機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷教程

1、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過(guò)程中惡性事故時(shí)有發(fā)生,轉(zhuǎn)子事故,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過(guò)程中惡性事故時(shí)有發(fā)生,透平機(jī)械事故,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過(guò)程中惡性事故時(shí)有發(fā)生,水輪機(jī)事故,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過(guò)程中惡性事故時(shí)有發(fā)生,美國(guó)哥倫比亞號(hào)載人航天飛機(jī)失事,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)過(guò)程中惡性事故時(shí)有發(fā)生,,斷裂部位

2、,三峽塔帶機(jī)斷裂事故 2002年9月3日,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷可以提高設(shè)備的可靠性，實(shí)現(xiàn) “事后維修”到 “預(yù)知維修”的轉(zhuǎn)變，提高企業(yè)和設(shè)備的管理水平，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，避免重大事故的發(fā)生，降低事故危害性，從而獲得潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。,機(jī)電設(shè)備故障診斷的意義：,日本應(yīng)用故障診斷技術(shù)后，事故發(fā)生率減少75%，維修費(fèi)用降低25～50％。英國(guó)對(duì)2000個(gè)國(guó)營(yíng)工廠的調(diào)查表明，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和

3、故障診斷技術(shù)后，每年可節(jié)省維修費(fèi)用3億英鎊，而故障診斷系統(tǒng)的成本為0.5億英鎊。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,國(guó)外診斷技術(shù)的發(fā)展概況：,★ 美國(guó)最早，1967年美國(guó)宇航局倡導(dǎo)成立了機(jī)械故障預(yù)防小組（“MFPG”）★ 70年代英國(guó)機(jī)械保健中心成立，并用于核發(fā)電、鋼鐵、電力等診斷?！?71年日本開(kāi)始發(fā)展自己的TPM（全員生產(chǎn)維修）：鋼鐵、石油、化工、鐵路★ 進(jìn)而歐美許多國(guó)家都在重視發(fā)展。如瑞典SPM軸承監(jiān)測(cè)、挪威船舶診斷、丹麥B&am

4、p;K的振動(dòng)與聲發(fā)射診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,國(guó)內(nèi)診斷技術(shù)的發(fā)展概況：,★ 天津大學(xué)從1982年起研究齒輪傳動(dòng)、軸承、齒輪箱、切 削過(guò)程等方面的診斷與監(jiān)控技術(shù)，成果主要： 1、設(shè)備的智能診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng) 2、設(shè)備在線自動(dòng)報(bào)警與保護(hù)通用監(jiān)控系統(tǒng) 3、動(dòng)態(tài)測(cè)試與信號(hào)分析系統(tǒng)

5、 4、模態(tài)分析系統(tǒng)★ 華中理工大學(xué)：汽輪發(fā)電機(jī)組診斷專家系統(tǒng)、鋼絲繩診斷系統(tǒng)★ 西安交通大學(xué)：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷RB—20，用于煉油行業(yè)★ 國(guó)防科技大學(xué)：望遠(yuǎn)號(hào)遠(yuǎn)洋考察船的在線監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)★ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)： 20萬(wàn)KW汽輪發(fā)電機(jī)組診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,診斷技術(shù)的特點(diǎn)：,★ 技術(shù)研究和積累較多★ 在石化、電力等方面的應(yīng)用較多，效益好、易診斷★ 傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用少，主要原因是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、企業(yè)效益普

6、遍不好★ 汽車制造業(yè)已經(jīng)逐步重視，如：玉柴、吉普、桑塔納、一汽、重慶長(zhǎng)安、“九五”攻關(guān)項(xiàng)目等,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng):,離線監(jiān)測(cè)與故障診斷,定期或不定期的巡檢的方式采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后回放到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷分析。 特點(diǎn)：離線分析，對(duì)突發(fā)故障無(wú)能為力，但可精細(xì)分析 例如：基于便攜式數(shù)采儀的故障診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)

