振动模态分析在故障诊断中的应用.docx

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1、吐京信息科枝布松机械模态分析作业学 院 机电工程学院专业名称班级学号姓名机械工程研1302班2022020067程皖南10 James G H IIL Carne T G, The natural excitation technique (Next) for modal parameter extraction From Operating Structures. The International Journal of Analytical and Expermental Modal AnalysisJ， 1995, 10(4)： 260-277.11赵远.基于工作模态的减速器状态监测和故

2、障诊断的方法讨论M.太原理工高校，2022.12 Ibrabim S.R. Modal identification techniques assessment and comparison, proc of 3rd IMACfJ, 1985: 119-125Peeters B, De Roeck G. Stochastic System Identification for Operational Modal Analysis: A Review J. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2001, 123(12)： 6

3、59-667.14张生.基于振动信号处理及模态分析的机械故障诊断技术讨论D.燕山高校.2022.15 Zhang Liguo, Wang Yutian, Zhang Sheng, Hao Guangpu. Intennational Conference on Measuring Technology and Mechatronics AutomationC, 2022, 1： 738-741.16汪江，杜晓峰，出万军，陈自年.500Kv大跨越输电塔振动在线监测与模态分析系统J.电网技术， 2022, 34(10)： 180-184.17程壬行，赵远.工作模态分析在减速器监测和诊断中的应用J.

4、振动、测试与诊断，2022, 3(X2) 197-200. 18曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分析一理论、试验与应用M.天津：天津高校出版社，2001.3.振动模态分析在故障诊断中的应用摘要：首先介绍故障诊断、振动模态分析方法内涵以及国内外进展的现状。其次，通过引例对基于振动的 模态分析在故障诊断中的应用进行了具体的介绍。最终，指出将现代技术与多种诊断方法相互融合形成的 集成化智能诊断技术是振动模态分析机械故障智能诊断技术将来的重要进展趋势。关键词：故障诊断；模态分析；振动The Application of Modal Analysis in Fault DiagnosisAbstra

5、ct: First, the paper introduces the concept of fault diagnosis, modal analysis and vibration analysis. Secondly, it demonstrates important application of modal analysis based on vibration by citing threes examples. At the end, summarize the domain trend that the future of modal analysis is to integr

6、ate modern technology and several integrated intelligent in fault diagnosis.Keywords: fault diagnosis; modal analysis; vibration1引言1.1 故障诊断定义及其进展故障诊断（FD）始于（机械）设施故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断（CMFD）。它包含两方面 的内容：一是对设施的运行状态进行监测；二是在发觉特别状况后对设施故障进行分析、诊断。设施故障诊断是随设施管理和设施修理进展起来的。欧洲各国在欧洲修理团体联盟（FENMS）的推动 下，主要以英国提倡的设施综合工程学为

7、指导；美国以后勤学（Logistics）为指导；日本汲取两者特点, 提出了全员生产修理（TPM）的观点。美国自1961年开头执行阿波罗方案后，消失一系列因设施故障造成 的事故，导致1967年在美国宇航局（NASA）提倡下，由美国海军讨论室（0NR）主持成立了美国机械故障 预防小组（MFPG）,并乐观从事技术诊断开发。英国在6070年月，以Collacott为首的英国机器保健和 状态监测协会（MHMG&CMA）最先开头讨论故障诊断技术。英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断 方面具有领先地位。日本的新日铁子1971年开发诊断技术，1976年达到有用化。日本诊断技术在钢铁、 化工和铁路等部门处

8、于领先地位。我们我国在故障诊断技术方面起步较晚，1979年才初步接触设施诊断技术。目前我们我国诊断技术在 化工、冶金、电力等行业应用较好。故障诊断技术经过三十年的讨论与进展，已经用于飞机自动驾驶、人 造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程和设施、飞机和船舶发动机、 汽车、冶金设施、矿山设施和机床等领域。 故障诊断技术自身进展过程，大致可以归纳为3个阶段：（1）离线的FFT分析仪阶段20世纪80年月初、中期，通过磁带纪录仪到现场纪录振动信号，然后 回试验室输入FFT分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹， 分析方法单一，基本上只能

