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第九章第九章 机械设备故障诊断技术及应用机械设备故障诊断技术及应用9.1 机械设备故障诊断技术的意义、目机械设备故障诊断技术的意义、目的和内容的和内容 设备诊断技术是一种了解和掌握设备在使用设备诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常或过程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术障发展趋势的技术 设备诊断技术包括以下设备诊断技术包括以下5方面内容方面内容•1、正确选择与测取设备有关状态的特征、正确选择与测取设备有关状态的特征信号信号•2、正确地从特征信号中提取设备有关状、正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信息态的有用信息•3、根据征兆正确地进行设备的状态诊断、根据征兆正确地进行设备的状态诊断•4、根据征兆与状态正确地进行设备的状、根据征兆与状态正确地进行设备的状态分析态分析•5、根据状态分析正确地作出决策、根据状态分析正确地作出决策9.2 信号的频域分析信号的频域分析 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为变换为频域信号频域信号X(f)，，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。

征 傅里叶傅里叶变换变换1 频域分析的概念频域分析的概念131Hz147Hz165Hz175Hz频域参数对频域参数对应于设备转应于设备转速、固有频速、固有频率等参数，率等参数，物理意义更物理意义更明确9.2 信号的频域分析信号的频域分析  时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小各频率分量大小 图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 9.2 信号的频域分析信号的频域分析 时间幅值频率时域分析频域分析9.2 信号的频域分析信号的频域分析 信号的频谱信号的频谱X(f)代表代表了信号在不同频率分了信号在不同频率分量处信号成分的大小，量处信号成分的大小，它能够提供比时域信它能够提供比时域信号波形更直观，丰富号波形更直观，丰富的信息 时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系2 周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析 周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：足条件： x ( t )　　 =　　 x ( t + nT )任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集级数，如三角函数集 的傅里叶的傅里叶级数级数。

傅里叶级数的表达形式傅里叶级数的表达形式：：9.2 信号的频域分析信号的频域分析 式中式中:傅里叶级数的复数表达形式：傅里叶级数的复数表达形式：T――周期，周期，T=2π/ω0；；ω0――基波圆频率；基波圆频率；f0= ω 0 /2π9.2 信号的频域分析信号的频域分析 频谱图的概念频谱图的概念 工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn (ω 0)为为横坐标，横坐标，bn 、、an为为纵坐标画图，称为实频－虚频谱图；以纵坐标画图，称为实频－虚频谱图；以fn为横坐标，为横坐标， An、、 为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；以以fn为横坐标，为横坐标， 为纵坐标画图，则称为功率谱为纵坐标画图，则称为功率谱 图例图例9.2 信号的频域分析信号的频域分析 例子：方波信号的频谱展开例子：方波信号的频谱展开图示图示：：9.2 信号的频域分析信号的频域分析 波形合成与分解波形合成与分解　　 周期信号都可以用三角函数周期信号都可以用三角函数{sin(2πnf0t), cos(2πnf0t)} 的组合表示的组合表示,也就是说，可以用一组正弦波和也就是说，可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。

余弦波来合成任意形状的周期信号点击图片点击图片进入进入9.2 信号的频域分析信号的频域分析 3 非周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析 非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值这种域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值这种信号的频域分析手段是傅立叶变换信号的频域分析手段是傅立叶变换 或或9.2 信号的频域分析信号的频域分析  与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期T∞，，基频基频fdf，，它包含了从零到无穷大的所有频率分它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为量，各频率分量的幅值为X(f)df，，这是无穷小量，所以频这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述 另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。

