1、第第4章章 振动监测技术振动监测技术l学习目标：学习目标：1.了解振动基础知识、振动测试传感器、记录及分析仪器了解振动基础知识、振动测试传感器、记录及分析仪器 2.掌握振动诊断的基础工作；掌握振动诊断的基础工作；3了解信号分析与处理中的常用了解信号分析与处理中的常用数学变换数学变换、时间序列分、时间序列分析及析及信号处理信号处理的一些特殊方法的一些特殊方法;4.掌握时域诊断方法和掌握时域诊断方法和功率谱功率谱诊断方法。诊断方法。5.掌握掌握转轴组件、齿轮、滚动轴承转轴组件、齿轮、滚动轴承的故障振动的基本特征的故障振动的基本特征和诊断方法。和诊断方法。l学习难点：学习难点：（1）功率谱诊断方法、
2、数学变换的工程作用。）功率谱诊断方法、数学变换的工程作用。（2）齿轮、滚动轴承的故障）齿轮、滚动轴承的故障振动特征振动特征。第第4章振动监测技术章振动监测技术l内容概述：内容概述：本章介绍机械振动基本知识、测试仪器、本章介绍机械振动基本知识、测试仪器、信号分析与处理信号分析与处理中的常用中的常用数学变换数学变换、时域诊、时域诊断方法、断方法、功率谱功率谱诊断方法、时间序列分析及诊断方法、时间序列分析及信号处理的一些特殊方法。另外着重介绍了信号处理的一些特殊方法。另外着重介绍了转轴组件、齿轮、滚动轴承转轴组件、齿轮、滚动轴承等典型机械零部等典型机械零部件故障振动的基本特征和它们的故障诊断方件故障
3、振动的基本特征和它们的故障诊断方法。法。第第4章章 振动监测技术振动监测技术41 机械振动基础机械振动基础4.1.1 振动的分类及其特点振动的分类及其特点（1）按激振方式分）按激振方式分 自由振动自由振动:外界有初始激励外界有初始激励,自身弹性力自身弹性力或惯性力的作用或惯性力的作用,阻尼阻尼 受拍振动受拍振动:外界施加交变力外界施加交变力 自激振动自激振动:外界有输入外界有输入,自身产生交变力自身产生交变力（2）按振动规律分）按振动规律分 确定性振动确定性振动:周期周期(简谐振动简谐振动复杂周期复杂周期)、非周期非周期 41 机械振动基础机械振动基础 随机振动随机振动:不确定性不确定性 平稳
4、平稳随机振动随机振动 非平稳随机振动非平稳随机振动 许多机械故障产生的振动具有周期性许多机械故障产生的振动具有周期性,但经常淹没在随机信号的噪音中但经常淹没在随机信号的噪音中!（3）按振动频率分）按振动频率分 低频（小于低频（小于10Hz）、中频（）、中频（1000Hz）、）、高频（大于高频（大于1000Hz）41 机械振动基础机械振动基础4.1.2 振动参量振动参量（1）振幅）振幅:用用位移位移速度速度加速度加速度表示表示（2）频率）频率:每秒振动的次每秒振动的次数数 周期的倒数周期的倒数 角频率角频率:（3）相位）相位:22fT42 振动测试系统振动测试系统4.2.1 常用的振动传常用的振
5、动传感器原理感器原理（1）压电加速度传感）压电加速度传感器器 1）工作原理）工作原理 发电原理发电原理,机械能机械能转换成电能转换成电能!电荷微弱电荷微弱,需要放需要放大大 （1）压电加速度传感器）压电加速度传感器 2）测量电路）测量电路:电荷放大器电荷放大器和和电压放大器电压放大器 3）传感器的结构）传感器的结构 4）性能指标）性能指标 5)安装方法安装方法:尽量保证尽量保证:传感器壳体与被测对象的振动传感器壳体与被测对象的振动一致性一致性!6）测量误差来源及使用注意事项）测量误差来源及使用注意事项（2）磁电式速度传感器）磁电式速度传感器 工作原理工作原理:线圈运动切割磁力线产生感生电流线圈
6、运动切割磁力线产生感生电流 结构与性能指标结构与性能指标（3）电涡流振动位移传感器）电涡流振动位移传感器 工作原理工作原理:高频电流通过线圈高频电流通过线圈-高频电磁场高频电磁场-金属板金属板产生电涡流产生电涡流-对抗磁场对抗磁场-线圈阻抗变化线圈阻抗变化 等效电路等效电路测量电路测量电路电涡流传感器的结构电涡流传感器的结构 性能特点及使用注意事项。性能特点及使用注意事项。电涡流传感器电涡流传感器4.2.1 常用的振动传感器原理常用的振动传感器原理（4）振动传感器的选用原则）振动传感器的选用原则 主要性能指标主要性能指标 测量范围测量范围:测量的幅度范围测量的幅度范围 频响范围频响范围:测量的
7、频率范围测量的频率范围 灵敏度灵敏度 精度精度 稳定性稳定性42 振动测试系统振动测试系统 4.2.2 信号记录与处理设备信号记录与处理设备（1）磁带机）磁带机（2）数据采集器）数据采集器 数据采集的基本原理：完成一个采样过程，数据采集的基本原理：完成一个采样过程，将数据存储起来。将数据存储起来。采样定理：采样定理：为防止混叠，采样频率必须不小为防止混叠，采样频率必须不小于于2倍信号中的最大频率成分倍信号中的最大频率成分。fs2fmax。数据采集器的主要性能指标：数据采集器的主要性能指标：数据采集器的两种主要类型：同步采集、巡回数据采集器的两种主要类型：同步采集、巡回采集。采集。（3）信号分析
