機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法

1、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法楊國(guó)安1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)WME基于web的遠(yuǎn)程在線工況監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)和MFD302、303便攜式狀態(tài)監(jiān)測(cè)和智能維護(hù)系統(tǒng)，是楊國(guó)安教授經(jīng)過多年的探索，結(jié)合在故障診斷領(lǐng)域的研究成果，積多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，汲取同類產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)并開發(fā)的在線及便攜式旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)。其組態(tài)化設(shè)計(jì)，特點(diǎn)鮮明，運(yùn)行平穩(wěn)。該系統(tǒng)不求功能多而全，只求簡(jiǎn)捷、可靠，具有針對(duì)性。界面直觀明了，故障自動(dòng)診斷，便于操作?；咀龅矫馀嘤?xùn)。任何事物均有其發(fā)展完善過程，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，它的發(fā)展、完善離不開現(xiàn)場(chǎng)工作人員的參與和配合，懇望辛勞工作在現(xiàn)場(chǎng)第一線的操作人

2、員反饋信息、心得體會(huì)，以便我們共同進(jìn)步，在此，我表示誠(chéng)摯的謝意。2設(shè)備維修的發(fā)展 大家知道，當(dāng)前我國(guó)對(duì)設(shè)備的維護(hù)仍采用傳統(tǒng)的計(jì)劃、定期維修。而這種方式帶有很大盲目性，設(shè)備有無故障、故障類型、故障部位、故障程度難以準(zhǔn)確把握。另外，由于良好部位的反復(fù)拆卸，機(jī)械性能往往不理想，甚至低于檢修前。而且，沒有必要的超前維修，帶來人力、物力的巨大浪費(fèi)。故障診斷儀器的廣泛應(yīng)用，使對(duì)機(jī)械設(shè)備的維護(hù)由計(jì)劃、定期維修走向狀態(tài)、預(yù)知維修變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使機(jī)械設(shè)備的維護(hù)方式發(fā)生了根本性革命。狀態(tài)監(jiān)測(cè)避免了機(jī)械設(shè)備的突發(fā)故障，從而避免了被迫停機(jī)而影響生產(chǎn)；機(jī)械狀態(tài)分析為預(yù)知機(jī)械設(shè)備的維修期提供了可靠依據(jù)，即可做到測(cè)量表明有必要

3、時(shí)才進(jìn)行維修。使我們能夠及時(shí)準(zhǔn)備維修部件，安排維修計(jì)劃，克服了定期維修帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備性能的下降；完善的診斷能力可為我們準(zhǔn)確指出故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，使檢修簡(jiǎn)捷易行，大大縮短了維修工期；完善的設(shè)備管理軟件，又可使企業(yè)設(shè)備管理自動(dòng)化。由此可見，狀態(tài)檢測(cè)給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。設(shè)備維修經(jīng)歷了三個(gè)階段：1事后維修事后維修是設(shè)備運(yùn)行到失效再進(jìn)行維護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要安排計(jì)劃。對(duì)有些設(shè)備，更換比修理往往更便宜。缺點(diǎn)是意外停機(jī)引起生產(chǎn)損失。災(zāi)難性的設(shè)備事故。庫(kù)存?zhèn)浼顿Y多。引起設(shè)備的二次損壞。2定期維修定期維修是按預(yù)訂的時(shí)間間隔或檢修周期對(duì)設(shè)備作維修、調(diào)整和更換備件。

4、其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器壽命較長(zhǎng)。減少意外停機(jī)。備件庫(kù)存較少。缺點(diǎn)是意外停機(jī)引起生產(chǎn)損失。過剩維修導(dǎo)致維修費(fèi)用增加。過剩維修引起人為維修故障。3預(yù)知維修 預(yù)知維修是有計(jì)劃地對(duì)設(shè)備作檢查和測(cè)試，以確定其健康狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是減少非計(jì)劃停機(jī)損失。維修時(shí)間間隔可以延長(zhǎng)。非必要維修減到最少。備件庫(kù)存最小。缺點(diǎn)是需要初始投資。需學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。2機(jī)械振動(dòng)簡(jiǎn)介2.1什么叫振動(dòng)？ 振動(dòng)是世界上的物質(zhì)或物體的一種運(yùn)動(dòng)形式。廣義來說，振動(dòng)就是物體（質(zhì)點(diǎn)）或某種狀態(tài)隨著時(shí)間往復(fù)變化的現(xiàn)象。2.2振動(dòng)的分類 工程中有大量的振動(dòng)問題需要研究、分析和處理，因此有必要簡(jiǎn)單介紹振動(dòng)力學(xué)中的振動(dòng)分類方法，以便在振動(dòng)故障類型、原因、分析和故障排除

5、方面提供考慮的基礎(chǔ)。 機(jī)械振動(dòng)的研究和使用方面有多種分類方法，目前，大致有如下幾種分類： 1、按振動(dòng)的規(guī)律分 簡(jiǎn)諧振動(dòng)。非簡(jiǎn)諧振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。有時(shí)又將前兩者稱為周期振動(dòng)，后者稱為非周期振動(dòng)； 2、按產(chǎn)生振動(dòng)的原因分 自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)和參變振動(dòng)等； 3、按自由度分 單自由度系統(tǒng)振動(dòng)、多自由度系統(tǒng)振動(dòng)和彈性振動(dòng)； 4、按振動(dòng)位移特征分 角振動(dòng)和直線振動(dòng)； 5、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分 線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)。 在機(jī)器的故障診斷中，從應(yīng)用角度看，應(yīng)著重掌握按振動(dòng)規(guī)律和產(chǎn)生原因這兩種分類。2.3簡(jiǎn)諧振動(dòng) 結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，描述它振動(dòng)情況的物理量是隨時(shí)間變化的，可以表示為時(shí)間t的函數(shù)，如，等等。這種描述振動(dòng)

6、的方法稱為時(shí)域描述，而函數(shù)，稱為時(shí)間歷程。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)，它是時(shí)間的單一正弦或余弦函數(shù)，它是振動(dòng)故障診斷中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特別是它的物理意義，對(duì)于掌握故障診斷技術(shù)十分重要。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 （1）式中：A-振幅； -角頻率（圓頻率）。如果振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的物理量隨時(shí)間的變化為簡(jiǎn)諧函數(shù)，稱此振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。單自由度系統(tǒng)無阻尼自由振動(dòng)時(shí)，它的位移等物理量就是簡(jiǎn)諧函數(shù)。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)可視為一個(gè)繞原點(diǎn)做等速圓周運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)在水平軸上的投影。如圖1所示，取水平軸為x軸，點(diǎn)P距原點(diǎn)的距離為A，連接OP兩點(diǎn)的直線OP由水平位置開始以等角速度繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在任一時(shí)刻t，點(diǎn)P的x坐標(biāo)(即OP

