振动诊断技术

二、振动信号的分析与处理

信号的分析与处理是机械故障诊断的前提和基础。通过测试得到的信号，它是对系统的某些物理量，如位移、速度、加速度等进行观测获得的数据，其共同特点是随时间而变化，即某一物理量随时间变化的轨迹－－时域信号。它代表了系统的运行状态和特征。时域信号一般可反映出幅值、周期等物理信息。但信号不能直接获得更多的有用信息，必须对信号进行加工处理。所以，对信号分析与处理的目的是改变信号的形式，提取有用的信息，以便对所研究的机械运行状态作出估计和辨别。信号分析现在比较常用的方法有：时域分析法、频域分析法、到频谱分析法、小波分析法等，我们介绍现今广泛应用的频域分析法。由这些正弦波合成振幅时间时间频率振幅各频率谱线从频率域观测（频谱观测）频率从时间域观测振动波形的时域－频域变换频域分析就是按傅里叶变换法将x(t)变换成频率f的函数X(f)。例如：柴油机振动分析六缸柴油机转速n=196rpm，即基频f0＝3.26Hz。实测振动信号和频域分析的结果如图所示。振动是典型的复杂周期信号，在图中时域波形曲线上仅仅能测得一个基本周期T=310ms，对应的频率f0＝1／T＝3.22Hz，与理论基频f0＝3.26Hz相近。进行频谱分析的结果，在图离散频谱上测得：f1＝3.22Hz、f2＝6.44Hz、f3＝9.66Hz、f6＝19.42Hz、f9＝29.18Hzx(t)tfA(f)f1f2f3f4f5f6f7f8f9T振动分析这5个主要频率分量是以实际转频为基础的二阶、三阶、六阶和九阶谐波分量。一阶为主旋转频率分量，反映主轴系统的工作状态；二阶谐波分量反映往复运动的状态；三、六、九阶谐波分量往往是由于点火不均匀、活塞敲缸所引起的振动。显而易见，通过对振动的频率分析可以获得较丰富的柴油机工作状态的信息，这就是时域波形分析所做不到的。三、振动诊断的基础

振动分析是一种十分有效的机械设备故障诊断的方法，在现行机械设备故障诊断的整个技术体系中居主导地位。同时，由前面的讨论还可以看出，振动分析方法也是一项非常复杂的技术手段，它涉及的内容非常广泛，包括机械振动、振动测试以及信号分析与处理等诸多方面，因此要求设备故障诊断人员有较高的理论水平和较强的实际操作能力。为了更好地将振动分析方法用于机械设备的故障诊断，人们在长期实践的基础上：，提出了从简易诊断到精密诊断的诊断策略。所谓简易诊断，就是利用一些简单的测试仪器对所选定的机械设备进行粗略的诊断，以判断设备是否有故障，有时也能得出关于设备故障严重程度的信息，精密诊断则用于进一步探明其故障原因。在进行诊断之前，应先进行如下的基础工作。一、确定诊断对象对一个具体的工矿企业来说，如将为数众多的全部设备都选作诊断的对象显然是行不通的，这不仅增加了诊断工作量，降低了诊断效率；而且，诊断效果也不会理想。因此，必须经过充分的调查研究，根据企业自身的生产特点以及各种设备的组成情况，有重点地选定用作诊断对象的设备，优先选作诊断对象的设备应该是：

1、直接的生产设备（主机、辅机的区别）；

2、一旦发生故障或停机，会造成很大损失的设备；

3、故障发生后，会造成二次公害的设备；

4、维修周期长、维修费用高的设备；

5、价格昂贵的大型精密和成套设备；

6、没有备用机组的关键设备；

7、容易造成人身安全事故的设备；

8、故障发生频率较高的设备。总之，诊断对象的确定是设备诊断面临的第一个问题，也是影响设备诊断技术的经济和社会效益的关键因素，我们应该本着量力而行、重点突出的原则，逐步扩大诊断技术的成果。二、选定测量参数对于机械设备的振动诊断而言，可测量的幅值参数有位移、速度和加速度三种。振动测量参数的选择应该考虑振动信号的频率构成和所关心的振动后果这两方面的因素。从信号频率角度来看，一般随着信号频率的提高，而依次选用位移、速度和加速度作为测量参数。因为对简谐振动而言，加速度a