8、与处理设备）信号分析与处理设备 计算机计算机、其他信号分析及记录仪、其他信号分析及记录仪、Hp356243 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础实际测量的某机械设备振动信号实际测量的某机械设备振动信号43机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础4.3.1 信号分析与处理中的常用数学变换信号分析与处理中的常用数学变换（1）付里叶（）付里叶（Fourier）变换）变换 付里叶级数付里叶级数 付里叶变换付里叶变换 付里叶逆变换付里叶逆变换 离散付里叶变化（离散付里叶变化（DFT）工程计算方法）工程计算方法 快速付里叶变换（快速付里叶变换（FFT）快速工程计算方法）
9、快速工程计算方法dtetxfXftj2)()(dfefXtxftj2)()(43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 数学原理到工程应用：数学原理到工程应用：函数、信号、时间函数、信号、时间历程、揭示信号的频率分布；历程、揭示信号的频率分布；（2）拉普拉斯（）拉普拉斯（Laplace）变换）变换（3）Z变换：离散系统的拉斯变换变换：离散系统的拉斯变换（4）西尔伯特（）西尔伯特（Hilbert）变换：同一域中函）变换：同一域中函数互相映射；数互相映射；（5）小波变换小波变换：寻找突变信号寻找突变信号；突变信号信突变信号信息量大。息量大。43 机械振动信号的分析与处理基础机械
10、振动信号的分析与处理基础4.3.2 振动信号的时域分析振动信号的时域分析 基于特征参量数值变化或图形变化的监测诊断原基于特征参量数值变化或图形变化的监测诊断原理理。（1）统计特征分析）统计特征分析 1）均值：静态分量。）均值：静态分量。2）均方值和）均方值和均方根值均方根值：信号的平均能量信号的平均能量，是，是机械状态监测的重要指标（机械状态监测的重要指标（ISO2372）。）。3）方差和均方差（标准差）：相对于均值的）方差和均方差（标准差）：相对于均值的波动。方差的变化（变大）可以反映机械设备的波动。方差的变化（变大）可以反映机械设备的状态变化。状态变化。43 机械振动信号的分析与处理基础机
11、械振动信号的分析与处理基础 4）概率密度函数：概率密度函数图形的）概率密度函数：概率密度函数图形的变化反映机械设备的状态变化。变化反映机械设备的状态变化。例：例：相同型号机器的振动速度的概率密度相同型号机器的振动速度的概率密度函数图形。图形较为分散的是状态不好的函数图形。图形较为分散的是状态不好的机器，图形集中在原点的是状态良好的机机器，图形集中在原点的是状态良好的机器。器。为什么？为什么？5）幅值参数：）幅值参数：43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 有量纲型：有量纲型：方根幅值方根幅值 平均幅值（均值）平均幅值（均值）均方幅值（均方根值）均方幅值（均方根值）峰值峰
12、值 峭度峭度221)(|dxxPxXrdxxPxx)(|212)(|dxxPxXrms|)(|maxtxEXp4144)(dxxPxX43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 无量纲型：无量纲型：波形指标波形指标K：均方幅值：均方幅值/平均幅值平均幅值 峰值指标峰值指标C：峰值：峰值/均方幅值均方幅值 脉冲指标脉冲指标I：峰值：峰值/平均幅值平均幅值 裕度指标裕度指标L：峰值：峰值/方根幅值方根幅值 峭度系数峭度系数S：峭度：峭度/均方幅值均方幅值 高阶数的参量更能反应信号中的冲击成分。高阶数的参量更能反应信号中的冲击成分。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的
13、分析与处理基础例：汽车后桥齿轮在不同运行状态下振动加例：汽车后桥齿轮在不同运行状态下振动加速度信号的无量纲指标：脉冲指标速度信号的无量纲指标：脉冲指标I、峰值、峰值指标指标C、波形指标、波形指标K。从图形上看，脉冲指。从图形上看，脉冲指标标I、峰值指标、峰值指标C变化明显，可以作为齿轮变化明显，可以作为齿轮状态的诊断指标，状态的诊断指标，I比比C变化幅度更大。而变化幅度更大。而波形指标波形指标K的变化很小。的变化很小。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础（2）相关分析）相关分析 1）自相关函数）自相关函数 自相关函数的一个重要性质：自相关函数的一个重要性质：周期信号的
