故障诊断技术专项培训第20页工程信号分析与处理信号分类与描述周期信号与傅里叶级数非周期信号与傅里叶变换离散傅里叶变换与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第21页傅里叶“Anarbitraryfunction,coutinousorwithdiscontinuities,definedinafiniteintervalbyanarbitrarilycapriciousgraphcanalwaysbeexpressedasasumofsinusoids”J.B.J.FourierFourier,JeanBaptisteJosephFrenchbaron,physicist,mathematician1768-1830Cooley,Tukey:FFTin1965机械设备故障诊断技术专项培训第22页傅里叶级数与傅里叶变换傅里叶最主要两个贡献：“周期函数都能够表示成为谐波关系正弦函数加权和”——傅里叶第一个主要论点，即傅里叶级数“非周期函数都能够用正弦函数加权积分表示”——傅里叶第二个主要论点，即傅里叶变换工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数机械设备故障诊断技术专项培训第23页周期信号傅里叶级数工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数依据傅里叶级数性质，它可展开为各参数分别为：上式可深入表示为机械设备故障诊断技术专项培训第24页周期信号傅里叶级数并非任意周期信号都能进行傅里叶级数展开充分条件：狄利克雷（Dirichlet）条件在一周期内，只存在有限个间断点在一周期内，只存在有限个极大值和极小值在一周期内，信号是绝对可积工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数工程中信号都满足上述条件机械设备故障诊断技术专项培训第25页周期信号频谱特征离散性：每条谱线代表一个频率分量谐波性：谱线出现在基波整数倍频率上收敛性：总体上，谐波次数越高，谐波分量越小工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数20Hz80Hz120Hz叠加后得到20Hz80Hz120Hz机械设备故障诊断技术专项培训第26页离散性：每条谱线代表一个频率分量谐波性：谱线出现在基波整数倍频率上收敛性：总体上，谐波次数越高，谐波分量越小工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数周期信号频谱特征对于复杂周期信号：周期确实定依据各频率值最大条约数倒数来确定机械设备故障诊断技术专项培训第27页周期信号频谱特征离散性：每条谱线代表一个频率分量；谐波性：谱线出现在基波整数倍频率上收敛性：总体上，谐波次数越高，谐波分量越小工程信号分析与处理

周期信号与傅里叶级数由收敛性可知，信号中高次谐波分量很小，所以其对信号波形影响很小，有时能够忽略。在一定误差范围内，只考虑有限频率分量：从0频率到所必须考虑最高次谐波分量之间频段称为信号频带宽度.信号频带宽度是一个主要概念，在设计和选取测试装置时要充分注意。机械设备故障诊断技术专项培训第28页傅里叶级数本质待处理信号“滤波镜片”工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换5Hz待分析信号机械设备故障诊断技术专项培训第29页2Hzx(t).*cos(2ft)=-5.7e-151Hzx(t).*cos(2ft)=-8.8e-15傅里叶级数本质5Hz5Hz工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换原始信号滤波镜片信号机械设备故障诊断技术专项培训第30页4Hzx(t).*cos(2ft)=-2.2e-143Hzx(t).*cos(2ft)=-4.6e-14傅里叶级数本质5Hz5Hz工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换机械设备故障诊断技术专项培训第31页4.8Hzx(t).*cos(2ft)=74.55Hzx(t).*cos(2ft)=100傅里叶级数本质5Hz5Hz工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换当“滤波镜片”频率与原始信号频率完全吻合时，计算结果到达最大机械设备故障诊断技术专项培训第32页5.2Hzx(t).*cos(2ft)=77.56Hzx(t).*cos(2ft)=1.0e-14傅里叶级数本质5Hz5Hz工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换机械设备故障诊断技术专项培训第33页傅里叶级数本质工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换信号频率“滤波镜片频率”匹配值5Hz1Hz-8.8e-155Hz2Hz-5.7e-155Hz3Hz-4.6e-145Hz4Hz-2.2e-145Hz4.8Hz74.55Hz5Hz1005Hz5.2Hz77.55Hz6Hz1.0e-14时域图Hz5Hz频域图机械设备故障诊断技术专项培训第34页工程信号分析与处理信号分类与描述周期信号与傅里叶级数非周期信号与傅里叶变换离散傅里叶变换与数字信号处理加和机械设备故障诊断技术专项培训第35页傅里叶变换工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换傅里叶正变换傅里叶逆变换机械设备故障诊断技术专项培训第36页经典信号傅里叶变换矩形脉冲工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换周期脉冲序列机械设备故障诊断技术专项培训第37页傅里叶变换性质工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换线性叠加若则时移特征频移特征若则说明：在时域中，一个信号与正弦信号相乘，等于在频域中，该基带信号频谱产生了搬移。机械设备故障诊断技术专项培训第38页傅里叶变换性质时域和频域尺度变换则：若:工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换以齿轮局部故障和均布故障为例尺度变换特征表明：信号假如在时域压缩

