京时代龙城科技责任有限公司 振动诊断技术监测与故障诊断中的应用

北京时代龙城科技责任有限公司

振动诊断技术监测与故障诊断中的应用

技术部服务

姓名：王啸林

我公司生产振动检测及故障诊断仪器，为广大企业提供了良好的技术服务，设备故障诊断在保障设备的安全运行，预防事故发生，实现设备状态维修，提高设备寿命等方面起到了关键的指导性作用，取得了显著的经济效益和社会效益，振动诊断技术是进行机械设备状态监测与故障诊断最常用的有效手段。本文旨在研究振动诊断技术监测的应用。

随着现代科学技术的发展,设备的集成度越来越高,越来越复杂,故障诊断技术的出现,为提高系统的可靠性和安全性开辟了一条新的途径,它的出现、兴起与迅速发展,是实际应用需求和多学科理论发展两个方面交替作用的结果。近些年来,由于计算机技术、信号处理、人工智能、模式识别技术的发展,促进了故障诊断技术的不断发展,大型复杂电子设备的出现,使得人们更迫切地希望能提高其整体可靠性与维修性,这就给故障诊断提出了更高的要求。因此,对故障诊断技术的研究有着重要的理论与现实意义。

分析被监测设备结构特点，确定监测和诊断的对象：研究状态监测的监测参数、测点及方向、测试工况和监测周几的确定方法：在定期监测的基础上，建立振动状态判断标准：并对被监测设备进行状态识别与趋势分析。

总结常用的振动信号处理分析方法。振动信号预处理方法包括滤波、时域同步平均法和包络解调法。振动信号分析方法包括最常用的时域分析和频域分析两大类：时域分析主有统计分析和相关函数分析，统计分析方法包括幅值概率密度分析以及提取时域波形的特征参数和无量纲动态指标：频域分析包括频谱分析、倒频谱分析、包络分析。

一般设备轴承和齿轮是易发生损伤的部位，也是进行研究的重点，滚动轴承着重研究因故障引起的冲击脉冲振动机理，滚动轴承故障特征频率的计算方法；滚动轴承典型故障振动的时域及频域特征及针对不同故障类别采用不同的诊断方法；并听过实际诊断证明包络解调是滚动轴承诊断最有效的方法。齿轮方面在分析齿轮啮合刚度周期性变化的基础上，阐述齿轮的振动故障机理；从信号调制角度分析齿轮故障特征，并具体分析各种典型故障振动的时域及频域特征；通过实际诊断证明齿轮故障诊断主要采用频域分析方法。同时介绍其他典型故障特征及成功诊断实例，包括主轴联轴器不对中，机械松动和电机故障等。

关键词:故障诊断；状态监测；振动信号; 机床诊断

第一章绪论

1.1设备故障诊断意义

设备故障振动技术，它是指通过对设备定期监测，了解和掌握设备的运行状态，识别设备异常表现，早期发现设备的潜在故障并预报故障发展趋势。通俗地讲就是一种给设备“看病”的技术。

设备故障诊断技术在实际工程中应用的重大意义主要表现在两个方面：

1、 提高设备运行的可靠性、安全性和有效性

设备故障诊断技术能及时地、正确地对设备的各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，避免重大事故发生，保证设备安全、可靠运行。

2、 推进了设备维修的制度改革

设备维修方式的发展经历了三个阶段，即早期的时候维修方式，目前普遍采用的定期预防维修方式，现在正向状态维修方式发展。定期维修方式可以预防事故发生，但可能出现过剩维修或维修不足。状态维修方式是以设备故障诊断技术为基础，根据设备运行的状态来决策维修，它即可避免过剩维修又防止不足维修，是一种科学、更合理的维修方式。

3、 能给企业带来可观的经济效益

由于设备故障诊断技术能避免因突发性事故发生造成的经济损失，能充分挖掘设备的潜力，延长设备的使用寿命，还能指导进行有针对性的维修，缩短维修时间，降低维修成本所以能给企业带来可观的经济效益。

目前设备状态监测与故障诊断技术已在保障设备安全运行，预防事故发生，实现设备维修制度由定期预防维修状态维修改革，提高设备寿命等方面起到了关键性的知道作用，取得了显著的经济效益和社会效益。英国新闻报道，对2000个大型工厂调查表明，采用诊断技术后每年节省维修用了3英镑，而对于故障诊断的成本为0.5英镑，收益为投入的6倍，竟获益达2.5亿英镑/每年；我国实话系统的30吨合成氨厂，过去每年定期大修一次，需要45天，检修费用占年产值的15%。采用故障诊断后改为3年修两次，一次不到30天，检修费用降为年产值得10%