7、在x軸上的投影)為 （2）因?yàn)楹瘮?shù)具有下列特性： （3）因?yàn)橹本€OP繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)過弧度為一個(gè)周期T，故上式應(yīng)滿足條件： （4）則， （5）為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的頻率。如果振動(dòng)位移為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，我們稱此振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。如果直線OP不是由水平位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其初始位置與水平位置的夾角為則OP在x軸上的投影為圖1 簡(jiǎn)諧振動(dòng)曲線 （6）式中，稱為初角。由式(6)可得到簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度和加速度的表達(dá)式： （7） （8）可見，簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度、加速度與位移一樣，都是簡(jiǎn)諧函數(shù)。三者的頻率相同，而速度、加速度的相位分別比位移超前和，幅值分別增大和倍。從式(6)和(8)可得： （9）這表明：簡(jiǎn)諧振動(dòng)的加速度大小與位移成正比，方向與位

8、移相反。這是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。必須指出，簡(jiǎn)諧振動(dòng)一定是周期振動(dòng)，但是，周期振動(dòng)不一定是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。3 信號(hào)分析及處理基礎(chǔ)通常把可測(cè)量、記錄、處理的物理量泛稱為信號(hào)，它們一般是時(shí)間的函數(shù)。所謂動(dòng)態(tài)信號(hào)是指要進(jìn)行分析處理的信號(hào)隨時(shí)間有較大的變化，不是近似直流信號(hào)的那種隨時(shí)間緩慢變化的信號(hào)。主要討論動(dòng)態(tài)信號(hào)分析處理中的有關(guān)問題，重點(diǎn)介紹以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)的各種分折技術(shù)。3.1信號(hào)的分類信號(hào)按其隨時(shí)間變化的規(guī)律不同，可分為確定性信號(hào)和非確定性信號(hào)(隨機(jī)信號(hào))，還可以進(jìn)一步細(xì)分如圖2所示?？梢杂妹鞔_的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)稱為確定性信號(hào)，它可以分為周期信號(hào)、非周期信號(hào)、準(zhǔn)周期信號(hào)等。圖2信號(hào)的分類

9、23.2信號(hào)的時(shí)域分析所謂時(shí)域是指一個(gè)或多個(gè)信號(hào)其取值大小、相互關(guān)系等，可定義為很多不同的時(shí)間函數(shù)或參數(shù)這些時(shí)間函數(shù)或參數(shù)的集合稱為時(shí)域。時(shí)域分析指計(jì)算這些函數(shù)并進(jìn)行分析。顯然對(duì)于確定性信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)存在不同的定義及處理方法。隨機(jī)信號(hào)的定義及處理方法比較復(fù)雜，確定性信號(hào)的處理則與隨機(jī)信號(hào)中的各態(tài)歷經(jīng)過程的處理類似，所以以下敘述中以隨機(jī)信號(hào)的定義及處理方法為主確定性信號(hào)的處理可參見各態(tài)歷經(jīng)過程的處理。根據(jù)時(shí)間函數(shù)或參數(shù)的不同，時(shí)域進(jìn)一步細(xì)分還可以分為幅值域、時(shí)差域、倒領(lǐng)域、復(fù)時(shí)域等3。3.2.1 幅值域?qū)颖居涗浀娜≈颠M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，稱為在幅值域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究，在此幅值是廣義的幅值，即樣本記錄的一切

10、可能取值。在幅值域內(nèi)幾個(gè)最重要的基本概念是概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、均值、均方值、方差、歪度（斜度）、峭度等。3.2.1.1 均值均值用以描述信號(hào)的穩(wěn)定分量，隨機(jī)過程的均值定義為 （10）3.2.1.2 均方值、均方根值均方值和均方根值用于描述信號(hào)的能量，隨機(jī)過程的均方值定義為 （11）均方根值定義為均方值的正平方根。均方值又稱為二階矩。 有效值是振動(dòng)測(cè)量中用的最多的物理量，它定義為振動(dòng)信號(hào)的均方根值。用它表征振動(dòng)量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)在于：既考慮了振動(dòng)的時(shí)間歷程，同時(shí)又表征了機(jī)械振動(dòng)能量的大小。在高頻時(shí)，雖然振幅很小，但是由于加速度是位移的倍，因此零部件的慣性力破壞常發(fā)生在高頻，故國(guó)際上近年來除了要求

11、測(cè)量?jī)x器滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)烈度外，還要求滿足lKHz一10KHz乃至更高頻率的振動(dòng)監(jiān)示和測(cè)量，正因?yàn)橛行е涤腥绱说膬?yōu)越性，國(guó)際ISO2372標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)振動(dòng)烈度采用有效值來表征振動(dòng)量級(jí)。3.2.1.3 方差、標(biāo)準(zhǔn)差方差和標(biāo)準(zhǔn)差用于描述信號(hào)的波動(dòng)分量，隨機(jī)過程的方差定義為 （12）標(biāo)準(zhǔn)差是方差的正平方根。方差又稱為二階中心矩。3.2.1.4 歪度（斜度）歪度反映信號(hào)中大幅值成分的影響隨機(jī)過程的歪度定義為 （13）歪度又稱為三階矩。3.2.1.5 峭度峭度反映信號(hào)中大幅值成分的影響，隨機(jī)過程的峭度定義為 （14）3.2.2 時(shí)差域?qū)颖居涗浽诓煌瑫r(shí)刻取值的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，稱為在時(shí)差域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究。在時(shí)差

12、域內(nèi)幾個(gè)最重要的基本概念是自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、協(xié)方差函數(shù)等。3.2.2.1 自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)是指用以描述信號(hào)自身的相似程度。對(duì)于某一個(gè)隨機(jī)過程，若和為其任意兩個(gè)隨機(jī)變量，其自相關(guān)函數(shù)定義為 （15）由于周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是周期函數(shù)，而白噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是函數(shù)所以進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的周期信號(hào)。3.2.2.2 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)是指用以描述兩個(gè)信號(hào)之間的相似程度或相關(guān)性對(duì)于某二個(gè)隨機(jī)過程和，其互相關(guān)函數(shù)定義為 （16）若互相關(guān)函數(shù)中出現(xiàn)峰值，則表示這兩個(gè)信號(hào)是相似的，其中一路信號(hào)在時(shí)間上滯后了峰值所在的時(shí)差值。若互相關(guān)函數(shù)中幾乎處處為零，則表示這兩個(gè)信號(hào)互不相