9、查幅值、频率。（2）离线或在线的计算机帮助监测、诊断阶段20世纪80年月末至90年月中期，通过计算机完成信 息采集、信号分析、数据管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，甚至更加注意幅值、频 率、相位信息的全面、综合采用，同时涌现出专家帮助诊断系统。（3）网络化监测、诊断阶段20世纪90年月末以来，充分采用企业内部局域网和Inteimet网络，做 到资源共享、节约投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、 压力、温度等工艺过程量，对设施运行状态的把握更加全面、精确，实现了真正意义上的专家远程诊断。有专家预言：基于人工智能的故障诊断专家系统和基于人工神

10、经网络理论的诊断系统将是故障 诊断技术进一步进展的方向。1.2 模态分析定义及其进展模态分析经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦， 成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析方法主要分三类，分别是试验模态分析EMA、工作模态分析OMA和工作变形分析ODS。(1)试验模态分析E (Experimental Modal Analysis, EMA),也称为传统模态分析或经典模态分析, 是指通过输入装置对结构进行激励，在激励的同时测量结构的响应的一种测试分析方法。输入装置主要有 力锤和激振器，因此，试验模态分析又分为力锤激励

11、EMA技术和激振器激励EMA技术。(2)工作模态分析(Operational Modal Analysis, OMA),也称为只有输出的模态分析，而在土木 桥梁行业，工作模态分析又称为环境激励模态分析。这类分析最明显的特征是对测量结构的输出响应，不 需要或者无法测量输入。当受传感器数量和采集仪通道数限制时，需要分批次进行测量。(3)工作变形分析(Operational Deflection Shape, ODS),也称为运行响应模态。这类分析方法也 只测量响应，不需要测量输入。但是它跟OMA的区分在于，OMA得到的是结构的模态振型，而ODS得到的 是结构在某一工作状态下的变形形式。此时分析出来

12、的ODS振型已不是我们常说的模态振型了，它实际是 结构模态振型按某种线性方式叠加的结果。目前，结构设计已经从过去传统的单纯静力强度设计转化为动力强度、动力稳定性及疲惫设计。随着 对结构动态特性的深化了解，渐渐把握共振原理，使结构动态平安性得到了保证，并大大减小了结构的重 量和尺寸。但实践又证明，单单采纳避开共振的方法亦不能完全解决振动问题。由于影响结构振动的因素 非常简单，因此要解决振动问题必需对结构的载荷特性、结构系统本身动态特性以及四周所处的环境及条 件等因素进行全面的分析及了解。结构系统本身的动态特性，通常是用结构动力系统的振动模态参数来描 述的。结构动力学系统的振动模态参数识别，则是依

13、据试验测到的有限信息、，来近似地确定系统的振动特性。 所识别的动力参数，无论是对于修改有限元模型、振动掌握的设计、结构优化以及故障诊断等问题都有重 要的意义。下面以试验模态分析(EMA)和工作模态分析(OMA)为例介绍模态分析的进展过程，以及对在模态分 析理论进展过程中对该技术的应用状况做一下综述。(1)试验模态分析(EMA)通过试验和数据处理识别实际结构的动力模型，是最近几十年来结构动力特性讨论的一个重要进展。 试验模态分析方法与理论计算模态分析方法一起，成为解决简单结构动态特性设计的重要手段。采纳模态 分析方法，把简单的实际结构简化为模态模型进行系统的响应计算，大大简化了系统的数字运算。振

14、动系 统的模态参数是描述系统动态特性的参数，它包括固有频率、固有阵型、模态质量、模态刚度和模态阻尼 比。试验模态分析就是通过试验的方法猎取这些参数。其基本内容是振动理论基础，振动试验数据的精确 测量和有效的数据分析等的全面综合。试验模态分析软件把这几方面内容胜利综合在一起通过计算机和分 析仪器实现。比如，试验模态分析技术在桥梁动态特性分析和工作状态监测、故障诊断方面有比较好的应 用。模态分析软件近年来在国内外进展很快，美国Structural Measuremeat System, Inc.推出的MODAL 3. 0 Modal Analysis System是最胜利的一套模态分析软件，很快地

