設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術第4章-振動診斷方法

第四章振動診斷方法學習目標：掌握振動診斷的時域分析方法（包括直接觀察法、概率分析法、示性指標法、時域同步平均法及相關函數(shù)診斷法）；熟知振動診斷的頻域分析方法，明確頻域分析的主要內容，并熟練掌握各種頻率項的計算或查詢方法；了解振動診斷的其他方法如倒頻譜診斷法、軸心軌跡等。

振動診斷是目前所有故障診斷技術中應用最廣泛也是最成功的診斷方法，本章將介紹振動診斷的基本方法。2023/2/11第一節(jié)振動診斷方法概述利用振動信號對故障進行診斷，是設備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。統(tǒng)計資料表明，由于振動而引起的設備故障，在各類故障中占60%以上。據(jù)國內外報道，用振動的方法可以發(fā)現(xiàn)使用中的航空發(fā)動機故障的34%，可節(jié)約維修費用70%。利用振動檢測和分析技術進行故障診斷的信息類型多，量值變化范圍大，而且是多維的，便于進行識別和決策。振動檢測方法便于自動化、集成化和遙控化，便于在線診斷、工況監(jiān)測、故障預報和控制，是一種無損檢驗方法，因而在工程實際中得到廣泛應用。2023/2/12第二節(jié)振動診斷的時域分析方法一、波形分析及示性指標1．直接觀察法

直接觀察時域波形可以看出周期、諧波、脈沖，利用波形分析可直接識別共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。適用于：典型信號、特征明顯的信號、經驗豐富人員。2．概率分析法采用時間歷程的概率分布來描述各態(tài)歷經的隨機過程。2023/2/13

概率密度函數(shù)的估計xx+x0x(t)t1t2t3t4tT0xp(x)2023/2/14第二節(jié)振動診斷的時域分析方法第二節(jié)振動診斷的時域分析方法圖4-2為一高速滾動軸承工作時振動加速度幅值的概率密度函數(shù)p(x)圖，其中實線為正常軸承，虛線為某故障軸承的p(x)圖。由于磨損、腐蝕、壓痕等使振幅增大，諧波增多，反映到p(x)圖上使其變峭，兩旁展寬。異常正常p(x)x2023/2/153．示性指標法式中：x(t)——系統(tǒng)中某特征點的振動響應；

T——采樣時間；

p(x)——x(t)的概率密度函數(shù)。2023/2/16第二節(jié)振動診斷的時域分析方法①在旋轉機械振動監(jiān)測和故障診斷中，對波形復雜的振動信號，常常采用其峰—峰值（雙振幅），記為xp-p即最大峰值與其相鄰的最低谷值之間的幅值作為振動大小的特征量，稱為振動的“通頻幅值”。峰—峰值的提取十分方便。這里順便給出簡諧振動的均方根幅值、峰值、峰—峰值與平均幅值之間的關系，如圖4-3所示。2023/2/17第二節(jié)振動診斷的時域分析方法圖4-3有效值、峰值、峰峰值與平均值之間的關系②利用系統(tǒng)中某些特征點振動響應的均方根幅值/有效值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法。適用于：設備作穩(wěn)態(tài)振動的情況；對于振動不平穩(wěn)，且振動響應隨時間變化時，采用振動-時間圖診斷法。

③比值α3/(σx)3稱為偏態(tài)因數(shù)（簡稱偏態(tài)），此處σx為標準偏差。偏態(tài)是概率密度函數(shù)不對稱性程度的度量。比值α4/(σx)4或[α4/(σx)4－3]稱為峰態(tài)因數(shù)（簡稱峰態(tài)），是概率密度分布峭度程度的度量。峭度可以用作滾動軸承故障診斷用。如軸承圈出現(xiàn)裂紋，滾動元件或滾珠軸承邊緣剝裂等在時域波形中都可能引起相當大的脈沖，用峭度作為故障診斷特征量是很有效的；但用于滑動軸承的故障診斷就不靈敏了。

