（电机与电器专业论文）基于dsp的电机噪声信号的研究及在线检测系统.pdf

a bs t r a c t t h ee l e c t r i cm o t o ri st h em a i ns o u r c eo fp o w e ri nm o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， a n d “i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i ce q u i p m e n ti no u rd a i l yl i f e 、w o r k 、 m a n u f a c t u r i n g b u tt h en o i s eo ft h ee l e c t r i cm o t o rh a ss e r i o u si m p a c to np e o p l e s d a i l yl i f e s ot h er e q u i r e m e n tt om e a s u r e ，a n a l y z ea n d r e d u c et h en o i s ea n dv i b r a t i o n o fe l e c t r i c a lm o t o ri n v o l v e sg r e a tc o n c e ma r o u n dt h ew o r l d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i san e ws u b j e c ta n di ti sa p p l yt om a n ys u b j e c t sd o m a i n s i n c et h ee n do f19 7 0 sa n d e a r l y8 0 st h eb i r t ho ft h ed s pc h i p ，t h ed s p c h i ph a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t i nt h e p a s t 2 0 y e a r s ，d s pc h i p s h a v e b e e nw i d e l yu s e d i n s i g n a lp r o c e s s i n g ， c o n l m u n i c a t i o n s r a d a ra n dm a n yo t h e rf i e l d s t h e r e f o r e ，i ti sa l la v a i l a b l es o l u t i o nt o i n e a s u r ea n da n a l y s i sn o i s ea n dv i b r a t i o ns i g n a l so fe l e c t r i c a lm o t o ru s i n gd s p t e c h n o l o g y i nt l l i sd i s s e r t a t i o n at h es t u d yo nn o i s es i g n a la n d0 n - l i n ed e t e c t i n gs y s t e mo f e l e c t r i cm o t o r i sd e v e l o p e du s i n gd s pt e c h n o l o g y t h em a i nw o r k sc a nb ed i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti st oa n a l y s et h er e a s o n so ft h en o i s e a n dv i b r a t i o no f e l e c t r i c a lm o t o rd e t a i l e d l y t h es t u d yo fs i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d s ，s u c ha s t i m e d o m a i na n a l y s i s ，t i m e f r e q u e n c yt r a n s f o r m ，f r e q u e n c y - d o m a i na n a l y s i s ，a n di t s a p p l i c a t i o ni nv i b r a t i o ns i g n a lp r o e e s s i n ga r ec o n d u c t e d ，f r e q u e n c y - d o m a i na n a l y s i s a n di t sa p p l i c a t i o ni nv i b r a t i o ns i g n a lo fe l