动车组检修技术与设备

1、动车组检修基本概念动车组是自带动力、估计编辑、能够两端同时驾驶、配备现代化服务设施的旅客列车。通常看到的电力机车和内燃机车，其动力装置都集中安装在机车上，在机车后面挂着许多没有动力装置的客车车厢。如果把动力装置分散安装在车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。动车组是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组，带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车。动力分散的优点是动力装置分布在列车不同的位置上，能够实现较大的牵引力；由于采用动力制动的轮对多，制动效率高，调速性能好，制动减速度大，适用于限速区段较多的线路；列车中一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不

2、大。动力分散的缺点是：牵引力设备的数量多，总重量大。动力集中的动车组也有其优点，动力装置集中安装在23节车上，检查维修比较方便，电器设备的中重量小于动力分散的动车组。动力集中分布的缺点是动车的轴重较大，对线路不利。动车的技术发展主要表现在功率、速度和舒适性的提高、单位功率重量的降低以及电子技术的应用等方面。动车组的制造、运营是国家为进一步提升铁路制造业水平、实现行业快速发展而做出的战略决策。长期以来，中国轨道运输处于缓慢发展的阶段，从1997年至2004年虽然实施了五次大面积提速，但提速后仍然没有达到200kmh以上的速度。2007年4越18日，通过区间半径的改造，路、桥、隧道的加固和改造，提

3、速道岔的更换，以及列车提速系统装备、客运设施、跨线设施和相关检修设施的提升，在京哈、京沪、京广、京九、陇海、沪昆、兰新、广深、胶济等18条既有干线上实施了第六次大面积提速调图。提速以后既有线列车最高运营速度提高到了200km/h，部分区间达到250km/h，全国铁路食宿200km及以上线路里程达到6003km，其中速度为250km/h的线路延展长度达到840km。第六次大面积提速调图为我国高速铁路的建设奠定了技术基础。2007年，通过引进、消化、吸收、再创新，具有自主知识产权的国产系列时速250km和谐号动车组批量下线，成功运用于铁路第六次大面积提速。时速250km和谐号动车组采用动力分散方式

4、，可以两端驾驶，开行列车型号分别是CRH1型、CRH2型和CRH5型。2008年国务院批准了中长期铁路网规划（2008年调整），规划到2020年将建成16000km时速250km以上的高速铁路；在“十一五”期间，中国铁路将建成7000km世界上最大的高速铁路网；到2012年将建成12500km的高速铁路，中期时速250km高速铁路6000km，时速350km高速铁路6500km，建成京哈、京沪、沿海通道、沪昆通道、东陇海、青太等高速铁路构成“四纵四横”高速铁路网的基本构架，城际高速铁路覆盖环渤海、长三角和珠三角经济圈。中国高速铁路进入加速建设的时期，所形成的高速铁路网规模将远远超过法国、日本和

5、德国现有高速铁路规模。2008年8月1日。京津城际铁路投入运营，最高设计速度达到350km/h。京津城际铁路连接北京、天津两大直辖市，全长120km，其中87%为桥梁工程，采用公交化城际列车和跨线列车混合开行的运输组织模式，全程直达运营时间在30min内，列车最小追逐建个3min。京津城际铁路开行具有自主知识产权的时速350km CRH3型和CRH2-300型和谐号动车组。京津城际铁路是我国高速铁路建设的一个里程碑，是我国自主设计、自主集成、自主施工的第一条最高设计速度350km/h等级的高速铁路，为我国高速铁路的技术提升与创新奠定了基础，它的开通意味着国内高速铁路建设迈向一个新的台阶，标志着

6、我国高速铁路跨入世界先进领域。高速铁路设计很多高新技术问题，包括车体技术、转向架技术、制动技术、牵引传动技术、自动控制技术、网络与信息技术、检修技术等等，动车组的检修是保证动车组安全运行的关键技术之一。作为高速铁路成套技术的动车组检修技术与设备发展速度非常迅速，我国动车组检修按照快速、高效、安全可靠、零部件检修专业化的发展思路，结合中国的实际情况与国际发展趋势，进行了大量的创新，是高速铁路网发展的重要支撑。检修思想与检修制度动车组的检修是高速铁路系统综合保障工程中的重要组成部分，是确保实现动车组安全运行、高效率使用的必要保障。在检修过程中，检修制度对于形成专业负责、整体联动的动车组运用维修体系

7、和动车组一体化检修管理模式起着指导性、关键性的作用。合理完善的检修制度是保障高速动车组快速、安全、舒适、高效运行的基本前提。检修制度就是在一定检修思想指导下，制定出的一套规定与制度，包括：检修计划、检修类别与等级、检修方式、检修组织、检修体制和检修考核指标体系等。检修制度可分为两大体系，一个是在“以预防为主”检修思想指导下，以磨损理论为基础的计划预防检修制；另一个是在“以可靠性为中心”检修思想指导下，以故障统计理论为基础的预防检修制。1“以预防为主”的检修制度“以预防为主”的检修制度是从20世纪40年代开始逐渐发展起来的。这种检修制度要求装备及其零部件在即将磨损到限或损失之前要及时更换、修理，

8、将检修工作做到故障发生之前。在这种检修制度指导下，形成了以磨损理论为基础的计划预防修制。计划预防修制以机械装备故障率曲线中偶然故障期的结束点来确定大修时间。由于把机件磨损或故障作为时间的函数，因此定时检测、拆卸分解就成了这种修制的主要方法。计划预防修制的具体实施可以概括为“定期检查、按时保养、计划修理”。计划预防修制的关键是确定装备及其主要零部件的检修周期，合理划分检修等级及检修周期的结构，制定检修规程与规范。2“以可靠性为中心”的检修制度是在“以预防为主”检修制度及计划预防修制的基础上发展起来的。人们在实践中发现，并不是检修越勤、修理范围越大就能减少故障，相反因为频繁拆装易引发更多的故障。装

