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机械故障诊断新本讲稿第一页，共四十八页二、主要技术手段及各自特点1、振动诊断技术 振动测试、信号处理 2、油液分析技术 铁谱、光谱 3、温度检测技术 红外技术 4、无损检测技术 本讲稿第二页，共四十八页三、机械故障诊断的研究理论及发展发展概况 发展趋势：机械性的评估方法和先进服务 技术（终身、数字、智能）；本讲稿第三页，共四十八页第一章 机械故障诊断的基本原理 第一节 机械故障诊断概论 一、机械故障：机械系统因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。故障原因故障现象 二、故障分类：1、按故障发生的原因（如何解决故障的发生）2、按故障发生的快慢（如何避免故障造成严重后果）本讲稿第四页，共四十八页三、机械故障诊断的基本环节1、确立运行状态监测的内容；2、建立测试系统；3、测试、分析及信息提取；4、诊断及预测；本讲稿第五页，共四十八页第二节 故障特征参量一、故障特征参量的定义 故障特征参量：对故障灵敏、稳定可靠的物理参量。F某种故障类型；1 i 特征参量或故障原因；F=f(1,2 )二、故障特征参量的选取原则 1、高度敏感性；2、高度可靠性；3、可实现性；4、指向性；本讲稿第六页，共四十八页第三节 机械故障诊断的一般思维方法模式识别模糊诊断神经网络智能诊断（数据挖掘）1、逻辑管理方法 场合 情况 研究现象（故障）1 A、B、C a 2 A、D、E a 3 A、F、G a 结论 情况A是现象a 的原因（结果）a:病毒性感冒 A、发烧 B、咳嗽 C、胸痛 D、胃痛 E、无力 F、脚痛 G、失眠 本讲稿第七页，共四十八页第三章 故障诊断的信号分析与处理技术 确定性信号：周期 非周期 随机信号：平稳 非平稳本讲稿第八页，共四十八页第一节 信号分析与处理中的常用数学变换一、傅里叶变换 对周期函数 X(t)=其中:本讲稿第九页，共四十八页二、傅里叶变换 对非周期函数本讲稿第十页，共四十八页三、快速傅里叶变换 用快速算法来求算傅里叶积分的数值1）傅氏变换的线性性质 若 且a、b都是常数 则有：本讲稿第十一页，共四十八页2）帕斯维尔定理傅氏变换对举例：1）2)3)本讲稿第十二页，共四十八页 第三节 时域分析方法一、统计特征参量分析 1、概率密度函数P(x)正态过程：2、均值：表示信号的平均变化情况 本讲稿第十三页，共四十八页3、均方值：表示信号的平均能量4、有效值（统计参量）5、方差和标准差 方差用来表示信号相对于平均值的变化情况 方差的开方称为标准差s 本讲稿第十四页，共四十八页6、峭度指标7、无量纲指标 脉冲指标二、相关分析 相关分析又称时延域分析，用来描述信号在不同时刻的相互依赖关系，是提取信号中周期成分的常用手段。本讲稿第十五页，共四十八页1、自相关分析 （1）、自相关函数 ：同一信号不同时刻的相互依赖关系；自相关函数的性质：1）为实偶函数；2）时 最大；3）的取值范围：4）自相关函数不改变信号的周期性。本讲稿第十六页，共四十八页（2）互相关函数相关分析工程应用1、相关直线定位 泄漏源信号的相关性。2、相关平面定位 时差双曲线定位本讲稿第十七页，共四十八页 第三节 频域分析方法一、幅值谱分析 时域信号 信号的幅值谱二、功率谱分析 维纳-辛钦定理本讲稿第十八页，共四十八页 第三章 振动诊断的理论基础第一节 机械振动的运动学 输入 输出 激励 响应按系统输入分类：（1）、自由振动（2）、强迫振动故障源的激励输入机械系统本身系统可测量的信号输出系统本讲稿第十九页，共四十八页 第二节 机械振动系统的建模基础 振动系统力学模型三要素1、弹簧:F=KX F弹性恢复力 X变形量2、质量:F=ma或M=J m刚体质量 a刚体的转动惯量3、阻尼 粘性阻尼：粘性阻尼力与速度成正比，方向与速度相反。