14、周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号自相关函数仍然是同频率的周期信号，但，但不具有原信号的相位信息。不具有原信号的相位信息。不衰减的自相关函数与衰减的自相关函数。不衰减的自相关函数与衰减的自相关函数。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 例：例：相同齿轮箱的两种自相关函数图形。相同齿轮箱的两种自相关函数图形。自相关函数快速衰减的齿轮箱状态比不衰自相关函数快速衰减的齿轮箱状态比不衰减的或衰减缓慢的要好。减的或衰减缓慢的要好。为什么？很多故为什么？很多故障的振动有周期性。障的振动有周期性。2）互相关函数）互相关函数 分析信号传递途径，寻找信号源。比如：分析信号传递途
15、径，寻找信号源。比如：振动源或噪音源。振动源或噪音源。作业作业 1.编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，对信图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，对信号进行时域统计分析和功率谱分析号进行时域统计分析和功率谱分析,用图形输出。时用图形输出。时域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函数。（建议用数。（建议用Matlab编写！）编写！）函数函数(1)X(t)=10sin(2320t)(2)X(t)=50RND (3)X(t)=10sin(2320t)+50RND 采样
16、点数采样点数:1024功率谱谱线数功率谱谱线数:512条条(点点)作业作业N:1024 ;Fs=1000,(2*320)dt=0:N-1X=10*sin(2*pi*320*dt/fs)S(f)=Pxx=sqrt(abs(fft(X,N).2)/N);for i=1:512;Pxx1(i)=Pxx(i);endplot(N,X)xlabel(Time(s);ylabel(Signal(X(t);title(Time Series N=1024);43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础4.3.3 功率谱诊断功率谱诊断 自功率谱是自相关函数的付里叶变换，自功率谱是自相关函数的
17、付里叶变换，是振动信号频域分析的主要方法，反映信是振动信号频域分析的主要方法，反映信号的能量随频率的分布。号的能量随频率的分布。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 利用自功率谱诊断机械故障的主要依据是：利用自功率谱诊断机械故障的主要依据是：a）有关特征频率的识别；）有关特征频率的识别；b）功率谱图的）功率谱图的变化。变化。（1）有关特征频率的识别）有关特征频率的识别 诊断机械故障的部位在很大程度上依赖于诊断机械故障的部位在很大程度上依赖于各类缺陷的激振频率各类缺陷的激振频率识别识别。识别识别?哪个零件或部件是哪个零件或部件是激振源激振源?43 机械振动信号的分析与处
18、理基础机械振动信号的分析与处理基础 识别识别?激振频率主要有两类：激振频率主要有两类：1）缺陷引起的）缺陷引起的:2）结构引起的）结构引起的:在很多情况下，这在很多情况下，这两类的激振频率是两类的激振频率是一样的一样的。例如：齿轮正常振动和齿面磨损激发例如：齿轮正常振动和齿面磨损激发的振动频率都是齿轮啮合频率。的振动频率都是齿轮啮合频率。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础如何识别：如何识别：(a)计算相关的振动频率计算相关的振动频率，如轴的转动，如轴的转动频率频率(n/60)、滚动轴承的通过频率、齿轮的、滚动轴承的通过频率、齿轮的啮合频率、结构固有频率等。啮合频率、
19、结构固有频率等。(b)分析对象的振动机理分析对象的振动机理。比如：有。比如：有无调制（调频与调幅）现象出现。无调制（调频与调幅）现象出现。(c)实验测量实验测量；(d）比较测试得到的谱图比较测试得到的谱图。分析推理分析推理!43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 （2）功率谱图的变化监测）功率谱图的变化监测 当机械设备出现故障时，其振动信号的功当机械设备出现故障时，其振动信号的功率谱的形状或谱值会发生变化。率谱的形状或谱值会发生变化。局部变化局部变化：某一特征频率或频带下的谱：某一特征频率或频带下的谱能量增加。能量增加。整体变化整体变化：整个谱图的变化。整个谱图的变化。
20、机械设备状态等级的划分：机械设备状态等级的划分：A级、级、B级、级、C级、级、D级等。描述功率谱变化有一些定量指级等。描述功率谱变化有一些定量指标，当这些指标达到某级别的门限值时，标，当这些指标达到某级别的门限值时，相应把机器归到某一状态。相应把机器归到某一状态。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础1）标准谱）标准谱 所谓标准谱可以理解为机器某种状态所谓标准谱可以理解为机器某种状态的标准功率谱。正常状态下得到的标准谱的标准功率谱。正常状态下得到的标准谱可作为正常标准谱，异常状态得到的标准可作为正常标准谱，异常状态得到的标准谱作为异常标准谱。建立标准谱需要大量谱作为异常