9、备的可靠性是由设计制造所决定的，除非对装备实施改进性检修，否则有效的检修对许多故障是无效的。“以可靠性为中心”的检修制度认为，一切检修活动（改进性检修除外）归根结底都是为了保持和恢复装备的固有可靠性，这种检修制度根据装备及其零部件的可靠性状况，以最少的检修资源消耗，运用逻辑判断分析方法来确定所需的检修内容、检修类型、检修间隔期和检修等级，达到优化检修的目的。检修方式常用的检修方式有三种：定时检修、视情检修和时候检修。定时检修定时检修是以使用时间作为检修期限，只要装备达到了预先规定的时间，不论其技术状态如何，都要进行规定的检修工作，这是一种强制性的预防性检修。定时检修的关键是如何确定检修周期。正

10、确的大修时机应该是偶然故障阶段的结束点，即在故障率进入耗损期急剧上升之前的时间点。定时检修方式的优点是便于安排检修计划，检修组织管理工作比较简单、明确。缺点是只适用于已知寿命分布规律，并且有耗损故障期的装备，这种装备的故障与使用时间又明确的关系，定时检修方式对于那些没有损耗期的复杂装备不适用。另外，定期检修中的大拆大卸方法也不利于发挥机件的固有可靠性。视情检修视情检修又称状态修，是按装备实际技术情况来确定检修时机。它不对装备规定检修期限，不固定拆卸分解范围，在检查、检测、监控其技术状况的基础上确定装备的最佳检修时机。这种检修方式是靠不断监测和分析装备的某些和状态数据来决定检修时机和项目。视情检

11、修适用于故障初期有明显劣化征兆的装备，要求有适当的检测手段并能制定出技术状况标准。这种检修方式是一种按需检修的方式，它的优点是针对性强，可以充分发挥装备的工作寿命，提高检修的有效性，减少检修工作量和认为差错，但是费用较高，需要适当的检测、诊断条件和较高的检修人员素质。事后检修事后检修又称修复性检修或故障修，是指装备发生故障后，使其恢复到规定状态所进行的检修活动。装备发生故障后的修复性检修可分为及时修理和延迟修理，对于那些不影响安全和生产任务的可继续使用，严加监控，延迟修理。在检修实践中，如何选择检修方式是十分重要的，选择检修方式应该从故障后果，即装备发生故障后对安全和经济性的影响来考虑。由上述

12、三种检修方式的特点可以看出，定时检修和视情检修属于预防性检修，事后检修是非预防性的。定时检修是按时间标准进行检修；视情检修是按实际状况标准进行检修；事后检修不控制检修时间。三种检修方式各有特点，各有其使用范围，从这个意义上讲，它们并没有先进落后之分，问题的关键是应该根据检修的具体情况，正确地选择检修方式。选择检修方式的步骤一般是先要确定复杂装备中哪些零部件是重要功能部件，这些零部件发生故障会产生严重影响。然后对这些重要功能零部件适用于哪种检修方式进行分析和逻辑判断，根据它们的功能、条件、故障的可能形式（隐蔽性、潜在性）等来选择是采用定时检修、视情检修，还是事后检修。在复杂装备的检修中，往往三种

13、检修方式并存，相互配合使用，以充分利用各个机件的固有可靠性。检修等级检修等级是指按检修性质、检修范围和检修深度而划分的级别。在每个检修等级内进行的检修范围，必须与人员、设备、技术数据及提供的设施相一致。根据配属的机车车辆种类、特性和技术特点的不同，在不同的检修机构中配置不同的人力、物力，形成检修能力的梯次结构。划分检修等级的主要目的是：合理区分检修任务，科学组织检修活动；合理配置检修资源，提高使用效率；合理设置检修机构，提高检修管理水平。我国机车的检修等级我国机车检修等级分为大修、中修、小修和辅修四类。(1) 大修大修是对机车进行全面检查修理，恢复机车基本性能。大修的性质属于机车全面恢复性修理

14、，即全面解体、更换或修复所有不符合技术标准和要求的零部件，使机车达到或接近新机车标准或达到规定的技术性能指标。(2) 中修 中修是对机车主要部件进行检查修理，恢复机车主要性能。中修的性质属于机车的平衡性修理，即修复机车某些部分性能，使其与其他未修理部分能继续配套使用。(3) 小修小修是对机车关键部件进行检查修理，有针对性地恢复机车运行可靠性。有诊断技术条件的，可按其状态进行修理。小修的性质属于机车运行性修理。(4) 辅修 辅修是全面检查机车，进行故障诊断、状态修理。辅修的性质属于机车的临时性检修和养护。大修一般在工厂进行，称为厂修；中修、小修和辅修在机务段进行，称为段修。2我国车辆的检修等级我

15、国车辆检修等级分为厂修、段修、辅修和轴检四类。(l) 厂修 车辆厂修由车辆丁厂负责，对车辆进行全面彻底的检查和修理。要求厂修后的车辆达到或接近新车的性能水平。(2) 段修车辆段修由车辆段承担，对车辆进行全面的检查，根据规程规定的施修范围更换或修复损坏和磨损过限的部分。(3) 辅修车辆辅修是对车辆制动机和轴箱油润部分进行检修。货车辅修在检修所（线）进行，客车辅修一般在车辆段库停时间进行。(4) 轴检轴检主要对货车轴箱油润部分进行检查和修理。轴检在检修所（线）进行。动车组检修的特点动车组检修中大量采用新技术设备德国Hamburg动车段能在60 min内完成长412 m的ICE动车组的维修保养和整备