7、 （天 津大學(xué)機(jī)電科技中心）,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,離線監(jiān)測(cè)與故障診斷,在線監(jiān)測(cè)與故障診斷,由傳感器及高速實(shí)時(shí)數(shù)采硬件、控制計(jì)算機(jī)及監(jiān)測(cè)分析軟件組成。 特點(diǎn)：在線監(jiān)測(cè)，可以給出設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，捕捉突發(fā)故障并進(jìn)行精細(xì)分析。 例如：在線故障診斷與自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) （天 津大學(xué)機(jī)電科技中心）,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,機(jī)電設(shè)備狀

8、態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,在線監(jiān)測(cè)與故障診斷,,,,,,,,,,,,,,機(jī)床電源,,,,,,,,,,,,,計(jì)算機(jī),監(jiān)控箱,記錄、文件,,,,,,,,,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,在線監(jiān)測(cè)與故障診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,前瞻性的故障診斷模式：,以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出主從分布式網(wǎng)絡(luò)化集成在線監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。 特點(diǎn)：充分挖掘和發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)信息交換、資

9、源共享的優(yōu)點(diǎn)，充分利用科研院所的專家資源，實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)的是數(shù)據(jù)而不是人”，在網(wǎng)絡(luò)層面上實(shí)現(xiàn)故障信息的挖掘和故障類型的確診。 例如：中國(guó)設(shè)備遠(yuǎn)程診斷網(wǎng) http://www.chnpfd.com （天津大學(xué)機(jī)電科技中心）,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,,。。。。。。。。。。。,….,,,,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,機(jī)組,機(jī)組,,,,現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī),….,,,,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,機(jī)組,機(jī)組,,,,現(xiàn)

10、場(chǎng)工控機(jī),。。。。。。。。。。。,….,,,,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,機(jī)組,機(jī)組,,,,現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī),遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī),,,,局域網(wǎng),多機(jī)組網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)：,前瞻性的故障診斷模式：,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：,,,,,,,測(cè)取的信號(hào)應(yīng)能反映設(shè)備的狀態(tài)與故障信息，具體包括：振動(dòng)、聲、力、溫度、超聲、油污染、銹蝕、

11、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、電流、電壓等。其中：振動(dòng)信號(hào)最常用，方法成熟，信息量大；聲信號(hào)采用非接觸測(cè)量，測(cè)取方便，信息量大，但容易受干擾方法：以振動(dòng)測(cè)量為例，可以測(cè)：加速度、速度、位移。通常采用加速度傳感器。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,一、狀態(tài)信息的獲取,,壓電加速度傳感器,加速度傳感器輸出的電荷量與振動(dòng)加速度成正比。傳感器必須與前置電壓放大器、電荷放大器或測(cè)量放大器配用。直接放大可測(cè)加速度，經(jīng)過(guò)一次積分可測(cè)速度，經(jīng)過(guò)二次積分可測(cè)位移。,加

12、速度傳感器一般具有很高的固有頻率，適于測(cè)量高頻振動(dòng)或設(shè)備振動(dòng)中的高頻成分。例如齒輪箱的捏合頻率、滾動(dòng)軸承的特征頻率等。,加速度傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,一、狀態(tài)信息的獲取,速度傳感器,速度傳感器固定在被測(cè)物體上，物體振動(dòng)時(shí)，傳感器輸出的電量與振動(dòng)速度成正比。經(jīng)過(guò)一次積分可測(cè)位移，經(jīng)過(guò)一次微分可測(cè)加速度。 速度傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。 速度傳感器的頻響范圍較加速度低一些，不適合測(cè)量太高頻

