机械故障振动诊断

机械故障振动诊断第一页，共100页。学习目标：1.了解振动基础知识、振动测试传感器、记录及分析仪器2.掌握振动诊断的基础工作；3．了解信号分析与处理中的常用数学变换、时间序列分析及信号处理的一些特殊方法;4.掌握时域诊断方法和功率谱诊断方法。5.掌握转轴组件、齿轮、滚动轴承的故障振动的基本特征和诊断方法。学习难点：（1）功率谱诊断方法、数学变换的工程作用。（2）齿轮、滚动轴承的故障振动特征。第二页，共100页。内容概述：本章介绍机械振动基本知识、测试仪器、信号分析与处理中的常用数学变换、时域诊断方法、功率谱诊断方法、时间序列分析及信号处理的一些特殊方法。另外着重介绍了转轴组件、齿轮、滚动轴承等典型机械零部件故障振动的基本特征和它们的故障诊断方法。第三页，共100页。第四页，共100页。4.1.1振动的分类及其特点（1）按激振方式分

自由振动:外界有初始激励,自身弹性力或惯性力的作用,阻尼

受拍振动:

外界施加交变力

自激振动:外界有输入,自身产生交变力（2）按振动规律分

确定性振动:

周期(简谐振动\复杂周期)、非周期

第五页，共100页。

随机振动:不确定性

平稳随机振动非平稳随机振动

许多机械故障产生的振动具有周期性,但经常淹没在随机信号的噪音中!（3）按振动频率分低频（小于10Hz）、中频（1000Hz）、高频（大于1000Hz）第六页，共100页。4.1.2振动参量（1）振幅:用位移\速度\加速度表示（2）频率:每秒振动的次数周期的倒数角频率:

（3）相位:第七页，共100页。4.2.1常用的振动传感器原理（1）压电加速度传感器

1）工作原理

发电原理,机械能转换成电能!

电荷微弱,需要放大

第八页，共100页。2）测量电路:电荷放大器和电压放大器

3）传感器的结构

4）性能指标

5)安装方法:

尽量保证:

传感器壳体与被测对象的振动一致性!6）测量误差来源及使用注意事项第九页，共100页。第十页，共100页。（2）磁电式速度传感器工作原理:线圈运动切割磁力线产生感生电流结构与性能指标第十一页，共100页。（3）电涡流振动位移传感器工作原理:高频电流通过线圈-高频电磁场-金属板产生电涡流-对抗磁场-线圈阻抗变化等效电路\测量电路\电涡流传感器的结构性能特点及使用注意事项。第十二页，共100页。第十三页，共100页。（4）振动传感器的选用原则

主要性能指标测量范围:测量的幅度范围频响范围:测量的频率范围灵敏度精度稳定性第十四页，共100页。4.2.2信号记录与处理设备（1）磁带机（2）数据采集器数据采集的基本原理：完成一个采样过程，将数据存储起来。

采样定理：为防止混叠，采样频率必须不小于2倍信号中的最大频率成分。fs>2fmax。数据采集器的主要性能指标：数据采集器的两种主要类型：同步采集、巡回采集。（3）信号分析与处理设备

计算机、其他信号分析及记录仪、Hp3562第十五页，共100页。实际测量的某机械设备振动信号第十六页，共100页。4.3.1信号分析与处理中的常用数学变换（1）付里叶（Fourier）变换付里叶级数付里叶变换付里叶逆变换离散付里叶变化（DFT）工程计算方法快速付里叶变换（FFT）快速工程计算方法第十七页，共100页。数学原理到工程应用：函数、信号、时间历程、揭示信号的频率分布；（2）拉普拉斯（Laplace）变换（3）Z变换：离散系统的拉斯变换（4）西尔伯特（Hilbert）变换：同一域中函数互相映射；（5）小波变换：寻找突变信号；突变信号信息量大。第十八页，共100页。4.3.2振动信号的时域分析基于特征参量数值变化或图形变化的监测诊断原理。（1）统计特征分析