13、關(guān)。3.2.2.3 協(xié)方差函數(shù)略。3.2.3 平穩(wěn)隨機(jī)過程和非平穩(wěn)隨機(jī)過程當(dāng)隨機(jī)過程的所有統(tǒng)計(jì)量不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為嚴(yán)格意義上的平穩(wěn)隨機(jī)過程，主要統(tǒng)計(jì)量如均值、均方值、方差或自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)不隨時(shí)間或所研究的時(shí)刻變化時(shí)，稱為廣義的平穩(wěn)隨機(jī)過程。反之則為非平穩(wěn)隨機(jī)過程。對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過程，均值、均方值與方差等都是常數(shù)，自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)只是時(shí)間差的函數(shù)。3.2.4 各態(tài)歷經(jīng)（遍歷）過程為了計(jì)算隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)量，需要知道的全部樣本函數(shù)或其概率密度函數(shù)實(shí)際上是很難做到的，工程中存在類平穩(wěn)隨機(jī)過程只對(duì)其某個(gè)樣本函數(shù)進(jìn)行研究就能計(jì)算該隨機(jī)過程的各統(tǒng)計(jì)量這類隨機(jī)過程就稱為各態(tài)歷經(jīng)過程。確定性信號(hào)中

14、非周期信號(hào)的各統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式與各態(tài)歷經(jīng)過程完全相同，確定性信號(hào)與各態(tài)歷經(jīng)過程存在少數(shù)不同之處，如在幅值域內(nèi)可定義以下統(tǒng)汁量。3.2.4.1 峰值峰值在局部范圍內(nèi)為極大值(對(duì)應(yīng)于正峰值)或極小值(對(duì)應(yīng)于負(fù)峰值)，對(duì)于周期信號(hào)，峰值一定會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，對(duì)于非周期信號(hào)峰值至少有一個(gè)，最大峰值描述信號(hào)的最大值。3.2.4.2 幅值幅值專用于描述正弦信號(hào)的峰值，由于各種周期或非周期信號(hào)可表示為無窮多個(gè)正弦信號(hào)分量之和，所以這些周期或非周期信號(hào)的峰值不與其某個(gè)正弦信號(hào)分量的幅值相等。廣義的幅值指信號(hào)某瞬間的取值。3.2.4.3 有效值有效值專用于描述正弦信號(hào)的均方根值，其大小為正弦信號(hào)幅值的，對(duì)于其他信號(hào)，均

15、方根值不是其峰值的。在正弦交流電路中，可用電壓有效值乘以電流有效值求出電路中的功率，見圖3。圖3 常見確定性信號(hào)的時(shí)域參數(shù)3.3信號(hào)的頻域分析所謂頻域是指將周期信號(hào)展開為傅里葉級(jí)數(shù)，研究其中每個(gè)正弦諧波信號(hào)的幅值和相位等；或者對(duì)非周期信號(hào)或各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換變換后的信號(hào)是頻率的函數(shù)這些頻率的函數(shù)的集合稱為頻域。信號(hào)的頻譜分析是頻域分析的基礎(chǔ)，我們可以利用各種級(jí)數(shù)展開和積分變換將一個(gè)復(fù)雜信號(hào)分解為簡(jiǎn)單信號(hào)的疊加。使用最普通的是傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換，它們是將復(fù)雜信號(hào)分解成一系列有限或無限多個(gè)正弦信號(hào)(簡(jiǎn)諧分量)的疊加。因此，頻譜分析的實(shí)質(zhì)就是以這一系列的簡(jiǎn)諧分量頻率作為自變量(頻譜圖

16、中的橫坐標(biāo))，簡(jiǎn)諧分量的幅值、相位、功率等作為頻率的函數(shù)(頻譜圖中的縱坐標(biāo))，分析這些參數(shù)在不同頻率上的分布情況。3.3.1 周期信號(hào)的傅里葉分析在故障信號(hào)中，周期信號(hào)主要是由機(jī)器的自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和參變振動(dòng)等產(chǎn)生的。對(duì)于周期信號(hào)，數(shù)學(xué)上早已證明，利用傅氏級(jí)數(shù)原理，可將周期函數(shù)分解成傅氏級(jí)數(shù)，即將信號(hào)分解成許多諧波分量 (17)式中： (18)其中： n=1,2, n=1,2,由上述公式，以頻率為橫坐標(biāo)，以振幅或相位為縱坐標(biāo)來表征頻域的振動(dòng)特性，見圖4。圖4 它們是一個(gè)離散的頻譜，又稱線譜，其譜線間的距離為，各次諧振幅和諧波相位的全體稱為幅值頻譜和相位頻譜。 3.3.2 非周期信號(hào)頻譜傅立葉

17、變換在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中常常利用傅里葉變換這一有效工具來確定振動(dòng)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)。采用功率譜密度來分析平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的概率結(jié)構(gòu)。頻域內(nèi)最重要的函數(shù)是自功率譜密度函數(shù)和互功率譜密度函數(shù)。也可以定義能量譜密度函數(shù)。所謂功率譜密度函數(shù)或能量譜密度函數(shù)是指其量綱為單位頻率上的功率或能量。3.3.2.1 自功率譜密度函數(shù)自功率譜密度函數(shù)用于表示信號(hào)能量的頻率結(jié)構(gòu)。自功率譜密度函數(shù)的定義為 （19）由此可見，功率譜具有功率的量綱，是幅值譜的平方，因此頻譜中主要成分突出，但沒有相位信息。3.3.2.2 互功率譜密度函數(shù)互功率譜密度函數(shù)用于表示兩個(gè)信號(hào)能量之間的頻率結(jié)構(gòu)關(guān)系互功率譜密度函數(shù)的定義為 （20）可以

18、證明相關(guān)函數(shù)與功率譜密度函數(shù)的關(guān)系是對(duì)傅里葉變換對(duì)的關(guān)系。3.3調(diào)制振動(dòng)信號(hào)分析及頻譜 設(shè)備故障診斷中，特別是對(duì)齒輪箱、滾動(dòng)軸承和電機(jī)等的診斷，經(jīng)常碰到調(diào)制信號(hào)。所謂調(diào)制信號(hào)，簡(jiǎn)單地說就是一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的幅度或者角頻率的變化受到了另一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的影響。前一振動(dòng)信號(hào)稱為“載頻信號(hào)”，后一信號(hào)稱為“調(diào)制信號(hào)”。只有對(duì)這類信號(hào)進(jìn)行時(shí)域（橫坐標(biāo)為）和頻域（橫坐標(biāo)）分析后，才能獲得診斷結(jié)果。在實(shí)際診斷過程中，這些調(diào)制信號(hào)從時(shí)域波形圖上看，往往十分復(fù)雜，但基本原理仍可歸結(jié)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值和頻率（或相位）的調(diào)制原理，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。3.3.1 幅度調(diào)制幅度調(diào)制信號(hào)的方程是 （21）在齒輪箱診斷中，往往對(duì)應(yīng)為嚙