2023/2/18第二節(jié)振動診斷的時域分析方法偏度系數(shù)和峭度系數(shù)012345-1-2-3-4-500.10.20.30.40.5p(x)g111＜0gg＞0=0x偏度系數(shù)：2023/2/19第二節(jié)振動診斷的時域分析方法012345-1-2-3-4-500.20.40.60.8g23>g23<g23=xp(x)峭度系數(shù)：2023/2/110第二節(jié)振動診斷的時域分析方法④當時間信號中包含的信息不是來自一個零件或部件，而是屬于多個元件時，

【比如在多級齒輪的振動信號中往往包含有來自高速齒輪、低速齒輪以及軸承等部件的信息?！靠衫孟铝械囊恍o量綱示性指標進行故障診斷或趨勢分析：診斷能力由大到小順序排列，大體上為：峰態(tài)因數(shù)→裕度因數(shù)→脈沖因數(shù)→峰值因數(shù)→波形因數(shù)。2023/2/111第二節(jié)振動診斷的時域分析方法二、時域同步平均法時域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號中提取周期性分量的有效方法，也稱相干檢波法。（可參考相關書籍）

三、相關函數(shù)診斷法相關函數(shù)是振動信號在時延域上的描述，在系統(tǒng)的振源識別和故障診斷中有著廣泛的應用。(1)利用自相關函數(shù)可檢測過程信號中是否混有周期性的確定性函數(shù)，從而觀測出由于故障而產生的周期性信號的大小和位置。診斷軸承磨損造成的間隙增大、軸與軸承蓋的撞擊、滾動軸承滾道的剝蝕、齒輪齒面的嚴重磨損、花鍵配合間隙的增加以及切削顫振等故障。2023/2/112第二節(jié)振動診斷的時域分析方法(2)利用互相關函數(shù)檢測和回收隱藏在外界噪聲中的有用信號的時延，可用于汽車振源的診斷。

2023/2/113第二節(jié)振動診斷的時域分析方法司機坐振動源分析發(fā)動機與司機座的振動相關性較差，而后橋與司機座振動互相關較大，即：司機座的振動主要由汽車后輪的振動引起的。

(3)根據(jù)傳播路徑來識別振源和故障的位置。

(4)當不能直接觀測振源時：

例如，在探測地下水（油）管的泄漏位置時，就可利用圖4-5所示的配置來診斷管道的泄漏故障。當管道在某處破損時會發(fā)出漏水聲，通過管道向左右傳播。在漏水段的兩端布置兩個傳感器測點，然后通過互相關函數(shù)求出時差τ，即可測定泄漏位置。

放大器互相關分析放大器傳感器1□□傳感器2

管道圖4-5管道泄漏的檢測2023/2/114第二節(jié)振動診斷的時域分析方法地下管道泄漏的檢測漏損處K視為向兩側傳播聲響的聲源，漏油的音響傳至兩傳感器就有時差，在互相關圖上時差處有最大值。2023/2/115一、頻域分析的主要內容

振動頻譜中包含機器零部件的機械狀態(tài)信息，振動診斷的任務從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個頻譜分量與監(jiān)測的機器的零部件對照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。這主要包括：振動頻譜中存在哪些頻譜分量？每條頻譜分量的幅值多大？這些頻譜分量彼此之間存在什么關系？如果存在明顯的高幅值頻譜分量，它的精確的來源？它與機器的零部件對應關系如何？第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法2023/2/116二、頻率項一臺機器設備在其運轉過程中會產生各種頻率項，單位可使用赫茲（Hz），即次/每秒。2023/2/117旋轉頻率項（簡稱工頻或基頻）旋轉頻率（fz）=轉速（rpm）/60常數(shù)頻率項通常用來定義恒定不變的頻率，例如電源頻率（注：我國交流電源的頻率為50Hz）。齒輪頻率項第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法

首先進行齒輪振動分析，若以一對齒輪作為研究對象，若忽略齒面上摩擦力的影響，則其振動方程為

Mrx”+Cx’+K(t)x=K(t)E1+K(t)E2(t)