1）均值：静态分量。

2）均方值和均方根值：信号的平均能量，是机械状态监测的重要指标（ISO2372）。

3）方差和均方差（标准差）：相对于均值的波动。方差的变化（变大）可以反映机械设备的状态变化。第十九页，共100页。4）概率密度函数：概率密度函数图形的变化反映机械设备的状态变化。例：相同型号机器的振动速度的概率密度函数图形。图形较为分散的是状态不好的机器，图形集中在原点的是状态良好的机器。为什么？

5）幅值参数：第二十页，共100页。有量纲型：

方根幅值平均幅值（均值）均方幅值（均方根值）峰值峭度第二十一页，共100页。无量纲型：波形指标K：均方幅值/平均幅值峰值指标C：峰值/均方幅值脉冲指标I：峰值/平均幅值裕度指标L：峰值/方根幅值峭度系数S：峭度/均方幅值高阶数的参量更能反应信号中的冲击成分。第二十二页，共100页。例：汽车后桥齿轮在不同运行状态下振动加速度信号的无量纲指标：脉冲指标I、峰值指标C、波形指标K。从图形上看，脉冲指标I、峰值指标C变化明显，可以作为齿轮状态的诊断指标，I比C变化幅度更大。而波形指标K的变化很小。第二十三页，共100页。（2）相关分析1）自相关函数自相关函数的一个重要性质：周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不具有原信号的相位信息。不衰减的自相关函数与衰减的自相关函数。第二十四页，共100页。例：相同齿轮箱的两种自相关函数图形。自相关函数快速衰减的齿轮箱状态比不衰减的或衰减缓慢的要好。为什么？很多故障的振动有周期性。2）互相关函数分析信号传递途径，寻找信号源。比如：振动源或噪音源。第二十五页，共100页。

1.

编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，对信号进行时域统计分析和功率谱分析,用图形输出。时域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函数。（建议用Matlab编写！）函数(1)X(t)=10sin(2π×320t)

(2)X(t)=50×RND

(3)X(t)=10sin(2π×320t)+50×RND

采样点数:1024功率谱谱线数:512条(点)第二十六页，共100页。N:1024;Fs=1000,(>2*320)dt=0:N-1X=10*sin(2*pi*320*dt/fs)S(f)=Pxx=sqrt(abs(fft(X,N).^2)/N);fori=1:512;Pxx1(i)=Pxx(i);endplot(N,X)xlabel('Time(s)');ylabel('Signal(X(t))');title('TimeSeriesN=1024');

第二十七页，共100页。4.3.3功率谱诊断自功率谱是自相关函数的付里叶变换，是振动信号频域分析的主要方法，反映信号的能量随频率的分布。第二十八页，共100页。利用自功率谱诊断机械故障的主要依据是：

a）有关特征频率的识别；b）功率谱图的变化。

（1）有关特征频率的识别诊断机械故障的部位在很大程度上依赖于各类缺陷的激振频率识别。识别?哪个零件或部件是激振源?第二十九页，共100页。识别?激振频率主要有两类：1）缺陷引起的:2）结构引起的:

在很多情况下，这两类的激振频率是一样的。例如：齿轮正常振动和齿面磨损激发的振动频率都是齿轮啮合频率。第三十页，共100页。如何识别：

(a)计算相关的振动频率，如轴的转动频率(n/60)、滚动轴承的通过频率、齿轮的啮合频率、结构固有频率等。

(b)分析对象的振动机理。比如：有无调制（调频与调幅）现象出现。

(c)实验测量；

(d）比较测试得到的谱图。分析推理!

第三十一页，共100页。第三十二页，共100页。第三十三页，共100页。

（2）功率谱图的变化监测当机械设备出现故障时，其振动信号的功率谱的形状或谱值会发生变化。

局部变化：某一特征频率或频带下的谱能量增加。

整体变化：整个谱图的变化。机械设备状态等级的划分：A级、B级、C级、D级等。描述功率谱变化有一些定量指标，当这些指标达到某级别的门限值时，相应把机器归到某一状态。第三十四页，共100页。1）标准谱所谓标准谱可以理解为机器某种状态的标准功率谱。正常状态下得到的标准谱可作为正常标准谱，异常状态得到的标准谱作为异常标准谱。建立标准谱需要大量的数据。第三十五页，共100页。2）描述功率谱特征的几个指标频率重心