e c t r i c a lm o t o ra r ed i s c u s s e di nt h es e c o n d p a r t i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c y , s o m e o ft h ea n a l y s i so ff r e q u e n c ya r es i m u l a t e d ， a n d a p p l i e dt h e s ea l g o r i t h m st ot h ee x a m p l eo f t h ea n a l y s i s ，t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yi n i d e n t i f yt h ee l e c t r i c a ln o i s es o u r c e t h et h i r dp a r t o ft h i sp a p e ri st h ed e s i g no f m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mo fn o i s ea n dv i b r a t i o no fe l e c t r i c a lm o t o r , u s ed s p t m s 3 2 0 v c 5 416o ft ic o m p a n yi nu s a a st h ec p u ，m a t c hs o m eh a r d w a r e e q u i p m e n t st os e tu pas y s t e mo f v i b r a t i o ns i g n a l sc o l l e c t i o na n dp r o c e s s ，s u c ha s a dt r a n s f o r m e r 、a c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e re t c k e y w o r d s ：e l e c t r i cm o t o r sv i b r a t i o n ；e l e c t r i c m o t o r sn o i s e ；m o t o rn o i s es o u r c e ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手了少銮吗7 字日期：如舔年i2 - , q 加e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌丕堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 签字日期：2 月加日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着现代工业的发展和人们物质文化生活水平的不断提高，机器设备、交 通运输工具和家用电器的数量日益增多，工业噪声已经成为污染环境的公害之 一。噪声污染一直是人们最关注的环境污染之一，它的危害最直接最明显的表 现在对人的影响，不仅是对人的正常生活和工作造成很大的干扰，还使人的听 力和健康受到损害。而且现在普遍认为如果作用于人耳的声强超过8 5 d b1 4 1 ，就 必须采取必要的噪声控制和防护措施。 电机是目前工业生产中的主要动力来源，它是人们日常生活、工作、生产 中的主要设备。任何产业部门都离不开电机，作为目前世界上使用最广泛的供 电设备和动力机械，他几乎占领了所有领域。但同时电机也是一种噪声源，电 机噪声的大小反映了产品设计，制造工艺水平，是电机产品的主要质量指标之 一。随着越来越多的电机电器进入豪华大厅和千家万户，人们对电机噪声尤其 是家电产品及其中的电机噪声的要求越来越高。电机出厂前的噪声检测也越来 越受到人们的关注，已列为国家强制性标准检测项目，即噪声达不到国家标准 规定的要求，则判为不合格产品。所以检测电机的噪声并且降低噪声污染是国 内电机制造企业研究与发展的一个重要方面。本论文就是针对此问题提出的， 研究一种基于d s p 的在线实时噪声检测及分析系统，提升电机噪声检测水平， 保证产品质量在线测量。分析电机的噪声特性，提取检测特征值，运用现代信 号处理技术对检测的信号进行分析以找出电机噪声的原因，以便为电机噪声控 制提供有力依据。 1 2 本领域的国内外研究现状 1 2 1 电机的噪声检测技术的发展 电机噪声的检测经过几十年的发展，大概经历了以下几个发展阶段吲咖们： 1 调查性噪声测试：所需仪器只要一个a 计权声级计，测量时测出总的声 功率级d b ( a ) 就够了。 第1 章绪论 2 噪声的简易诊断：测定a 计权总声功率之外，还需要进行噪声的频谱分 析，分析噪声中的主要频率成份，分析电机内主要噪声源。 3 电机噪声的精密诊断：对电机的噪声信号进行详细的记录和分析，通过 噪声分析来发现电机某些故障产生的原因。 