15、被全世界所采纳。此软件和有限元分 析结合到一起可通过试验和分析的方法解决结构振动问题。分析仪采纳两通道或多通道FFT动态信号分析 仪，例如美国施伦伯杰仪器公司生产的SI1220信号分析仪，美国HP3562, SD380,丹麦BK公司生产的2032, 日本生产的920等等。也有专用于模态分析的FFT分析仪，例如英国SH202,美国HP5423等等。由于大规模集成电路的进展和微型计算机的普及应用，结构分析软件已进展到采纳IBMPC-AT和PS/2 等微型机，由结构测量系统(SMS)进展到STAR系统。STAR系统可以完成从模态分析到声学分析及供应高质 量的报告。(2)工作模态分析(0MA)传统的试

16、验模态分析方法是建立在系统输入输出数据均已知的基础上，采用激励和响应的完整信息进行参数识别，然而这些方法在具体应用时还是存在局限性，由于对于某些实 际工程结构，要获得输入激励的完整信息是难以实现的，或者根本就没有获得任何输入信息。针对传统的 试验模态分析方法的局限性，进展仅基于响应数据的工作模态分析技术就显得尤其重要。采纳工作模态分 析技术可以避开对输入信息的采集，这样也就解决了传统分析方法中很多状况下输入不行测的问题。工作模态分析亦常称为环境激励下的模态分析，只有输出或激励未知条件下的模态分析，是近年来模 态分析领域进展活跃、新理论新技术的应用层出不穷的一个讨论方向，被视为对传统试验模态分析

17、方法的 创新和扩展。工作模态分析的优点是：仅需测试振动响应数据，由于这些数据直接来源于结构实际所经受 的振动工作环境，因而识别结果更符合实际状况和边界条件，无需对输入激励进行测试，节约了测试费用。 采用实时响应数据进行模态参数识别，其结果能够直接应用于结构的在线健康监测和损伤诊断。工作模态分析的理论和思想的提出早在20世纪70年月初期就开头了。Ibrahim时域法被提出，极大 推动了工作模态分析技术的进展。随后，多输人多输出(MIMO)参数辨识技术也被相继推出，广泛运用的时 域模态辨识方法有多参考点复指数法(Polyreference Technique),特征系统实现算法(ERA)等。目前，

18、工 作模态辨识的其他主要方法还有功率谱密度(PSD)函数的峰值提取方法、建立自回归滑动平均(ARMA)模型 的时间序列分析法、结合时域参数识别的随机减量(RD)技术等。1965年Clarkson和Mercer提出访用相互 关函数估量承受白噪声激励下结构的频响特性，从而提出了当激励未知时使用相关函数替代脉冲响应函数 的思想框架。20世纪90年月以来，美国Sandia我国试验室结合时域模态辨识方法，提出了 NExT技术5， 采用结构在环境激励下响应的相关函数进行工作模态识别。在国内，南京航空航天高校振动工程讨论所也始终从事着模态分析的讨论工作，从传统的模态分析到 工作模态分析，也包括只采用响应数据

19、进行系统模态参数识别方法的讨论，并且发表了多篇关于环境激励 下工作模态参数识别的文章。此外中国振动协会和上海交通高校振动、冲击、噪声我国重点试验室以及哈 尔滨工业高校等也致力于讨论工作模态参数识别方法。采用无故障设施的数学模型连同无故障的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息，与故障设施的 振动响应进行比较，从而推断设施故障的位置和程度。众所周知，设施结构一旦消失故障或损伤，结构参 数随之发生转变，从而导致系统的频率响应函数和模态参数(频率和振型等)的转变，所以，模态参数的转 变可以视为设施发生早期故障的标志识别过程如下首先，对被测设施进行在线试验并进行数据采集；其次，依据所采集的试验数据进行