21、标准谱。建立标准谱需要大量的数据。的数据。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础2）描述功率谱特征的几个指标）描述功率谱特征的几个指标 频率重心频率重心 均方频率均方频率 频域方差频域方差00)()(dffSdfffSFc002)()()(dffSdffSFfVcF2)(cFFMSFV002)()(dffSdffSfMSF43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 莱斯频率莱斯频率 谐波指标谐波指标 积分过程的莱斯频率，积分过程的莱斯频率，频率重心、均方频率、莱斯频率都是描述功率谱频率重心、均方频率、莱斯频率都是描述功率谱主频带位置变化的指标；主频带
22、位置变化的指标；频域方差、谐波指标描述功率谱的分布状态和谱频域方差、谐波指标描述功率谱的分布状态和谱宽。宽。MSFfL21uLxffHufdfffSdffSfu20)()(2143 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 例：某台电动机进行例：某台电动机进行2000小时疲劳实验。小时疲劳实验。得到电动机轴承盖振动速度的莱斯频率和得到电动机轴承盖振动速度的莱斯频率和谐波指标，该两个指标在谐波指标，该两个指标在1000小时处开始小时处开始缓慢增加，缓慢增加，1500小时后加速增长。后期的小时后加速增长。后期的增长，反映了滚动轴承的疲劳损伤。（冲增长，反映了滚动轴承的疲劳损伤。（冲
23、击振动增强）击振动增强）（图）（图）作业：如何利用振动信号的功率谱诊断皮作业：如何利用振动信号的功率谱诊断皮带运输机械动力传递系统的机械故障？带运输机械动力传递系统的机械故障？（电机至驱动滚筒）（电机至驱动滚筒）43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础4.3.4 时间序列分析时间序列分析（1）时间序列与时间序列分析）时间序列与时间序列分析 时间序列：是指按时间先后顺序排列的一组数据。时间序列：是指按时间先后顺序排列的一组数据。时间序列分析：依据时间序列，建立数学模型，时间序列分析：依据时间序列，建立数学模型，揭示产生时间序列的系统特性。揭示产生时间序列的系统特性。（2）时
24、间序列分析的数学模型）时间序列分析的数学模型 ARMA模型、模型、AR模型。模型。应用：气象、经济、股票市场。应用：气象、经济、股票市场。分析未来趋势。分析未来趋势。预测分析的重要性和难度。预测分析的重要性和难度。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础4.3.5 信号处理的一些特殊方法信号处理的一些特殊方法（1）时域平均法）时域平均法 从混有噪声干扰的信号中提取周期性信号的从混有噪声干扰的信号中提取周期性信号的过程。以一定的时间间隔去截取所测得的信号，过程。以一定的时间间隔去截取所测得的信号，然后将所截取的信号段叠加再平均，这样可消除然后将所截取的信号段叠加再平均，这样
25、可消除信号中的非周期分量和随机干扰，保留预定的周信号中的非周期分量和随机干扰，保留预定的周期成分。期成分。时间间隔为要提取的信号周期。时间间隔为要提取的信号周期。)()()(tntftx)()()(iiitnNtNftx)(1)()(iiitnNtfty43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础（2）倒频谱分析方法）倒频谱分析方法 倒频谱，就是对功率谱的对数值进行付里叶逆变倒频谱，就是对功率谱的对数值进行付里叶逆变换的结果。换的结果。倒频率，时间量纲。倒频率，时间量纲。作用：作用：（1）识别复杂功率谱图上的周期结构识别复杂功率谱图上的周期结构；（2）解卷积。能将信号中的输入
26、信号和传递途径解卷积。能将信号中的输入信号和传递途径的效应分离开来，使分析结果受传递途径的影响的效应分离开来，使分析结果受传递途径的影响较小，去回声。较小，去回声。)(ln)(1fSFC43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础 一滚动轴承上得到的功率谱图太复杂，难一滚动轴承上得到的功率谱图太复杂，难以识别特征谱线，故经过倒频谱处理，倒以识别特征谱线，故经过倒频谱处理，倒频谱图上有两个明显的谱线，即频谱图上有两个明显的谱线，即 1=9.47ms，2=37.90ms，它们对应功率谱图上的周期间隔为：它们对应功率谱图上的周期间隔为：f1=1/1=1000/9.47=105.60