4 振声诊断技术( v i b r o a c o u s t i c a l d i a g n o s i s ) ：对诊断的电机采集振动信号和 噪声信号，分别进行信号处理，然后综合诊断。大大提高了诊断的准确率。振 声监测和诊断广泛的受到重视和应用。 5 振动法测噪声：这种方法通过电机表面的振动量，来确定其噪声辐射值， 在十分恶劣的声学环境下测量，几乎不受环境反射和背景噪声的影响，故引起 人们的广泛重视，但在线测试时，需要克服测试线线体振动的影响，还必须简 化测点，否则难以满足大批量生产的要求。 电机的噪声测定时所处的声学环境，对测量结果影响很大，同一台电机在 不同的声学环境，可以得出不同的结果，因此在电机噪声测定时都规定了声学 环境。电机噪声测量方法在国家标准g b l 0 0 6 9 8 8 旋转电机噪声测定方法及限 值和国际标准化组织i s 0 1 6 8 0 ( 1 9 8 6 ) 声学一旋转电机辐射空气噪声的测定方 法中均有严格的规定。也就是说，以上三种噪声检测方法，必须在指定的三 种声学环境下自由场、半自由场、混响场。而如果是在现场进行噪声检测，还 必须测试背景噪声，进行修正。对于背景噪声不断变化或背景噪声非常大时， 单单检测噪声的声压级、声强级是不合理的。而且，对电机发出的尖锐声、摩 擦声、扰动声等令人不愉快的噪声，电机的声压级、声强级不能正确反映。 采用振动法在生产现场测试产品的噪声是在其他方法都无法简便、迅速、 经济和准确的解决产品现场噪声检测的情况下而提出的。用振动法测定机器噪 声的应用研究国外始于七十年代。1 9 8 1 年丹麦就向i s o t c 4 3 提出了振动法的标 准草案，8 0 年代末又向i s o t c 4 3 提出了技术报告。西德、美国等国家开展此项 技术研究已有多年了，德国b b c 公司花费大量资金研究振动法，并成功地将此 项技术用于接触器的现场噪声检测上。美国经过多年的研究，已在海军m i l 标 准中规定用振动法测定微电机的噪声。国际i s o 标准化组织已公布了测振法标 准技术文件。 7 0 年代末，我国开始了振动法的探讨。经过十几年的努力，在9 0 年代颁布 了g b t 1 6 5 3 9 1 9 9 6 声学一用振速法测定噪声源声功率级一用于封闭机器的测 量。根据g b t 1 6 5 3 9 1 9 9 6 的要求，上海航空测控技术研究所与上海电器科 2 第1 章绪论 学研究所做了大量的验证工作的基础上，在九十年代中期研制出了我国首台振 动噪声检测仪。据统计，我国目前直接从事噪声与振动控制的设计、研究的单 位就有5 0 0 多家，噪声与振动控制的队伍基本形成。全国性的噪声与振动控制 学术交流活动十分活跃，国内噪声控制与振动技术学术交流会议己经开过七次， 交流论文1 5 0 余篇，大大促进了振动法测量噪声理论的发展。 1 2 2 在线检测方法的研究进展 工业上的在线检澳t j ( o n l i n ed e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t ) ，狭义上讲，是指在工 业生产线上，加入某一个环节，以便对生产中某些参数或工况进行的检测。广 义的说，在线检测应当包括检测和控制，也就是说，在生产线上，应用各种传 感器，对被生产的产品的某些参数进行实时监测，将分析处理测量结果所获得 的信息，与预先设定的参数进行比较，然后根据误差信号做出工艺决策( 如报警、 停车、反馈调节等) ，以保证产品的质量或生产线处于最佳运行状态。 在线检测技术的起源与发展与大工业的发展密切相关 1 6 - 2 2 1 。它产生于2 0 世纪3 0 年代，到5 0 年代，由于工业电子学的发展，在线检测技术也由机械式 检测装置发展到电气化装置，从简单的红绿灯指示报警、在线检测装置的放大 杠杆或位移弹性元件上加上微小电接触点发信号，进而通过继电器反馈控制加 工机床，按照既定工序进行加工。6 0 年代，世界经济继续迅速发展，微电子技 术，计算机技术，传感器技术都有了令人瞩目的发展，从而给在线检测技术提 供了发展的物质基础。进入7 0 年代，在线检测技术己明确作为一种新技术和学 科，受到世界各国工业界科技界的重视。8 0 年代至今，国际上一些工业发达国 家在钢铁工业、交通运输、化工、机械加工、造纸、发电等工业上的在线检测 技术都有较大发展，目前国外己有一些专业公司生产成套的在线检测仪器和系 统，供用户选择适用。然而我国在线检测技术的研究和应用起步较晚。 工业在线检测技术的社会经济效益巨大，可以保证产品质量，节约和降低 成本，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度。在线检测技术具有明显的社会经 济效益，因而在国内外越来越受到重视。 1 2 3 电机噪声源识别的研究现状 自七十年代以来，噪声控制工程己由采用传统的隔声，吸声和消声等办法 转向对机械声源的识别与控制的研究。随着声学测试仪器和随机信号处理技术 3 第1 章绪论 的不断发展，对电机声振源的鉴别技术也不断提高。从一般较简单粗略的鉴别， 发展到更为精确的鉴别：从需要一定的声学环境发展到能在现场鉴别。