均方频率

频域方差第三十六页，共100页。莱斯频率谐波指标

——积分过程的莱斯频率，

频率重心、均方频率、莱斯频率都是描述功率谱主频带位置变化的指标；频域方差、谐波指标描述功率谱的分布状态和谱宽。第三十七页，共100页。例：某台电动机进行2000小时疲劳实验。得到电动机轴承盖振动速度的莱斯频率和谐波指标，该两个指标在1000小时处开始缓慢增加，1500小时后加速增长。后期的增长，反映了滚动轴承的疲劳损伤。（冲击振动增强）（图）作业：如何利用振动信号的功率谱诊断皮带运输机械动力传递系统的机械故障？（电机至驱动滚筒）第三十八页，共100页。4.3.4时间序列分析（1）时间序列与时间序列分析

时间序列：是指按时间先后顺序排列的一组数据。时间序列分析：依据时间序列，建立数学模型，揭示产生时间序列的系统特性。（2）时间序列分析的数学模型

ARMA模型、AR模型。应用：气象、经济、股票市场。分析未来趋势。预测分析的重要性和难度。第三十九页，共100页。4.3.5信号处理的一些特殊方法（1）时域平均法从混有噪声干扰的信号中提取周期性信号的过程。以一定的时间间隔去截取所测得的信号，然后将所截取的信号段叠加再平均，这样可消除信号中的非周期分量和随机干扰，保留预定的周期成分。

时间间隔为要提取的信号周期。第四十页，共100页。（2）倒频谱分析方法倒频谱，就是对功率谱的对数值进行付里叶逆变换的结果。

——倒频率，时间量纲。作用：（1）识别复杂功率谱图上的周期结构；（2）解卷积。能将信号中的输入信号和传递途径的效应分离开来，使分析结果受传递途径的影响较小，去回声。第四十一页，共100页。一滚动轴承上得到的功率谱图太复杂，难以识别特征谱线，故经过倒频谱处理，倒频谱图上有两个明显的谱线，即

τ1=9.47ms，τ2=37.90ms，它们对应功率谱图上的周期间隔为：△f1=1/τ1=1000/9.47=105.60Hz△f2=1/τ2=1000/37.90=26.38Hz

第四十二页，共100页。

而此滚动轴承的内圈故障特征频率（通过频率）为26.35Hz，钢球故障特征频率为106.35。这说明倒频谱谱线反映了轴承内圈和钢球的故障。第四十三页，共100页。（3）自适应除噪技术(ANC)（4）共振解调技术(IFD)

滚动轴承诊断第四十四页，共100页。4.4.1振动诊断的基础工作（1）确定诊断对象重要的设备、关键的设备、大型设备（2）选定测量参数低频测位移（0-100Hz）、中频测速度（10-1000Hz）、高频测加速度（1000Hz）位移：速度：加速度：

第四十五页，共100页。（3）选择监测点测量点数量及方向的确定应考虑的总原则是：能对设备振动状态作出全面的描述；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。在测轴承的振动时，测量点应尽量靠近轴承的承载区；与被监测的转动部件最好只有一个界面，尽可能避免多层相隔。第四十六页，共100页。对于低频振动，应该在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时，还应在轴向进行测量；而对于高频振动，则一般只需在一个方向进行测量。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向则不敏感的缘故。港口机械常见的部件：电机、减速器、卷筒、联轴节,测点一般在轴承座上，多半取径向；测点一经确定，不要轻易改变。

第四十七页，共100页。（4）确定测量周期定期检测：确定一个检测周期。随机点检：不定期。长期在线监测；实时、在线。（5）确定判断标准绝对判断标准：将被测量值与事先设定的“标准状态槛值”相比较，以判断设备运行状态的一类标准。ISO2372、ISO3495等。第四十八页，共100页。第四十九页，共100页。

相对判断标准：相对判断标准又称纵向比较标准，它连续地监测某台机械设备的运行，取得其完整的运行历程记录，并将设备初始投入运行或维修后经过适度的磨合而进入平稳状态时的被测量值作为原始基值，根据被测参量依运行时间的相对变化规律，对该台机械设备所处工况状态进行判断。实测值/原始值第五十页，共100页。