27、Hz f2=1/2=1000/37.90=26.38Hz 而此滚动轴承的内圈故障特征频率而此滚动轴承的内圈故障特征频率（通过频率）为（通过频率）为26.35Hz，钢球故障特征，钢球故障特征频率为频率为106.35。这说明倒频谱谱线反映了。这说明倒频谱谱线反映了轴承内圈和钢球的故障。轴承内圈和钢球的故障。43 机械振动信号的分析与处理基础机械振动信号的分析与处理基础（3）自适应除噪技术）自适应除噪技术(ANC)（4）共振解调技术共振解调技术(IFD)滚动轴承诊断滚动轴承诊断44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 4.4.1振动诊断的基础工作振动诊断的基础工作（1）确定诊断对象）确定诊断对象
28、重要的设备、关键的设备、大型设备重要的设备、关键的设备、大型设备（2）选定测量参数）选定测量参数 低频测位移（低频测位移（0-100Hz）、中频测速度）、中频测速度（10-1000Hz）、高频测加速度（）、高频测加速度（1000Hz）位移：位移：速度：速度：加速度：加速度：)sin()(tAtx)cos()(tAtx)sin()(2 tAtx44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（3）选择监测点）选择监测点 测量点数量及方向的确定应考虑的总原则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；是：能对设备振动状态作出全面的描述；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是
29、离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。应是容易产生劣化现象的易损点。在测轴承的振动时，测量点应尽量靠近轴在测轴承的振动时，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。有一个界面，尽可能避免多层相隔。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 对于低频振动，应该在水平和垂直两个方对于低频振动，应该在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时，还应在轴向进向同时进行测量，必要时，还应在轴向进行测量；而对于高频振动，则一般只需在行测量；而对于高频振动，则一般只需在一个方向进行测量。这是因为低频信号的一个
30、方向进行测量。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向则不敏感方向性较强，而高频信号对方向则不敏感的缘故。的缘故。港口机械常见的部件：电机、减速器、卷港口机械常见的部件：电机、减速器、卷筒、联轴节筒、联轴节,测点一般在轴承座上，多半取测点一般在轴承座上，多半取径向；径向；测点一经确定，不要轻易改变。测点一经确定，不要轻易改变。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（4）确定测量周期）确定测量周期 定期检测：确定一个检测周期。定期检测：确定一个检测周期。随机点检：不定期。随机点检：不定期。长期在线监测；实时、在线。长期在线监测；实时、在线。（5）确定判断标准）确定判断标准 绝对判断标准
31、：将被测量值与事先设定的绝对判断标准：将被测量值与事先设定的“标准状态槛值标准状态槛值”相比较，以判断设备运相比较，以判断设备运行状态的一类标准。行状态的一类标准。ISO2372、ISO3495等。等。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 相对判断标准：相对判断标准又称纵相对判断标准：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或维修后经过适度的将设备初始投入运行或维修后经过适度的磨合而进入平稳状态时的被测量值作为原磨合而进入平稳状态时的被测量值作为原始
32、基值，根据被测参量依运行时间的相对始基值，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变化规律，对该台机械设备所处工况状态进行判断。进行判断。实测值实测值/原始值原始值44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 类比判断标准：类比判断标准是把数台类比判断标准：类比判断标准是把数台型号相同的整台机械设备或零部件在外载型号相同的整台机械设备或零部件在外载荷、转速以及环境因素等都相同的条件下荷、转速以及环境因素等都相同的条件下的被测量值进行比较，依此区分这些同类的被测量值进行比较，依此区分这些同类设备或零件所处的工况状态。设备或零件所处的工况状态。44 振动监测技术的应用振动监测