16、工作，是由于他们采用了大量的新技术。这些新技术包括：车载微机诊断系统，远程无线通信技术，三个维修工作面能同时在列车上部、下部、顶部开展维修作业，具有轨道桥的架空轨道，具有气垫走行装置的轮对和转向架更换设备，感应导向式升降工作车，具有排气生物过滤器和处理中心的真空排污处理系统，自动化外部清洗装置，自动榆测轮对踏面裂纹、磨损和不圆度的踏面诊断设备，微机信息系统，等等。用系统工程观点进行检修用系统工程观点进行检修首先是对高速列车整个寿命周期费用进行研究，将总费用保持在最经济的状态；其次是把技术、财物、管理等诸方面的因素综合起来进行全面管理；另外，利用系统工程理论对高速列车的可靠性、可维修性和可用性进

17、行研究，对高速列车的各个环节（方案、设计、制造、安装、运用、维修、改进和更新等）进行综合分析；最后进行信息反馈，将运用维修中的信息反馈给制造部门，以便改进设计。3在设计阶段对检修作综合考虑法国TGV高速列车设计制造部门非常重视高速列车的可靠性设计和维修性设计，其设计与修反馈系统如图11所示。由于采用了可靠性设计与维修性设计，保证了列车的质量，再加上有检修基地良好的检修技术作保证，使得TGV高速列车取得了非常好的运营效果。图1-1 法国TGV设计与维修反馈系统4采用合理的检修制度日本新干线车辆检修是按一定修程（走行公里或使用年限）实施定期检修和在用期临时检参相结合，为确保安全、稳定的运行，并考虑

18、到新干线车辆是在高速度、长距离运行的恶劣条件下使用，所以基本上是对无故障安全部件实施预防检修，对故障安全部件实施事后检修。5停时缩短，利用率提高各国铁路部门都尽力缩短高速列车的检修停时，以提高列车的利用率。为此，德国ICE高速列车进段检修时采用不摘钩整列入库的全新检修模式，大大缩短了检修停时，提高了列车可用性。动车组故障诊断技术近年来，随着信息技术的发展，监控手段的提高，逐渐形成了状态监控检修，即对装备进行失态监测和故障诊断，分析装备状态，确定装备的可靠性水平，决定检修时机。状态监控检修下规定装备的检修时间，能最充分地利用装备的寿命，使检修工作最优化。故障诊断的意义在工程应用中，一般用机械设备

19、的状态来定义故障。机械设备的基本状态通常认为有三种：正常状态、异常状态和故障状态。机械设备正常，是指它在执行规定的动作时没有缺陷，或者虽有缺陷但也是在允许的限度范围之内；异常是指设备的缺陷开始产生或已有一定程度的扩展，使设备的状态信号（如振动、温度等）发生变化，设备的工作性能逐步劣化但仍能维持工作故障是指设备的性能指标严重降低，低于正常要求的最低极限值，设备已无法维持正常工作。故障有一个形成过程，机械设备的故障往往是由于某种缺陷不断扩大经由状态异常后进一步发展形成的。状态监测与故障诊断是识别机械设备运行状态的科学，是指运用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合机械的历史和现状，考虑环境因素

20、，根据所检测的信息特征对机械运行状态进行评估，判定发生故障的部位，分析故障形成原因并预报故障发展趋势，以便及时处理。状态监测与故障诊断是防止事故的有效措施，也是设备进行预知检修管理的重要依据。自有工业生产以来对机械的故障诊断就一直存在，早期人们是通过人手摸、耳听、眼看等感观或借助一些简单的测量工具观察机械的工作状态。故障诊断作为一门学科，则是20世纪60年代以后发展起来的。美国1961年开始执行“阿波罗”计划，一系列的设备故障促使美国国家宇航局(NASA)倡导创立了美国机械故障预防小组MFPG。英国在20世纪60年代末成立了机械保健中心开始诊断技术的研究应用。由于诊断技术所产生的巨大的经济效益

21、使之得到迅速发展。其他欧洲国家，比如瑞典、挪威、丹麦、德国在某些领域的故障诊断技术也具有一定优势。相比于美国在航空、核工业以及军事工业等领域的领先地位，日本的故障诊断技术在民用工业，如钢铁、化工、铁路部门发展很快。我国从70年代后期展开了对发达工业国家设备诊断技术的学习和研究，认识到状态维修的优点，我国的故障诊断技术正在蓬勃发展，在我国经济建设中发挥越来越大的作用。二、状态监测与故障诊断技术内容状态监测与设备故障诊断技术一般是指机械在不拆卸的情况下，用仪器、仪表获取有关参数和信息，并据此判断机械运行状态的技术手段。设备状态监测与故障诊断的内容和流程如图1-2所示，它包括信号检测、特征提取、状态

22、识别、预报决策等关键内容。图1-2 设备故障诊断流程1信号检测选择合理的监测对象和适当的传感器，对运行中机械的状态进行正确的测试，获取状态信号。状态信号是设备异常或故障信息的载体，是否能够采集足够数量的客观反映诊断对象运行状况的状态信号，是故障诊断成功的关键。2特征提取在机械运行过程中，一般故障信息是混杂在背景噪声中的。为了提高故障诊断的灵敏度和可靠性，必须采用信号处理技术，去除噪声干扰，提取有用故障信息，以突出故障特征。3状态识别对反映机械故障特征的信息进行分析、比较、识别，判断机械运行中有无异常征兆，进行早期诊断。若发现故障，需判明故障位置和故障原因。4预报决策经过判别，属于正常状态的可继