、速度v

和位移s

，三者之间存在如下的关系式为：a=ωv=ω2s

式中ω

简谐振动的频率。由此可以看出，ω

越大，则加速度和速度的测定灵敏度相对越高。通常，三种测量参数的适用频段范围见下表。

对振动检测最重要的要求之一，就是能在足够宽的频率范围内测量所有主要频率分量的全部信息，包括不平衡、不对中、滚动体损坏、齿轮啮合，叶片共振、轴承元件径向共振、油膜涡动和油膜振荡等有关的频率成分，其频率范围往往超过1kHz。很多典型的测试结果表明，在机器内部损坏还没有影响到机器的实际工作能力之前，高频分量就已包含了缺陷的信息。为了预测机器是否损坏，高频信息是非常重要的。因此，测量加速度值的变化及其频率分析常常成为设备故障诊断的重要手段。测量参数位移速度加速度适用频带0~100Hz10~1000Hz>1000Hz三、选择监测点在确定了诊断对象和测量参数之后，接下来的问题是要确定监测设备的哪些部位,即监测点的选择问题。信号是信息的载体，选择最佳的测量点并采用合适的检测方法是获取设备运行状态信息的重要条件。真实而充分地检测到足够数量的能够客观地反映设备运行工况的信号是诊断成功与否的先决条件，如果所检测到的信号不真实、不典型、或不能客观地、充分地暴露设备的实际状态，那么，后续的各种功能即使再完善也枉然。因此，测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障作出正确的诊断。一般情况下，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；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点。对于一般的旋转机械，常见的振动测定方法有测轴振动和测轴承的振动两种。一股而言，对于非高速旋转体，以测定轴承的振动为多；而对于高速旋转体，则以测定轴的振动位移居多。这是因为高速时轴承振动的测定灵敏度有所下降。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，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减；测量点必须要有足够的刚度。在测轴振动时,常见的有测轴与轴承座的相对振动和测轴的绝对振动(很少用)两种方法。

四、确定测量周期测量周期的选定应根据设备的不同种类及其所处工况确定监测周期，是设备诊断的一项重要工作内容，目前尚无统一的标准，以下所列仅供参考。

1．定期检测即每隔一定的时间间隔对设备检测一次。对于汽轮压缩机、燃汽轮机等高速旋转机械，可每天检测一次；对于水泵、风机等可每周检测一次；当发现测量数据有变化征兆时，应缩短监测周期，而对于新安装和大修后的机器，应频繁检测，直至运转正常。

2．随机点检专职设备检测维修人员一般不定期地对设备进行检测，设备操作人员或责任人则负责设备的日常检测工作，并作必要的记录。当发现有异常现象时，即报告设备专职检测维修人员，进行相应的处理。随机点检也是企业设备管理中经常采取的一种策略。

3．长期监测对于某些大型关键设备应进行在线监测，一旦测定值超过设定的槛值即进行报警，进而采取相应的保护措施。

五、确定判断标准故障诊断的主要目的之一就是要给出设备有无异常的信息，这就有一个判断标准的问题，即被测量值多大时表明设备正常，超过某值时，则说明设备异常。常用的判断标准有绝对判断标准、相对判断标准。

1、绝对判断标准将被测量值与事先设定的“标准状态槛值”相比较以判定设备运行状态的一类标准，如IS02372、IS03495等。IS02372标准和IS03495标准是振动速度槛值，标准中分四个档，其中A表示设备状态良好，B为容许状态，C为可容忍状态，D为不允许状态。