13、率的振動(dòng)。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,一、狀態(tài)信息的獲取,電渦流式位移傳感器,渦流傳感器屬于非接觸式傳感器一類，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最多?？梢杂脕?lái)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如轉(zhuǎn)子的徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、軸心軌跡、軸心位置、油膜厚度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等信息。 渦流傳感器測(cè)量的是被測(cè)物體與傳感器探頭端面之間的距離。,一、狀態(tài)信息的獲取,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,,,,t,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,t,0,,,,t,0,模擬信號(hào),離散

14、,量化,,,,傳感器輸出的信號(hào)一般都是諸如電壓、電荷、電阻變化值、電容變化值等模擬信號(hào)，在利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理之前必須對(duì)其進(jìn)行離散量化成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程如下圖所示。,模擬信號(hào)的采集,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。ㄐ盘?hào)處理）,信號(hào)處理的方法：時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等,信號(hào)處理的目的：采用各種技術(shù)和手段挖掘信號(hào)中內(nèi)含的本質(zhì)，即信息。具體到機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中就是提取設(shè)備相關(guān)

15、信號(hào)（包括振動(dòng)、聲音、溫度、壓力等）的特征，對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行確診，提出正確的維修建議。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,均值（一階矩）：描述信號(hào)的 穩(wěn)定分量,方差（二階中心矩）：描述信號(hào)的 波動(dòng)分量,信號(hào)的時(shí)域波形,偏斜度（三階矩）：反映信號(hào)中大幅 值成分的影響,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（時(shí)域分析）,峭度（四階矩）：反映信號(hào)中大幅值成分的影響,信號(hào)

16、的概率表示：,概率密度函數(shù)的物理意義,信號(hào)的概率密度函數(shù)：,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,應(yīng)用：直接應(yīng)用于機(jī)器狀態(tài)的診斷。例如，圖為車床變速箱的噪聲概率密度函數(shù)p(x)，a—新車床，b—舊車床，顯然新、舊車床變速箱噪聲概率密度函數(shù)p(x)值有較大差異。,車床變速箱噪聲概率密度函數(shù)a)新車床噪聲p(x) b)舊車床噪聲p(x),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（時(shí)域分析）,1、自相關(guān)函

17、數(shù) 是偶函數(shù)，即 。2、當(dāng) 時(shí)，自相關(guān)函數(shù) 等于信號(hào)的方差3、當(dāng) 時(shí)，自相關(guān)函數(shù) 的值總是小于 ，即小于方差,信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)：描述信號(hào)自身的相似程度,,重要規(guī)律：周期信號(hào)或者其他非隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)不隨變量 的變化而衰減；隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)當(dāng)變量 增

18、大時(shí)將趨向于零。因此，自相關(guān)函數(shù)是在機(jī)器噪聲中查找周期信號(hào)或者瞬時(shí)信號(hào)的重要手段。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（時(shí)域分析）,應(yīng)用：正常運(yùn)行狀態(tài)—機(jī)器噪聲是大量的、無(wú)序的、大小接近的隨機(jī)沖擊結(jié)果，有寬而均勻的頻譜。運(yùn)行不正常狀態(tài)—隨機(jī)噪聲將出現(xiàn)有規(guī)則、周期性的脈沖，其大小比隨機(jī)沖擊大的多。例如;機(jī)構(gòu)中軸承磨損間隙增大時(shí)，軸與軸蓋就會(huì)有碰擊現(xiàn)象。首先運(yùn)用自相關(guān)函數(shù)查找出隱藏的周期分量，進(jìn)而依靠其幅值和波動(dòng)的頻率可以查

19、找出機(jī)器的缺陷所在。,圖 C630型車床主軸箱噪聲的自相關(guān)函數(shù),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)：描述兩個(gè)信號(hào)之間的相似程度或相關(guān)性,,性質(zhì)：,1、互相關(guān)函數(shù) 不一定是偶函數(shù)。2、當(dāng) 時(shí)，互相關(guān)函數(shù) 不一定是最大值。3、互相關(guān)函數(shù)具有反對(duì)稱性。,重要規(guī)律：若互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，則表示兩個(gè)信號(hào)相似；若互相關(guān)函數(shù)幾乎處處為零