23、续监视，重复以上流程；属于异常状态的，需进一步对机械异常或故障的原因.部位和危险程度进行评估，预测机械运行状态和发展趋势，提出控制措施和维修决策。三、机械设备故障诊断的分类机械故障诊断的类型很多，可以概括为以下几方面：1功能诊断和运行诊断功能诊断是针对新安装或刚维修后的机械，检查它们的运行工况和功能是否正常，并根据检测和判断的结果对其进行调整，如发动机安装或修理好后的检查。功能诊断的主要目的是观察机械能否达到规定的功能。运行诊断是针对正常远行中的机械，监视其故障的发生和发展而进行的诊断。运行诊断的目的是为了发现正常工作中的机械是否发生异常现象，以便及早发现、及早排除故障。2定期诊断和连续诊断定

24、期诊断是指每隔一定时间间隔对工作状态下的机械进行常规检查和测量诊断。它不同于定期维修。定期维修是每隔一定的时间间隔，不管机械的状态如何，都要对机械进行维护修理，更换关键零部件。而定期诊断则是每隔一定的时间间隔对机械进行测量和诊断，若诊断中发现机械有故障时才进行修理。连续诊断是采用仪器投计算机信号处理系统对机械的运行状态进行连续的监视或检测，因此，连续诊断又称连续监测、实时监测或实时诊断。对于一台机械，究竟采用哪种诊断方法主要取决于下列因素：机械的关键程度、机械产生故障后对整个机械系统影响的严重程度、运行中机械性能下降的快慢、机械故障发生和发展的可预测性，等等。3直接诊断和间接诊断直接诊断是直接

25、确定关键零部件的状态，如轴承间隙、齿轮齿面磨损、轴或叶片的裂纹、腐蚀环境下管道的壁厚等。直接诊断迅速而且可靠，但往往受到机械结构和工作条件的限制而无法实现，一般仅用于机械中易于测量的部位。间接诊断是利用机械产生的二次信息来间接判断机械中关键零部件的状态变化，如用润滑油的温升反映主轴承的磨损状态，用振动、噪声反映机械的工作状态等。由于二次信息属于综合诊断信息因此，在间接诊断中可能出现伪警或漏检。4简易诊断和精密诊断简易诊断是用比较简单的仪器、方法对机械总的运行状态进行诊断，给出正常或异常的判断，主要用于机械性能的监测、故障劣化趋势分析及早期发现故障等。精密诊断是针对简易诊断中判断大概有异常的机械

26、进行的专门的诊断，以进一步了解机械故障发生的部位、程度、原因，预测故障发展趋势。精密诊断需要较为精密的仪器才能进行。它的主要目的是分析机械异常的类型、原因、危险程度，预测其今后的发展。5在线诊断和离线诊断在线诊断是对现场正在运行中的机械进行实时诊断。离线诊断是记录现场测量的状态信号，此后再结合诊断对象的历史档案作进一步分析和诊断。四、机械设备故障信息获取方法按照状态信号的物理特征，信息获取方法主要有以下儿种：1振动检测振动是机械运行过程中的重要信息。运行机械和静止机械的重要区别在于运行过程中机械产生了振动，振动反映了机械的工作状态。振动检测以机器振动作为信息源，通过振动参数的变化特征判别机器的

27、运行状态。2声学检测以机械噪声、声阻、超声、声波、声发射为检测目标，通过分析声学信号强度与频率的变化特征判别机器的运行状态。3油液检测机械中使用过的润滑油或冷却液中磨损残余物及其他杂质的形状、大小、数量、粒度分布及元素组成反映了机械零件在运行过程中的完好状态。可以通过检测油品的理化性能、铁谱分析、光谱分析等判别机器的运行状态。4温度检测对于电机电器、电子设备等，可以在机器运行过程中以可观测的温度、温差、热图像等参数作为信息源，根据其变化特征判别机器的运行状态。5电气参数检测对于输变电设备、电力电子设备、电工仪表等，可以在机器运行过程中，通过电流、电压、电阻、功率、电磁特性、绝缘特性等电气参数的

28、变化特征判别机器的运行状态。6表面形貌检测对于某些设备及零件的表面损伤，可以通过对其表面层显微组织、残余应力、裂纹变形、斑点、凹坑、色泽等表面形貌进行检查，研究变化特征，判别机器设备存在的故障及形成原因。7强度检测对于载运工具和各种工程结构，u以通过对应力、应变、载荷、扭矩等强度参数进行检查判别机器的运行状态。8无损检测通过射线、超声、磁粉、渗透、电涡流等无损检测方法，可以进行压延、铸锻件及焊缝缺陷检查、表面镀层和管壁厚度测定。9光学检测以亮度、光谱和各种射线效应为检测目标。10压力检测在机器运行过程中，以机械系统中的气体、液体压力作为信息源，检测压力参数的变化特征判别机器的运行状态。五、机械

29、设备故障诊断的基本方法机械设备故障诊断的基本方法主要有以下几种： 1性能指标诊断法机械的性能指标反映丁机械的工作状态和工作性能，可用来判断机械的故障。机械性能测量包括整机性能测量和零部件性能测量。整机性能测量是测量机械的输出，如功率、转速等。零部件性能测量是测量关键零部件雌性能，如应力、应变等。2频域诊断法应用频谱分析技术，根据频谱特性变化，判别机器的运行状态及故障形成原因。3时域分析法应用波形分析、时间序列分析，统计分析等时域分析法实现状态监测与故障诊断。信息理论分析法应用信息理论建立特性函数，根据机器运行过程中的变化进行状态分析与故障诊断。人工智能方法包括模式识别法、人工神经网络、专家系统