19、合頻率，而，診斷對(duì)象不同，和所代表的物理含義不同。將上式展開可得 （22）由此式可知，經(jīng)調(diào)幅后的頻率，除了原有的角頻率之外，還有與的和頻和差頻，即(+)和(-)。它們是以為中心，以為間隔，幅度為AB/2的兩個(gè)邊帶，見圖5所示。圖5 調(diào)幅信號(hào)3.3.2 頻率調(diào)制頻率調(diào)制的時(shí)域和頻域的波形，如圖6所示。圖5 調(diào)頻信號(hào)如同幅度調(diào)制信號(hào)一樣，在齒輪箱或者其它部件的診斷中，載頻信號(hào)往往是嚙合頻率信號(hào)，而故障信號(hào)則是調(diào)制信號(hào)，不過此時(shí)的故障信號(hào)將會(huì)影響載頻信號(hào)的頻率，最簡(jiǎn)單的頻率調(diào)制信號(hào)方程是： （23）式中 表示載頻信號(hào) 表示故障信號(hào) 展開上式后可得 (24) 式中 ： 瞬時(shí)幅值； ：峰值幅值； ：載波

20、角頻率； ：時(shí)間； ：以m為自變量的n階第一類貝賽爾函數(shù)， n0，1，2； m調(diào)制指數(shù)，m=載波頻率偏差除以調(diào)制頻率； ：故障信號(hào)的角頻率。 展開式還表明為載波分量；第二項(xiàng)有一階上邊帶和下邊帶；第三項(xiàng)有二階上邊帶和下邊帶分量。由此可見，每一個(gè)被調(diào)制信號(hào)由中心頻率信號(hào)加上調(diào)制信號(hào)的頻率所分開的邊帶信號(hào)所組成，其幅值正比于調(diào)制指數(shù)，而故障頻率（調(diào)制頻率）為邊帶頻率到中心頻率間的距離。所謂故障診斷，就是要找到或用一定方法確定距離大小以及幅值的高低。當(dāng)然，中心頻率的幅值大小，也不是一成不變的，它往往也代表某種故障信息（例如齒輪的磨損信息）。 值得指出的是，以上討論的正弦信號(hào)的調(diào)幅和調(diào)頻，在工程診斷中，

21、我們幾乎碰不到這種簡(jiǎn)諧信號(hào)的調(diào)制情況，經(jīng)常碰到的是周期信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象。但一個(gè)周期信號(hào)，都可以分解成很多簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)疊加，故正弦信號(hào)的調(diào)制概念是故障診斷的基本概念之一。4振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)4.1監(jiān)測(cè)參數(shù)及其選擇我們知道，通常用來描述振動(dòng)響應(yīng)的三個(gè)參數(shù)是位移、速度和加速度。一般情況下，低頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由位移值度量；中頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由速度值度量；高頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由加速度值度量。對(duì)大多數(shù)機(jī)器來說，最佳參數(shù)是速度，這是許多標(biāo)準(zhǔn)(如VDI2056)采用該系數(shù)的原因之一。但是另外一些標(biāo)準(zhǔn)(如VDI2059)都采用相對(duì)位移參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這在發(fā)電、石化工業(yè)的機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)中用的最多。對(duì)于軸承和齒輪部件的高頻振動(dòng)監(jiān)

22、測(cè)來說，加速度卻是最合適的監(jiān)測(cè)參數(shù)。(VDI是德國(guó)工程師協(xié)會(huì)的簡(jiǎn)稱)。表征振動(dòng)的參量有加速度、速度和位移三個(gè)量，它們之間表現(xiàn)為微積分關(guān)系，對(duì)單一頻率分量：或 分別為振動(dòng)加速度、速度、位移振幅。 可見，振動(dòng)位移隨頻率的升高有極大的衰減，而振動(dòng)加速度隨頻率的降低有極大的衰減，這就決定了檢測(cè)低頻故障需檢測(cè)振動(dòng)位移的變化，而檢測(cè)高頻故障需檢測(cè)振動(dòng)加速度的變化，而振動(dòng)速度可說是二者的折中，這也是寬帶測(cè)量中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)2372以振動(dòng)速度作為參變量的原因。表征振動(dòng)位移、速度、加速度波形參數(shù)常用的有峰值（峰-峰值）、有效值、平均值，以之表示振動(dòng)的量級(jí)，見圖5，選定振動(dòng)變量后，確定振動(dòng)波形表征參量也是正確判定故障

23、的重要內(nèi)容。圖5峰值是指波形上與零線的最大偏移值，它在指示短時(shí)連續(xù)沖擊的能級(jí)上特別有價(jià)值，一般用于加速度測(cè)量。峰-峰值是指振動(dòng)波形的最大偏移量，它反映機(jī)器的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，尤其它在低頻段，機(jī)構(gòu)的破壞直接與之有關(guān)，故它一般用于位移測(cè)量，尤其是在低速大型設(shè)備振動(dòng)測(cè)量上。4.2振動(dòng)量及其量級(jí)振動(dòng)量的表示有絕對(duì)單位制與相對(duì)單位制。絕對(duì)單位制能夠客觀地評(píng)定振動(dòng)的大小，一般用MKS制表示，即 位移的單位以m表示； 速度的單泣以ms表示； 加速度的單位以ms2表示。 如前所述，工程上位移單位常以微米()表承，速度單位以厘米秒()表示，加速度單位以重力加速度G(980cms2)來表示。相對(duì)單位制用“級(jí)”來表示，級(jí)又