类比判断标准：类比判断标准是把数台型号相同的整台机械设备或零部件在外载荷、转速以及环境因素等都相同的条件下的被测量值进行比较，依此区分这些同类设备或零件所处的工况状态。

第五十一页，共100页。4.4.2

转轴组件的故障诊断

转轴组件是机械系统中最常用的一类基础件。（元件、构件、组件）（1）不平衡就是由于旋转体轴心周围的质量分布不均、使轴在旋转过程中产生离心力而引起振动的现象。激振频率为转频n/60。静不平衡、动不平衡、轴弯曲。第五十二页，共100页。

特征：径向振动为主；频率为转频；振动幅值随转速而变；第五十三页，共100页。（2）不同轴（不对中）是指用联轴节连接起来的两根轴的中心线不重合的现象，又称不对中。不同轴不严重时，其频率成分为旋转基频；不同轴严重时，则产生旋转基频的高次谐波成分。对于不平衡故障，振幅随转速的升高增大得很快；第五十四页，共100页。

特征：径向振动与轴向振动共存；频率为转频，不同轴严重时，则产生旋转基频的高次谐波，其转频的2阶倍频幅值相对较大。第五十五页，共100页。（3）机械松动机械松动现象是因紧固不牢引发的。其通常的特征是在旋转频率的一系列谐频上出现较大的振幅。特征：无特别方向；频率为转频，且有高次谐波，有时有分数谐波；振动幅值随转速变化；第五十六页，共100页。

机械松动特征：无特别方向；频率为转频，且有高次谐波，有时有分数谐波；振动幅值随转速变化；第五十七页，共100页。（4）自激振动工程中的自激振动一般是由于系统内部自然形成的“内在反馈”所引起的，又称“颤振”。机理复杂。一旦激发，振幅会越来越大，为害大。特征：无特别方向；频率为固有频率；有临界转速；较高转速的滑动轴承（5）电磁力引起的振动电磁激励，50Hz第五十八页，共100页。4.4.3齿轮的故障诊断（1）齿轮的振动机理

1）齿轮的啮合振动啮合冲击：单齿啮合与双齿啮合交替进行，啮合刚度交替变化。产生啮入冲击和啮出冲击。节线冲击：啮合接触点的摩擦力在节点处变方向。啮合频率：

式中：主、从动齿轮的齿数；主、从动齿轮的转速，r/min。

第五十九页，共100页。

齿轮啮合振动是一个周期振动。振幅、初相位、啮合振动最高分量。

第六十页，共100页。2）齿轮的制造和装配误差引起振动齿距累积误差、齿形误差、基节偏差、3）齿轮在使用过程中出现损伤引起振动磨损、表面疲劳、塑性变形、齿牙断裂、气蚀、电蚀4）冲击载荷引起的自由衰减振动第六十一页，共100页。（2）齿轮故障振动诊断方法

1）时域特征齿面损伤、齿轮偏心、齿轮回转质量不平衡、齿轮局部性缺陷、齿距误差、高速旋转齿轮的振动

2）频域特征调制现象：调幅与调频第六十二页，共100页。A.齿轮振动的调幅现象是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响所造成的。

式中：，幅值调制函数；调制频率、调幅指数、初相位、调制函数的最高分量。

第六十三页，共100页。齿轮振动调幅现象的时域波形。第六十四页，共100页。

调幅边频带具有丰富的齿轮状态信息.边频带往往是等间隔,一般等于齿轮轴转频!第六十五页，共100页。B.齿轮振动的调频现象是由于转速波动或者齿距不均引起的。式中：，频率调制函数；调制频率、调频指数、初相位、调制函数的最高分量。调频形成的边频带并未使啮合振动信号的能量增加，而是从啮合分量上取出部分能量放在边带上。