30、等现代诊断方法。六、动车组状态监测与故障诊断系统的作用列车故障诊断是识别列车运行状态的科学，它研究的是列车运行状态在诊断信息中的反映，其研究内容包括对列车运行现状的识别诊断、对其运行过程的监测以及对其运行发展趋势的预测3个方面。高速动车组发生故障会带来严重的后果，必须在事故发生以前，利用先进的装备较早发现和预防事故发生。动车组状态监测与故障诊断的目的是提高运行的安全性和可用性，优化运营管理，便于运用维修。1提高动车组运行的可靠性和安全性现代动车组是一种技术先进、结构复杂的技术装备，采用了大量的现代电子元件和装备，进行复杂的信息处理，因此要求这些装备具有较高的可靠性。这种可靠性一方面通过电子装备

31、的可靠性来保证，另一方面则由状态监测与故障诊断系统来提供。状态监测与故障诊断系统可以迅速地识别和提示运行中发生的故障，采取措施及时排除故障，保证动车组可靠运行，提高列车运营的安全性。2为动车组维修提供重要依据现代动车组的状态监测与故障诊断系统不但能够在运行中向司乘人员提供列车的运行状况、故障级别、提出排除故障措施的建议，而且还能在运行中将这些情况及时地向维修基地传送，在列车进人维修基地以前做好维修计划，准备好需要更换的配件，从而可以大大缩短维修停时，提高动车组的可用性。3可检测、显示、记录、存储和分析数据状态监测与故障诊断系统在动车组运行中若检测出故障，就将故障状况、故障等级以及应采取的措施建

32、议显示在屏幕上，帮助司机处理故障；同时，还将运行中发生的故障情况，包括故障时间、位置、故障发生时有关参数值及其变化情况等记录并存储下来，供地面系统进一步分析。4为动车组的改进和发展提供依据状态监测与故障诊断系统所积累的大量数据，不但是维修的重要依据，而且通过对这些数据的综合分析，可以对动车组的综合性能和各主要零部件的可靠性进行评估，为动车组的改进和发展提供重要依据。机械设备状态监控检修技术振动状态监测检修技术在设备运行过程中总是伴随着振动，即使在设备正常状态下，由于机械制造和安装中的误差或其本身的性质也会产生振动。例如机械设备中旋转部件的质量中心与其回转轴线不重合时会产生离心力，离心力对设备构

33、成谐波激振。制造或安装不良的齿轮、丝杆等传动机构由于传动的不均匀性会产生周期性的激振力。工作载荷的波动作为冲击激励，会激起机械系统的自由振动。路面的不平对车辆悬挂系统而言是随机激励。当机械出现异常时，相比于正常状态振动量波形和频率成分会发生变化，每一种引发异常振动的故障源都对设备施加不同的激励，因而产生的振动信号具有不同的特点，这是故障判别的依据。振动诊断是指对正在运转的机器设备进行监测，测量机械系统某些选定点上的振幅（位移、速度和加速度）、频率、相位、振动的时间历程和频谱等参数，如果是对非工作状态的机器则需进行激振，分析得到相关信息，从而判别机器故障。一、振动的类型可以从不同角度考察振动问题

34、，按振动的规律分类，可分为确定性振动与随机振动两大类，如图2-1所示。图2-1 按振动规律分类大多数机械设备的振动类型是周期振动、准周期振动和平稳随机振动以及几种振动类型的组合。一般在列车起动或停车过程中信号是非平稳的。若设备故障，所表现出的周期信号往往淹没在随机振动信号中。若设备故障程度加剧，则周期成分增强t从某种意义上讲，设备振动诊断过程就是从随机信号中提取周期成分的过程。1确定性振动及其在诊断中的应用振幅、频率和相位是表征确定性振动的三要素，下面以简谐振动为例说明其在振动诊断中的应用。简谐振动函数形式如下： （2-1）式中，为最大振幅，是指振动过程中偏离平衡位置的最大距离；为频率；为相位

35、。用速度、加速度表示的简谐振动函数形式分别为 （2-2） （2-3）(l) 振幅振幅是表征设备振动剧烈程度的一个重要指标，可以用位移、速度或加速度来表示。每一台设备，其振幅都有一个允许的限定值，设备正常运行时，要求其振幅稳定在这个限定值内。一般来说，振幅值的任何变化都表明了机械状态发生了改变，无论振幅是增大还是减小，都应该对机械做进一步的监测，判断机械的运转状态。速度有效值，也称为速度均方根值也是经常用到的振动测量参数，因为它很好地反映了振动的烈度。(2) 频率频率是振动诊断中最重要的分析参数之一。不同的振源其振动频率一般也是不同的。确定诊断方案、实施状态识别、选择诊断标准等各环节都与振动频率

36、有关。对于旋转机械，其振动频率还可用转速的倍数或分数来表示，原因在于旋转机械的振动频率多与转速有关，用这种方法来表示频率清晰、简便。(3) 相位振动信号的相位表示振动质点的相对位置，相位测量分析在故障诊断中有重要意义，可以用干谐波分析、动平衡测量、识别振动类型、确定共振点以及确定转子临界转速。2平稳随机振动及其在诊断中的应用任意时刻瞬时振动状态不能预先确定的、变化规律不能用确定的函数来描述的振动称为随机振动，随机振动只能在统计的意义上加以研究。在工程技术领域通常将随机过程划分为平稳的和非平稳的两大类。设是随机过程在时间区间T上的n个时刻，对于确定的采样时刻，样本函数是一维随机变量。对所有的，得

37、到n维随机变量。如果n足够大，所取的间隔充分小，就可以用n维随机变量来比较完整地描述一个随机过程，可以通过研究多维随机变量的分布特征来认识随机过程的统计规律。 一般地，用 （2-4）表示随机信号分别在时刻取值的联合概率分布函数，这里表示事件发生的概率。对于任意的实数，若随机过程的任意n维分布函数满足： （2-5）则称该过程为严平稳随机过程。严平稳过程的概率特性不随时间起点不同而改变。为了得到随机过程的统计特性，需要观测大量的样本函数，而这实际上是很困难的。根据平稳过程的统计特性与时间起点的选取无关这一特点，可以得到更简单的研究方法。辛钦证明：在满足特定的条件并且当观察的时间充分长时，如果对平稳