33、技术的应用4.4.2 转轴组件的故障诊断转轴组件的故障诊断 转轴组件是机械系统中最常用的一类基础转轴组件是机械系统中最常用的一类基础件。（元件、构件、组件）件。（元件、构件、组件）（1）不平衡）不平衡 就是由于旋转体轴心周围的质量分布不就是由于旋转体轴心周围的质量分布不均、使轴在旋转过程中产生离心力而引起均、使轴在旋转过程中产生离心力而引起振动的现象。激振频率为转频振动的现象。激振频率为转频n/60。静不平衡、动不平衡、轴弯曲。静不平衡、动不平衡、轴弯曲。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 特征：径向振动为主；频率为转频；振特征：径向振动为主；频率为转频；振动幅值随转速而变；动幅值随转
34、速而变；44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（2）不同轴（不对中）不同轴（不对中）是指用联轴节连接起来的两根轴的中是指用联轴节连接起来的两根轴的中心线不重合的现象，又称不对中。心线不重合的现象，又称不对中。不同轴不严重时，其频率成分为旋转不同轴不严重时，其频率成分为旋转基频；不同轴严重时，则产生旋转基频的基频；不同轴严重时，则产生旋转基频的高次谐波成分。高次谐波成分。对于不平衡故障，振幅随转速的升高对于不平衡故障，振幅随转速的升高增大得很快；增大得很快；44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 特征：径向振动与轴向振动共存；频率为转频，特征：径向振动与轴向振动共存；频率为转频，不同轴严
35、重时，则产生旋转基频的高次谐波，其不同轴严重时，则产生旋转基频的高次谐波，其转频的转频的2阶倍频幅值相对较大。阶倍频幅值相对较大。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（3）机械松动）机械松动 机械松动现象是因紧固不牢引发的。机械松动现象是因紧固不牢引发的。其通常的特征是在旋转频率的一系列谐频其通常的特征是在旋转频率的一系列谐频上出现较大的振幅。上出现较大的振幅。特征：无特别方向；频率为转频，且特征：无特别方向；频率为转频，且有高次谐波，有时有分数谐波；振动幅值有高次谐波，有时有分数谐波；振动幅值随转速变化；随转速变化；44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 机械松动特征：无特别方向；
36、频率为转机械松动特征：无特别方向；频率为转频，且有高次谐波，有时有分数谐波；振频，且有高次谐波，有时有分数谐波；振动幅值随转速变化；动幅值随转速变化；44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（4）自激振动）自激振动 工程中的自激振动一般是由于系统内部自然工程中的自激振动一般是由于系统内部自然形成的形成的“内在反馈内在反馈”所引起的，又称所引起的，又称“颤振颤振”。机理复杂。一旦激发，振幅会越来越大，为害大。机理复杂。一旦激发，振幅会越来越大，为害大。特征：无特别方向；频率为固有频率；有临特征：无特别方向；频率为固有频率；有临界转速；界转速；较高转速的滑动轴承较高转速的滑动轴承（5）电磁力引起
37、的振动）电磁力引起的振动 电磁激励，电磁激励，50Hz44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用4.4.3 齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断（1）齿轮的振动机理）齿轮的振动机理 1）齿轮的啮合振动齿轮的啮合振动 啮合冲击：单齿啮合与双齿啮合交替进行，啮合刚度交替啮合冲击：单齿啮合与双齿啮合交替进行，啮合刚度交替变化。产生啮入冲击和啮出冲击。变化。产生啮入冲击和啮出冲击。节线冲击：啮合接触点的摩擦力在节点处变方向。节线冲击：啮合接触点的摩擦力在节点处变方向。啮合频率：啮合频率：式中：主、从动齿轮的齿数；主、从动齿轮的转速，式中：主、从动齿轮的齿数；主、从动齿轮的转速，r/min。60602211NZ
38、NZfz44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 齿轮啮合振动是一个周期振动。齿轮啮合振动是一个周期振动。振幅、初相位、啮合振动最高分量。振幅、初相位、啮合振动最高分量。1()sin(2)MiziiX tXf it44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用2）齿轮的制造和装配误差引起振动齿轮的制造和装配误差引起振动 齿距累积误差、齿形误差、基节偏差、齿距累积误差、齿形误差、基节偏差、3）齿轮在使用过程中出现损伤引起振动齿轮在使用过程中出现损伤引起振动 磨损、表面疲劳、塑性变形、齿牙断裂、磨损、表面疲劳、塑性变形、齿牙断裂、气蚀、电蚀气蚀、电蚀4）冲击载荷引起的自由衰减振动冲击载荷引起的自由衰