1.2设备故障诊断技术发展

1.2.1设备故障诊断技术发展概括

设备故障诊断技术作为一门科学，是从20世纪60年代以后发展起来的。随着科学技术的不断进步和发展，尤其是计算机技术和信号技术的迅速发展，设备故障诊断技术以设备的管理、状态监测和故障诊断为内容，以建立新的维修体制为目标，在欧美、日本以不同的形式得到了广泛的开展。

美国作为最早发展设备诊断技术的国家，其诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端部门得到广泛的应用，在世界上处于领先地位。英国在70年代初成立了机械保健与状态监测协会，为故障诊断技术的开展起了很大作用，目前，英国在摩擦损以及汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先地位。欧洲一些国家的诊断技术发展也各有特色，如瑞典SPM公司的轴承监测技术，丹麦B&K公司的振动、噪声监测技术，挪威的船舶诊断技术等。日本的诊断技术研究与70年代，目前，在钢铁、化工、铁路等民用工业的诊断技术处于领先。

我国对机械设备故障诊断工作的开展于1983年，许多高校和科研机构对故障诊断技术的离乱与应用等方面进行了研究和探索，取得了可喜的成果，同时哈尔滨工业大学研制了“机械振动微机监测和故障诊断技术”，上海汽轮机厂研制了“125MW汽轮机组微机监测分类管理系统”等。目前而言，我国设备故障诊断技术在石化、冶金、电力等行业中应用情况较好，已取得了一定的经济效益和社会效益，并形成了学科体系。

机关机械设备诊断技术已取得了很大的发展，但它是一门正在发展的新型学科，还没有达到完善的水平，主要表现在：1、理论与实际相脱离。故障诊断是一门实践性极强的技术，目前从事机械故障诊断研究人员多为高校或研究单位，他们对现场设备缺乏深入研究，而现场技术人员又没有足够的时间和技术基础，将所观察、监测的现象上升到理论加以分析归纳、总结。2、在智能诊断仪器、传感器、信号采集与分析仪器等方面与其他国家有一定差距。

而我北京时代龙城科技责任有限公司就是专门针对现场诊断技术服务为基础，为企业提供设备故障有效的解决方法及处理建议，以强大的技术工程师团队，以服务及培训模式让企业深入了解故障诊断技术的精髓，从而为他们解决自己烦恼，为降本增效起到良好的作用。

我们本着让更多人了解设备故障诊断的技术的精神，为更多人服务为宗旨，以诚信为原则，与他们共同分享这一门独立的跨科学综合信息处理技术。

1.2.2设备故障诊断技术发展趋势

设备故障诊断技术发展到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为基础，以现代测试仪器金和计算机为技术手段，结合各种诊断现象（系统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程  等）的特殊规划律而逐步形成的一门新科学。他大体上由三部分组成:第一部分为故障诊断物理、化学过程的研究，例如以电器机械部件失效的腐蚀、蠕变、疲劳、氧化、断裂、磨损等理化原因的研究；第二部分为故障诊断信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程。例如通过采集设备运行信号（如振动、转数），再经过时域与频域上的分析处理来识别评价所处在的状态或故障；第三部分为诊断逻辑与数学原理的方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方法、推论方法和人工智能方法，根据可观测的设备故障表征来确定下一步的监测部位，最总分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。

1.3设备故障诊断内容

设备故障诊断分为状态监测与故障诊断两个阶段，设备运行状态的监测是指对设备定期监测，了解设备的劣化程度，预测设备运行状态的发展趋势；故障诊断则是指当设备有劣化趋势或设备已经处于异常状态时，进一步对机械设备异常或故障的类型、原因、部位及危险程度进行诊断。

设备状态监测与故障诊断的实施步骤归纳为以下四个方面:

1、 信号采集

对运行中机械设备的状态进行正确地监测，获取合理的信号，因为它是设备异常或故障信息的载体，若能够真实、充分地采集到足够数量得信号，那么就能客观地反应所诊断设备的工作状况。

2、 信号处理

采集到的信号是表征机械设备运行过程的原始状态信号。为了提高故障诊断的灵敏度可可靠性，必须采用信号处理技术，排除噪声、干扰的影响，把所有的故障信息从大量的北京噪声。干扰中提取，以突出故障特征。

