機械故障診斷學

機械故障診斷學機械設備故障診斷與醫(yī)學診斷有許多相似之處，機械設備出現(xiàn)故障（隱患）時，會反映出各種征兆，諸如振動、溫度、壓力等信號的變化。但不是所有信號對任何故障隱患都很敏感，如對齒輪箱來說，若是軸承出現(xiàn)破損，振動信號的變化要比溫度信號敏感；若是潤滑不足，則溫度信號就比振動信號敏感。這就是說設備在不同的運行狀態(tài)下（故障也是一類運行狀態(tài)），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的獲取，不僅與所選擇的信號內(nèi)容有關(guān)，而且與傳感器的類型、傳感器的精度和測點位置有關(guān)。

概述

振動信號檢測

計算機輔助信號采集系統(tǒng)

信號預處理特征分析與提取是故障診斷基礎第2章特征信號檢測中南大學機電工程學院李群明2015年上概述信號是反映設備運行狀態(tài)的信息載體特征信號選擇原則能敏感地反應工況狀態(tài)變化能實時采集對傳感器類型的選擇要求能反映物理特征易于安裝中南大學機電工程學院李群明2015年上

傳感器是人類器官的延伸

傳感器的選擇

分類

位移、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。機械式、電氣式、光學式、流體式等。物性型、結(jié)構(gòu)型能量轉(zhuǎn)換型(無源型、

發(fā)電型或主動傳感器)、能量控制型(

有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動傳感器)模擬式、數(shù)字式中南大學機電工程學院李群明2015年上f(t)

mkcy0(t)y1(t)單自由度系統(tǒng)在基礎受力所產(chǎn)生的受迫振動

令

振動信號檢測:最常見動態(tài)測量:位移、速度、加速度、頻率、相位靜態(tài)測量：固有頻率、阻尼、剛度、響應、模態(tài)中南大學機電工程學院李群明2015年上固有頻率：阻尼比：以y1(t)作為輸入：中南大學機電工程學院李群明2015年上位移輸入：幅-頻曲線中南大學機電工程學院李群明2015年上位移輸入：相-頻曲線中南大學機電工程學院李群明2015年上當<<n時，A()接近于0，質(zhì)塊相對基礎的運動接近于零，它意味著質(zhì)塊幾乎跟著基礎一起振動，相對運動很小。而當>>n時，A()接近于1，表明質(zhì)塊相對基礎的運動與基礎的運動近乎相等，即質(zhì)塊在慣性座標中幾乎處于靜止狀態(tài)。上述原理是研究振動測試的基礎。

中南大學機電工程學院李群明2015年上以作為輸入：中南大學機電工程學院李群明2015年上00.511.522.5300.511.522.533.544.55A()加速度輸入：幅-頻曲線01.0=z0.10.20.50.71中南大學機電工程學院李群明2015年上

渦流式位移傳感器w：線圈匝數(shù)：空氣的磁導率

中南大學機電工程學院李群明2015年上傳感器的自感量L與距離關(guān)系

00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25d,mmL中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上

磁電式速度傳感器：當穿過某一線圈的磁通發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應電動勢，其電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比

e=WBlvsine=kWBA中南大學機電工程學院李群明2015年上圖電磁式絕對速度計1—彈簧2—殼體3—阻尼環(huán)4—磁鋼5—線圈6—芯軸中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上

壓電式加速度傳感器金屬膜FF壓電晶片中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上等效電荷源等效電壓源CaRaqCaRaua壓電器件相當于具有一定電容的電荷源：電容兩極板間開路電壓為：中南大學機電工程學院李群明2015年上若考慮負載（測量電路），等效電路如下：電荷源等效電路CaRaqCcRiCi電壓源等效電路CaRauaCcRiCi假設一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出電壓：中南大學機電工程學院李群明2015年上CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo高通濾波其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci。

中南大學機電工程學院李群明2015年上電荷放大器是一個高增益帶電容負反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。電荷放大電路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi中南大學機電工程學院李群明2015年上電荷放大等效電壓放大電路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf其中，R=Ra//Ri

C=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf(1+A)Cf中南大學機電工程學院李群明2015年上ICP?SensorSystem中南大學機電工程學院李群明2015年上壓電式加速度傳感器中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上NOISECOMPARISONICPCHARGEMODE(Rangedfor500mV/gSensitivity)

中南大學機電工程學院李群明2015年上鋼螺栓a)鋼螺栓c)絕緣螺栓b)云母墊圈

薄蠟層探針d)e)粘接劑

粘接螺栓f)粘接劑g)磁鐵中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上各種振動傳感器的測量范圍中南大學機電工程學院李群明2015年上渦流位移傳感器的校準儀中南大學機電工程學院李群明2015年上測振傳感器的合理選擇要求:靈敏度高動態(tài)特性良好噪聲小滯后、漂移誤差小功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性防水及抗腐蝕結(jié)構(gòu)簡單、成本低中南大學機電工程學院李群明2015年上

計算機輔助信號采集系統(tǒng)被測對象傳感器信號調(diào)理多路模擬開關(guān)采樣保持A/D計算機總線D/A低通濾波激勵裝置功率放大CPUROMRAM鍵盤顯示控制邏輯………中南大學機電工程學院李群明2015年上工業(yè)控制計算機PC

總線多通道同步采集A/D卡AC/DC分離通道選擇模擬信號隔離采樣控制轉(zhuǎn)速測量振動信號采集模塊溫度、壓力等非振動信號輸入開關(guān)量輸入非振動信號采集模塊開關(guān)量

采集模塊...

振動信號輸入AC/DC選擇透平壓縮機組信號采集裝置示意圖

中南大學機電工程學院李群明2015年上

信號調(diào)理1、交、直流分離2、信號濾波3、信號放大4、信號積分中南大學機電工程學院李群明2015年上A/D轉(zhuǎn)換0123456789101112131415161718192002468101214x(t)x(t)xt時間t=kD,sD中南大學機電工程學院李群明2015年上中南大學機電工程學院李群明2015年上

采樣定理中南大學機電工程學院李群明2015年上若原始信號是帶限信號，則采樣后信號不發(fā)生混疊的條件為：fs2fh（如下圖）。其中fh為信號中的最高頻率。此即為采樣定理。中南大學機電工程學院李群明2015年上

消除混疊的措施提高采樣頻率。但提高采樣頻率將導致在同樣信號長度下，采樣點數(shù)隨之提高，增加計算負擔。應用抗混濾波器降低信號中的最高頻率。從理論上講，由于抗混濾波器的非理想特性，信號中高頻分量不可能完全衰減，因此不可能徹底消除混疊。中南大學機電工程學院李群明2015年上

數(shù)字信號處理及其存在問題時域采樣：時域離散化截斷：時間有限化頻域采樣：頻域離散化結(jié)果：時、頻域周期化中南大學機電工程學院李群明2015年上

截斷、泄漏和窗函數(shù)x(t)w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00fW(f)1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截斷的正弦信號頻譜中南大學機電工程學院李群明2015年上

減小泄漏的措施

提高截斷信號長度，即提高矩形窗寬度，此

時

sinc函數(shù)主瓣變窄，旁瓣向主瓣密集，由

于旁瓣衰減較快，故可減小泄漏，但顯然采

樣點數(shù)隨之提高，增加計算負擔。

采用其它窗函數(shù)。一個好的窗函數(shù)應當：主

瓣盡可能窄（提高頻率分辨力）、旁瓣相對

于主瓣盡可能小，且衰減快（減小泄漏）。

中南大學機電工程學院李群明2015年上W(f)1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗

w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗中南大學機電工程學院