2、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和维修后经适度的磨合而进入平稳运行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。因其监测的是该台设备从最初的完好运行到最后故障而失效的整个过程，因此，称之为纵向标准。四、典型零部件故障的振动诊断齿轮的故障诊断

齿轮箱是各类机械的变速、传动部件，它的运行好坏影响到整个机械系统。在齿轮箱中各零件失效比例为：齿轮60％，轴承19％，轴10％，箱体7％，紧固件3％，油封1％。齿轮的故障比率最大。实践证明：采用振动监测法对齿轮进行诊断是行之有效的。下面对齿轮常见故障如齿面损伤、齿轮偏心、齿轮回转质量不平衡、轮齿折断、齿距误差等来分析其振动特性，以便对故障进行诊断。frfmf齿轮正常啮合的时域波形和频域特性TrTm1、齿轮正常啮合的时域波形和频域特性分析齿轮正常啮合时，每个轮齿周期地进入和退出啮合，产生啮合振动。齿轮和轴转动产生转动基频振动。所以，其频谱包含有旋转频率fr＝1／Tr＝n/60和啮合频率fm＝1／Tm＝Z1

n1/60＝Z2

n2/60，时域波形和频域特性如图。Fm3fmf齿面损伤引起振动的时域波形和频域特性2fmTm=1/fm2、齿面损伤的时域波形和频域特性分析齿面损伤主要有：疲劳点蚀、塑性变形、胶合、磨损还有气蚀（油中析出的气泡被压碎，产生瞬时冲击力，使齿面产生冲蚀麻点）、电蚀（由电气设备传导至啮合齿廓的漏电流，产生火花放电侵蚀齿面，使齿面产生电弧麻点）。齿面损伤所激发的振动波形如图所示。低频的啮合频率成分幅值加大，随着齿面损坏和磨损的加剧，在其振动谱中存在啮合频率的2次、3次高次谐波或1／2，1／3，…..的分频成分。Frfmf齿轮偏心啮合的时域波形和频域特性fm-frfm+fr3、齿轮偏心啮合的时域波形和频域特性分析当齿轮存在偏心时，齿轮每转中的压力时大时小地变化，致使啮合振动的振幅受旋转频率的调制，其频谱包含旋转频率、啮合频率成分及其边频带，其振动波形如图所示。Frfmf齿轮回转质量不平衡的时域波形和频域特性4、齿轮回转质量不平衡的时域波形和频域特性分析齿轮回转质量不平衡的振动波形如图所示，其主要频率成分与正常情况基本相同，即为旋转频率fr和啮合频率fm

，但旋转频率振动的振幅较正常情况大。fr2

fr3frfmf轮齿局部折断的时域波形和频域特性5、轮齿局部折断的时域波形和频域特性分析当齿轮存在局部折断时，在啮合过程中该轮齿将激发异常大的冲击振动，在振动波形上出现较大的周期性脉冲幅值，其主要频率成分为旋转频率fr及其高次谐波nfr

，并经常激发起系统以固有频率振动，其振动波形如图所示。Frfmf齿距误差的时域波形和频域特性6、齿距误差的时域波形和频域特性分析当齿轮存在齿距误差时，齿轮在每转中的速度将时快时慢的变化，致使啮合振动的频率受旋转频率振动的调制，其振动波形如图所示。其频谱包含旋转频率fr

、啮合频率fm成分及其边频带fm±nfr

（n=1，2，3，…)。低速轴转频高速轴转频中频齿啮合频率边带二阶齿啮合频率三阶齿啮合频率说明：实际测试所得到的频谱图远非上面的那么简单，而是要比较复杂得多，其中的谱峰通常很难是以单一频率线出现，而多表现为一个连续的频段。齿轮的异常现象也很少以单一的形式出现，而往往是多种故障形式的综合，所以这些都给齿轮的故障诊断带来了许多应用的困难。例如：典型的一对直齿啮合传动实测谱线如图，其中：小齿轮n1=2400rpm

z1=29

fr1=n1/60=40Hz大齿轮