20、，則表示兩個(gè)信號(hào)不相關(guān)。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（時(shí)域分析）,應(yīng)用一：相關(guān)測(cè)速,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（時(shí)域分析）,應(yīng)用二： 故障定位,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,發(fā)動(dòng)機(jī)與司機(jī)座的相關(guān)性較差，而后橋與司機(jī)座的互相關(guān)較大，可以認(rèn)為司機(jī)座的振動(dòng)主要是由汽車后輪的振動(dòng)引起的。,應(yīng)用三： 傳遞通道的相關(guān)測(cè)定,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）

21、,信號(hào)的幅值參數(shù),（2）平均幅值,（3）均方幅值,（4）峰值,（1）方根幅值,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,（2）峰值指標(biāo),（3）脈沖指標(biāo),（4）裕度指標(biāo),信號(hào)的無(wú)量綱指標(biāo),=均方幅值/平均幅值,=峰值/均方幅值,=峰值/平均幅值,=峰值/方根幅值,（1）波形指標(biāo),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。〞r(shí)域分析）,汽車后橋齒輪加速度信號(hào)的無(wú)量綱指標(biāo),如圖所示是對(duì)28只汽車后橋齒輪在不同運(yùn)行狀態(tài)下振

22、動(dòng)的加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的無(wú)量綱指標(biāo)。由圖課件，波形指標(biāo)K的變化很小，沒(méi)有足夠的診斷能力；脈沖指標(biāo)I最好，可以作為齒輪運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)良診斷指標(biāo)。峰值指標(biāo)C比起脈沖指標(biāo)I要差一些。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（頻域分析）,將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中去進(jìn)行分析，最普遍的方法就是通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）進(jìn)行的,在機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中，一些零部件都有自己的特征頻率，我們把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中，查找對(duì)應(yīng)的特征頻率及其幅

23、值的大小，就可以粗略判斷故障的部位和程度。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（其他分析方法）,波德圖：波德圖是反應(yīng)及其振幅和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。如圖所示。,圖中以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，振幅和相位角為縱坐標(biāo)。這種圖形一般用跟蹤矢量濾波器在機(jī)器起動(dòng)或停車階段測(cè)得。 從波德圖上可以得到： （1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種轉(zhuǎn)速下的振幅和相位。 （2）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。 （3）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振放大系數(shù)。 （4）轉(zhuǎn)子振

24、型。 （5）系統(tǒng)的阻尼大小。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。ㄆ渌治龇椒ǎ?奈奎斯特圖：奈奎斯特圖是把振幅與相位隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系用極坐標(biāo)的形式表示出來(lái)。如圖所示。,圖中用一旋轉(zhuǎn)矢量的點(diǎn)代表轉(zhuǎn)子的軸心，該點(diǎn)在各轉(zhuǎn)速下所處位置的極半徑表示軸的徑向振幅，角度就是相位角。 從奈奎斯特圖上可以得到比波德圖更多的信息，例如轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的方位。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,瀑布圖：瀑布圖是三坐標(biāo)圖，x軸為振動(dòng)頻率，y軸

25、為轉(zhuǎn)速或者時(shí)間間隔，z軸為振動(dòng)幅值。如圖所示。,二、狀態(tài)特征的提?。ㄆ渌治龇椒ǎ?瀑布圖常用來(lái)表達(dá)機(jī)器振動(dòng)在驟變過(guò)程或者啟動(dòng)停車過(guò)程中各頻率成分的幅值變化，可以判斷機(jī)器的臨界轉(zhuǎn)速、振動(dòng)原因以及系統(tǒng)的阻尼情況。 例如，機(jī)器過(guò)臨界轉(zhuǎn)速、軸承發(fā)生油膜振蕩、零件磨損以及各種突然發(fā)生的亞異步振動(dòng)等，均能在瀑布圖上獲得分析故障原因的有用信息。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,軸心軌跡：軸心軌跡的獲取是利用相互垂直的兩個(gè)非接觸式傳感器分別安置于轉(zhuǎn)