在目前 对噪声源识别的研究中，主要有以下几种方法眨3 卯： ( 1 ) 主观评价和估计法 主观评价指人利用自身的听觉来判断噪声源的频率和位置。有经验的操作 人员或检验人员在生产现场，从机器的运转噪声中，能听出机器的运行状态是 否j 下常，还能判别产生异常的主要噪声源的零部件及其原因。人的经验和知识 对主观评价和估计的结果影响非常大，另外这种方法无法对噪声源作定量的量 度。 ( 2 ) 近场测量法 用声级计紧靠机器表面扫描，根据声级计的指示值大小来确定噪声源的部 位。方法简便易行。近场测量法的正确性是有条件的。传声器测得的声级主要 是最靠近的某个噪声源的贡献，根据声学原理，其它噪声源对测量值的影响很 小或没有影响。由于靠近总是相对的，一定的声场总要受到附近其它噪声源的 影响( 混杂) ，尤其在工厂现场，某台机器上的被测点是处于机器上其它噪声源的 混响场内，因此近场测量法不能提供精确的测量值，这种方法常用作噪声源和 主要发声部位的一般识别或作为精确测定前的预先粗定位。 ( 3 ) 表面振速测量法 将振动表面分割成许多小块，测出表面各点的振动速度，然后画出等振速 曲线图，从而形象地表达出声辐射表面各点辐射声能的方向和最强的辐射点。 因为这种方法是通过测量振动来识别噪声源，所以没有任何声学环境的要求， 方法方便实用。 ( 4 ) 声强法 声强法是采用双传声器互谱法进行声强测量。由于声强是矢量，可在现场 进行声强测量不受环境影响。在近场测量声强时，可根据所测声强值判断机器 各部件发射噪声的大小，从而找到主要的噪声源，进行故障定位。根据现场条 件下的声强测量还可确定声源的声功率，材料的吸声系数和透射系数。近场声 压法是在近场测量振动表面的声压级，从而近似估算振动表面的噪声级。该方 法由于在混响环境中受到其它噪声源的影响较大，所以精度较低，在噪声识别 应用中，只能用于近似性评估。 ( 5 ) 分步运转法 4 第1 章绪论 分步运转法在噪声识别应用中，经常用来估算某些噪声源的数值。它是在 同时刻分别控制不同噪声源，从而达到分时测算噪声数值，得到我们需要的噪 声源分贝值。但是，这种方法对当某一部分停止工作时，往往会影响到其他部 件的运转状况，要想分解出这些细微影响因素十分困难。因此该方法测量精度 不高，一般只用作近似估算。 ( 6 ) 振动测量法 振动测量法是针对直接的声信号测量容易受测试环境和其它干扰噪音影响 的缺点而提出的。它是通过直接测量电机振动表面的法向振动信号，再应用声 学原理和数字信号处理技术计算出不同表面的辐射效率而求得噪声数值。目前 从理论上精确确定电机不同结构的辐射效率仍有困难。从表面振动信号测量、 预测电机噪声的理论和实验研究工作目前仍在迅速发展之中。 ( 7 ) 信号处理分析法 信号处理法是近年来在噪声识别领域中出现的新方法。它是利用在噪声检 测中所测的信号时域值，再使用某种信号处理方法，按照所测信号时域、频域 的某种特性分解出主噪声源信号。如相干函数法，频谱分析法等。 1 3 论文研究的目的和意义 电机噪声的检测和控制是目前电机制造业面临的重要课题，噪声和振动又 是考核电机的主要质量指标之一。那么，要对电机噪声进行有效的控制，必须 首先准确的找出它发声的主要部位和发声的根源，并确定起主要作用的声源。 本课题就是本着识别电机噪声源的目的，开发一套电机噪声检测及分析系统。 利用测振法采集到的电机振动信号，然后用现代信号处理的理论和方法对振动 信号进行处理分析，寻求更为简便有效的噪声源识别方法。 本系统主要是针对出厂前的电机进行噪声在线监测，从自动生产线上剔出 噪声不合格电机，提高批量生产电机的噪声质量，对不合格电机的振动信号进 行离线分析找到噪声源从而了解哪些工艺过程出现质量问题。对电机厂的高生 产质量、高效益都有着重要的意义。 1 4 本文的主要工作 广泛阅读了电机振动分析、振动信号处理、电机故障诊断等相关文献，系 5 第1 章绪论 统的总结了电机振动信号处理方法。详细分析异步电机噪声振动的机理，用电 机的振动信号来在线检测电机的噪声及识别噪声源的分析方法。 本课题的主要研究和工作内容包括： 1 ) 分析研究了电机噪声振动产生机理及原因，介绍了振动法的基本原理及 振动法在电机噪声检测的应用。 2 ) 对电机噪声振动信号处理方法的研究，深入分析了时域分析、时频分析、 频域分析等在电机振动信号处理中的优缺点，着重研究了频域分析在电机内部 振动信号处理上的应用。对频域分析法的部分算法进行了仿真分析验证了其正 确性，并将这些算法应用到实例分析中，验证其在电机噪声源识别中的可行性。 3 ) 确定的电机噪声在线检测及分析的系统总体设计方案。根据总体设计方 案，在最优性能价格比的i j 提下进行设备选型，确定传感器、d s p 数字信号处 理器、a d 卡、便携式计算机等硬件设备的型号、规格。阐述了软件的总体设计 方案及软件程序设计，如数据采集、数据处理等。 6 第2 章电机噪声机理分析 第2 章电机噪声机理分析 电机是目前工业生产中的主要动力来源，它是人们日常生活、工作、生产 中的主要设备。但是，电机的噪声和振动也给人们日常带来不便。其产生的振 动噪声污染环境，影响人体健康，严重时因零部件失效甚至破坏而造成事故， 带来经济损失甚至人身伤害。