的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱9.2 信号的频域分析信号的频域分析 典型信号的频谱分析典型信号的频谱分析　　点击图片点击图片进入进入9.2 信号的频域分析信号的频域分析 4 傅立叶变换的性质傅立叶变换的性质a. 奇偶虚实性奇偶虚实性 　　 b. 线性叠加性线性叠加性 若若 x1(t) ←→ X1(f)，，x2(t) ←→ X2(f) 则：则：c1x1(t)+c2x2(t) ←→ c1X1(f)+c2X2(f) c. 对称性对称性 若若 x(t) ←→ X(f)，，则则 X(-t) ←→ x(-f) d. 时间尺度改变性时间尺度改变性 若若 x(t) ←→ X(f)，，则　则　 x(kt) ←→ 1/k[X(f/k)]e. 时移性时移性 若若 x(t) ←→ X(f)，，则则 x(t±t0) ←→ e±j2πft0 X(f) f. 频移性频移性 若若 x(t) ←→ X(f)，，则　则　 9.2 信号的频域分析信号的频域分析 例子：求下图波形的频谱例子：求下图波形的频谱+X1(f)X2(f)用线性叠加定理简化用线性叠加定理简化9.2 信号的频域分析信号的频域分析 5 频谱分析的应用频谱分析的应用 频频谱谱分分析析主主要要用用于于识识别别信信号号中中的的周周期期分分量量，，是是信信号号分分析析中最常用的一种手段。

中最常用的一种手段案例：在齿轮箱故障诊断案例：在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障机床转速和传动链，找出故障齿轮案例：螺旋浆设计案例：螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围螺旋浆转速工作范围9.2 信号的频域分析信号的频域分析  谱阵分析：设备启谱阵分析：设备启/停车变速过程分析停车变速过程分析 9.2 信号的频域分析信号的频域分析 振动监测保护系统振动监测保护系统 便携式旋转机械振动监测故障诊断仪便携式旋转机械振动监测故障诊断仪 旋转机械振动监测故障诊断专家系统旋转机械振动监测故障诊断专家系统9.3 9.3 状态监测系统状态监测系统状态监测系统状态监测系统1、状态监测的必要性、状态监测的必要性•维修制度从事故、定期向视情维修的转维修制度从事故、定期向视情维修的转变变 •设备老化，故障率增加设备老化，故障率增加 •大量新设备投运，容量增大，复杂性增大量新设备投运，容量增大，复杂性增加加 •提高经济效益提高经济效益 2、状态监测的可能性、状态监测的可能性• 故障诊断理论、技术的不断发展故障诊断理论、技术的不断发展 和完善和完善• 传感器、信号分析和计算机技术的发展传感器、信号分析和计算机技术的发展 第一层次：传感器第一层次：传感器 •位移传感器：测量轴相对轴承的振动位移传感器：测量轴相对轴承的振动•速速度度传传感感器器：：测测量量轴轴承承振振动动，，经经过过一一次次软软件件积积分分或或硬硬件积分可以得到振动位移件积分可以得到振动位移•加速度传感器：测量轴承振动，经过一次积分可以得加速度传感器：测量轴承振动，经过一次积分可以得到振动速度，再经过一次积分可以得到振动位移。

到振动速度，再经过一次积分可以得到振动位移 传感器的配置：传感器的配置：• 小型旋转机械一般只安装速度传感器小型旋转机械一般只安装速度传感器• 大型旋转机械安装速度传感器和涡流传感器大型旋转机械安装速度传感器和涡流传感器• 齿轮和轴承等安装加速度传感器齿轮和轴承等安装加速度传感器• 某些习惯做法某些习惯做法 状状 态态 监监 测测以组态方式实时显示所监测的数据，能自动识别以组态方式实时显示所监测的数据，能自动识别设备的状态，出现异常时可自动报警设备的状态，出现异常时可自动报警 第二层次：二次仪表第二层次：二次仪表 EN3800振动监测保护系统振动监测保护系统主要特点：主要特点：•丰富的显示功能丰富的显示功能•数据记录功能数据记录功能•设置功能丰富设置功能丰富•通道组合功能通道组合功能•可靠的保护功能可靠的保护功能 丰富多彩的显示方法丰富多彩的显示方法 主画面主画面动态显示每个通道的棒图，通道名称，动态显示每个通道的棒图，通道名称，报警值，危险值，实时值以及投保状态等报警值，危险值，实时值以及投保状态等丰富多彩的显示方法（续）丰富多彩的显示方法（续） 数字显示数字显示: :画面以大号阿拉伯数字满屏显画面以大号阿拉伯数字满屏显示通道的实时值，显示清晰醒目。

