基于振動分析的現(xiàn)代機械故障診斷原理及應(yīng)用

前言

隨著機械設(shè)備的復(fù)雜化程度和自動化水平的日益提高，機械故障診斷技術(shù)也越來越受到重視。如果設(shè)備系統(tǒng)或其關(guān)鍵零部件發(fā)生了故障且未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，其結(jié)果不僅可能導(dǎo)致設(shè)備本身的損壞，甚至可能造成機毀人亡的嚴(yán)重事故，造成巨大的人員和經(jīng)濟損失。機械的故障診斷技術(shù)是保障設(shè)備安全可靠運行的重要措施之一，它能夠?qū)υO(shè)備機械故障的發(fā)生和發(fā)展作出早期預(yù)報，對出現(xiàn)故障的原因作出判斷，提出對策建議和避免或減少事故的發(fā)生。因此，機械的故障診斷技術(shù)在當(dāng)前的機械工程及相關(guān)領(lǐng)域十分重要。近幾十年來，故障診斷技術(shù)在國內(nèi)外都得到了高度重視，發(fā)展十分迅速，在機械、石化、冶金和電力等許多行業(yè)都得到了十分廣泛的應(yīng)用。近年來，機械故障診斷理論與技術(shù)不斷完善，并廣泛地吸收了其他各個學(xué)科的最新成就，目前已變成集現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、物理、電子、信息、計算機、網(wǎng)絡(luò)和人工智能等多個學(xué)科為一體的、多學(xué)科交叉融合的綜合性新理論與新技術(shù)體系。機械故障診斷主要包括信號檢測、故障信號分析及其特征提取、故障診斷分析及故障處置決策四大部分，其每一部分都會涉及很多內(nèi)容，甚至都可以成為獨立的學(xué)科。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者都相應(yīng)地開展過深人細致的研究，但是，由于研究角度和所處的工程背景不同，至今仍然還有許多課題需要去做，從而在新理論、新技術(shù)和新方法方面形成更多更廣泛的研究。特別是結(jié)合不同的具體工程實際需求，有針對性地提出更有效的故障診斷理論與方法，這在目前的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是十分迫切的。作者總結(jié)了長期以來圍繞振動測試與分析和重大機械裝備（如發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械）振動故障診斷等方面的研究成果，主要以旋轉(zhuǎn)機械故障診斷案例為背景，對基于振動分析的機械故障診斷相關(guān)理論方法進行了相對系統(tǒng)化和完整性的闡述，內(nèi)容直觀，由淺入深且易于理解。不僅包含了機械故障診斷的基礎(chǔ)概念、理論和方法，還詳述了這一領(lǐng)域的最新進展和成果。本書可以為機械工程和動力工程領(lǐng)域中從事故障診斷研究的科技人員介紹較為專業(yè)化和高層次的有關(guān)新理論、新方法和新技術(shù)，還可以為廣大教師和學(xué)生提供較全面而深入的學(xué)習(xí)素材，它對機械設(shè)備故障診斷的工程應(yīng)用有著現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。本書共分為9章。第1章為緒論，給出了機械故障診斷的基本概念，概要介紹了現(xiàn)代機械故障診斷技術(shù)的發(fā)展過程、研究現(xiàn)狀、主要研究方向與研究方法，提出了基于振動分析的機械故障診斷具體含義及主要研究內(nèi)容。

內(nèi)容概要

本書以振動分析為主要手段，理論與實際相結(jié)合，介紹了現(xiàn)代機械故障診斷的有關(guān)理論、技術(shù)與方法。主要內(nèi)容包括：機械振動的基本原理，振動信號的傳感與測量，振動信號分析與處理的基本理論與方法，振動故障信號特征提取的時域、頻域以及時頻域分析方法，典型機械系統(tǒng)的故障模式，振動故障診斷的統(tǒng)計分析方法，基于模型的振動故障定量診斷方法，以及智能化診斷和網(wǎng)絡(luò)化診斷等理論與技術(shù)。本書還附有必要的計算程序。    本書可供從事機械故障診斷及其相關(guān)研究的科技人員參考，也可供機械工程和動力工程等相關(guān)學(xué)科的教師、研究生和高年級本科生閱讀。

作者簡介

韓清凱,1969年3月生，博士。東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，機械設(shè)計及理論研究所所長。曾在美國阿克倫大學(xué)做訪問學(xué)者（2009年），在英國謝菲爾德大學(xué)（2007年）和德國慕尼黑理工大學(xué)（2001年）進行短期合作研究。近年來，先后承擔(dān)973項目、863項目、國家自