39、减振动44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用（2）齿轮故障振动诊断方法）齿轮故障振动诊断方法 1）时域特征）时域特征 齿面损伤、齿轮偏心、齿轮回转质量不齿面损伤、齿轮偏心、齿轮回转质量不平衡、平衡、齿轮局部性缺陷、齿距误差、高速齿轮局部性缺陷、齿距误差、高速旋转齿轮的振动旋转齿轮的振动 2）频域特征）频域特征 调制现象：调幅与调频调制现象：调幅与调频44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 A.齿轮振动的调幅现象是由于齿面载荷波动对振齿轮振动的调幅现象是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响所造成的。动幅值的影响所造成的。式中：式中：，幅值调制函数；，幅值调制函数；调制频率、调幅指数、初相位、
40、调制函数的最高调制频率、调幅指数、初相位、调制函数的最高分量。分量。)2sin()(1()(1iziMiitiftaXtX)2sin()(1ijrNjijitjfAta44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 齿轮振动调幅现象的时域波形。齿轮振动调幅现象的时域波形。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 调幅边频带具有丰富的齿轮状态信息调幅边频带具有丰富的齿轮状态信息.边频带往往是等间隔边频带往往是等间隔,一般等于齿轮轴转频一般等于齿轮轴转频!44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 B.齿轮振动的调频现象是由于转速波动或齿轮振动的调频现象是由于转速波动或者齿距不均引起的。者齿距不均引
41、起的。式中：式中：，频率调制函数；，频率调制函数；调制频率、调频指数、初相位、调制函数调制频率、调频指数、初相位、调制函数的最高分量。的最高分量。调频形成的边频带并未使啮合振动信调频形成的边频带并未使啮合振动信号的能量增加，而是从啮合分量上取出部号的能量增加，而是从啮合分量上取出部分能量放在边带上。分能量放在边带上。)(2sin()(1tbtifXtXiizMii)2sin()(1ijrNjijitjfBtb 齿轮振动调频现象的时域波形齿轮振动调频现象的时域波形-疏密波疏密波44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 调频形成的边频带并未使啮合振动信号的调频形成的边频带并未使啮合振动信号的能量
42、增加，而是从啮合分量上取出部分能能量增加，而是从啮合分量上取出部分能量放在边带上。量放在边带上。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 C鬼线：功率谱上的一个频率分量，产生的原鬼线：功率谱上的一个频率分量，产生的原因是加工过程给齿轮所带来的周期性误差。鬼线因是加工过程给齿轮所带来的周期性误差。鬼线频率与齿轮加工机械的工作频率有关。鬼线分量频率与齿轮加工机械的工作频率有关。鬼线分量会随着使用逐渐减小。会随着使用逐渐减小。例：下面是某二级齿轮减速器的振动谱图。输入例：下面是某二级齿轮减速器的振动谱图。输入轴转速轴转速n1=1500r/min，齿数为，齿数为Z1=23，Z2=52，Z3=31，Z
43、4=86，计算该齿轮减速器的振动特征，计算该齿轮减速器的振动特征频率，试判别该谱图上的主要频率分量。频率，试判别该谱图上的主要频率分量。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用解：三个轴的转动频率：解：三个轴的转动频率：f1=n1/60=1500/60=25Hz f2=n1/60Z1/Z2=1500/6023/52=11Hz f3=f2*Z3/Z4=1131/86=4Hz 两对齿轮的啮合振动频率两对齿轮的啮合振动频率 fz1z2=f1*Z1=25*23=575Hz fz3z4=f2*Z3=1131=341Hz 44 振动监测技术的应用振动监测技术的应
44、用振动谱图上的主要频率分量：振动谱图上的主要频率分量：频率分量频率分量575Hz为齿轮为齿轮Z1和齿轮和齿轮Z2的啮合的啮合振动；振动；频率分量频率分量341Hz为齿轮为齿轮Z3和齿轮和齿轮Z4的啮合的啮合振动；振动；频率分量频率分量50Hz为电磁激励引起的振动。为电磁激励引起的振动。在在575Hz处有处有11Hz的边带簇，说明齿轮的边带簇，说明齿轮Z2缺陷较大。缺陷较大。（思考题：（思考题：50Hz的分量可能是什么原因引起的分量可能是什么原因引起的？）的？）作业一作业一 1.编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的编制数字信号发生器，输出下叙函数信号的图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，