式中：x——沿作用線上齒輪的相對位移；

C——齒輪嚙合阻尼；

K(t)——齒輪嚙合剛度；

Mr——齒輪副的等效質量，Mr=m1·m2/(m1+m2)，其中m1、m2分別為兩齒輪質量；

E1——齒輪受載后的平均靜彈性變形；

E2(t)——為齒輪的誤差和異常造成的兩個齒輪間的相對位移（亦稱故障函數(shù)）。2023/2/118齒輪頻率項第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法

K（t）K（t）

tt(a)直齒輪(b)斜齒輪圖4-6嚙合剛度變化曲線2023/2/119每當一個輪齒開始進入嚙合到下一個輪齒進入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。變化曲線如圖4-6所示。可見直齒輪剛度變化較為陡峭，斜齒輪或人字齒輪剛度變化較為平緩，這也是斜齒輪或人字齒輪相比直齒輪使用壽命長的主要原因。

第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法齒輪嚙合剛度的變化頻率，即齒輪嚙合頻率：fc=fz1·z1=fz2·z2式中：

fz1——主動輪旋轉頻率；z1——主動輪齒數(shù)；

fz2——從動輪旋轉頻率；z2——從動輪齒數(shù)。在齒輪振動信號中存在調幅、調頻現(xiàn)象。OUBSISOL齒輪箱上輥下輥輸入軸2023/2/120第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法調制后的信號，除原來的嚙合頻率分量外，增加了一對分量（fc+fz）和(fc－fz)。它們以fc為中心，以fz為間距對稱分布于fc兩側，所以稱為邊頻帶，右下角圖中的上邊頻和下邊頻即是。

嚙合頻率下邊頻上邊頻2023/2/121第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法

齒輪邊帶頻率=mfc±nfz其中，m，n=1,2,3,…。隨著齒輪故障的發(fā)展，邊頻越來越豐富，幅值增加。可用倒頻譜作進一步分析。滾動軸承頻率項

滾動軸承在發(fā)生表面剝落、裂紋、壓痕等滾動面局部損傷時，會產生沖擊振動。這種振動從性質上可分成兩類：第一類是由于軸承元件的缺陷，滾動體依次滾過工作面缺陷受到反復沖擊而產生的低頻脈動，稱為軸承的“通過振動”，其發(fā)生周期可從轉速和零件的尺寸求得：

例如，在軸承零件的圓周上發(fā)生了一處剝落時，由于沖擊振動所產生的相應頻率稱為“通過頻率”，我們通常也叫“故障頻率”，因剝落的位置不同而不同。求取通過頻率的公式如下：

2023/2/122第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法D—節(jié)圓直徑d—滾珠直徑—接觸角z—滾珠數(shù)n—軸的轉速dD外環(huán)故障頻率內環(huán)故障頻率滾珠故障頻率保持架碰外環(huán)保持架碰內環(huán)2023/2/123P44。fz×z=n×z/60，P41第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法通過頻率一般在1kHz以下，是滾動軸承重要信息特征之一。目前很多公司開發(fā)的設備故障診斷系統(tǒng)軟件均內置了軸承頻率項數(shù)據(jù)庫，只需輸入軸旋轉頻率及選擇軸承生產商、軸承型號即可自動計算出通過頻率。如美國ENTEK公司開發(fā)的EMONITOROdyssey軟件就有這一功能，非?？旖莘奖?。另外，也可到各大軸承制造商如日本NSK公司網(wǎng)站下載軸承頻率項數(shù)據(jù)庫。2023/2/124第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法第二類是固有振動。根據(jù)頻帶不同，在軸承故障診斷中可利用的固有振動有三種：

第一種是軸承外環(huán)一階徑向固有振動，其頻帶在（1—8）kHz范圍內。在諸如離心泵、風機、軸承壽命試驗機這類簡單機械的滾動軸承故障診斷中，這是一種方便的診斷信息。