26、子某一截面上，同時(shí)采集數(shù)據(jù)繪制而成。如圖所示。,二、狀態(tài)特征的提?。ㄆ渌治龇椒ǎ?,通過(guò)分析軸心軌跡的運(yùn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，可以確定轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)方向（正進(jìn)動(dòng)和反進(jìn)動(dòng)）。 軸心軌跡在故障診斷中可以用來(lái)確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、空間振型曲線以及部分摩擦，如不對(duì)中、摩擦、油膜振蕩等。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提?。ㄆ渌治龇椒ǎ?軸心位置：借助于相互垂直的兩個(gè)電渦流傳感器，監(jiān)測(cè)直流間隙電壓，就可得到轉(zhuǎn)子軸頸中心的徑向位置

27、。如圖所示。,通過(guò)軸心位置圖可判斷軸頸是否處于正常位置，對(duì)中好壞、軸承標(biāo)準(zhǔn)高是否正常、軸瓦有否變形等情況，從長(zhǎng)時(shí)間軸心位置的趨勢(shì)可以觀察出軸承的磨損情況。 軸心位置圖是指轉(zhuǎn)軸在沒(méi)有徑向振動(dòng)情況下軸心相對(duì)于軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,二、狀態(tài)特征的提取（其他分析方法）,趨勢(shì)分析：趨勢(shì)分析是把所測(cè)得的特征數(shù)據(jù)值和預(yù)報(bào)值按一定的時(shí)間順序排列起來(lái)進(jìn)行分析。如圖所示。,這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動(dòng)、1倍頻振動(dòng)、2倍頻振動(dòng)

28、、0.5倍頻振動(dòng)、軸心位置等。 時(shí)間序列可以按前后各次采樣、按小時(shí)、按天等。趨勢(shì)分析在故障診斷中起著重要的作用。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,轉(zhuǎn)軸組件的故障診斷,轉(zhuǎn)軸組件是機(jī)器中主要的裝配單元。它的振動(dòng)類型可分為徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三類。其中徑向振動(dòng)對(duì)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的影響最大，成了振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。,回轉(zhuǎn)機(jī)械中的振動(dòng)可分為兩種形式，其一是同步振動(dòng)，又稱為強(qiáng)迫振動(dòng)，主要由轉(zhuǎn)子的不平衡、聯(lián)軸器的不對(duì)中、

29、安裝不良等引起的。其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻；振動(dòng)的幅值在轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速前隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大；超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，則隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。 對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡處理，可以有效減輕和抑制這種振動(dòng)。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,轉(zhuǎn)軸組件的故障診斷,另一種振動(dòng)的形式是亞同步振動(dòng)，又稱自激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率低于轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率。這種振動(dòng)常常在某個(gè)轉(zhuǎn)速下突然發(fā)生，具有極大的危害性。 常見(jiàn)的亞同步振動(dòng)有油膜渦動(dòng)、油膜

30、振蕩。,（1）油膜渦動(dòng)：油膜渦動(dòng)的頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一般，常稱為半速渦動(dòng)或半頻渦動(dòng)。（2）油膜振蕩：隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，油膜渦動(dòng)頻率也增加，兩者保持一個(gè)近乎不變的恒定比，約為50％。但當(dāng)轉(zhuǎn)速約為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍的時(shí)候，隨著轉(zhuǎn)速增加，渦動(dòng)頻率將保持不變，等于轉(zhuǎn)子的一階臨界回轉(zhuǎn)頻率，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。,為鋼球數(shù)； 為鋼球直徑；為滾道節(jié)徑；為接觸角；為回轉(zhuǎn)頻率。,,滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)故障主要有：磨損、疲