38、过程的一个样本函数所取的时间均值从概率意义上趋近于其统计均值，这样的平稳过程就具有遍历性。随机过程的遍历性可以理解为随机过程的各个样本函数都经历了随机过程的各种可能状态，因而从中选取任何一个样本函数都可以得到该过程的全部统计信息。遍历性是工程信号统计分析方法的基础。(2) 随机过程的数字特征对于工程领域中的随机过程，各时刻随机变量的概率密度函数以及过程本身的联合概率密度函数通常难以确定，因此有必要引入随机过程的某些数字特征，这些数字特征可以从不同角度部分地反映随机过程的特性。1) 数学期望设为随机过程，为t时刻对应的髓机变量，数学期望是其一阶原点矩（或称为均值） （2-6）数学期望是时间t的函

39、数，它表示该随机过程在各个时刻的摆动中心。在状态监测与故障诊断系统中，由测试设备记录到的一般是连续信号，需经过模数转换将连续信号转换为离散信号才能应用计算机进行分析处理，转换得到的离散信号即时间序列。基于时间序列的平稳性和遍历性假设可以对时间序列的各种数字特征作出切合实际的估计。设为平稳遍历时间序列的观测样本，其数学期望的估计值为： （2-7）2) 方差（二阶中心矩）方差用于说明随机信号各可能值对其平均值的偏离程度。定义为： （2-8）方差的平方根称为标准差。时间序列的方差估计为： （2-9）3) 均方值（二阶原点矩）均方值定义为 （2-10）4) 自相关函数相关分析是一种重要的试验振动分析工

40、具。信号与其自身经过时移后的信号之间的相关程度用自相关函数来描述： （2-11）例如正弦振动信号的相关函数为 （2-12）这说明正弦信号的自相关函数是同频率的余弦信号，不论正弦信号初相位是多少，其相关函数总是在时取最大值。自相关函数的一般性质如下：是实偶函数，图形关于虚轴对称，。在时为最大值，最大值即为该信号的方差。从相似性角度考虑，表示信号与其自身的相似程度，显然应该最大。如果信号均值不等于零，则有随机信号的自相关函数在时收敛为均值的平方：。当均值等于零时，自相关函数收敛为零。周期信号的自相关函数也是周期函数，频率与原时域函数相同。由此可以得到自相关函数的一个重要应用：检测淹没在随机噪声中的

41、周期信号。例如信号由噪声及周期信号两部分组成则它的自相关函数为由于随机噪声的自相关很快衰减，因此经过一定的过渡时间后由于与具有同样的频率，因此根据可以判别时域信号中的周期成分。对于一个复杂的周期渡，其自相关函数为。可见自相关函数保留了时域信号的全部频率成分，每一个频率成分的强度对应时域函数相应成分的平方值。5) 高阶自相关函数 若n2，随机过程的n阶自相关函数定义为 （2-12）正态随机过程的分布规律只决定于其一阶和二阶统计特性，但对于非正态过程，高阶自相关函数包含了一阶和二阶统计特性函数所不能反映的信息。6) 互相关函数与的互相关函数为 （2-13）互相关函数不是偶函数，它的图形不对称，即，

42、但是成立。当时延时，。【例】计算互相关函数。解：由于两个信号都是同频率的周期函数，可以只在一个周期内计算互相关函数。因此，有 （2-14）式(2-14)说明两相同频率的简谐振动信号与的互相关函数在的值与它们的初相差成正比，因此可以应用互相关函数测量一个信号跟与它具有相同频率的基准信号的相位差。值得提出的是自相关函数丢失了原信号的相位信息，而互相关函数虽然也失去了原信号的相位信息，但却保留了各信号之间的相位差信息，这对于研究平稳随机过程的动态特牲和机械系统特性有着十分重要的作用。(3) 功率谱密度函数确定性的信号可以作傅里叶变换进行频谱分析，而随机过程样本函数不满足绝对可积的条件，傅立叶变换不存

43、在。注意到平稳随机信号的自相关函数来源于随机信号，它反映的是随机信号的二阶统计特性。对于平稳随机信号，其自相关函数当增大时相关性减弱，当时，有。随机信号在预处理时要作去均值处理，即，即是趋于0的衰减函数，总能量有限，满足傅里叶变换条件，可以由此定义功率谱密度函数。1) 白功率谱密度函数 （2-15）可以由其傅里叶逆变换求得 （2-16）平稳随机序列的自功率谱具有如下性质：不论是实序列还是复序列，都是的实函数；如果是实序列，具有偶对称性；对实信号，是叫的实偶函数，功率谱失去r相位信息（也称为盲相），所以依据功率谱函数只能得出序列的自相关函数，而不能恢复出原随机序列；对所有的都是非负的，并且是的周

44、期函数，周期为。2) 互功率谱密度函数和自功率谱密度函数类似，两个随机信号的互谱密度函数可从互相关函数的傅里叶变换求得。若、表示两个各态历经随机过程的样本函数，是其互相关函数，当绝对可积条件成立时，定义互功率谱密度函数 （2-17）与式(2-17)相应的逆变换是 （2-18）由于不是偶函数，所以互功率谱密度函数是复数，可表示为式中，以上介绍了随机振动的一些统计参量，归纳起来，可以从三个方面描述随机振动：幅值域描述：概率密度函数、均方值（均方根）和均方差（标准差）等；时延域描述：自相关函数、互相关函数等；频率域描述：自功率谱密度函数、互功率谱密度函数等。这些统计分析的结果都可以作为特征量来判别设