第六十六页，共100页。齿轮振动调频现象的时域波形-----疏密波第六十七页，共100页。

调频形成的边频带并未使啮合振动信号的能量增加，而是从啮合分量上取出部分能量放在边带上。第六十八页，共100页。C．鬼线：功率谱上的一个频率分量，产生的原因是加工过程给齿轮所带来的周期性误差。鬼线频率与齿轮加工机械的工作频率有关。鬼线分量会随着使用逐渐减小。例：下面是某二级齿轮减速器的振动谱图。输入轴转速n1=1500r/min，齿数为Z1=23，Z2=52，Z3=31，Z4=86，计算该齿轮减速器的振动特征频率，试判别该谱图上的主要频率分量。第六十九页，共100页。第七十页，共100页。解：三个轴的转动频率：

f1=n1/60=1500/60=25Hzf2=n1/60×Z1/Z2=1500/60×23/52=11Hzf3=f2*Z3/Z4=11×31/86=4Hz

两对齿轮的啮合振动频率

fz1z2=f1*Z1=25*23=575Hzfz3z4=f2*Z3=11×31=341Hz第七十一页，共100页。振动谱图上的主要频率分量：频率分量575Hz为齿轮Z1和齿轮Z2的啮合振动；频率分量341Hz为齿轮Z3和齿轮Z4的啮合振动；频率分量50Hz为电磁激励引起的振动。在575Hz处有11Hz的边带簇，说明齿轮Z2缺陷较大。（思考题：50Hz的分量可能是什么原因引起的？）第七十二页，共100页。

1.

编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，对信号进行时域统计分析和功率谱分析,用图形输出。时域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函数。（建议用Matlab编写！）函数(1)X(t)=10sin(2π×320t)

(2)X(t)=50×RND

(3)X(t)=10sin(2π×320t)+50×RND

采样点数:1024功率谱谱线数:512条(点)第七十三页，共100页。

齿轮调幅信号参数:

要求:图形显示时域信号和功率谱N=1024第七十四页，共100页。

齿轮调频信号:

要求:图形显示时域信号和功率谱N=1024第七十五页，共100页。4.4.4轴承的故障诊断滚动轴承与滑动轴承。（1）滚动轴承常见的异常现象滚动轴承会发生磨损、压痕、点蚀、裂纹、表面脱落、破损、胶合、烧损、电蚀、锈蚀、以及变色等多种异常现象（2）滚动轴承的振动机理及故障特征频率

1）振动机理振动的内部因素：结构、加工装配误差及故障。振动的外部因素：转速、负荷。第七十六页，共100页。振动机理图第七十七页，共100页。在轴承座上测取的振动信号是各种因素引起的综合振动轴承本身结构及加工装配误差引起的振动特征：含有较多的频率成分、随机性较强。轴承故障引起的振动特征：磨损类故障引起的振动随机性较强、但强度高。可用振动有效值评估。表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹坑）产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系统的高频固有振动或传感器谐振。第七十八页，共100页。表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹坑）产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系统的高频固有振动或传感器谐振。第七十九页，共100页。故障产生的冲击振动从频率上讲可分为两类：低频振动和高频固有振动。低频振动是由轴承中各元件缺陷反复碰击其他工作表面而产生的，低频振动与轴承转动频率有关，一般有周期性；高频固有振动是由缺陷冲击激发的轴承元件固有衰减振动，包括轴承内圈、外圈、滚动体、甚至引起传感器的谐振。第八十页，共100页。滚动轴承振动频谱(低频区、元件固有振动区、声发射区)第八十一页，共100页。2）故障特征频率

(A)滚动轴承内圈、外圈、滚动体内圈

外圈

滚动体：

第八十二页，共100页。

式中:-----滚动体直径;-----轴承节圆直径;-----轴承外圈转频;-----轴承内圈转频;------滚动体个数;-----接触角;

第八十三页，共100页。

如下图为一向心球轴承，已知滚珠直径为d，节圆直径为D，外环固定不动，内环转速为每分钟n转，滚珠个数为z，滚珠与滚道之间为纯滚动。试推导滚动轴承元件外滚道上某一点A的接触频率计算公式。为什么这个频率又称滚动轴承外环的故障频率？

第八十四页，共100页。

第八十五页，共100页。问题求解:

确定内环转频、内环角速度确定单个滚动体与内环接触点B的速度确定滚动体中心C的速度确定滚动体中心C转频依据外环固定再确定单个滚动体与点A的接触频率根据滚动体个数z，确定所有滚动体与外环点A的接