31、勞（點(diǎn)蝕、剝落）、塑性變形、腐蝕以及斷裂、膠合等其他失效形式。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,滾動(dòng)軸承的故障診斷,軸承的特征頻率計(jì)算公式：,（1）內(nèi)圈剝落：,（2）外圈剝落：,（3）鋼球剝落：,（4）內(nèi)滾道不圓：,（5）保持架不平衡：,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,滾動(dòng)軸承的故障診斷,滾動(dòng)軸承常用分析方法： 帶通濾波法 共振解調(diào)法——包絡(luò)譜

32、 脈沖沖擊法SPM 頻譜分析法 油樣分析（鐵譜、光譜、磁塞） 軸承溫度：如高速機(jī)車的軸溫監(jiān)測(cè),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,滾動(dòng)軸承的故障診斷,右圖為某外圈有剝落206軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜和包絡(luò)譜圖。7500Hz附近為測(cè)試棒引起的高頻固有振動(dòng)。以15200Hz為中心頻率，以帶寬3200Hz進(jìn)行包絡(luò)分析得到下圖。其上408Hz、816Hz譜線非常明顯，這分別

33、是外圈故障特征頻率的一倍頻和二倍頻。在三倍頻1224Hz處也有譜峰存在，但不明顯。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,齒輪箱的故障診斷,1、嚙合頻率及其高次諧波2、磨損時(shí)諧波較基頻幅值增加快3、由調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的邊頻帶（除磨損外）4、寄生成分：加工分度誤差引起，載荷大寄生力大,齒輪箱故障信號(hào)特征：,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,齒輪箱的故障診斷,1、嚙合頻率及其高次諧波,齒輪在嚙合過(guò)程中載

34、荷的分配是變化的，載荷的變化會(huì)引起齒輪剛性的變化，從而引起齒輪的振動(dòng)，這種振動(dòng)通常稱為嚙合振動(dòng)。該振動(dòng)在頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率及其高次諧波。 均勻磨損后嚙合頻率及其高次諧波振動(dòng)分量的幅值都會(huì)上升，但基頻增長(zhǎng)較慢，而高次諧波分量的增長(zhǎng)比基頻快。,齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)波形及其頻頻,2、由調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的邊頻帶,在一對(duì)齒輪嚙合過(guò)程中，其嚙合頻率及其高次諧波可以看作一個(gè)高頻振蕩（載波），而那些在每周呈現(xiàn)出一次或二次的振動(dòng)信號(hào)，如齒面上的點(diǎn)蝕、剝落

35、后引起的振動(dòng)信號(hào)（故障信號(hào)）可視為緩變信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）。兩種信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制效應(yīng)。 在頻譜圖中，兩譜線間的間隔就是調(diào)制信號(hào)的頻率，這是非常有價(jià)值的診斷信號(hào)。找出調(diào)制信號(hào)的頻率，就可判斷其相應(yīng)的故障。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,齒輪箱的故障診斷,幅值調(diào)制過(guò)程,3、寄生成分（鬼線）,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,齒輪箱的故障診斷,鬼線是頻譜圖上的一個(gè)頻率分量，其產(chǎn)生的原

36、因?yàn)榧庸み^(guò)程給一個(gè)齒輪帶來(lái)的周期性缺陷，缺陷來(lái)源于分度渦輪、蝸桿及齒輪的誤差。 鬼線是由一定的幾何誤差產(chǎn)生的，載荷改變對(duì)其影響很小。 磨損使鬼線分量幅值減小，卻使其嚙合頻率下的幅值增大。,齒輪箱的故障診斷(頻譜細(xì)化法),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,頻譜細(xì)化分析是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)信號(hào)處理的新技術(shù)。能夠以指定的、足夠高的頻率，分析頻率軸上任一窄帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，獲得更高的頻率分辨率。 右