k

倍，则其带宽对应放大k

倍，反之亦然。从理论上证实了时域与频域相反关系。时域宽，则频域窄时域窄，则频域宽机械设备故障诊断技术专项培训第39页傅里叶变换特点对于非周期连续信号x(t)，频谱X(f)是连续谱对于周期连续信号，傅里叶变换转变为傅里叶级数，其频谱是离散对于非周期离散信号，其傅里叶变换是一个周期性连续频谱对于周期离散时间序列，其频谱也是周期离散工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换时间离散频域离散信号傅里叶变换四种情况机械设备故障诊断技术专项培训第40页小结工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换若x(t)是周期，频域X(f)必定是离散，反之亦然。若x(t)是非周期，则X(f)一定是连续，反之亦然。第四种亦即时域和频域都是离散信号，且都是周期，为利用计算机实施频谱分析提供了一个可能性。对这种信号傅里叶变换，我们只需取其时域上一个周期（N个采样点）和频域一个周期（一样为N个采样点）进行分析，便可了解该信号全部过程。机械设备故障诊断技术专项培训第41页工程信号分析与处理信号分类与描述周期信号与傅里叶级数非周期信号与傅里叶变换离散傅里叶变换与数字信号处理加和离散积分连续机械设备故障诊断技术专项培训第42页数字信号处理卷积离散傅里叶变换(DFT)采样定理泄漏与加窗工程中数字信号处理工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第43页卷积定义工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换定义卷积积分是一个数学方法，在信号与系统理论研究中占有主要地位。尤其是关于信号时间域与变换域分析，它是沟通时域－频域一个桥梁。工程中主要应用：频谱搬移，解释边频带存在机械设备故障诊断技术专项培训第44页卷积运算反转平移相乘积分h(t)t00h(-)0h(t1-)反转平移0h(t1-)x(t)相乘x(t)0t积分x(t)0t机械设备故障诊断技术专项培训第45页（1）t=0时，y(0)=2A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(0-)T0-T0T0-T0tt000工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓A2机械设备故障诊断技术专项培训第46页（2）t=T0/2时，y(T0/2)=3A2T0/2y(t)2T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓2A2T03A2T0/2机械设备故障诊断技术专项培训第47页（3）t=T0时，y(T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第48页（4）t=3T0/2时，y(3T0/2)=A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第49页（5）t=2T0时，y(2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第50页（6）t=-T0/2时，y(-T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第51页（7）t=-T0时，y(-T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第52页（8）t=-3T0/2时，y(-3T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-3T0/2-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第53页（9）t=-2T0时，y(-2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-2T0-)T0-T0A2T0-T0工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换卷积运算示例＊〓机械设备故障诊断技术专项培训第54页卷积应用工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换含有脉冲函数卷积设

h(t)=[(t-T)+(t+T)]卷积为Th(t)0tx(t)0tTh(t)*x(t)0t计算函数x(t)和脉冲函数卷积，就是简单地将x(t)在发生脉冲函数坐标位置上(以此作为坐标原点)重新构图。机械设备故障诊断技术专项培训第55页卷积性质工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换时域卷积定理假如则有时域卷积定理：时间函数卷积频谱等于各个时间函数频谱乘积，既在时间域中两信号卷积，等效于在频域中频谱相乘。机械设备故障诊断技术专项培训第56页卷积性质工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换时域卷积定理图例x(t)T0-T0h(0-)T0-T0