45、备正常或异常，其优点是计算简单、便于实时检测，并且能表征信号的某些物理本质。例如概率密度函数能说明观测数据的分布特性，在正常工况下，测试值的概率密度函数一般是正态的，它表示观测数据集中在均值附近，并且其变化范围对称于均值分布，如果工况异常，分布状态便将发生变化。二、测振系统的组成测振系统结构如图2-2所示，主要由传感器、信号调理设备、显示与记录设备、信号分析设备等装置组成。通过测量机械设备在工作状态下的各种参量，了解被测对象的振动状态，进行监测、分析、诊断和预测。对于非工作状态的机械，则需进行激振，测量其受迫振动，求取被测对象的力学模型或动态性能。图2-2 测振系统的组成传感器的主要功能是把被

46、测对象的机械振动物理量转换为电信号或其他便于传输、易于处理的信号，供后续记录与分析。要求传感器与后级仪器有良好的匹配，使信号能有效的、无失真的传输。由传感器检测到的振动特征信号为模拟信号，需要经过适当调理再输出至后续分析设备，常用的信号调理设备包括前置放大器、滤波器、微积分电路、数据采集设备等。模拟信号经适当调理后，可以采用下列方法进行处理：直接用二次仪表显示并记录；用磁带记录仪进行现场记录，再回放至信号分析仪处理或经A/D转换后由计算机处理；用信号分析仪进行处理，并可将处理结果通过接口送计算机作二次处理；通过采样与A/D转换，将所得的数字信号传送到计算机进行在线分析和处理。常用的显示与记录设

47、备有示波器、磁带记录仪以及数字存储设备等。常用的分析设备有模拟及数字频谱分析仪以及以计算机为主体的数据分析系统。对于非工作状态的机械，还需要激振设备对被测对象施加激励，使之处于强迫振动状态，以便于求取固有频率、阻尼、刚度、模态参数，等等。1传感器拾取振动信息的装置通常称为拾振器，传感器是其核心组成部分。测振传感器种类很多。按力学原理分类有：相对式传感器和绝对式传感器；按工作机理分类有：物性型传感器（利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量）和结构型传感器（以结构，如形状、尺寸为基础，利用某些物理规律把被测量转换为电量）；按被测参数分有：位移传感器，包括接触式（如电阻式、

48、应变式等）和非接触式（如电容式、电涡流式等）；速度传感器器，有接触式（动圈式、动磁式）和非接触式（如变间距式）；加速度传感器，常用的有压电式加速度计和应变式加速度计。(1) 绝对式拾振传感器的力学原理绝对式拾振器的力学模型如图2-3所示，测量时将其壳体固定在被测件上，使壳体与被测物体之间无相对的振动。被测物体的振动是拾振器的输入。在一定频率范围内，质量块相对于其壳体的运动参数与被测物体的振动（位移、速度、加速度）成正比，经变换元件转换为电信号，即拾振器的输出，用以描述被测物体的绝对振动量。图2-3 绝对式感光器原理图1) 位移传感器设被测物体的位移为，质量块的位移为，质量块相对于壳体的位移为y

49、。动力学方程为： （2-19）若被测物体作简谐振动，设，并将代入式（2-19），得 （2-20）其中归一化频率；传感器的固有频率；阻尼系数。传感器的稳态位移输出，振幅。如图2-4、图2-5所示是传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线。图2-4 绝对式位移传感器的幅频特性图2-5绝对式位移传感器的相频特性从图2-4中可以看出，当，即（被测物体振动频率远大于传感器的固有频率）时，几乎与频率无关而趋近于1，所以传感器的质量元件相对于其基座的振动位移波形与被测物体的振动位移波形相同，只是相位滞后。因此可以实现位移测量。2) 速度传感器被测物体的振动速度。注意到当（即被测物体振动频率接近传感器的固有频率）时

50、，。此时质量块相对于其基座的振动位移与被测物体的振动速度成正比，可以实现速度测量。3) 加速度传感器被测物体的振动加速度。注意到当（即被测物体振动频率远小于传感器的固有频率）时，。此时质量块相对于其基座的位移与被测物体的振动加速度成正比，可以实现加速度测量。虽然位移、速度或加速度之间能通过微积分电路实现换算t但是对于传感器类型的选用不是任意的，比如低频时加速度的幅值有可能小到与测量噪声相当的程度，如用加速度计测量低频振动的位移，会因信噪比过低使测量不稳定井增大测量误差，直接用位移传感器更合理。用位移传感器测高频位移有类似的情况发生。特征信号的检测在很大程度上影响监测诊断的效果和系统的复杂程度，

51、选择传感器时应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得。例如监测机件的位置变化时，宜作位移测量；考察振动烈度时，宜作速度测量；考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量。对于旋转机械，一般采用位移量作为旋转机械失衡及其损坏效应的依据，所以通常选用位移传感器进行测量。由于振动的速度与振动的动能直接有关，并且几何相似的结构，若以相同的模式振动，在给定的速度下它们的应力也相同。因此，广泛采用速度的有效值来检测振动的严重程度及振动的损坏效应。这种情况通常采用速度传感器进行测量。研究发现，在机器内部损伤还未影响到机器实际工作能力之前，高频分量就已包含了缺损的信息。仅当内部缺损已较大时，才可阻

52、从低频信息上反映出来。加速度测量可取得丰富的高频振动成分，为了监测机械是否损坏，宜采用加速度参量进行测量。(2) 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件，当载流线圈与被测金属物体接近时，将在金属表面感应出电涡流。电涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，使线圈的等效阻抗改变，变化程度与间距有关。分析表明，线圈自感量L与间距a成反比，它们的关系式为： （2-22）式中，为线圈匝数；为真空磁导率；A为导磁截面积。电涡流传感器属于非接触式测量，线性度好、频率响应范围较宽、具有较强的抗干扰能力，能在高温、油污、蒸汽介质的环境下长期可靠地工作，对环境要求低，被广泛应用