24、分為算術(shù)級(jí)和幾何級(jí)兩種形式。算術(shù)級(jí)又稱為倍數(shù)織，用一倍、二倍、十倍、百倍等等表示。幾何級(jí)又稱為對(duì)數(shù)級(jí)，以分貝(dB)表示。機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)通常多采用分貝，使數(shù)量級(jí)大大縮小，同時(shí)使計(jì)算過程簡(jiǎn)化，使乘除關(guān)系變成加減運(yùn)算。按ISORl683標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：振動(dòng)力級(jí) ，；振動(dòng)位移級(jí) ，；振動(dòng)速度級(jí) ，；振動(dòng)加速度級(jí) ，；4.3機(jī)械設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)可以說所有的結(jié)構(gòu)物和機(jī)器在任何時(shí)候都在振動(dòng)著。只要振動(dòng)不影響機(jī)器的工作精度和機(jī)器的工作壽命，不產(chǎn)生過大的噪聲，或未對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生過大的不良影響等，則此種振動(dòng)是允許的。因此。為了衡量機(jī)器的運(yùn)行質(zhì)量就需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來確定允許的振動(dòng)烈度，即確定振動(dòng)烈度的界限。機(jī)器的振

25、動(dòng)烈度定義為：在機(jī)器表面的重要位置上(例如：軸承、安裝點(diǎn)處等)沿垂向、縱向、橫向三個(gè)方向上所測(cè)得的振動(dòng)速度的最大有效值。測(cè)點(diǎn)的布置如圖8。對(duì)于振動(dòng)速度為的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)速度有效值用下式計(jì)算 (25)若機(jī)器的振動(dòng)系由幾個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合而成，則振動(dòng)速度的有效值可由下式求得。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2372中規(guī)定了轉(zhuǎn)速為10200的機(jī)器在101000Hz的頻率范圍內(nèi)機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)烈度的范圍，它將振動(dòng)速度有效值從0.11 (人體剛有振動(dòng)的感覺)到71的范圍內(nèi)分為15個(gè)量級(jí)，相鄰兩個(gè)烈度量級(jí)的比約為1：1.6，即相差4dB。這是由于對(duì)于大多數(shù)機(jī)器的振動(dòng)來說4dB之差意味著振動(dòng)響應(yīng)有了較大的變化。有了振動(dòng)烈

26、度量級(jí)的劃分就可以用它表示機(jī)器的運(yùn)行質(zhì)量。為了便于實(shí)用，將機(jī)器運(yùn)行質(zhì)量分成四個(gè)等級(jí)：A級(jí)機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振級(jí)，此時(shí)稱機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)“良好”。B級(jí)已超過正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振級(jí)，但對(duì)機(jī)器的工作量尚無顯著的影響，此種運(yùn)行狀態(tài)是“容許”的。C級(jí)機(jī)器的振動(dòng)已達(dá)相當(dāng)劇烈的程度，致使機(jī)器只能勉強(qiáng)維持工作，此時(shí)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)稱為“可容忍”的。D級(jí)機(jī)器的振動(dòng)級(jí)已大到使機(jī)器不能運(yùn)轉(zhuǎn)、工作，此種機(jī)器的振級(jí)是“不允許”的。顯然，不同的機(jī)械設(shè)備由于工作要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、動(dòng)力特性、功率容量、尺寸大小以及安裝條件等方面的區(qū)分，其對(duì)應(yīng)于各等級(jí)運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)烈度范圍必然是各不相同的。所以對(duì)各種機(jī)械設(shè)備是不能用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量的，但也

27、不可能對(duì)每種機(jī)械設(shè)備專門制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。為了便于實(shí)用，ISO2372將常用的機(jī)械設(shè)備分為六大類，令每一類的機(jī)械設(shè)備用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量其運(yùn)行質(zhì)量。機(jī)械設(shè)備分類情況如下：圖6 柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖第一類：在其正常工作條件下與整機(jī)連接成一整體的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)器的零件(如15kw以下的發(fā)電機(jī))。 第二類：設(shè)有專用基礎(chǔ)的中等尺寸的機(jī)器(如1575kw的發(fā)電機(jī))及剛性固定在專用基礎(chǔ)上的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)器(300kw以下)。 第三類：安裝在測(cè)振方向上相對(duì)較硬的、剛性的和重的基礎(chǔ)上的具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型原動(dòng)機(jī)和其它大型機(jī)器。 第四類：安裝在測(cè)振方向上相對(duì)較軟的基礎(chǔ)上具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型原動(dòng)機(jī)和其它大型機(jī)器(如透乎發(fā)電機(jī))。 第

28、五類：安裝在測(cè)振方向相對(duì)較硬的基礎(chǔ)上具有不平衡慣性力的往復(fù)式機(jī)器和機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第六類；安裝在測(cè)振方向相對(duì)較軟的基礎(chǔ)上具有不平衡慣性力的往復(fù)式機(jī)器和機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。通過大量的實(shí)驗(yàn)得到了前四類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量與振動(dòng)烈度量級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1。至于第五類、第六類的機(jī)械設(shè)備，特別是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)不同，其振動(dòng)特性變比很大，往往允許有較強(qiáng)烈的振動(dòng)(如)而不影響其運(yùn)行質(zhì)量。而安裝在彈性基礎(chǔ)上的機(jī)器受到隔振作用，由安裝點(diǎn)傳到周圍物體的作用力是很小的，在這種情況下機(jī)器的振動(dòng)將大于安裝在剛體基礎(chǔ)上的振動(dòng)，如高轉(zhuǎn)速的電機(jī)上測(cè)得的振動(dòng)速度有效值可達(dá)50或更大。在上述情況下用振動(dòng)絕對(duì)量級(jí)來衡量機(jī)器的運(yùn)行質(zhì)量顯

29、然是不恰當(dāng)?shù)模壕褪菍?duì)于第一至第四類機(jī)器，由于實(shí)際情況是千變?nèi)f化的，表中所示的機(jī)器運(yùn)行質(zhì)量與振動(dòng)烈度的關(guān)系也只能作為參考。實(shí)踐表明：比較可靠準(zhǔn)確的辦法是用振動(dòng)烈度的相對(duì)變化來表示機(jī)器的運(yùn)行質(zhì)量?？梢钥紤]以機(jī)器“良好”運(yùn)行狀態(tài)的量級(jí)為參考值，在此基礎(chǔ)上若增大2.5倍(8dB)，表明機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)已有重要變化，此時(shí)機(jī)器雖尚能進(jìn)行工作，實(shí)際上已處于不正常狀態(tài)，若從參考狀態(tài)的基礎(chǔ)上增大10倍(20dB)，就說明該機(jī)器已需進(jìn)行修理；再繼續(xù)增大，機(jī)器就將處于不允許狀態(tài)。上述振動(dòng)烈度相對(duì)變化與機(jī)器運(yùn)行質(zhì)量間的關(guān)系常用于以振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷時(shí)的判據(jù)。表2 幾種常用機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)注：振動(dòng)烈度以分貝表示時(shí)，選

