信號分析與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)報告

1、信號分析與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)報告專業(yè)班級：姓名：學(xué)號： 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院2014年6月實(shí)驗(yàn)一滾動軸承故障檢測與信號分析實(shí)驗(yàn)報告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解振動信號采集、分析與處理的整個過程及注意事項(xiàng)；2. 了解并掌握測試儀器的連接、信號的敏感參數(shù)選取、測點(diǎn)布置及各注意事項(xiàng)；3. 掌握信號的時域分析、頻域分析理論與特點(diǎn)。4. 了解不同形式的故障軸承5. 了解利用振動進(jìn)行軸承故障診斷原理及方法6. 了解軸承故障的危害性及其表現(xiàn)形式。7. 掌握信號的調(diào)制與解調(diào)原理與方法1.2 實(shí)驗(yàn)要求：1、實(shí)驗(yàn)前正確校準(zhǔn)系統(tǒng)2、正確布置測點(diǎn)位置3、選取合適的采樣參數(shù)4、實(shí)驗(yàn)室空間比較擁擠，請大

2、家有秩序地進(jìn)行試驗(yàn)。二、實(shí)驗(yàn)原理及結(jié)果分析1、試說明什么是采樣頻率fs，Shannon采樣定理是什么？另外，信號采樣時，采樣頻率fs、頻率分辨率f、采樣數(shù)據(jù)長度N和采樣時間T之間的關(guān)系。采樣頻率fs，也稱為采樣速度或者采樣率，是每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，它用赫茲（Hz）來表示。為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍，亦稱仙農(nóng)（香農(nóng)shannon）定理。Xs(Fi)，F(xiàn)i = i *Fs/N , i = 0，1，2，.，N/2f=Fs/N=1/(t*N)f = 1 /T其中f為頻譜分辨率，T為總采樣時間，N為采樣數(shù)據(jù)長度

3、。2.試分析一下正常情況和滾動軸承故障時的時域特征的區(qū)別？本次實(shí)驗(yàn)對滾動軸承正常工作狀態(tài)下的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集及分析。其具體時域分析特征指標(biāo)值如下表所示：序號指標(biāo)量綱X方向Y方向Z方向EU工程單位EUmVmVmV1最大值(EU)1.087921.592640.555332最小值(EU)-1.05419-1.6246-0.613773平均值(EU)-0.01562-0.00306-0.00314平均幅值(EU)0.16240.228480.09775方根幅值(EU)0.136470.19090.082416有效值(均方根)(EU)0.206840.294240.123497均方值(EU)20.0

4、42780.086580.015258標(biāo)準(zhǔn)差(均方差)(EU)0.206250.294230.123459最大值-平均值(EU)1.103551.595710.5584410最小值-平均值(EU)-1.03857-1.62153-0.6106711方差(EU)20.042540.086570.0152412偏度指標(biāo)(EU)32.853E-41.536E-4-1.53E-613峭度指標(biāo)(EU)40.006180.027657.374E-414偏態(tài)因數(shù)(無)0.032510.00603-8.14E-415峰態(tài)因數(shù)(無)0.41490.690290.1748716波形因數(shù)(無)1.273621.28

5、7831.2638917脈沖因數(shù)(無)6.698737.110386.2816718峰值因數(shù)(無)5.259585.521214.9700919裕度因數(shù)(無)7.971878.510054.97009本次實(shí)驗(yàn)對滾動軸承內(nèi)環(huán)故障工作狀態(tài)下的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集及分析。其具體時域分析特征指標(biāo)值如下表所示：序號指標(biāo)量綱X方向Y方向Z方向EU工程單位EUmVmVmV1最大值(EU)3.76946.381564.236732最小值(EU)-3.44688-5.31059-3.684593平均值(EU)-0.01049-0.02181-0.022924平均幅值(EU)0.348250.476390.2693

6、5方根幅值(EU)0.268870.368790.192956有效值(均方根)(EU)0.520770.72110.455177均方值(EU)20.27120.519990.207188標(biāo)準(zhǔn)差(均方差)(EU)0.520670.720770.454599最大值-平均值(EU)3.779896.403374.2596610最小值-平均值(EU)-3.43639-5.28878-3.6616711方差(EU)20.271090.519510.2066512偏度指標(biāo)(EU)30.00814-0.007750.0175113峭度指標(biāo)(EU)40.561942.558320.5160114偏態(tài)因數(shù)(無)