因此，对电机振动噪声的研究一直是电机制造业 的重要课题。要对电机振动噪声进行检测和分析，即必须对电机的结构与工作 原原理以及电机振动噪声产生的机理进行了解。本章主要就电机的结构进行分 析，并简要介绍了电机的工作原理，着重分析了电机振动噪声产生的机理。 2 1 异步电机的构造及其基本原理 2 1 1 异步电机的结构与组成 异步电机常由定子、转子和轴承装置组成，对于绕线型异步电动机，还有 一个启动和调速的滑环装置，下面分别就以上三个结构进行简要介绍。 1 定子结构 定子是电机的固定部件，其作用是在定子空间中建立交流的旋转磁场和产 生电磁转矩，异步电机的定子通常是由机座、定子铁芯和定子绕组构成。 ( 1 ) 机座：机座是定子的主要结构支承部件。大型异步电机的机座都采用焊接 结构。要求有较高的刚性，而且必须有利于通风，机座通常根据定子铁芯的需 要制成整体或分瓣结构。 ( 2 ) 定子铁芯：定子铁芯是构成定子磁路的部件。通常由刷漆硅钢片叠装而 成。目的是减少涡流和磁场损耗。定子冲片时分段叠装，每段之间都有通风槽 片，以构成径向通风。 ( 3 ) 定子线圈：是实现异步电机能量转换的主要部件。定子线圈的结构多为 双层叠式绕组，嵌入定子铁芯内腔的槽体内，依靠槽楔固定在槽内，其端部固 定在电机的柳奎上。防止启动和冲击负荷的大电流产生的电动机里造成线圈的 振动变形。 2 转子结构 转子是电机的旋转部件，异步电机的转子结构形状似笼型，称为笼型转子。 7 第2 章电机噪声机理分析 转子的两端用端环连接在一起，转子铁芯由整圆冲片叠压而成。转子一般采用 轴向通风。绕组为铸铝笼。铁芯用键连接、轴滚花和热套方式直接装在轴上， 铁芯通过支架装配在轴上。 3 轴承结构：轴承主要承担转子的旋转轴的支撑。转子旋转轴通过轴承与枷 奎连接，由于轴承和机座轴承座相对运动，因而轴承也是电机容易损坏的部件。 2 1 2 异步电机的工作原理 当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建 立了以同步转速旋转的旋转磁场旋转磁场切割转子导体时，在转子导体中感 应电势，由于转子绕组是闭合的，在转子导体中将有电流通过。转子导体中的 电流与旋转磁场相互作用，产生电磁力，使转子导体受到该力的作用，这一电 磁力的方向与旋转磁场方向相同。在电磁力的作用下形成电磁转距，拖动转子 顺着旋转磁场方向旋转。根据电磁学原理可知，只有转子转速n 。小于同步转速刀。 ( 即气隙磁场旋转转速) 时，转子相对旋转磁场才有相对运动，转子回路才有可能 切割磁力线而产生感应电流，所以转子转速不可能达到同步转速，即玎。 0 1 4m 时，辐射指数曲线可由下式表示： ，3 1 0 1 9 0 = - 1 0 1 9 1 + 之】( 3 7 ) ( ) j 式中： c 一声速，m s f _ 频率，h z d 一声源直径 其速度级的基准值为：z o = 5 x1 0 _ 5 n l n l s 例如：当用8 0 h z 、1 0 r n s 2 的振动信号校准时，声源尺寸为l m 时系统所测 得的噪声值应为7 8 d b ；声源尺寸0 5 m 时系统所测得的噪声值应为6 9 d b ，声源 尺寸0 3 m 时系统所测得的噪声值应为6 2 4 d b ，声源尺寸o 1 5 m 时系统所测得的 噪声值应为5 3 4 d b 。 3 2 2 2 电机的辐射指数曲线的确定 文献【5 的课题组分别对2 3 个规格5 1 个样机进行了试验，收集了大量的试验 数据。对这些电机所得到的统计公式进行统计计算，可以归纳整合为与 g b t 1 6 5 3 9 声学振速法测定噪声源声功率级用于封闭机器的测量标准中公式 ( 9 ) 相似的如下两个计算辐射指数的公式。 对于等效( 平均) 直径小于或等于o 1 4 m 的电机： 1 6 第3 章用振动法测定电机噪声 辐射指数为：l 。l g 口= 一1 0 l g 【l + 0 1 j ( f d 二) 1 8 3 1 8 3 】d 郢1 4m ， 。 辐射曲线如图3 - 2 所示。 d b0 5 1 0 1 5 2 0 一2 5 3 0 一3 5 图3 - 2d _ c o 1 4m 辐射曲线 对于等效( 平均) 直径大于0 1 4 m 的电机： 3 辐射指数为：l o l g o - = 一l o l g 1 + o 1 之】d o 1 4m ( f d ) j 辐射曲线如图3 3 所示。 d 0 14 m 图3 3d o 1 4m 辐射曲线 3 3 电机噪声声功率级的计算 3 3 1 振动测量面上振动速度测定理论 1 ) 振动测试面的选取 如果机器具备相同的结构并且几何对称，其激励也是均匀对称的，那么测 试的结果己证明所有单元结构在任何频段的相应平均速度级都是等效的，这样 就可以在单一结构上进行测试。当测点可以均匀分布时，将振动测量面划分为n 1 7 o坶加如蛐鲫的知 b 一 一 一 一 一 一 一 第3 章用振动法测定电机噪卢 个面积相等为q 的部分，测点则配置于每个部分面的中心。 若测点不均匀分布时，从初始结果中已知振动测试面的某些部分比其他的 振动更强烈，则应在较强的那部分上更密集的布置测点。