30、為參考值，即振動(dòng)速度有效值為此值時(shí)為零分貝。有關(guān)振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)際組織是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公組織(ISO)。振動(dòng)與沖擊的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作由其下屬的“機(jī)械振動(dòng)與沖擊技術(shù)委員會(huì)”(TCl08)領(lǐng)導(dǎo)。TC108成立于1963年，下分四個(gè)分委員會(huì)(SCl一SC4)，有若干個(gè)工作組(WG)在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制訂和修訂等工作。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生一般要經(jīng)過建立草案(ISODP)、標(biāo)準(zhǔn)草案(ISODIS)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)階段，以后根據(jù)生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展還要不斷加以修訂和補(bǔ)充。到1988年底TC108已公布了國(guó)際標(biāo)推34個(gè)，現(xiàn)以其編號(hào)為序?qū)⒚Q列舉如下：ISO 1925一198l 平衡名詞術(shù)語。ISO 1940/1一1986 機(jī)械

31、振動(dòng)剛體轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第一部分：許可殘余不平衡的確定。ISO 2017一1982 振動(dòng)與沖擊隔離器確定特性要求的導(dǎo)則。ISO 2041一1975 振動(dòng)與沖擊名詞術(shù)語。ISO 2371一1974 現(xiàn)場(chǎng)平衡設(shè)備說明與評(píng)定。ISO 2372一1974 轉(zhuǎn)速為10到200rs機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)規(guī)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ISO 2373一1987 軸心高為80到400mm旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)振動(dòng)烈度的測(cè)量與評(píng)定。ISO 2954一1975 旋轉(zhuǎn)與往復(fù)式機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)振動(dòng)烈度測(cè)量?jī)x的要求。ISO 3945一1985 轉(zhuǎn)速為10到200rs大型旋轉(zhuǎn)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)烈度的測(cè)量與評(píng)定。ISO 5343一1983 評(píng)

32、定撓性轉(zhuǎn)子平衡的準(zhǔn)則。ISO 5344一1980 產(chǎn)生振動(dòng)的電動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備描述設(shè)備特性的方法。ISO 5347/0一1987 振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法。第0部分；基本概念。ISO 5348一1987 機(jī)械振動(dòng)與沖擊加速度計(jì)的機(jī)械安裝。ISO 5406一1980 撓性轉(zhuǎn)于的機(jī)械平衡。我國(guó)從1987年起成為ISO成員國(guó)。對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的技術(shù)政策是認(rèn)真研究、區(qū)別對(duì)待、積極采用。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局的歸口下已建立了全國(guó)機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(辦公機(jī)構(gòu)在河南鄭州機(jī)械研究所)，委員會(huì)在下列諸方面正進(jìn)行工作，如制訂和完善我國(guó)的振動(dòng)與沖擊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，開展與ISOTCl08的對(duì)口技術(shù)工作，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的宣傳、

33、技術(shù)咨詢與服務(wù)工作等。目前，我國(guó)巳正式通過的振動(dòng)與沖擊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有下列10個(gè)，還有一批標(biāo)準(zhǔn)正在制訂或?qū)徟小B 22981980 機(jī)械振動(dòng)。沖擊名詞術(shù)語。GB 28071981 電機(jī)振動(dòng)測(cè)定方法。GB 42011984 通用臥式平衡機(jī)校驗(yàn)法。GB 6075一1985 制訂機(jī)器振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。GB 6444一1986平衡詞匯。GB 65571986 撓性轉(zhuǎn)子的機(jī)械平衡。GB 6558一1986 撓性轉(zhuǎn)子平衡的評(píng)定準(zhǔn)則。GB 722l1987 現(xiàn)場(chǎng)平衡設(shè)備的說明和評(píng)價(jià)。GB 8540一1987 振動(dòng)與沖擊隔離器，確定特性要求導(dǎo)則。GB 10084一1988 振動(dòng)、沖擊數(shù)據(jù)分析和表示方法。4.4 為

34、什么以振動(dòng)速度參數(shù)作為診斷標(biāo)準(zhǔn)開始時(shí)，專家們已經(jīng)知道振動(dòng)能量的大小是危害機(jī)器的主要因素，而表示這個(gè)能量大小的應(yīng)是寬頻帶內(nèi)的振動(dòng)速度有效值，但是在20年前，當(dāng)時(shí)的測(cè)量技術(shù)不能滿足振動(dòng)理論提出的要求，六十年代的診斷標(biāo)準(zhǔn)大多為振幅標(biāo)準(zhǔn)，典型代表是1968年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)轉(zhuǎn)速不同的汽輪機(jī)、電機(jī)等所作的診斷標(biāo)準(zhǔn)。見表3：表3 （良好標(biāo)準(zhǔn)）轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）100015001800300036007600軸承座0.0750.0500.0450.0250.0210.012標(biāo)準(zhǔn)中軸承座的振幅應(yīng)取轉(zhuǎn)子的各軸承座三個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大的振幅值。同時(shí)，可以通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)說明，振幅標(biāo)準(zhǔn)值是隨轉(zhuǎn)速變化而變化的，轉(zhuǎn)速越高，

35、標(biāo)準(zhǔn)值越低，因此現(xiàn)在通常不采用測(cè)量位移來判斷設(shè)備的好壞，而振動(dòng)的速度有效值是與設(shè)備的轉(zhuǎn)速無關(guān)的，它確能反映設(shè)備的最大破壞能量。可以看出，雖然轉(zhuǎn)速越高，允許振幅越小，但是，振動(dòng)速度的有效值Vrms是不變的，換句話說，無論轉(zhuǎn)速高低，準(zhǔn)則是一個(gè)，或者說，只允許某種振動(dòng)能量，這種振動(dòng)能量大小，是用振動(dòng)速度的平方表征的。圖7 振動(dòng)的振幅標(biāo)準(zhǔn)在以往的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中，多采用機(jī)械式百分表來測(cè)量位移峰-峰值，用以判斷機(jī)器振動(dòng)大小，進(jìn)而確定好壞。我們說，這種測(cè)試方式是極不合理的。原因有三：第一，這種機(jī)械式百分表動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差，不能測(cè)量動(dòng)態(tài)量；第二，測(cè)量軸承座的振幅是一種相對(duì)測(cè)量；第三，機(jī)器的振動(dòng)是周期和非周期振