7、0.05772-0.02070.1864415峰態(tài)因數(shù)(無)4.646166.478869.0826616波形因數(shù)(無)1.495381.513681.6901617脈沖因數(shù)(無)10.823613.395615.73218峰值因數(shù)(無)7.238048.84979.3079719裕度因數(shù)(無)14.01917.303821.9574傳感器Z軸方向?yàn)檩S向，需要對X或Y方向進(jìn)行分析。在上表中，相關(guān)指標(biāo)分析如下：1）X軸上平均值正常時為-0.01562，內(nèi)環(huán)故障時為-0.01049；平均值反映了信號變化的中心趨勢，對比說明在滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時，振動變化向X軸正方向發(fā)生了比較明顯的偏移。2）有效

8、值X 軸上正常時為0.20684，內(nèi)環(huán)故障時為0.52077；有效值用以描述振動烈度，對比說明滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時振動強(qiáng)度明顯增大。3）方差X 軸上正常時為0.04254，內(nèi)環(huán)故障時為0.27109；方差反映了信號繞均值的波動程度，對比說明滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時信號繞均值波動程度明顯增大。4）峭度指標(biāo)X 軸上正常時為0.00618，內(nèi)環(huán)故障時為0.56194；峭度指標(biāo)可以敏感捕捉信號中的沖擊成分，對比說明滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時收到?jīng)_擊明顯。5）偏態(tài)因數(shù)X 軸上正常時為0.03251，內(nèi)環(huán)故障時為0.05772；偏態(tài)因數(shù)用來檢驗(yàn)信號偏離正態(tài)分布的程度，對比說明滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時信號較為明顯

9、的偏離正太分布。6）峰值因數(shù)X 軸上正常時為5.25958，內(nèi)環(huán)故障時為7.23804；峰值因數(shù)表示波形是否有沖擊的指標(biāo)，對比說明滾動軸承發(fā)生內(nèi)環(huán)故障時發(fā)生沖擊。時域指標(biāo)診斷不易直接看出所包含信息與故障的聯(lián)系，經(jīng)常用于做定性分析。信號的時域統(tǒng)計(jì)分析（包括均值、均方根值、方差、概率密度函數(shù)等），在簡單情況下可識別系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及對滾動軸承正常時和內(nèi)環(huán)故障時獲得的數(shù)據(jù)對比，當(dāng)滾動軸承發(fā)生故障時，時域指標(biāo)中，峰值和峰值因數(shù)會變大，峭度因子也會相應(yīng)變化。3、振動信號的頻譜分析主有哪些？各有何特點(diǎn)？試畫出實(shí)驗(yàn)時正常和滾動軸承故障時的振動時域波形及其幅值譜圖，并給出matlab程序。Ø

10、; 時域分析法：1）簡單、方便；2）當(dāng)振源較為復(fù)雜時，只能定性診斷，即指出設(shè)備有無異常；而無法指出具體的故障部位Ø 頻域分析法：各個部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時，都以一定的特征頻率進(jìn)行振動，特征頻率所對應(yīng)的幅值即代表了該部件的振動大小。通過特征頻率，可將各個部件的振動分開，實(shí)現(xiàn)定位診斷。Ø 倒頻域分析法：倒頻譜運(yùn)算，即將復(fù)雜的功率譜為一系列卷積或乘積的形式，通過取對數(shù)轉(zhuǎn)化為簡單的和式形式，便于識別信號的主要分量。優(yōu)點(diǎn)為：1）將檢測信號的功率譜與系統(tǒng)傳遞函數(shù)分離開來；2）便于將主要的信息功率譜從復(fù)雜的邊頻中識別出來。Ø 幅值域分析法：根據(jù)概率密度函數(shù)曲線的形狀進(jìn)行診斷。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故