在此情况下，测点i 则代表该部分面积砖 2 ) 测点数的确定 振动测量面上初始测点数的选择应按表3 1 进行 表3 1 初始测点数 振动测量面面积s ，单位m 2测点数 s js l i 1 0 如果在任何频段内，测得的以分贝计的最高和最低振动速度级之差大于表1 给出的测点数，则必须增加测点数。此外相应频带中由显著纯音成分存在时， 也应增加测点。测点数应成倍的增加直到振动速度级的平均值l 的偏差控制在 l d b 范围内为止。 3 ) 环境条件 测试设备应按生产厂的说明考虑环境条件来选择。用与阻抗变换器在一体 的传感器，可以降低电缆的影响。 4 ) 测试程序 在规定的运行条件下，各测点在规定的频率范围内按频带测定振动速度级 厶。振动速度级乙可以按附录f 由加速度级t 来计算或由加速度信号直接积 分而得，这可以避免计算。测量时间的选择应适合于结构辐射声的特征和信号 处理技术。 5 ) 传感器的安装 传感器的安装应尽可能的做到在有效频率范围内精确的反映测量面上的真 实振动速度。传感器的振动轴线应垂直于振动表面。 6 ) 传感器质量的影响 特别推荐用轻的传感器，若不具备这样的传感器，则对均匀结构( 平板、 圆柱体) 可以按传感器影响的修正进行修正；对其他结构，这个修正的精 1 8 髓m 加耻 墨一r 第3 章用振动法测定电机噪声 度尚不明确。 7 ) 辐射因数的确定 机器的辐射因数应按附录d 推荐的方法测定，或按3 3 2 条进行计算。 3 3 2 噪声功率级计算方法 1 ) 附加( 外界) 结构声的修正 所测声级应按表3 2 进行附加( 外界) 结构噪声的修正。 表3 2 附加结构噪声的修正 2 ) 振动测试向上振动速度级半均值的确定 按相关的测试程序测定的振动速度级，由式( 3 8 ) 计算各测点i - - 1 ，n 的 速度级： b = 所l + ( 3 8 ) 式中：三一未修正的实测振动速度级； k 矗一一附加结构修正因数； k 。，传感器质量修证因数： 振动测量面上墨上的平均分贝l v 可以按照式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 中的一个 合适的计算 均匀分布测点的情况下： 一l v i = l o l g n 1 竺，1 0 0 】( 3 - 9 ) f 驴u h 。母 不均匀分布测点的情况下： i _ l o l g i 1 茎，s s l l 0 0 1 l 所】( 3 - l 。)三矿f _ 1 0 1 9 百i 三1 所1 ( 3 。o ) 3 3 3 结构声辐射引起的空气声功率级计算 1 ) 基本概念 第3 章用振动法测定电机噪声 根据上一节计算的l v i 数值按式( 3 1 1 ) 计算声功率级l 。分贝值： + 1 0 1 9 c r + 1 0 1 9 。副p c w 乩“1 0 k 需。副 j d 式中： l v 测量面上的速度级均值( 基准速度为5 0 m m s ) d b ，按照上节计算； s ，相应测量面面积，单位聊2 ； 仃一一辐射因数； 胪空气特征阻抗； s o = 1m 2 ；( p c ) o = 4 0 0 n l - l s m ( o j 空气在2 0 0 c ，气压为1 0 5 帕时的阻抗) 。 若需要a 计权空气声功率级则应从频带声功率级来计算。 对辐射指数已确定的机器，若用带相应辐射指数及a 计权的振动噪声检测 仪测定，则式( 3 1 1 ) 应改为： 眦氡【1 0 埯妄。0 + l o l g 靠】( 3 - 1 2 ) 2 ) 辐射指数1 0 1 9 c r 的测取 如果辐射指数是根据国标1 6 5 3 9 中确定辐射指数l o l g o 的方法对相应 频带测量求得的，则该频带的空气声功率级应按照式( 3 1 1 ) 来求取。 3 ) 由振动加速度级确定振动速度级 以分贝为单位的振动加速度级l a 按式( 3 1 3 ) 计算： l a = 1 0 1 9 了a z 01oiuio 式中： a 一一相应频段内振动加速度有效值； 参考加速度值( = 1 0 。6 r n s ) 。 当中心频率为厶，用v o = 5 x 1 0 - 8m s 时，测试振动速度级l 分贝值与测试 加速度级厶之间的关系由式( 3 1 4 ) 表示： 厂 y 75 乞7 一【2 0 1 9 百t m - 10 】( 3 - 1 4 ) 第3 章用振动法测定电机噪声 式中：厶频带中心频率，单位h z ； 五基准频率( = 1 h z ) 。 用加速度传感器测量振动时，可用加速度传感器响应的电压值u 按式( 3 1 5 ) 计算加速度级厶的分贝值( 参考加速度1 0 _ 6 m s 2 ) ： ( 三矿1 2 0 ) l 口 = 2 0 1 9 篆】 式中：i 卜以微伏每秒平方y ( m s 2 ) 表示。 3 4 振动测点配置 在生产线上测量噪声主要用于质量监控，而测点的选择对信号采集和测量 结果影响很大，故应进行多点测量。经平均后作为对电机噪声的综合评价。根 据g b1 0 0 6 8 1 8 8 旋转电机振动测定方法及限值，对电机振动测点的配置如下： 对轴中心高为4 5 - - 4 0 0 m m 的电机，测点数为6 点。 