3、 状态识别

对于提取出来的反应机械设备故障特征的信息进行分析、比较、识别，判断机械设备运行中有无异常征兆，进行早期诊断。

4、 故障诊断

当识别出机械设备状态异常或故障后，必须进一步对机械设备异常或故障的类型、原因、部位和危险程度进行诊断，并预测机械设备运行状态发展趋势。

1.4振动诊断技术

基于振动测量的振动诊断技术是机械设备故障诊断方法中最主要、最有效的方法。振动与机械故障之间有着紧密的联系，设备在运转过程中不可避免地发生不同程度的振动，当振动超过一定限度时就会对设备造成危害，严重时会威胁到设备的安全运行，由此可以看出，振动伴随接卸设备的运行而产生，会引起设备运行的劣化，必须将其控制在一定的许可范围之内。统计资料表明由于振动而引起的设备故障在各类故障中占60%以上。振动伴随机械设备动力学特性的特征，设备振动信号中包含了系统、零部件由于磨损、疲劳、老化等因素引起的劣化和失效等重要信息，领用各种动态测试对仪器设备的振动信号拾取、记录，通过信号处理技术对其进行分析处理，可以检测设备的运行状态，识别设备的故障类型、故障来源。又因为振动信号的测量方法简单易行，分析理论也比较成熟，因而振动诊断技术在工程实际中得到最为广泛的应用。

在机械故障诊断的发展过程中，人们发现最重要、最关键而且也是最困难的问题是信号特征提取与状态识别。在某种意义上，故障特征提取直接关系到故障诊断的准确性和故障诊断早期预报的可靠性。对振动信号应用不同的信号分析方法，就形成了以下几种振动诊断的基本方法：

1、 时域诊断方法是振动检测方法中发展最早的一种检测方法。在时域诊断中，普遍采用的振动信号的基本数字特征及其频率的分布特征来进行分析诊断。应用比较广范的有：振动信号的平均值、均方根值、有效值、峭度系数、峰值系数等无量纲特征参数。

2、 频谱分析法：对振动信号作频谱分析，从频谱图（幅值谱、相位谱、功率谱、倒频谱等）中提取有关的故障诊断信息。频率分析是机械故障诊断中信号处理最重要和最常用的方法。

1.5研究意义、目的和主要内容

1.5.1研究意义

在机械加工行业，随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备趋势大型化、集体成化、高速化、自动化、复杂化和智能化，高效率、高精度、高度自动化的数控机床在生产中的地位越来越重要，一方面提高了生产效率和产品质量，增强了市场经济条件下企业的竞争力和应变力；但另一方面机床突发性故障对企业生产的影响也越来越大，造成经济损失也是巨大的。因此，如何保障处于生产关键部位的安全可靠运行，降低故障发生率，实现状态维修降低维修成本，提高企业经济效益方面都能发挥重要作用，适应了生产设备现代化的发展需要。

我国故障诊断技术在大型石化、电力、冶金等行业应用最早，主要是一些大型旋转机械，如离心式压缩机、汽轮机、吐丝机、风机等关键设备。

1.5.2研究目的-——以数控机床为例

应用振动诊断技术，同过对数控机床进行定期监测，识别机床当前运行状态，预测机床状态劣化趋势，对于有劣化趋势或已经处于异常状态的数控机床，要诊断故障发生的部位、产生原因、严重程度及发展趋势，以便尽早采取有效的措施，保证设备安全、可靠运行。

1.5.3研究主要内容——具体内容如下：

第一章绪论

阐述设备故障诊断技术的意义，概述设备故障诊断技术发展概况和趋势，简介设备故障诊断与振动诊断技术，介绍研究意义、目的和主要研究内容。

第二章数控机床振动状态监测

分析数控机床的结构特点，确定监测和诊断的对象；研究状态监测的监测参数、测点及方向、测试工况和监测周期的确定方法；建立测试系统；研究信号采集处理方法；建立数控机床状态判断标准；对数控机床运行状态进行识别及趋势分析

第三章振动信号处理与分析

研究常用的振动信号处理和分析方法。振动信号预处理方法包括滤波、时间同步平均法和包络解调法。振动信号分析方法包括时域分析和频域分析两大类：时域分析主要包括概率分析以及提取时域波形的特征参数和无量纲动态指标、相关函数分析；频域分析包括频谱分析、倒频谱分析、包络分析。

第四章数控机床振动故障诊断

针对数控机床最易发生的轴承故障和齿轮故障进行重点研究，包括故障特征频率、典型故障分析、故障诊断方法，并应用于数控机床故障诊断中；同时也介绍其他典型故障特征及诊断实例，包括主轴联轴器不对中、机械松动和电机故障灯。

第二章 数控机床振动状态监测

2.1数控机床结构特点

在对数控机床进行故障诊断前，必须首先了解数控机床的结构特点。数控机床由输入输出设备、CNC数控装置、伺服系统、可编程控制器、监测反馈装置、辅助装置和机床本体等部分组成，如图2.1所示：

图2.1数控机床结构组成

   振动诊断主要是针对机械故障的。数控机床的机械故障主要集中在机床本体的主传动部分，其主传动系统的结构有如下几个特点：1、系列化、标准化，即其主轴单元化、变速箱单元化。根据主轴单元与变速箱的联系方式不同分为两种典型结构，一是分离式传动，即主轴单元与变速箱之间通过皮带传动，此种结构在数控车床上应用的比较广泛，二是集中式传动；即主轴单元与变速箱之间直接或通过联轴节连接，此种结构在加工中心等应用比较广泛；2、变速箱的变速级数一般2-3级，且其滑移齿轮的操纵一般为液压缸式或电磁离合器式；3、主传动电机一般为直流或交流无极调速电机。