本讲稿第二十页，共四十八页 F=CV F阻尼力 V速度 C粘性阻尼系数第三节 单自由度系统的自由振动一、单自由度系统的无阻尼自由振动本讲稿第二十一页，共四十八页二、单自由度单位的有阻尼自由振动本讲稿第二十二页，共四十八页 第四节 单自由度系统的强迫振动一、系统在间谐激振力作用下的强迫振动 运动微分方程：其中简谐激振力 令 则：本讲稿第二十三页，共四十八页微分方程的解为：在弱阻尼情况下.通解所以：是一个瞬态解设特解:代入得：本讲稿第二十四页，共四十八页所以：静变位：频率比：阻尼比：本讲稿第二十五页，共四十八页所以特解：振动特性讨论：（1）、振动频率（2）、影响强迫振动振幅的因素：激振力幅值 频率比 定义放大因子 本讲稿第二十六页，共四十八页a、激振力变化缓慢b、激振力频率很高c、共振d、保证系统振动的振幅小于静变位（3）、阻尼的影响在共振区 ：阻尼起作用在非共振区 ：阻尼作用不大本讲稿第二十七页，共四十八页 第四章第四章 机械故障的振动诊断技术机械故障的振动诊断技术 第一节 测振传感器一、压电力的速度传感器1、工作原理2、选用原则 a、测量范围 b、频响范围 c、灵敏度 d、精度 f、稳定性本讲稿第二十八页，共四十八页第二节第二节 信号记录与处理设备信号记录与处理设备一、磁带机二、数据采集器 1、数据采集器的基本原理 2、采集定理 采样时间间隔 信号频率分辨率 N 采样点数 采样频率 混迭：采样不当引起信号的无法区分。本讲稿第二十九页，共四十八页采样定理（shannon定理）：假设信号中的最高频率成分为 ，当采样频率 时，采样信号能够很好的恢复到原信号而不至发生混迭现象。采样长度、频率分析率、采样频率的关系：本讲稿第三十页，共四十八页 第三节第三节 振动诊断的基础工作振动诊断的基础工作 一、确定诊断对象 重点设备 典型设备 二、选定测量参数 位移 速度 加速度 三、选定监测点 敏感点 关键点 易损点本讲稿第三十一页，共四十八页 四、确定测量周期 定期检测 随机点检 长期监测 专项检测 伍、确定判断标准 1、绝对判断标准 ISO 2372 ISO 3495 VDI 2056 BS 4675 GB 6075-85 ISO 10816本讲稿第三十二页，共四十八页2、相对判断标准 纵向比较（随时间的变化）横向比较（同类设备）第四节第四节 典型零部件故障的振动诊断典型零部件故障的振动诊断转速(转/分)与转频（次/秒）旋转零部件故障与转频及其谐波的关系是主要的故障分析诊断特征。一、转轴组件的故障特征1.不平衡 不平衡：旋转体轴心周围的质量分布不均、使之在旋转过程中产生离心力而引起震动的现象。本讲稿第三十三页，共四十八页不平衡的故障特征：振动方向：以径向为主；振动频率：以旋转频率 为主要频率成分。相位：与旋转标记经常保持一定的角度（同 步）。振幅：随着转速的升高，振幅增长的很快；转速降低时，振幅可趋近于零（共振 范围除外）。2、不同轴（不对中）不同轴：连轴节连接起来的两根轴的中心线 不重合的现象。本讲稿第三十四页，共四十八页不同轴的振动特征：振动方向：易发生轴向振动，如发生的轴乡 振动在径向振动的50%以上，则 存在不同轴；振动频率：普通的连轴节以1 为主，如不同 轴剧烈时，则发生2 、3 等 谐频成分。