36、動(dòng)同時(shí)存在的寬帶振動(dòng)，即使用百分表能讀出數(shù)值，這個(gè)數(shù)值不一定是機(jī)器轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的規(guī)定振幅。對(duì)設(shè)備監(jiān)護(hù)者，隨時(shí)測(cè)知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是十分重要的，而要判定設(shè)備狀態(tài)就要有相應(yīng)的振動(dòng)烈度判據(jù)。目前，最常采用的是ISO-2372標(biāo)準(zhǔn)，它以振動(dòng)速度有效值在101000Hz頻帶內(nèi)的變化為狀態(tài)判定參量。以設(shè)備功率作為分類依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)如表4。表4旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)診斷的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO2372）注：(1)I類為小型電機(jī)(小于15kw的電動(dòng)機(jī)等；類為中型機(jī)器(1575kw的電動(dòng)機(jī)等)；類為 大型原動(dòng)機(jī)(硬基礎(chǔ))；類為大型原動(dòng)機(jī)(彈性基礎(chǔ))。 (2)A、B、C、D為振動(dòng)級(jí)別。A級(jí)好，B級(jí)滿意，C級(jí)不滿意，D級(jí)不允許。 測(cè)量速度

37、rms值應(yīng)在軸承殼的三個(gè)正交方向上。 需要指出的是，振動(dòng)測(cè)量是在機(jī)器部件表面進(jìn)行，因此，測(cè)量值還取決于測(cè)量處的機(jī)械導(dǎo)納。因此，選取正確的測(cè)點(diǎn)位置是十分重要的，不正確的位置往往導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷結(jié)果。另外，此標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中不必生硬搬套，可根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)參考此標(biāo)準(zhǔn)建立自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了克服測(cè)點(diǎn)機(jī)械導(dǎo)納的影響，可靠的辦法是通過集中相對(duì)變化取得狀態(tài)信息，即用確定的參考“基線”或級(jí)值和允許系統(tǒng)的一定的變化來獲得：應(yīng)特別指出的是，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)采用同一廠家儀器系列，在其基礎(chǔ)上建立其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，否則標(biāo)準(zhǔn)無意義。5旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷5.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障及其特點(diǎn)5.1.1 旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)分類5.1.1.

38、1 強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)又稱同步振動(dòng)，它是由外界持續(xù)周期性激振力作用而引起的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)從外界不斷地獲得能量來補(bǔ)償阻尼所消耗的能量，使系統(tǒng)始終保持持續(xù)的等幅振動(dòng)。該振功反過來并不影響擾動(dòng)力。產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、聯(lián)軸器不對(duì)中、轉(zhuǎn)子與靜子摩擦、機(jī)械部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)子部件或軸承破損等。強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)在于強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率總是等于擾動(dòng)力的頻率。例如，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，其頻率恒等于轉(zhuǎn)速頻率。5.1.1.2自激振動(dòng)機(jī)器在運(yùn)行過程中，由于機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動(dòng)本身所產(chǎn)生的交變力而引起的振動(dòng)叫自激振動(dòng)。其特點(diǎn)是一旦振動(dòng)停止，交變力也自然消失，自激振動(dòng)的頻率就是機(jī)械的固有頻率(或臨界頻率)，與

39、外來激勵(lì)的頻率無關(guān)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的自激振動(dòng)有：油膜渦動(dòng)和油膜振蕩。它主要由轉(zhuǎn)子內(nèi)阻、動(dòng)靜部件間的干摩擦等引起。與強(qiáng)迫振動(dòng)相比，自激振動(dòng)出現(xiàn)比較突然，振動(dòng)強(qiáng)度比較嚴(yán)重短時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)機(jī)器造成嚴(yán)重破壞。5.1.1.3非定常強(qiáng)迫振動(dòng)非定常強(qiáng)迫振動(dòng)是由外來擾動(dòng)力而引起的一種強(qiáng)迫振動(dòng)。其特點(diǎn)是與擾動(dòng)力具有相同的頻率振動(dòng)本身反過來會(huì)影響擾動(dòng)力的大小與相位；振動(dòng)的幅值和相位都是變化的。比如轉(zhuǎn)子軸上某一部位出現(xiàn)不均勻的熱變形，就相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子增加了不平衡質(zhì)量，它將會(huì)使振動(dòng)的幅值和相位都發(fā)生變化。反過來，振動(dòng)幅值和相位的變化又影響不均勻熱變形的大小與部位，從而使強(qiáng)迫振動(dòng)連續(xù)不斷地發(fā)生變化。 5.1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械常

40、見故障及其特點(diǎn)5.1.2.1不平衡 轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障之一。轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)有以下特點(diǎn)： (1) 振幅隨轉(zhuǎn)速的上升而增加； (2) 振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同； (3) 振動(dòng)方向以徑向?yàn)橹鳎?4) 振動(dòng)相位常保持一定角度。當(dāng)不平衡重量只存在于一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，這種不平衡稱為靜不平衡：而當(dāng)在多個(gè)平面內(nèi)有不平衡情況時(shí)，就是動(dòng)不平衡。 泵、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)使用一段時(shí)間后，由于磨擦、積灰等原因，使轉(zhuǎn)子質(zhì)心改變，出現(xiàn)不平衡（電動(dòng)機(jī)由于潤(rùn)滑脂過量也會(huì)引起不平衡）。不平衡的特點(diǎn)是：(1) 振動(dòng)頻率單一，振動(dòng)方向以徑向?yàn)橹?。在工頻（亦稱轉(zhuǎn)頻）（1X ）處有一最大峰值，（轉(zhuǎn)子若為懸臂支承，將有軸向分

41、量）；(2) 在一階臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而增大；(3) 譜圖中一般不含工頻（1X）的高次諧波（2X、3X ）。5.1.2.2不同軸及軸彎曲所謂旋轉(zhuǎn)的不同軸，是指用聯(lián)軸節(jié)連接起來的兩根軸的中心線有偏移。存在不同軸時(shí)，容易發(fā)生軸向振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子發(fā)生暫時(shí)或永久變形，使軸承和聯(lián)軸節(jié)工作情況惡化、機(jī)械壽命縮短等：不同軸較輕時(shí)，其頻率成分為旋轉(zhuǎn)基本頻率：不同軸嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)基本頻率的高次成分。造成不同軸的主要原因有制造精度差、安裝不良、熱變形不均勻、聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)、地基下沉等。對(duì)于不平衡引起的振動(dòng)，振幅的增大與轉(zhuǎn)速的平方成比例；對(duì)于不同軸引起的振動(dòng)，振幅大體為一常數(shù)，與轉(zhuǎn)速的變化無關(guān)。雖然人們普遍認(rèn)為