图3 _ 4 测点配置 在电机两端按轴向、垂直径向和水平径向各1 点( 见图3 4 ) ，其中测点2 ， 3 ，4 ，5 的测量方向延长线应尽可能通过轴承支撑点的中心。 1 ) 对有外风扇的电机，可取消风扇端的轴向测点；但对允许正反转运行的 斜槽转子电机，应在非风扇端的轴向测点上同时测量正、反两个旋转方向的轴 向振动。 2 ) 对轴中心高大于4 0 0 m m 的整台电机，测点数为6 点，测点配置见图3 4 及图3 5 。 3 ) 对座式轴承的电机测点按图3 - 6 配置，测点数为6 点。 2 1 第3 章用振动法测定电机噪声 厉翕 犍钐 图3 5 端盖式电机的测点配置 守一 图3 6 座式轴承电机的测点配置 现行确定的六点主要是考虑电机在三维空间的噪声辐射。而在生产线上的 噪声测量则是在已知某一类电机的基本性能的情况下，监控电机的工艺质量。 且受生产节拍的限制，只能选择关键点进行检测。 从上面的噪声检测的理论推导的结果来看，需要通过传感器获得的参数是 振动速度的有效值。一般来说，两端轴向振动与电机的电磁力、转子动平衡、 轴承装配不良有关，电机两端的径向振动主要和电机的轴承振动有关。所以， 本课题中按照g b 一1 3 5 3 9 的要求，对于测点均匀的电机将使用三个测点，在电机 自由端轴向和输出端径向分别布置测点即图3 4 中的3 、4 、5 点。 第4 章电机振动信号的分析 第4 章电机振动信号的分析 电机振动噪声太大，超过了许可标准，也可以看作是种电机故障，这种故 障是可能是由于设计、制造过程中的某些因素造成的。因此，电机噪声的在线 检测也可以看作是一种在线故障诊断问题。故障诊断的一些原理和方法可以借 鉴。 对电机振动信号的分析是确定振动故障的前提，现代信号处理技术的发展 为更加深入地分析电机振动信号提供了方法。本章对一些振动信号的分析方法 进行了讨论并将其应用到电机振动噪声源的识别中。 4 1 振动信号的分析方法 振动信号分析处理的任务就是对所测得的信号作进一步的分析和处理，以 提取出需要的特征，或者使信号变得更加清楚，从而可以利用这些信息去判断 对象的状态，为生产、管理、科研和设计提供依据。振动信号的分析可以分为 时域分析，频域分析和时频域分析。 4 1 1 时域分析 时域是指信号随时间变化的种函数关系。包括时域连续信号和时域离散 信号。它是通过对连续振动信号进行采样得到的。我们通过a d 采集卡将振动数 据采集，并通过计算机将该信号按时间的关系绘制出来，这样我们就可以看见 一条振动幅值与时间的连续的函数曲线，在采样频率较高的情况下，这种近似 是比较真实的反映时域连续信号的。 时域分析的最重要的特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序。该 方法主要是通过观察振动信号的波形特征来获取诊断信息。这是最简单和最直 接的方法，特别是当信号中含有简谐信号、周期信号或短脉冲信号时更为有效。 直接观察时域波形可以看出周期、谐波、脉冲，利用波形分析可以直接识别共 振现象和拍频现象。但这种方法对比较典型的信号、特别明显的信号以及有丰 富工程经验的人员才比较适用。 作为故障诊断特征量的一些示性指标有： 1 ) 峰值x = m a x i x ( 0 i 第4 章电机振动信号的分析 2 ) 平均幅值y p = 7 1j o t l z ( f ) 牌 3 ) 均方根幅值= 廓瓦 4 1 2 时频分析 时频分析是最近几年来颇为引人关注的信号分析方法。在许多实际问题分 析中往往需要对信号进行时一频分析。时频分析的主要任务是描述信号的频谱 含量是怎样随时间变化的，研究并了解时变频谱在振动信号中的意义。时频分 析的最终目的是要建立一种分布，以便能在时间和频率上同时表示信号的能量 或者强度，得到这种分布后，就可以对各种信号进行分析、处理，提取信号中 所包含的特征信息，或者综合得到具有期望的时一频分布特征的信号。时一频 分析的方法很多，例如：短时傅立叶分析、小波分析等等。 1 ) 短时傅立叶分析 传统的傅里叶变换中，信号分解为复数正弦函数。由与正弦基函数是扩展 到整个时域中的而不是集中在某个时间点上，因此，傅里叶变换不能说明信号 的频率是如何随着时间而变化的，虽然傅里叶分析中的相位特性包含了时间信 息，但是信号和相位特性之间点对点的关系难以建立。短时傅里叶变换( s t f t ) 是克服了传统傅里叶变换的局限，在时域和频域具有同时局部化的特点。 短时傅里叶变换的定义： s t f t ( t ，国) = s ( r ) r 7 。( r ) d r = i s ( f ) 7 ( r - t ) e - j ”d r ( 4 1 ) 其中s ( f ) 是待分析信号，y ( r - t ) 可看作是滑动窗函数。短时傅里叶变换 仍依赖于传统的傅罩叶变换。短时傅里叶变换需满足不确定不等式，即 ，a 。1 2 。s t f t 虽然有着分辨率不高等缺陷，但算法简单，易在线处理，在 非平稳信号分析里仍然是有力的工具。 2 ) 小波分析 小波变换不但继承和发展了短时傅里叶变换的局部化思想，而且克服了窗 口大小不随频率变化、缺乏离散正交基的缺点，是一种比较理想的信号处理方 法。 