20、动态响应测量与 模态参数识；再次，找到系统的各阶模态以及各阶振动频率；然后依据测得的模态及振动频率对被测设施 故障前后进行模态比较并进行模态分析；最终通过比较以确定故障位置和程度。这就是采用模态参数识别 的方法进行故障诊断监测的基本思路。环境激励下的模态参数辨识的方法主要有：峰值法(PP)、频域分解 法(FDD)、复模态指示函数法指MIF)、随机减量法(RD)、ITD法、最小二乘复指数法(LSCE)、多参考点复 指数法(PRCE)、NEXT、随机子空间法(SSI)、时间序列分析、阅历模式分解法(EMD)、小波分析法, Hilbert-Huang变换法等o基于振动模态分析的技术介绍几年来，由于计

21、算机技术、FFT分析仪、高速采集系统以及振动传感器激励器等技术的进展，试验模 态分析得到了快速的进展受到了机械、电力、。建筑、水利、航空、航天等很多产业部门的高度重视。目 前，已经有多种层次、各种原理的模态分析硬件以及软件问世。综合各种模态分析方法，大致均可分为四 个基本过程：(1)动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析1)激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加肯定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振 力信号，依据力及响应信号，用各种参数识别方法猎取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出(SISO)、单输入多输出(SIMO)多输入 多输出(MIMO)三种方

22、法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机(包括白 噪声、宽带噪声或伪随机)、瞬态激励(包括随机脉冲激励)等。2)数据采集。SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应 点位置的方法取得振形数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量 的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。3)时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估量、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。(2)建立结构数学模型依据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依 据。目前一般假定系统为线性的。由于采纳的识别方法不同，也分为频

23、域建模和时域建模。依据阻尼特性 及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。(3)参数识别按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再 回到频域中识别振型，激励方式不同(SISO、SIMO, MIMO),相应的参数识别方法也不尽相同。并非越简 单的方法识别的结果越牢靠。对于目前能够进行的大多数不是非常简单的结构，只要取得了牢靠的频响数 据，即使用较简洁的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最简单的数学模型、最高级的拟 合方法，假如频响测量数据不行靠，则识别的结果肯定不会抱负。4)振形动画参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相

24、应各阶 模态的振形。由于结构简单，由很多自由度组成的振形也相当简单，必需采纳动画的方法，将放大了的振 形叠加到原始的几何外形上。以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。而支持这个过程的除了激振拾振装置、双通道FFT分析 仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必需适合 各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动 在屏幕上三维实时动画显示。2振动模态分析在故障诊断中的应用振动模态分析对于一个简洁的支架壳单元，采用有限元软件HYPERWORKS对支架建模并进行模态分析。其中，材料 属性为:杨氏模量E=2.

25、2xl05,泊松比一二0属,材料密度P =7800kg/n)3。图1支架三维示意图Fig.l 3-d graph of braceModel infm F /hyperwofks/cd2/model/CHFy6 2, Vchannel_brkt_modaModel infm F /hyperwofks/cd2/model/CHFy6 2, Vchannel_brkt_modaMode info F hyperwork3Vcd2rnocJehCb66 2 八channelJ5fki_modaResuH F /hypenvork$/cmodei/CH6y6 2 1 f channel_brkt_m

26、oda2 h3 Result F：hypen*orkscd2modelC?-66 2 1 kchannel_brkt_modal 1 h3d Subcase 1 (ormal_mGde$): Mode I F = 1 243279E刊2Subcase 1 (normal-modes) odo 1 F - 1 261584E-*O2Frame 4Frame 4Model info, F /hyperwofks/cdjymodel/CHB/F 2 1/cannel_brkt_mod.3 Result: F7hypefv/orksycd2/model/Ci-fi/E 2.Vchannel b4c!_