37、圖是某齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)。細(xì)化后發(fā)現(xiàn)嚙合頻率2252Hz附近調(diào)制了大量的低速軸的轉(zhuǎn)頻譜線，判斷齒輪存在嚴(yán)重磨損或斷齒。停機(jī)檢修斷定診斷是正確的。,某齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)波形、頻譜及其細(xì)化譜,齒輪箱的故障診斷(倒頻譜分析),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,倒頻譜分析能區(qū)別出因調(diào)制而引起的功率譜中的周期分量，診斷出調(diào)制源。 倒譜將信號(hào)變換到一個(gè)新的時(shí)間域－倒頻域。倒頻譜能將原來(lái)譜圖上成簇的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜

38、線，以便觀察。從而可是別處復(fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)，分離和提取出密集信號(hào)中的周期成分。這對(duì)于具有周期成分及度成分邊頻帶等復(fù)雜信號(hào)的識(shí)別尤為有效。,倒頻譜的基本步驟,齒輪箱的故障診斷(倒頻譜分析),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,三、機(jī)電設(shè)備故障診斷方法,右上圖是某齒輪箱的時(shí)域波形，中圖是其倒頻譜圖，下圖為低頻信號(hào)擴(kuò)展后的頻譜圖。 圖中可以清楚地看到主要特征頻率對(duì)應(yīng)地時(shí)域點(diǎn)，如5軸和6軸嚙合頻率3.695Hz對(duì)應(yīng)地269.87ms?？梢?/p>

39、判斷這兩軸的嚙合齒輪之間出現(xiàn)了均勻磨損。 同時(shí)還可看到點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率16.93Hz及其2倍頻33.77Hz出幅值較大，由此可以判斷蹲在電機(jī)轉(zhuǎn)子初始不平衡和不對(duì)中現(xiàn)象。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)（系統(tǒng)方案）,上海吳中泵站水泵單機(jī)組在線監(jiān)測(cè),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)（硬件方案）,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)（軟件功能）,,數(shù),據(jù),庫(kù),管,理,模,塊

40、,,設(shè)置巡檢路徑,,數(shù)據(jù)回放,,,數(shù)據(jù)庫(kù)建立,,主,控,模,塊,,信,號(hào),分,析,模,塊,,軸承數(shù)據(jù)庫(kù),,設(shè)備檔案庫(kù),,報(bào)表管理,,動(dòng)態(tài)報(bào)警門(mén)限,,數(shù)字濾波,,零均值處理,,時(shí)域統(tǒng)計(jì),,頻域分析,,故,障,診,斷,模,塊,,狀,態(tài),監(jiān),測(cè),與,預(yù),測(cè),,,特征量提取,,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法,,,線性回歸預(yù)測(cè)模型,,時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型,,灰色預(yù)測(cè)模型,,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,原始數(shù)據(jù)管理,,,去除趨

41、勢(shì)項(xiàng),,,,非線性回歸預(yù)測(cè)模型,,,,時(shí)頻/小波分析,,,軸心軌跡,,特征頻率計(jì)算,,軸心軌跡,,加窗處理,,趨勢(shì)提取,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,四、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)（系統(tǒng)特色）,采用高性能ICP傳感器精度好，抗干擾性能強(qiáng)?？够鞛V波、程控增益等信號(hào)調(diào)理單元，保證信號(hào)的正確、可靠采集。實(shí)時(shí)連續(xù)大樣本采集，保證信號(hào)不丟點(diǎn)。在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，便于突發(fā)故障檢測(cè)自動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于精密分析。16種參數(shù)報(bào)警、頻帶窄帶多級(jí)報(bào)警。強(qiáng)大的軸