示通道的实时值，显示清晰醒目第三层次：振动分析（人工诊断第三层次：振动分析（人工诊断 ））振动三要素：振幅、频率和相位振动三要素：振幅、频率和相位 振幅（振幅（A A））一般用振动的位移、速度或加速一般用振动的位移、速度或加速度表示位移一般用微米度表示位移一般用微米(μm)(μm)表示，现场也有表示，现场也有用丝为单位，用丝为单位，1 1丝丝=10μm=10μm；；速度一般用速度一般用mm/smm/s表示，表示，加速度一般用加速度一般用m/sm/s2 2或重力加速度或重力加速度g g表示 振幅一般是计算一段时间内振动波形的峰振幅一般是计算一段时间内振动波形的峰峰值、平均值和均方根值（有效值）速度的有峰值、平均值和均方根值（有效值）速度的有效值称为振动烈度，反映振动的能量大小效值称为振动烈度，反映振动的能量大小 频频 率率 频率（频率（f f））是具有周期性变化规律的物理量在单位时间是具有周期性变化规律的物理量在单位时间内的循环次数内的循环次数 由于振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍，通常由于振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍，通常表示为机器转速的倍数，如：表示为机器转速的倍数，如： 1X=1×rpm 1X=1×rpm 表示振动频率和机器的转速相同表示振动频率和机器的转速相同 0.43X=0.43×rpm 0.43X=0.43×rpm 表示振动频率是机器转速的表示振动频率是机器转速的4343％％ 频率是用来分析设备故障的主要参数。

有些故障通频率是用来分析设备故障的主要参数有些故障通常表现为特定的频率，但常表现为特定的频率，但振动频率和故障之间并不存在简单振动频率和故障之间并不存在简单的一一对应关系的一一对应关系 相相 位位 相位相位( (φφ) )是用角度来表示的两个信号之间的计是用角度来表示的两个信号之间的计时关系振动相位指从键相器信号触发到振动信号时关系振动相位指从键相器信号触发到振动信号第一个正峰值之间的角度第一个正峰值之间的角度 相位的测量对于确定转子上的高点、转子的临相位的测量对于确定转子上的高点、转子的临界转速以及诊断故障和进行动平衡等都是非常重要界转速以及诊断故障和进行动平衡等都是非常重要的故故 障障 分分 类类 根据故障机理分为强迫振动和自激振动根据故障机理分为强迫振动和自激振动•稳定的强迫振动：基频振幅、相位不随运行时间稳定的强迫振动：基频振幅、相位不随运行时间和运行工况变化而变化，如质量不平衡和运行工况变化而变化，如质量不平衡•不稳定强迫振动：如碰摩不稳定强迫振动：如碰摩A∝ ∝Р/Κ式式中：中：A—振幅；振幅；P—激振力；激振力；Κ—部件动刚度部件动刚度。

自激振动：强迫振动是存在外来的扰动力或部自激振动：强迫振动是存在外来的扰动力或部件动刚度下降，而自激振动是系统内部存在能量件动刚度下降，而自激振动是系统内部存在能量反馈环节反馈环节 强迫振动的频率与转子的工作频率强迫振动的频率与转子的工作频率有关，而自激振动频率与固有频率有关有关，而自激振动频率与固有频率有关故障分类故障分类 （续）（续）根据故障频率分为低频振动、倍频振动和高频振动根据故障频率分为低频振动、倍频振动和高频振动 •低频振动：振动频率低频振动：振动频率<1X，，如气蚀•倍频振动：振动频率倍频振动：振动频率=1~2X，，如不平衡如不平衡•高频振动：振动频率高频振动：振动频率>=3X，，如松动 根据故障的特征频率来诊断故障水轮机故障根据故障的特征频率来诊断故障水轮机故障频率从低到高的顺序大致如下：水力因素（尾水频率从低到高的顺序大致如下：水力因素（尾水管涡动管涡动→气蚀）气蚀）→机械因素（质量不平衡机械因素（质量不平衡→不对不对中）中）→松动松动→电磁因素（电磁力不平衡）电磁因素（电磁力不平衡） 波形波形- -频谱频谱- -轴心轨迹轴心轨迹可动态显示当前振动的时域波形、频谱、轴心轨迹，可动态显示当前振动的时域波形、频谱、轴心轨迹，从中可了解机组故障和损坏的原因及程度从中可了解机组故障和损坏的原因及程度轴系仿真图轴系仿真图可以根据所监视各轴承的振动摆度信号，真可以根据所监视各轴承的振动摆度信号，真实地模拟机组轴系的运行过程实地模拟机组轴系的运行过程 。