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  機械故障診斷的發(fā)展  1.3  機械故障診斷的分類與方法  1.4  機械故障診斷的主要環(huán)節(jié)  1.5  基于振動分析的機械故障診斷  參考文獻第2章  機械狀態(tài)監(jiān)測中的振動信號測量與分析方法  2.1  機械振動的基本原理    2.1.1  振動方程    2.1.2  轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動    2.1.3  振動監(jiān)測的主要參數(shù)    2.1.4  振動監(jiān)測的測試系統(tǒng)  2.2  振動信號的傳感測量儀器    2.2.1  振動傳感器概述    2.2.2  壓電式加速度計    2.2.3  電渦流式位移傳感器    2.2.4  電荷前置放大器    2.2.5  濾波器  2.3  振動信號的計算機采集與處理    2.3.1  A/D轉(zhuǎn)換    2.3.2  采樣控制與信號處理    2.3.3  轉(zhuǎn)子試驗臺振動信號的計算機測試系統(tǒng)舉例  2.4  本章小結(jié)  參考文獻第3章  機械故障振動信號的特征提取方法  3.1  信號的時域分析    3.1.1  隨機變量及其相關(guān)概念    3.1.2  隨機信號的基本理論    3.1.3  信號的參數(shù)估計與假設(shè)檢驗    3.1.4  信號時域分析的數(shù)值計算  3.2  信號的頻域分析    3.2.1  離散Fourier變換    3.2.2  幾種常用的譜分析方法    3.2.3  快速Fourier變換    3.2.4  信號頻域分析的采樣、混疊、截斷與泄漏以及加窗  3.3  本章小結(jié)  參考文獻第4章  機械故障振動信號特征提取的時頻域分析方法  4.1  信號的ARMA模型    4.1.1  時間序列分析    4.1.2  ARMA模型的基本原理    4.1.3  AR(p)模型的自協(xié)方差函數(shù)    4.1.4  AR模型的系數(shù)估計    4.1.5  基于AR模型的現(xiàn)代譜分析  4.2  小波變換    4.2.1  基本概念    4.2.2  連續(xù)小波變換的性質(zhì)    4.2.3  常用的小波函數(shù)    4.2.4  離散小波變換    4.2.5  小波包分解原理  4.3  HHT    4.3.1  EMD    4.3.2  Hilbert譜與邊際譜  4.4  混沌與分形    4.4.1  混沌和分形的基本概念    4.4.2  關(guān)聯(lián)維與Lyapunov指數(shù)  4.5  本章小結(jié)  參考文獻第5章  基于振動分析的機械系統(tǒng)故障模式分析  5.1  旋轉(zhuǎn)機械的典型故障模式分析    5.1.1  轉(zhuǎn)子不平衡    5.1.2  轉(zhuǎn)子不對中    5.1.3  轉(zhuǎn)靜件碰摩    5.1.4  軸承松動    5.1.5  油膜渦動與油膜振蕩  5.2  泵故障的機理及診斷方法    5.2.1  泵的基本概念    5.2.2  水泵的常見故障及其故障機理  5.3  水泵幾種典型振動故障模式的振動測試    5.3.1  現(xiàn)場裝置與測試方案    5.3.2  不同故障模式下的振動測量結(jié)果  5.4  本章小結(jié)  參考文獻第6章  機械系統(tǒng)故障診斷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法  6.1  多變量統(tǒng)計分析診斷方法    6.1.1  單變量統(tǒng)計分析的基本原理    6.1.2  多變量統(tǒng)計分析的檢測方法  6.2  基于統(tǒng)計量參數(shù)的故障診斷模式分類方法  6.3  故障診斷的主元分析法    6.3.1  主元分析的基本原理    6.3.2  主元分析的計算方法與舉例    6.3.3  基于主元分析的故障檢測方法    6.3.4  基于主元分析的故障類型識別方法  6.4  本章小結(jié)  參考文獻第7章  機械故障的定量診斷方法  7.1  基于模型的定量診斷方法概述  7.2  模型的建立    7.2.1  模型建立的方法    7.2.2  轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的混合模型建立    7.2.3  油膜參數(shù)與不平衡量的在線識別    7.2.4  碰摩力模型  7.3  轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的定量診斷步驟及方法    7.3.1  診斷步驟    7.3.2  診斷方法  7.4  診斷結(jié)果與討論    7.4.1  油膜參數(shù)的在線辨識結(jié)果    7.4.2  碰摩故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定量診斷結(jié)果  7.5  本章小結(jié)  參考文獻第8章  機械故障的智能診斷方法  8.1  基于故障樹的故障診斷方法    8.1.1  概述    8.1.2  故障樹分析法的基本原理    8.1.3  故障樹圖的繪制方法    8.1.4  故障樹的定性分析    8.1.5  故障樹的定量分析  8.2  基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法    8.2.1  