2A2T02T0-2T0t时域卷积FTFT频域相乘Y(f)fFT机械设备故障诊断技术专项培训第57页傅里叶变换卷积性质工程信号分析与处理

非周期信号与傅里叶变换频域卷积定理假如则有频域卷积定理：两时间函数频谱卷积等效于时域中两时间函数乘积。机械设备故障诊断技术专项培训第58页数字信号处理卷积

时域相乘，频域卷积；时域卷积，频域相乘；离散傅里叶变换(DFT)采样定理泄漏与加窗工程中数字信号处理工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第59页离散傅里叶变换定义对有限长度离散时域或频域信号进行傅里叶变换或逆变换，得到一样为有限长度离散频域或时域信号方法，便称为离散傅里叶变换（DFT）或其逆变换（IDFT）。公式工程信号分析与处理

数据采集与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第60页离散傅里叶变换意义能够对任意连续时域信号进行采样和截断，并对其作离散傅里叶变换运算，得到离散频谱，该频谱包络即是对原连续信号真正频谱预计。离散傅里叶过程时域采样时域截断频域采样工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第61页离散傅里叶变换工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理离散傅里叶变换过程图解时域采样时域频域时域离散化频域周期延拓机械设备故障诊断技术专项培训第62页离散傅里叶变换工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理离散傅里叶变换过程图解时域截断时域频域时域截断频域截断机械设备故障诊断技术专项培训第63页离散傅里叶变换工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理离散傅里叶变换过程图解频域采样时域频域时域周期延拓频域离散化机械设备故障诊断技术专项培训第64页数字信号处理卷积

时域相乘，频域卷积；时域卷积，频域相乘；离散傅里叶变换(DFT)

时域采样，时域截断，频域采样采样定理泄漏与加窗工程中数字信号处理工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第65页泄漏与加窗工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理加窗造成泄漏现象图时域图频域图×＝＊＝机械设备故障诊断技术专项培训第66页泄漏与加窗工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理惯用窗函数时域图机械设备故障诊断技术专项培训第67页泄漏与加窗时域截断产生能量泄漏与窗函数频谱旁瓣相关，需要选择适当窗函数对窗函数基本要求在时域中：改进截断处不连续状态在频域中：窗谱主瓣窄而高，以提升分辨力旁瓣幅值小，降低泄漏和假频工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理惯用窗函数频域图机械设备故障诊断技术专项培训第68页数字信号处理卷积

时域相乘，频域卷积；时域卷积，频域相乘；离散傅里叶变换(DFT)

时域采样，时域截断，频域采样泄漏与加窗

时域加窗截断引发能量泄漏，选择适当窗函数采样定理工程中数字信号处理工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第69页采样定理在没有任何条件限制情况下，从连续时间信号采样所得到样本序列不能唯一地确定原来连续时间信号。对同一个连续时间信号，当采样间隔不一样时也会得到不一样样本序列。工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第70页采样定理在时域对连续时间信号进行冲击串采样，能够实现时域信号离散化。000工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第71页采样定理工程信号分析与处理

DFT与数字信号处理在时域对连续时间信号进行冲击串采样，就相当于在频域将信号频谱以采样间隔进行周期延拓。采样频率；信号频率；机械设备故障诊断技术专项培训第72页频率混叠工程信号分析与处理

数据采集与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第73页频率混叠工程信号分析与处理

数据采集与数字信号处理机械设备故障诊断技术专项培训第74页采样定理要使采样后信号能完全代表原来信号，要求在周期性延拓时不能发生频谱混叠。为此必须要求:X(t)必须是带限，最高频率分量为fM。必须确保采样频率fs≥2fM

。在工程实际应用中，理想滤波器是不可实现。而非理想滤波器一定有过渡带，所以实际采样时,必须fs＞2fM，普通取fs=(2.56~