波特图波特图- -极坐标图极坐标图显示振幅及相位随转速的变化从中可确定临界显示振幅及相位随转速的变化从中可确定临界转速及机器状态的变化转速及机器状态的变化级级 联联 图图显示开停机过程中振动随转速的变化，它可以显示开停机过程中振动随转速的变化，它可以清楚描述开停机过程中机组状态的变化清楚描述开停机过程中机组状态的变化瀑瀑 布布 图图显示振动随转速、电压和导叶开度（负荷）的显示振动随转速、电压和导叶开度（负荷）的变化，可反映在一定时间内机器状态的变化变化，可反映在一定时间内机器状态的变化相关趋势图相关趋势图可显示振动和过程参数中任意一参数与其可显示振动和过程参数中任意一参数与其他参数之间的相互关系他参数之间的相互关系动动 平平 衡衡 计计 算算 •能自动计算影响系数能自动计算影响系数•具有多面影响系数动平具有多面影响系数动平衡计算程序衡计算程序•具有谐分量法动平衡计具有谐分量法动平衡计算程序算程序•具有矢量加减功能具有矢量加减功能•能估算机组的剩余振动能估算机组的剩余振动网网 络络 通通 讯讯 •提供开放的网络接口提供开放的网络接口•可与各种巡检仪、现场可与各种巡检仪、现场仪表、仪表、DCSDCS系统通讯系统通讯•可与电厂可与电厂MISMIS系统通讯系统通讯•可通过远程登陆与远方可通过远程登陆与远方工作站进行远程通讯工作站进行远程通讯•提供快速、可靠的远程提供快速、可靠的远程服务网络接口服务网络接口第四层次：专家系统第四层次：专家系统• 具有开放的诊断知识库具有开放的诊断知识库• 可对简单振动问题进行自动诊断，给出发生故可对简单振动问题进行自动诊断，给出发生故障的可能原因和置信度障的可能原因和置信度• 对复杂振动问题提供人工对话诊断，协助专家对复杂振动问题提供人工对话诊断，协助专家诊断诊断• 可给出诊断结果的解释及特定故障处理意见可给出诊断结果的解释及特定故障处理意见• 提供丰富的典型故障案例及各种故障图谱提供丰富的典型故障案例及各种故障图谱专家系统总体结构专家系统总体结构诊断知识库管理系统诊断知识库管理系统自动诊断界面自动诊断界面对话诊断征兆获取界面对话诊断征兆获取界面故障诊断帮助界面故障诊断帮助界面系统主要特点系统主要特点 • 针对被监测对象的特点进行软件和硬件设计，保证了数据的针对被监测对象的特点进行软件和硬件设计，保证了数据的准确性和功能的适用性；准确性和功能的适用性；• 系统硬件配置灵活，分析诊断软件全部在中文系统硬件配置灵活，分析诊断软件全部在中文WindowsWindows下用下用高级语言自行研制，二次开发能力强，操作简便；高级语言自行研制，二次开发能力强，操作简便；• 信号分析功能齐全，包括时域分析、频域分析、瞬态分析和信号分析功能齐全，包括时域分析、频域分析、瞬态分析和趋势分析等，并具有图形打印和动平衡计算等功能；趋势分析等，并具有图形打印和动平衡计算等功能；• 卓越的诊断能力。

科学的诊断理论、完善的知识处理模式和卓越的诊断能力科学的诊断理论、完善的知识处理模式和先进的计算机技术的结合，保证了诊断结果的可靠性；先进的计算机技术的结合，保证了诊断结果的可靠性；• 强大的网络通讯功能，保证随时随地了解机组的状态强大的网络通讯功能，保证随时随地了解机组的状态。