小波的定义：小波是一种持续时问很短的波，其必须满足以下容许条件： 。阪缈) 1 2 。呻i ( 缈) i c ：，= il 丁 4 - 0 0 ( 4 2 ) 旬 俐 第4 章电机振动信号的分析 或等价条件 + a d i ( f ) 出= 0 ( 4 3 ) 满足上式的时间函数疋( 彩，f ) 称为母小波或基本小波，通常简称小波。其中 e 缈) 为9 ( t ) 的傅立叶变换。上式说明了小波函数具有一定的振荡性，即包含某 种频率特性。将小波伸缩和平移之后得到的函数虬。( f ) = 1 口y ( ( t - b ) a ) ，称 为分析小波；a ，b 均为实数，a 反映函数的尺度，为伸缩参数；b 表示沿t 轴的 平移位置，为平移参数。 小波变换的特点为： ( 1 ) 对非平稳信号进行时频分析时，其时频局部化方式是高频范围内时间分 辨低，低频范围内时间分辨率高。 ( 2 ) 信号的小波分解有二进多分辨快速算法( s m a l l a t 算法) ，运算次数为 n l g n 。 ( 3 ) 信号的分解和重构可有针对性地选择有关频带信息和剔除噪声干扰。 ( 4 ) 信号在全频带内正交分解的结果，信息量既无冗余，也无渗漏。 ( 5 ) 如果非平稳信号是由低频长波期叠加高频短波期组成，小波变换是最理 想的工具。 小波变换是一种多分辨率的信号处理技术。它利用一系列不同尺度的基函 数对信号进行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段，通过母小波的伸 缩与平移而得到。 4 1 3 频域分析 大多数旋转机械一般都产生带有周期的振动信号，但并不只含有单一频率 成分的简谐振动，而是包含有多种频率成分的非简谐振动，这些频率成分往往 直接地与机械中各零件的机械物理特性联系在一起。以横坐标为频率f 纵坐标 为幅值a 作出频率与幅值的关系图，对此关系图进行分析即频域分析。本文用 到的信号的频域分析法主要为频谱分析，频谱分析的目的是把复杂的时间历程 波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结 构以及各谐波幅值和相位信息。 4 1 3 1 频谱分析法 频域分析的基础是频谱分析，而使用最普遍的方法是快速傅立叶变换( f f t ) ， 第4 章电机振动信号的分析 它将复杂信号分解为有限和无限个频谱分量之和。电机噪声振动中的频谱分析 是为了在时域波形分析的基础上，进一步了解信号的组成部分，寻找噪声振动 信号与电机的电磁场、定转子结构的联系，从而诊断出电机的振动部位和振动 原因。根据信号的性质及变换方法的不同，频谱分析可以表示为幅值谱、相位 谱、功率谱、细化频谱、全息谱、倒频谱等。 1 ) 幅值谱分析 直接对采样所得的时域信号进行傅里叶变换，求得关于该时域信号的频率 构成信息，这就是幅值谱分析。 幅值谱的定义为：x ( c o ) = lx ( t ) e - j ”d r ( 4 - 4 ) 一般情况下一般情况下x ( o 为一复变函数，令 x ( f ) = 足( 厂) + i i ( f ) = i x ( f ) l e 妒，) ( 4 5 ) 即 i x ( ) | - 止万汀可万 ( 4 6 ) 缈( 厂) = a r c t g i ( f ) l r ( f ) i ( 4 7 ) i x ( 厂) l 为幅值谱，矽( 厂) 为相位函数。 幅值谱是在频域中对信号能量分布情况的描述，它表示单位频带内信号幅 值随频率的变化情况，也就是说反映信号幅值在频域内的分布情况。幅值谱可 以提供以下分析信息： 振动信号主要有哪些频率成分及谐波分量所组成； ( d 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突出，这提示着和异常的某种联 系。 2 ) 功率谱分析 功率谱是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，包括自功率谱和功 率谱。其中自功率谱与幅值谱提供的信息量相同，但在相同条件下，自功率谱 比幅值谱更为清晰，自功率谱可由相关函数的傅里叶变换求得，也可由幅值谱 计算得到。 ( 1 ) 自功率谱密度的定义如下： 信号x ( t ) 的自功率谱密度定义为其自相关函数的傅立叶变换。设x ( t ) 的自相 关函数为r 。( f ) ，则x ( t ) 的自功率谱密度为： 第4 章电机振动信号的分析 p ( 厂) = 足p ) e - ，2 斫d f ( 4 - 8 ) 同时有 足( f ) = 只( 厂) 矿- ，2 咖矽 ( 4 - 9 ) 自功率谱密度简称自功率谱或自谱。 若z - - - o ，根据自相关函数足( f ) 和自功率谱( 厂) 的定义，可以得到 足( o ) = 舰刍岛x 2 ( f ) a t l o o 么 = 只 ( 4 1 0 ) 积分岛工2 ( t ) d t 可以看作信号的总能量，则b ( o ) 可以看作信号的平均功率足， 所以只( 厂) 曲线- l z _ 与频率轴所包围的面积即信号的平均功率： 足( o ) = 。( 厂) 矽= p a