11、障時，振動加劇，大幅值的數(shù)目增多，其比例值增大，曲線形狀由“尖、瘦”變?yōu)椤鞍?、胖”?#216; 相關(guān)域分析法：，主要是對信號的自相關(guān)函數(shù)R（）進(jìn)行求解，并通過R（）對信號中的周期成分進(jìn)行分析，從而找出故障振源。主要對周期性的故障信號進(jìn)行檢測。利用滾動軸承正常工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到振動時X、Y、Z三通道時域波形圖如下： 圖1 X通道時域波形圖 圖2 Y通道時域波形圖 圖3 Z通道時域波形圖利用滾動軸承正常實(shí)驗(yàn)中獲取的頻率峰值數(shù)據(jù)，得到X、Y、Z幅值譜圖如下：圖4 X通道幅值譜圖 圖5 Y通道幅值譜圖圖6 Z通道幅值譜圖利用滾動軸承內(nèi)環(huán)故障工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到振動時X、Y、Z三通道域波形圖如下

12、： 圖7 X通道時域波形圖 圖8 Y通道時域波形圖圖9 Z通道時域波形圖利用滾動軸承內(nèi)環(huán)故障實(shí)驗(yàn)中獲取的頻率峰值數(shù)據(jù)，得到X、Y、Z幅值譜圖如下： 圖10 X通道幅值譜圖 圖11 Y通道幅值譜圖圖12 Z通道幅值譜圖相關(guān)matlab程序如下：plot(a0,a1);xlabel('t/s');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動時域波形');grid;plot(a0,a2);xlabel('t/s');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動時域波形');grid

13、;plot(a0,a3)xlabel('t/s');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動時域波形');grid;fs=10240;%采樣頻率ts=1/fs;%采樣時間間隔N=1024;%采樣點(diǎn)數(shù)n=0:N-1;y1=fft(a1,1024);%對X 軸信號進(jìn)行fft 變換mag1=abs(y1)/512;%求幅值乘上后面的2/N 得到幅值f=(0:length(y1)-1)'*fs/length(y1);%進(jìn)行對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換plot(f(1:N/2),mag1(1:N/2);%做頻譜圖xlabel('頻率/Hz

14、');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動幅頻譜圖');grid;y2=fft(a2,1024);%對X 軸信號進(jìn)行fft 變換mag2=abs(y2)/512;%求幅值乘上后面的2/N 得到幅值f=(0:length(y2)-1)'*fs/length(y2);%進(jìn)行對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換plot(f(1:N/2),mag2(1:N/2);%做頻譜圖xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動幅頻譜圖');grid;y3=fft(a3,102

15、4);%對X 軸信號進(jìn)行fft 變換mag3=abs(y3)/512;%求幅值乘上后面的2/N 得到幅值f=(0:length(y3)-1)'*fs/length(y3);%進(jìn)行對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換plot(f(1:N/2),mag3(1:N/2);%做頻譜圖xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');title('正常滾動軸承振動幅頻譜圖');grid;4、計(jì)算軸承的故障特征頻率，并填入下表。軸承外圈固定，內(nèi)圈（即軸）的旋轉(zhuǎn)頻率為fs，n為軸的轉(zhuǎn)速，軸承節(jié)徑為D，滾動體直徑為d，接觸角為，滾動體個數(shù)為z。假定滾動體與內(nèi)外圈之間純滾動接觸，則滾動軸承的特征頻率計(jì)算公式如下：內(nèi)圈（即軸）的旋轉(zhuǎn)頻率： 外環(huán)故障頻率： 內(nèi)環(huán)故障頻率： 滾珠故障頻率： 保持架碰外環(huán)： 保持架碰內(nèi)環(huán)： 內(nèi)徑（mm）外徑(mm)節(jié)圓直徑(mm)滾動體直徑(mm)接觸角(deg)滾動體數(shù)目(個)255238.56.753012根據(jù)以上數(shù)據(jù)及相應(yīng)公式，可得到下表1中數(shù)據(jù)：表1轉(zhuǎn)速n(r/min)外環(huán)故障頻率內(nèi)環(huán)故障頻率滾珠故障頻率保持架碰外環(huán)故障頻率保持架碰內(nèi)環(huán)故障頻率2782.8255.7347.24258.4419.6726.715、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果填入表2-3，并仔細(xì)觀察振動