第二種是軸承其它元件的固有振動。其頻帶在（20—60）kHz范圍內，能避開流體動力噪聲，信噪比高。

第三種是加速度傳感器的一階固有頻率。合理利用加速度傳感器系統(tǒng)的一階諧振頻率作為監(jiān)測頻帶，常在軸承故障信號提取中收到良好效果，其頻率范圍通常選擇在10kHz左右。

2023/2/125第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法由于各種固有頻率只取決于元件的材料、形狀和質量，與軸轉速無關，一旦軸承元件出現(xiàn)疲勞剝落就會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，從而激發(fā)起各種固有振動。所以，利用這些固有振動當中的某一種是否出現(xiàn)，即可診斷有否疲勞剝落。

缺點是進行數(shù)采時頻程（即預備采集的頻率范圍）需設置較高甚至很高，如果同時需要分析低頻信號時就不方便了。2023/2/126第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法倍乘頻率項

典型倍乘頻率項為離心泵、離心風機、離心壓縮機葉片通過頻率。

通過頻率=旋轉頻率×葉片數(shù)電機頻率項

包括電源頻率（FL）、滑差頻率（FS）、極通過頻率（FP）、轉子條通過頻率（RBPF）、線圈通過頻率（CPF）等。

滑差頻率=（同步轉速－實際轉速）/60式中：同步轉速（NS）=60×電源頻率/極對數(shù)

極通過頻率=滑差頻率×極對數(shù)

轉子條通過頻率=旋轉頻率×轉子條數(shù)

線圈通過頻率=旋轉頻率×定子線圈數(shù)式中：定子線圈數(shù)=每兩極的線圈數(shù)×極對數(shù)2023/2/127第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法皮帶頻率項

皮帶頻率通過皮帶輪轉速、節(jié)圓直徑、皮帶長度代入公式計算得出，皮帶頻率低于電動機或被驅動機器的轉速。同步皮帶頻率通過皮帶齒數(shù)、皮帶輪轉速、皮帶輪齒數(shù)代入公式計算得出，其中：

同步皮帶傳動頻率=皮帶頻率×皮帶齒數(shù)

=旋轉頻率×同步皮帶輪齒數(shù)鏈頻率項

鏈傳動頻率=旋轉頻率×鏈輪齒數(shù)諧頻頻率項

指某個基準頻率（例如fz、fc）的各次倍頻。準確地說，每種頻率項均存在諧頻頻率項。2023/2/128第三節(jié)振動診斷的頻域分析方法一、倒頻譜診斷法

1962年Bogert等人首先提出倒頻譜（Cepstrum）的概念，它是從頻譜（Spectrum）這個詞意派生出來的。Bogert把“對數(shù)功率譜的功率譜”定義為功率倒頻譜，即把時間信號的功率譜函數(shù)取對數(shù)再進行一次傅里葉變換，因而又回到了時域，所以倒頻譜又稱作時譜，時間單位常用毫秒（ms）。功率譜分析能夠很好地揭示隨機波形中混有的周期信號，那么倒頻譜就能突出功率譜圖的一些特點和顯示振動狀態(tài)的一些變化，特別是能揭示譜圖中的周期分量，更加突出主要頻率成分，譜線更加清晰，更容易識別信號的各個組成分量。當功率譜的成分比較復雜時，尤其在混有同族諧頻、異族諧頻、多成分邊頻的情況下，在功率譜上難以辨識，而應用倒頻譜則方便多了。第四節(jié)振動診斷的其他方法2023/2/129二、軸心軌跡

軸心運動軌跡是利用安裝在同一截面內相互垂直的兩支電渦流傳感器對軸頸振動測量后得到的。軸心軌跡非常直觀地顯示了轉子在軸承中的旋轉和振動情況，它可以用來指示軸頸軸承的磨損、軸不對中、軸不平衡、液壓動態(tài)軸承潤滑失穩(wěn)以及軸磨擦等。