   由数控机床结构特点可以看出，数控机床所需要检测和诊断的主要对象为主传动系统，包括主轴单元，变速箱和主电机，容易发生故障的零部件通常为主轴轴承和齿轮。

2.2数控机床振动状态监测内容和基本步骤

2.2.1状态监测内容

  数控机床振动状态监测内容有三个方面：

1、 振动信号测试

2、 数控及装运行状态识别

3、 数控机床运行状态趋势分析

2.2.2状态监测基本步骤

数控机床振动状态监测的基本步骤由以下几个基本环节组成：

1、 确定测试方案

2、 建立测试系统

3、 采集振动信号

4、 状态识别、趋势分析及预报

2.3确定测试方案

  振动测试方案主要包括测量参数、测点及方向、测试工况及监测周期等方面。测试方案确定得当，是数控机床状态监测与故障诊断准确的基本保证。

2.3.1振动测量参数选择

  振动的测量参数有位移、速度、加速度。由于位移对低频振动敏感，而加速度对高频振动敏感，速度对频率的敏感度介于二者之间，所以应根据诊断对象振动信号的频率范围选用不同的测量参数。一般按表2.1的原则选用。

表2.1 测量的选择

此外还可以根据涉笔的异常类别而定的测量参数，如图2.2所示。在进行低频类故障（如不平衡、不对中等）即低速设备的监测和诊断时，应选取位移参数；在进行高频类故障（如滚动轴承、齿轮箱等）及高速设备的监测和诊断时，应选取加速度参数；而在中频宽带测量中，速度是从能量观点反应振动强度大小的理想参数。

表2.2适用于各类异常类别的测量参数

国际上许多振动诊断标准都是采用速度有效值（Vrms，振动烈度）作为状态判别参数。另外，齿轮和轴承是数控机床主要检测对象，他们的缺陷引起的振动频率远远超过1000HZ，在机床内部算坏还没有影响其实际工作能力之间，高频分量就已经包含了缺损的信息，仅当内部缺损已经发展为较大时，才能从低频信息上反应出来。因此为了预测机器损坏，高频信息十分重要的，测量加速度峰值的变化及其频率结构分析成为苏孔机床诊断最重要的手段。

综上所述，对数控机床检测，选择速度有效值和加速度峰值作为测量参数。依据速度有效值可判断机床当前状态及劣化趋势；通过对加速度信号分析，可进行故障诊断。

2.3.2测点选择

 测点选择合理与否，关系到能否获得我们所需要的真实完成的设备状态信息。必须在查阅机床的技术文件和图纸资料，对机床结构充分了解的基础上，才能根据诊断对象恰当地选择测点。

测点位置的选取应遵循传递路劲最短，测点刚度最大两条原则。在对数控机床进行振动检测时，测量旋转轴振动时，可以选择在轴承座上安装传感器。因为机床的任何一个零件或部位发生振动时，其振动会经由转轴。基座或结构传递至轴承位置，且轴承又直接承受转子上的振动载荷、还有材质的原因以及润滑的情况等，比较容易受到算坏，所以在一般最好能再轴承部位进行测量，而且最后能测量到每个轴承。另外由于低频信号的方向性能较强，而高频信号方向不敏感，所以对于低频信号，一般应在水平、垂直和轴向三个方向进行测量；对于高频振动，则只需要在一个方向（径向）进行测量即可。需要注意的是为保证 测量数据的可比性，测点位置一经选定，必须要固定不变，应做好标记。

2.3.3测量工况确定

  由于数控机床的加工过程中有大量的切削和冷却液，且都封闭作业，安装传感器比较困难等原因，所以加工过程中很难测量，另外因机床工作状态不同，产生的振动信号也不同，无法进行分析比较。因此为了保证测量的可行性和可比性，测量均是在高速空转条件下进行。

2.3.4测量周期确定

  监测周期是指每次测量的间隔时间，它的选取与数控机床的运行状态同步，应结合机床劣化趋势分析图，根据机床的磨损速度合理的确定监测的时间间隔。机床处于稳定运行状态时，监测周期可以相对的长一些,且固定不变，因为固定监测周期有利于机床的趋势分析；当机床进入磨损期时，监测周期要相对缩短。

2.4建立振动测量系统

  应根据信号采集的要求建立测试系统。在建立测试系统时，不仅要注意有用信号的获取（灵敏度和精度等性能），同时还要考虑测试系统的环境适应性以及如何在测试阶段进行降噪除噪等，以便简化后续的信号分析处理过程。

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