53、于工业现场对静位移的测量、在旋转机械上监测轴系的转速、径向位移和轴向位移等。(3) 磁电式速度传感器磁电式速度传感器的工作原理如下：设有一线圈，其匝数为，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势为 （2-23）式(2-23)表明线圈感应电动势的大小与线圈匝数和穿过法线圈的磁通变化率有关。而磁通变化率又取决于磁场强度、磁路磁阻以及线圈的运动速度。故改变速度会改变线圈感应电动势的输出。当置于永久磁铁产生的磁场内的可动线圈作直线运动时，产生的感应电动势为 （2-24）式中B为磁场的感应电动势强度；l为单匝线圈有效长度；为线圈匝数；v为线圈与磁场的相对逼动速度，为线圈运动方向与磁场方向的夹角。当均为

54、常数时，感应电动势仅与速度v成正比例，此即磁电式速度传感器的测 量原理。(4) 压电式加速度传感器 有些晶体材料在受到一定方向的外力作用变形时晶体面或极化面上会出现电荷。形成电场，当外力失去后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应。相反，如将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会变化。这种由外电场的作用而导致物质变形现象称为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，但多数晶体的压电效应过于微弱，并无实甩价值，能用于测量的仅有几十种，石英就是其中性能良好的一种压电晶体。除了自然晶体材料外，人工压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅等）在极化处理后，也会产生这种现象，并且可以比石英晶体

55、的压电常数高数百倍。将压晶体沿某特定方向切成薄片，在薄片两个面上镀上电极，当在薄片的特定方向施加外力作用时，在电极面上将产生电荷，力的方向相反时，电荷符号也相反。设Q为电极上的电荷，压电元件在惯性力作用下生成电荷，有 （2-25）式中，是电压系数，单位为C/N（库仑牛顿）。可见电荷量与振动加速度成正比，可以用作加速度测量。如果施加在晶片上的外力不变、积聚在极板上的电荷无内部泄漏、外电路负载无穷大，则在外力作用期间，电荷量将始终保持不变，直到外力的作用终止时电荷才消失。若负载不是无穷大，电路将会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持不变，从而造成测量误差，因此，利用压电式传感器对静态或准静态测量时

56、，必须采用极高阻抗的负载，而在动态测量时，因动态信号变化快，漏电量相对比较小，故压电式传感器适宜作动态测量。由于压电式传感器的输出信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，所以输出能量甚微。为此，通常把压电式传感器与高输入阻抗的前置放大器连接，将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，才能将信号输给一般指示仪表或记录器。与压电式加速度传感器配用的前置放大器有两种基本形式。一种前置放大器检测由振动所引起的加速度传感器电容上的电压变化，并产生与此成比例的输出电压，称为电压放大器；另一种前置放大器的输出电压正比于加速度传感器的输出电荷，称为电荷放大器。过去曾广泛应用过电压放大器。由于电压放大器的输出特

57、性同与之相连接的电缆的分南电容有密切关系，如果更换电缆，电压灵敏度随之改变，需要重新进行校准，使用不方便，近年来已被电荷放大器替代。电荷放大器的输出特性基本上不随连接电缆的分布电容而变化，无论使用长电缆还是短电缆都不会改变整个系统的灵敏度，特别适用于远距离测量。近年来，内装集成电路放大器的压电式加速度计已被普遍选用，这种传感器提供低阻抗的输出电压，可以直接与大多数通用的仪表.计算机等连接。在振动测量中选择压电式加速度传感器时应注意以下方面：1) 灵敏度压电式加速度计属于发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压与所承受加速度之比

58、；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电片的增多而增强，这将致使传感器自身的谐振频率下降，影响测量频率范围。而且灵敏度高的加速度计自身质量较大，不利于轻小结构试件的测量。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。2) 安装谐振频率加速度计安装在相对质量很大的刚性结构上时的固有频率式中为压电元件的等效刚度；m为传感器质量块的质量。该参数决定了加速度计的测量频率范围。通常取测量频率范围为安装谐振频率的1/3，为了提高测量精度，可选测量频率上限小于谐振频率的1/5-1/10。3) 几何尺寸和质量几何尺寸和质

59、量主要取决于被测物体对传感器的要求。较大的传感器对被测物体有较大的附加质量，在测试轻小试件时，加速度计的附加质量会改变测点的振级和频率，使得测量结果无效。总的来说，压电式加速度传感器的质量都是比较小的，一般情况下可以忽略不计。4) 动态范围在被测加速度值很小或很大时，就要考虑加速度计的动态范围。理论上加速度计的输出线性范围的下限可以从零开始，但实际上由于动态范围的下限取决于连接电缆和测量电路的电噪声，对通用型宽带测量仪器，其下限可低于。在用滤波器进行频率分析时，还可以测得更低的振级。加速度计的动态范围上限由其结构强度决定。当测量很大加速度时（包括冲击），应选择足够动态范围的加速度计。5) 横向

60、灵敏度实际传感器除了感受测量主轴方向的振动，对于垂直于主轴方向的横向振动也会产生输出信号。压电加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度通常用主轴灵敏度的百分比来表示。从使用观点看，横向灵敏度越小越好。一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。正确安装加速度传感器可以提高测量精度。压电式加速度传感器的安装方法右以下几种：1) 钢螺栓连接。在被测物体E钻螺栓孔，用双头钢螺栓固定传感器底座和被测物体。这种安装方法能充分保证加速度计的使用频率范围和温度范围。注意螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。2) 绝缘螺栓。需要绝缘时可