42、承數(shù)據(jù)庫(kù)功能。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。時(shí)、頻域、小波、倒譜等強(qiáng)大信號(hào)分析功能。,參數(shù)報(bào)警,返回,窄帶報(bào)警,返回,軸承數(shù)據(jù)庫(kù),返回,遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè),返回,頻譜分析,返回,下一頁(yè),小波分析,返回,下一頁(yè),譜陣分析,返回,下一頁(yè),包絡(luò)分析,返回,下一頁(yè),譜陣+預(yù)測(cè),返回,下一頁(yè),在線監(jiān)測(cè)實(shí)施效果,返回,下一頁(yè),遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析與管理,返回,下一頁(yè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖1,返回,下一頁(yè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖2,返回,下一頁(yè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖3,返回,下一頁(yè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖4,返回

43、,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,車輛故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè),車輛變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)診斷技術(shù)是對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，然后采用各種分析方法和智能診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，判斷故障源及故障程度，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的趨勢(shì)，從而進(jìn)行有針對(duì)性地維修和保養(yǎng)。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,便攜式故障診斷分析儀,TD2000系列便攜式故障診斷分析儀采用高性能計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡，具有抗振性好、抗干擾能力

44、強(qiáng)、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，特別應(yīng)用于野外作業(yè)及惡劣工況條件下進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)分析。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,嵌入式便攜故障診斷分析儀,嵌入式便攜故障診斷與預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)是由天津大學(xué)機(jī)電科技中心開(kāi)發(fā)的，該系統(tǒng)提供了一整套應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)測(cè)維修的集成解決方案。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的在線采集、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)，并與工廠的設(shè)備管理系統(tǒng)無(wú)縫集成，從而充分滿足關(guān)鍵設(shè)備的巡檢、點(diǎn)檢的需要。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故

45、障診斷,五、相關(guān)研究成果,便攜式故障診斷分析儀,基于筆記本和USB接口的TD2000B型故障診斷分析儀具有熱插拔、攜帶方便、不需外界電源供電、便于維修等優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)大的軟件功能使得該系統(tǒng)可滿足各種工況下的設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障分析。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,水泵單機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,汽車行業(yè)應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,機(jī)床電源,,,,,,,,,,,,,

46、計(jì)算機(jī),監(jiān)控箱,,,,記錄、文件,,,,,,,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,管道漏磁檢測(cè),本軟件采用頻域多條曲線、多模態(tài)直接擬合的正交多項(xiàng)式總體擬合的方法識(shí)別復(fù)模態(tài)參數(shù)。在開(kāi)發(fā)研制過(guò)程中，吸收生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，用戶界面良好，易于操作，適用于科研單位及工礦企業(yè)使用。軟件包括幾何建模、數(shù)據(jù)管理、傳函曲線顯示、參數(shù)識(shí)別、曲線擬合比較、振型動(dòng)態(tài)模擬和輔助模塊等幾個(gè)模塊。,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,五、相關(guān)研究成果,模態(tài)分析系統(tǒng),機(jī)

47、電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,診斷系統(tǒng)由集中式向分布式發(fā)展 ☆ 硬件設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化 ☆ 軟件設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)范化和模塊化 ☆ 縮短開(kāi)發(fā)周期、提高可靠性由單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 ☆ 局域主從分布集成監(jiān)控與診斷網(wǎng)絡(luò) ☆ 一條生產(chǎn)線、工段、車間或分廠的設(shè)備構(gòu)成主從分布監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) ☆ 一個(gè)企業(yè)可把每一主從監(jiān)控子系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理系

48、 統(tǒng)，資源、庫(kù)共享。廣域的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控與診斷系統(tǒng) 通過(guò)現(xiàn)代信息傳輸方式，如Internet網(wǎng)、Cable TV網(wǎng)、電話網(wǎng)等可經(jīng)濟(jì)便利地實(shí)現(xiàn)全市（省），全國(guó)乃至全世界的行業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。由狀態(tài)監(jiān)控與診斷向進(jìn)一步的智能診斷預(yù)測(cè)維修發(fā)展。,六、展望,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,[1] 設(shè)備故障診斷手冊(cè)——機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷， 徐敏等，西安交通大學(xué)出版社，1998，10。[2]