42、機(jī)械振動(dòng)主要是不平衡所致，但就旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，70-75的振動(dòng)是不對(duì)中引起的。不對(duì)中有兩種：平行不對(duì)中和角度不對(duì)中。平行不對(duì)中徑向振動(dòng)比較突出，角度不對(duì)中軸向振動(dòng)更突出、兩者在機(jī)器端部或聯(lián)軸器兩邊都有180的相位差。不對(duì)中振動(dòng)的特點(diǎn)：1在2X處有大的能量分布；2隨著不對(duì)中程度的增加，產(chǎn)生很大的軸向振動(dòng)分量； 3在聯(lián)軸器的兩邊振動(dòng)的相位關(guān)系是18030；4在2X處的幅值大于1X處的50時(shí)意味不對(duì)中程度已加劇。圖10-1是一臺(tái)水泵的譜圖，圖中2X處也有峰值，但較小，這與不對(duì)中的特點(diǎn)1相符，估計(jì)已存在某種程度的不對(duì)中。一周后再測(cè)量，該處幅值已明顯增大并超過1X處的幅值（圖10-2），說明不對(duì)中已比較嚴(yán)

43、重。檢查發(fā)現(xiàn)不對(duì)中量達(dá)0.254mm。找正后譜圖（圖10-3）2x處的幅值已明顯變小，機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)。但要說明兩點(diǎn)：第一，兩次測(cè)量結(jié)果，1X處的幅值無明顯變化，而2X處幅值變化很大，這正是不對(duì)中故障的典型頻譜特征。第二，在2X附近有兩個(gè)譜峰，一個(gè)在7100rmin處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個(gè)在7200rmin處，它是電機(jī)定子繞組中電氣故障引起的。圖10-1圖10-2 圖10-35.1.2.3 松動(dòng)松動(dòng)現(xiàn)象是由螺栓緊固不牢引起的，或由于基礎(chǔ)松動(dòng)、過大的軸承間隙等引起的。松動(dòng)會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)。松動(dòng)引起的振動(dòng)特征如下：(1) 振動(dòng)方向常表現(xiàn)為上下方向的振動(dòng)；(2) 振動(dòng)頻率除旋轉(zhuǎn)基本頻率fr

44、外，可發(fā)生高次諧波(2fr，3fr，)成分，也會(huì)發(fā)生（1/2fr，1/3fr，）分?jǐn)?shù)諧波和共振；(3) 振動(dòng)相位無變化；(4) 振動(dòng)形態(tài)使轉(zhuǎn)速增減、位移突然變大或減小。 即使裝配再好的機(jī)器運(yùn)行一段時(shí)間后也會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。引起松動(dòng)的常見原因是：螺母松動(dòng)、螺栓斷裂、軸徑磨損、甚至裝配了不合格零件。 具有松動(dòng)故障的典型頻譜特征是以工頻為基頻的各次諧波，并在譜圖中?？吹?0X。國(guó)外有人認(rèn)為，若3X處峰值最大，是軸和軸承間有松動(dòng)，若4X處有峰值，表明軸承本身松動(dòng)。圖11-1是一臺(tái)電機(jī)地腳螺栓診斷的譜圖。但更換地腳螺栓后，譜圖上除工頻處有一峰值，其它峰值均已消失（圖11-2）。圖11-1 圖11-2圖12是一

45、臺(tái)用于空氣過濾的真空泵的頻譜圖。圖中出現(xiàn)多個(gè)高次諧波，有的已超過0.088mms。由于該泵已使用3個(gè)月，并且是多級(jí)推進(jìn)器，因此懷疑是其中有一級(jí)推進(jìn)器松動(dòng)。拆開檢修發(fā)現(xiàn)是過濾器中的一個(gè)袋子被吸到泵里，纏繞在推進(jìn)器上，使推進(jìn)器失衡。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)來回跳動(dòng)，產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)速度的高次諧波，表現(xiàn)出松脫的頻譜特征。由此看出，一種故障現(xiàn)象往往是幾種故障共同作用的結(jié)果。圖125.1.2.4自激振功自激振動(dòng)的產(chǎn)生不是由于機(jī)械受到外來周期性持續(xù)激振力，而是由于機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動(dòng)本身所產(chǎn)生交變力。一旦振動(dòng)停止。交變力自然消失。在自激振動(dòng)情況下。振動(dòng)無特殊方向性；振動(dòng)頻率是機(jī)械的固有頻率或臨界頻率，與轉(zhuǎn)速或外來激勵(lì)的頻率

46、無關(guān)；相位會(huì)發(fā)生變化，在某一轉(zhuǎn)速下振動(dòng)形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化、旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見的自激振動(dòng)有渦動(dòng)、振蕩（油膜振蕩、密封振蕩、摩擦振蕩等)、韻振、參數(shù)失穩(wěn)等。與強(qiáng)迫振動(dòng)相比，自激振動(dòng)出現(xiàn)比較突然，振動(dòng)強(qiáng)度比較嚴(yán)重。短時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)機(jī)械造成嚴(yán)重破壞。5.1.2.5 油膜渦動(dòng)和油膜振蕩油膜渦動(dòng)是一種在某突然開始的轉(zhuǎn)速下，在軸承中發(fā)生的一種流體力不穩(wěn)定現(xiàn)象。其特點(diǎn)是振動(dòng)頻率約為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的一半，故又稱為半速渦動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)速的上升，油膜渦動(dòng)頻率也隨之上升；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到臨界轉(zhuǎn)速二倍以上時(shí)，渦動(dòng)頻率不再上升，而始終為臨界轉(zhuǎn)速頻率，并出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，這就是油膜振蕩。油膜振蕩的原因是油膜渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子共振二者相互作用的結(jié)果，因而也稱為共振振蕩。根據(jù)線性化理論，一旦這種振動(dòng)出現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的共振振幅，增加轉(zhuǎn)子中心與軸承中心的偏離程度，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)于疲勞破壞。圖13為圓柱軸承油膜渦動(dòng)和油膜振蕩的幅頻特性曲線。其中圖13中(a)，(b)，(c)分別為軸承在輕載、中載、重載下的振幅A、頻率f的特性曲線，nk是轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。5.1.3齒輪缺陷用振動(dòng)頻譜來分析齒輪傳動(dòng)存在的問題看起來很簡(jiǎn)單，但要解釋它們卻很困難，要發(fā)現(xiàn)早期的齒輪缺陷尤其困難。其主要原因是傳感器的安裝受到限制和多振源產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的頻譜。在傳動(dòng)中，一般存在