机械设备工况监测和故障诊断讲座文稿机械状态监测和故障诊断方法杨国安1 状态监测和故障诊断系统WME基于web的远程在线工况监测故障诊断系统和MFD302、303便携式状态监测和智能维护系统，是杨国安教授经过多年的探索，结合在故障诊断领域的研究成果，积多年现场经验，汲取同类产品优点，自行设计并开发的在线及便携式旋转机械状态监测和故障自动诊断系统。其组态化设计，特点鲜明，运行平稳。该系统不求功能多而全，只求简捷、可靠，具有针对性。界面直观明了，故障自动诊断，便于操作。基本做到免培训。任何事物均有其发展完善过程，状态监测和故障诊断是一门实践性非常强的学科，它的发展、完善离不开现场工作人员的参与和配合，恳望辛劳工作在现场第一线的操作人员反馈信息、心得体会，以便我们共同进步，在此，我表示诚挚的谢意。2设备维修的发展 大家知道，当前我国对设备的维护仍采用传统的计划、定期维修。而这种方式带有很大盲目性，设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度难以准确把握。另外，由于良好部位的反复拆卸，机械性能往往不理想，甚至低于检修前。而且，没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期维修走向状态、预知维修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命。状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；机械状态分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。使我们能够及时准备维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期；完善的设备管理软件，又可使企业设备管理自动化。由此可见，状态检测给企业带来的经济效益是十分显著的。设备维修经历了三个阶段：1事后维修事后维修是设备运行到失效再进行维护。其优点是不需要安排计划。对有些设备，更换比修理往往更便宜。缺点是意外停机引起生产损失。灾难性的设备事故。库存备件投资多。引起设备的二次损坏。2定期维修定期维修是按预订的时间间隔或检修周期对设备作维修、调整和更换备件。其优点是机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。缺点是意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。3预知维修 预知维修是有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态。其优点是减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。非必要维修减到最少。备件库存最小。缺点是需要初始投资。需学习和培训。2机械振动简介2.1什么叫振动？ 振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。2.2振动的分类 工程中有大量的振动问题需要研究、分析和处理，因此有必要简单介绍振动力学中的振动分类方法，以便在振动故障类型、原因、分析和故障排除方面提供考虑的基础。 机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下几种分类： 1、按振动的规律分 简谐振动。非简谐振动和随机振动。有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动； 2、按产生振动的原因分 自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等； 3、按自由度分 单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动； 4、按振动位移特征分 角振动和直线振动； 5、按系统结构参数分 线性振动和非线性振动。 在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。2.3简谐振动 结构振动时，描述它振动情况的物理量是随时间变化的，可以表示为时间t的函数，如，等等。这种描述振动的方法称为时域描述，而函数，称为时间历程。简谐运动是最简单的周期运动，它是时间的单一正弦或余弦函数，它是振动故障诊断中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特别是它的物理意义，对于掌握故障诊断技术十分重要。简谐振动的数学表达式是 （1）式中：A-振幅； -角频率（圆频率）。如果振动时系统的物理量随时间的变化为简谐函数，称此振动为简谐振动。单自由度系统无阻尼自由振动时，它的位移等物理量就是简谐函数。简谐运动可视为一个绕原点做等速圆周运动的点在水平轴上的投影。如图1所示，取水平轴为x轴，点P距原点的距离为A，连接OP两点的直线OP由水平位置开始以等角速度绕O点转动，在任一时刻t，点P的x坐标(即OP在x轴上的投影)为 （2）因为函数具有下列特性： （3）因为直线OP绕原点转过弧度为一个周期T，故上式应满足条件： （4）则， （5）为简谐运动的频率。如果振动位移为简谐运动，我们称此振动为简谐振动。如果直线OP不是由水平位置开始转动，其初始位置与水平位置的夹角为则OP在x轴上的投影为图1 简谐振动曲线 （6）式中，称为初角。