27、modaQ.h3d Subcase 1 (normal modes) Mode 2 - F = 2.627779E*O2 frame 4Model info, F /hyperwofks/cdjymodel/CHB/F 2 1/cannel_brkt_mod.3 Result: F7hypefv/orksycd2/model/Ci-fi/E 2.Vchannel b4c!_modaQ.h3d Subcase 1 (normal modes) Mode 2 - F = 2.627779E*O2 frame 4Model mfo F hype”rk外cdKmodaACH662 1 channel_

28、brtt_mod3 Result: FAhyperv/orkscd2modeKCH6B.2 channel brt02 Frame 4Model info F /hyperworkYccQ/mndRl/CHS/K ? 1 /ohanr*1 C U RCQP l rwK imi a-TTfB IV M Vl ， 1J。：S.IP3“”X“a i.m)1-3FMQX6 ” HK m?=，. SXMU 1TH.44；X41-891.S3S.Q9X. VTG幺 1”，】UU4 4M图7十阶模态振型图Fig. 7 The former ten modal shape表3齿轮箱的固有频率(HZ)Table

29、.3 Natural frequencies of gear box (HZ)modesNormal /HzFault /Hzshape1503.06502.99No obvious deformation2557.34549.35彳578.95552.994603.17598.27581837608.33Defonnalion on the top6826.0677437Deformation at the bottom7X75.I2841928897.16843.08Big Deformation on back and lop9954.71874.9010969.00891.26TABL

30、E LCompare normal freq with fault freq仿真得到前十阶模态固有振型如上图，高阶固有振型要比低阶固有振型对齿轮箱的振动影响大，固有 频率越高其振动越猛烈，对结构影响越大，因此高阶振型对齿轮箱的动态特性起打算性作用。故应避开外 界载荷频率过高，对齿轮箱造成损失。通过振型可看出箱体前后壁以及箱体与传动轴接触部分易产生变形, 是齿轮箱的薄弱环节。齿轮箱底部边缘振型变形较大，是定螺栓的松动或者断裂造成的，箱体后壁和顶部 的较大变形也是由于连接螺栓的松动或者脱落所造成的。3结束语尽管应用模态分析的方法进行故障诊断在近年来得到了很大的进展，并应用于诸多领域，比如航空发 动

31、机故障诊断、桩基工程质量检测以及机床加工过程中的颤振的讨论等。通过模态分析的方法测得结构物 理参数的变化，并依据这些参数的变化状况推断出故障类型或者是故障位置。然而，应用模态分析进行故 障诊断的方法有自身的特点，因而也有局限性，并非全部故障都可以由这种方法推断。一般来讲，应用模 态分析方法对动态故障诊断效果优于对静态故障的诊断，对大型简单结构故障诊断的效果优于对简洁小型 结构的故障诊断，这也是模态分析用于故障诊断和状态监测的优势所在四一网。 因此，模态分析的方法在 故障诊断和状态监测的应用还有很长的路要走，这是需要人们不断去努力讨论的。经过人们的不断讨论， 模态分析的方法将在故障诊断和状态监测

32、中发挥更大的作用。参考文献1廖博瑜.机械故障诊断基础M.北京：冶金工业出版社,1995.2赵永满，梅卫江，吴疆，王春林.机械故障诊断技术进展及趋势分析J.机床与液压，2022, 37(10), 255-256.3 Zhi-Fang Fu, Jimin He. Modal Analysis, Butterworth-HeinemannJ 2001:3-104张令弥.模态试验与分析的进展(三)一试验模态分析系统J.振动与冲击，1989.5朱强.试验模态分析技术进展综述J.西飞科技，1992.6梁君,赵登峰.工作模态分析理论讨论现状与进展J.电子机械工程.2006, 22(6)： 7-8.7李碧华，蔡德福,宋汉文.试验模态分析技术用于桥梁状态监测J.上海力学，1998, 19(1)： 68-71.8 The STAR System-Structural Analysis Software for the IBM PC-AT and PS/2M.洪宝林(译).9宋汉文，华宏星，傅志方.工况模态分析理论的概念、应用和进展J.振动工程学报.2004, 17(S)： 658-659.