傳感器的前置放大器輸出信號經濾波后，將交流分量輸入示波器的x軸和y軸或監(jiān)測計算機，便可以得到轉子的軸心軌跡。

P462023/2/130第四節(jié)振動診斷的其他方法三、振動模態(tài)分析診斷法

振動試驗模態(tài)分析是進行結構故障診斷的主要方法。理論計算如Lanczos、子空間迭代等。2023/2/131第四節(jié)振動診斷的其他方法

四、故障診斷的頻率響應函數(shù)法

以某型號人造衛(wèi)星的診斷為例對頻響函數(shù)法作一定性的分析以簡略說明之（見P46）。

五、隨機減量故障診斷法

隨機減量法是通過系統(tǒng)隨機響應樣本的平均，去掉響應的隨機成分，而獲得在一定初始激勵下系統(tǒng)自由響應的方法。小結（一）利用振動信號對故障進行診斷，是設備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。振動診斷的時域分析方法包括直接觀察法、概率分析法、示性指標法、時域同步平均法及相關函數(shù)診斷法。在旋轉機械振動監(jiān)測和故障診斷中，對波形復雜的振動信號，常常采用其峰—峰值；而利用均方根幅值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法；峭度廣泛應用于滾動軸承故障診斷。2023/2/132小結（二）4．振動頻譜中包含機器零部件的機械狀態(tài)信息，振動診斷的任務從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個頻譜分量與監(jiān)測的機器的零部件對照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。5．一臺機器設備在其運轉過程中會產生各種頻率項，包括旋轉頻率項、常數(shù)頻率項、齒輪頻率項、滾動軸承頻率項、倍乘頻率項、電機頻率項、皮帶頻率項、鏈頻率項和諧頻頻率項等。6．振動診斷的其他方法包括倒頻譜診斷法、軸心軌跡、振動模態(tài)分析診斷法、頻率響應函數(shù)法、隨機減量故障診斷法等。2023/2/133問題與回答互動時間2023/2/134一、單項選擇題（在備選答案中選出一個正確答案，并將其號碼填在題干中的橫線上）

1．振動診斷的優(yōu)點不包括

。A、量值變化范圍大B、適用各類故障C、便于在線診斷D、無損檢測2．在旋轉機械振動監(jiān)測和故障診斷中，對波形復雜的振動信號，常常采用

。A、有效值B、峰值C、峰—峰值D、平均幅值3．利用

作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法。A、有效值B、峰值C、峰—峰值D、平均幅值4．下列示性指標中，

作為滾動軸承故障診斷特征量是很有效的，但用于滑動軸承的故障診斷就不靈敏了。A、平均幅值B、均方根幅值C、偏度D、峭度2023/2/1355．在進行振動診斷的時域分析時，按其診斷能力由大到小順序排列，大體上為

。A、峰態(tài)因數(shù)→裕度因數(shù)→波形因數(shù)B、裕度因數(shù)→峰態(tài)因數(shù)→波形因數(shù)C、峰態(tài)因數(shù)→波形因數(shù)→裕度因數(shù)D、裕度因數(shù)→波形因數(shù)→峰態(tài)因數(shù)6．下列頻率項中恒定不變的是

。A、工頻B、齒輪頻率項C、倍乘頻率項D、常數(shù)頻率項7．軸承頻率項中的通過頻率由大到小排列依次是

。A、內環(huán)、滾動體、外環(huán)B、外環(huán)、內環(huán)、滾動體C、內環(huán)、外環(huán)、滾動體D、外環(huán)、滾動體、內環(huán)8．下列頻率項組合中，由運轉的齒輪箱本身產生的是

。A、旋轉頻率項、常數(shù)頻率項、齒輪頻率項、軸承頻率項B、旋轉頻率項、齒輪頻率項、軸承頻率項、倍乘頻率項C、旋轉頻率項、齒輪頻率項、軸承頻率項、諧頻頻率項D、常數(shù)頻率項、齒輪頻率項、軸承頻率項、諧頻頻率項2023/2/136二、判斷題（在括號內選擇打“√”或“×”）

1．振動檢測方法便于自動化、集成化和遙控化。（）2．直接觀察時域波形當信號中含有周期信號或短脈沖信號時更為有效。

（）3．概率分析法不屬于時域故障診斷。（）4．峰—峰值不便提取。