專家系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)    8.2.2  知識表示和獲取方法    8.2.3  推理機制  8.3  基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法    8.3.1  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理    8.3.2  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)  8.4  基于模糊理論的故障診斷方法    8.4.1  概述    8.4.2  模糊邏輯故障診斷模型的建立    8.4.3  模糊故障診斷結(jié)果的識別  8.5  應(yīng)用舉例    8.5.1  某發(fā)電機的故障診斷專家系統(tǒng)    8.5.2  基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某旋轉(zhuǎn)機械故障診斷  8.6  本章小結(jié)  參考文獻第9章  機械故障的網(wǎng)絡(luò)化診斷方法  9.1  系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)  9.2  工業(yè)現(xiàn)場智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)模塊    9.2.1  智能數(shù)據(jù)采集前端    9.2.2  監(jiān)控服務(wù)器與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)  9.3  企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊    9.3.1  工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)處理    9.3.2  專家系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)  9.4  Internet廣域網(wǎng)遠程監(jiān)控和診斷的B/S與C/S模塊    9.4.1  B/S體系的功能與實現(xiàn)    9.4.2  C/S體系的功能與實現(xiàn)  9.5  某水泵網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)舉例  9.6  本章小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：排除方法：再往泵內(nèi)注水；正確安裝吸水管，放凈泵殼上部空氣；堵住漏氣處，密封吸水管路。3）泵內(nèi)聲音反常，吸不上水故障原因：吸水阻力大；吸水高度過高；吸氣管漏氣；流量過大，發(fā)生氣蝕。排除方法：檢查吸水管及底閥；堵塞漏氣處；調(diào)節(jié)出水閥；降低吸水高度。4）泵不出水，出水處壓力表顯示有壓力故障原因：泵軸旋轉(zhuǎn)方向不對；出水管阻力太大；葉輪淤塞；水泵轉(zhuǎn)速不夠。排除方法：加大動力機皮帶輪，加大柴油機油門，增加水泵轉(zhuǎn)速；改正旋轉(zhuǎn)方向；檢查水管長度或清洗出水管；清洗葉輪。3.泵振動嚴(yán)重，聲音不正常水泵正常運行時，整個機組應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，聲音應(yīng)當(dāng)正常。如果機組振動過大或有雜音則往往是水泵故障的先兆，必須仔細觀察，判明原因，排除故障。本章就生產(chǎn)運行中遇到的水泵振動情況進行分析，并提出了消除振動的措施。一般來說，引起水泵振動的原因大致有以下幾種。1）轉(zhuǎn)子不均衡轉(zhuǎn)子的平衡是由在其上各個部件（包括軸、葉輪、軸套和平衡盤等）的重量平衡來達到的，由于水泵轉(zhuǎn)子不均衡引起的水泵振動現(xiàn)象最為常見。轉(zhuǎn)子的不平衡會產(chǎn)生下列不良后果：（1）引起轉(zhuǎn)子的反復(fù)彎曲和內(nèi)應(yīng)力。這種插圖：彎曲和內(nèi)應(yīng)力會引起轉(zhuǎn)子疲勞，甚至?xí)疝D(zhuǎn)子斷裂。不平衡引起大型汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子斷裂現(xiàn)象在我國就發(fā)生過。（2）引起機器產(chǎn)生振動和噪聲，會加速軸承等零件的磨損，降低機器的壽命和效率。（3）轉(zhuǎn)子的振動會通過軸承、基座傳遞到基礎(chǔ)和建筑物上，惡化了工作環(huán)境。轉(zhuǎn)子的不平衡分為靜不平衡和動不平衡兩種：如果一個轉(zhuǎn)子的不平衡是這樣分布的，即其不平衡離心慣性力系向質(zhì)心簡化為一合力，則稱此轉(zhuǎn)子具有靜不平衡；如果不平衡離心慣性力系向質(zhì)心簡化為一力偶，則稱此轉(zhuǎn)子具有動不平衡。水泵的轉(zhuǎn)子不平衡原因如下：（1）葉輪質(zhì)量問題。如果水泵葉輪在加工時各部分重量分布不均勻，就會使葉輪在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一個較大的離心力，使水泵振動或損壞。對于這種情況必須通過堆焊或車削，使葉輪各部分重量均勻。

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《基于振動分析的現(xiàn)代機械故障診斷原理及應(yīng)用》是由科學(xué)出版社出版的。

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