相位：与旋转标记经常保持一定的角度（同步）振幅：振幅与转速的关系不大本讲稿第三十五页，共四十八页不同轴与不平衡的区分：1）、与转速的关系；2）、频率特性3、机械松动机械松动：因紧固不牢引发的在旋转频率的 一系列谐频上出现较大的振幅。机械松动的振动特征：振动方向：虽无特别容易出现的方向，但垂 直方向的振动出现可能性较大。振动频率：除基本频率 外，可发现高次谐 波（2 、3 ）成分，也会发生 1/、2/等。本讲稿第三十六页，共四十八页相位：与旋转标志同步。振幅：如使转速增减，振幅会突然变大或减 小。4、自激振动自激振动：电磁力作用下产生的振动，其基 本频率就是电源的频率。自激振动的振动特性：定子系统：1）电源电压不平衡（包括线圈不 平衡）；2）磁隙不均；3）磁力中心不正常本讲稿第三十七页，共四十八页转子系统：1）二次线圈不平衡 2）轴弯曲二、齿轮的故障诊断1、齿轮的振动机理 齿轮啮合刚度的周期性变化 齿轮啮入啮出的冲击形成周期性的脉冲激励 振动频率与每次啮合频率一致 啮合频率 -主、从动齿轮的齿数；-主、从动齿轮的转速。本讲稿第三十八页，共四十八页其它引起齿轮异常振动的原因有：1）制造、装配精度2）磨损3）表面疲劳4）塑性变形5）断裂2、齿轮故障的振动诊断 齿面损伤引起的振动特征：故障振动表现为一个调制振动过程，啮合振动的振幅受转频的调制，啮合频率为载频，转频是它的调频，边频带结构是齿轮故障振动的主要特征。本讲稿第三十九页，共四十八页边频带频率成份为 -旋转频率三、轴承的故障诊断1、滚动轴承的振动机理 滚动轴承各运动副中由于磨损、点蚀、压痕、裂纹、表面脱落等引起的周期性脉冲激励。2、滚动轴承故障的振动诊断 在周期性脉冲激励下滚动轴承形成低频和高频振动。本讲稿第四十页，共四十八页1）低频段振动 直接由缺陷引起的周期性冲击振动，各元件的故障特征频率为（外环静止、内环振动）：本讲稿第四十一页，共四十八页滚动体：内滚道：外滚道：-滚动体个数；-滚动体直径；-轴承节径。2）高频段振动：-内环的振动频率。（1）内外环的固有振动频率 频率范围为：本讲稿第四十二页，共四十八页 故障振动诊断复习提纲故障振动诊断复习提纲一、故障信号检测1、传感器 种类：位移、速度、加速度 选型：量程、频响2、信号适调 放大：电荷放大、电压放大 滤波：低通、高通、带通、带阻传感器信号适调信号采集信号记录本讲稿第四十三页，共四十八页3、信号采集：采样：采样定理、采样长度、频率分辨率 4、信号记录 磁带记录仪：模拟量储存（A/D以前）数据记录仪：数字量储存（A/D以后）本讲稿第四十四页，共四十八页二、故障信号分析1、时域分析 均值：mean(x)方差：var(x)有效值（标准差）：std(x)峭度：kurtosis(x)绝对值：abs(x)最大值：max(x)最小值：min(x)求和：sum(x)累积和：cumsum(x)本讲稿第四十五页，共四十八页2、频域分析 快速傅氏变换：f f t(x)逆快速傅氏变换：if f t(x)功率谱密度：psd(x)倒谱分析：rceps(x)3、延时域分析 自相关：xcorr(x,x)互相关：xcorr(x,y)本讲稿第四十六页，共四十八页三、故障诊断 1、故障振动诊断 不平衡的振动特征 不对中的振动特征 机械松动的振动特征 机械共振的振动特征 齿轮的故障的振动特征 轴承的故障的振动特征 2、检测信号的特征与故障振动特征 的分析、比较、综合 本讲稿第四十七页，共四十八页3、什么是故障和故障诊断4、故障诊断的目的 在故障没有造成严重后果之前，及时地发现故障，进行恰当的维护。祝祝 同学们考试成功！同学们考试成功！取得优异成绩！取得优异成绩！本讲稿第四十八页，共四十八页