由式(6)可得到简谐振动的速度和加速度的表达式： （7） （8）可见，简谐振动的速度、加速度与位移一样，都是简谐函数。三者的频率相同，而速度、加速度的相位分别比位移超前和，幅值分别增大和倍。从式(6)和(8)可得： （9）这表明：简谐振动的加速度大小与位移成正比，方向与位移相反。这是简谐振动的一个重要特点。必须指出，简谐振动一定是周期振动，但是，周期振动不一定是简谐振动。3 信号分析及处理基础通常把可测量、记录、处理的物理量泛称为信号，它们一般是时间的函数。所谓动态信号是指要进行分析处理的信号随时间有较大的变化，不是近似直流信号的那种随时间缓慢变化的信号。主要讨论动态信号分析处理中的有关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础的各种分折技术。3.1信号的分类信号按其随时间变化的规律不同，可分为确定性信号和非确定性信号(随机信号)，还可以进一步细分如图2所示。可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号，它可以分为周期信号、非周期信号、准周期信号等。图2信号的分类23.2信号的时域分析所谓时域是指一个或多个信号其取值大小、相互关系等，可定义为很多不同的时间函数或参数这些时间函数或参数的集合称为时域。时域分析指计算这些函数并进行分析。显然对于确定性信号或随机信号存在不同的定义及处理方法。随机信号的定义及处理方法比较复杂，确定性信号的处理则与随机信号中的各态历经过程的处理类似，所以以下叙述中以随机信号的定义及处理方法为主确定性信号的处理可参见各态历经过程的处理。根据时间函数或参数的不同，时域进一步细分还可以分为幅值域、时差域、倒领域、复时域等3。3.2.1 幅值域对样本记录的取值进行统计，称为在幅值域内对信号进行研究，在此幅值是广义的幅值，即样本记录的一切可能取值。在幅值域内几个最重要的基本概念是概率密度函数、概率分布函数、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号的稳定分量，随机过程的均值定义为 （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号的能量，随机过程的均方值定义为 （11）均方根值定义为均方值的正平方根。均方值又称为二阶矩。 有效值是振动测量中用的最多的物理量，它定义为振动信号的均方根值。用它表征振动量级的优点在于：既考虑了振动的时间历程，同时又表征了机械振动能量的大小。在高频时，虽然振幅很小，但是由于加速度是位移的倍，因此零部件的惯性力破坏常发生在高频，故国际上近年来除了要求测量仪器满足振动标准烈度外，还要求满足lKHz一10KHz乃至更高频率的振动监示和测量，正因为有效值有如此的优越性，国际ISO2372标准中对振动烈度采用有效值来表征振动量级。3.2.1.3 方差、标准差方差和标准差用于描述信号的波动分量，随机过程的方差定义为 （12）标准差是方差的正平方根。方差又称为二阶中心矩。3.2.1.4 歪度（斜度）歪度反映信号中大幅值成分的影响随机过程的歪度定义为 （13）歪度又称为三阶矩。3.2.1.5 峭度峭度反映信号中大幅值成分的影响，随机过程的峭度定义为 （14）3.2.2 时差域对样本记录在不同时刻取值的相关性进行统计，称为在时差域内对信号进行研究。在时差域内几个最重要的基本概念是自相关函数、互相关函数、协方差函数等。3.2.2.1 自相关函数自相关函数是指用以描述信号自身的相似程度。对于某一个随机过程，若和为其任意两个随机变量，其自相关函数定义为 （15）由于周期信号的自相关函数是周期函数，而白噪声信号的自相关函数是函数所以进行自相关函数分析，可以发现淹没在噪声中的周期信号。3.2.2.2 互相关函数互相关函数是指用以描述两个信号之间的相似程度或相关性对于某二个随机过程和，其互相关函数定义为 （16）若互相关函数中出现峰值，则表示这两个信号是相似的，其中一路信号在时间上滞后了峰值所在的时差值。若互相关函数中几乎处处为零，则表示这两个信号互不相关。3.2.2.3 协方差函数略。3.2.3 平稳随机过程和非平稳随机过程当随机过程的所有统计量不随时间变化时，称为严格意义上的平稳随机过程，主要统计量如均值、均方值、方差或自相关函数、互相关函数不随时间或所研究的时刻变化时，称为广义的平稳随机过程。反之则为非平稳随机过程。对于平稳随机过程，均值、均方值与方差等都是常数，自相关函数和互相关函数只是时间差的函数。3.2.4 各态历经（遍历）过程为了计算随机过程的统计量，需要知道的全部样本函数或其概率密度函数实际上是很难做到的，工程中存在类平稳随机过程只对其某个样本函数进行研究就能计算该随机过程的各统计量这类随机过程就称为各态历经过程。确定性信号中非周期信号的各统计量计算公式与各态历经过程完全相同，确定性信号与各态历经过程存在少数不同之处，如在幅值域内可定义以下统汁量。3.2.4.1 峰值峰值在局部范围内为极大值(对应于正峰值)或极小值(对应于负峰值)，对于周期信号，峰值一定会重复出现，对于非周期信号峰值至少有一个，最大峰值描述信号的最大值。3.2.4.2 幅值幅值专用于描述正弦信号的峰值，由于各种周期或非周期信号可表示为无穷多个正弦信号分量之和，所以这些周期或非周期信号的峰值不与其某个正弦信号分量的幅值相等。广义的幅值指信号某瞬间的取值。3.2.4.3 有效值有效值专用于描述正弦信号的均方根值，其大小为正弦信号幅值的，对于其他信号，均方根值不是其峰值的。在正弦交流电路中，可用电压有效值乘以电流有效值求出电路中的功率，见图3。图