45、对信图形及数据文件。然后再编制一信号处理程序，对信号进行时域统计分析和功率谱分析号进行时域统计分析和功率谱分析,用图形输出。时用图形输出。时域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函域统计分析包括计算均值、均方根值、概率密度函数。（建议用数。（建议用Matlab编写！）编写！）函数函数(1)X(t)=10sin(2320t)(2)X(t)=50RND (3)X(t)=10sin(2320t)+50RND 采样点数采样点数:1024功率谱谱线数功率谱谱线数:512条条(点点)作业二作业二 齿轮调幅信号参数齿轮调幅信号参数:要求要求:图形显示时域信号和功率谱图形显示时域信号和功率谱 N=1024
46、 )5602sin()(1()(21titaXtXiii)252sin()(41tjAtajijiiXi/4ijAij/40作业三作业三 齿轮调频信号齿轮调频信号:要求要求:图形显示时域信号和功率谱图形显示时域信号和功率谱 N=1024)(5602sin()(21tbtiXtXiii)252sin()(41tjBtbjijiiXi/4ijBij/4044 振动监测技术的应用振动监测技术的应用4.4.4 轴承的故障诊断轴承的故障诊断 滚动轴承与滑动轴承。滚动轴承与滑动轴承。（1）滚动轴承常见的异常现象）滚动轴承常见的异常现象 滚动轴承会发生磨损、压痕、点蚀、裂纹、表面滚动轴承会发生磨损、压痕、点
47、蚀、裂纹、表面脱落、破损、胶合、烧损、电蚀、锈蚀、以及变脱落、破损、胶合、烧损、电蚀、锈蚀、以及变色等多种异常现象色等多种异常现象（2）滚动轴承的振动机理及故障特征频率）滚动轴承的振动机理及故障特征频率 1）振动机理）振动机理 振动的内部因素：结构、加工装配误差及故障。振动的内部因素：结构、加工装配误差及故障。振动的外部因素：转速、负荷。振动的外部因素：转速、负荷。振动机理图振动机理图 44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 在轴承座上测取的振动信号是各种因素引起的综在轴承座上测取的振动信号是各种因素引起的综合振动合振动 轴承本身结构及加工装配误差引起的振动特征：轴承本身结构及加工装配误差
48、引起的振动特征：含有较多的频率成分、随机性较强。含有较多的频率成分、随机性较强。轴承故障引起的振动特征：轴承故障引起的振动特征：磨损类故障引起的振动随机性较强、但强度磨损类故障引起的振动随机性较强、但强度高。可用振动有效值评估。高。可用振动有效值评估。表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹坑）表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹坑）产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系统的高频固产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系统的高频固有振动或传感器谐振。有振动或传感器谐振。表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹表面损伤类故障（点蚀、剥落、擦伤、凹坑）产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系坑）产生突变的冲击脉冲力，激发轴承系
49、统的高频固有振动或传感器谐振。统的高频固有振动或传感器谐振。44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 故障产生的冲击振动从频率上讲可分为两故障产生的冲击振动从频率上讲可分为两类：低频振动和高频固有振动。类：低频振动和高频固有振动。低频振动是由轴承中各元件缺陷反复碰击低频振动是由轴承中各元件缺陷反复碰击其他工作表面而产生的，低频振动与轴承其他工作表面而产生的，低频振动与轴承转动频率有关，一般有周期性；转动频率有关，一般有周期性；高频固有振动是由缺陷冲击激发的轴承元高频固有振动是由缺陷冲击激发的轴承元件固有衰减振动，包括轴承内圈、外圈、件固有衰减振动，包括轴承内圈、外圈、滚动体、甚至引起传感器的
50、谐振。滚动体、甚至引起传感器的谐振。滚动轴承振动频谱滚动轴承振动频谱 (低频区、元件固有振低频区、元件固有振动区、动区、声发射区声发射区)44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 2）故障特征频率）故障特征频率 (A)滚动轴承内圈、外圈、滚动体滚动轴承内圈、外圈、滚动体 内圈内圈 外圈外圈 滚动体：滚动体：)cos1(|2Ddffzfrai)cos1(|2Ddffzfaro)cos1(|2222DdffdDfrab44 振动监测技术的应用振动监测技术的应用 式中式中:-滚动体直径滚动体直径;-轴承节圆直径轴承节圆直径;-轴承外圈转频轴承外圈转频;-轴承内圈转频轴承内圈转频;-滚动体个数滚动体
