基于振動(dòng)分析的現(xiàn)代機(jī)械故障診斷原理及應(yīng)用

前言

隨著機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜化程度和自動(dòng)化水平的日益提高，機(jī)械故障診斷技術(shù)也越來(lái)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(shí)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(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)械的故障診斷技術(shù)是保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要措施之一，它能夠?qū)υO(shè)備機(jī)械故障的發(fā)生和發(fā)展作出早期預(yù)報(bào)，對(duì)出現(xiàn)故障的原因作出判斷，提出對(duì)策建議和避免或減少事故的發(fā)生。因此，機(jī)械的故障診斷技術(shù)在當(dāng)前的機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域十分重要。近幾十年來(lái)，故障診斷技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了高度重視，發(fā)展十分迅速，在機(jī)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(lái)，機(jī)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(gè)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(jì)學(xué)、物理、電子、信息、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和人工智能等多個(gè)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(jī)械故障診斷主要包括信號(hào)檢測(cè)、故障信號(hào)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(huì)涉及很多內(nèi)容，甚至都可以成為獨(dú)立的學(xué)科。雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都相應(yīng)地開(kāi)展過(guò)深人細(xì)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(shí)際需求，有針對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)圍繞振動(dòng)測(cè)試與分析和重大機(jī)械裝備（如發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械）振動(dòng)故障診斷等方面的研究成果，主要以旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷案例為背景，對(duì)基于振動(dòng)分析的機(jī)械故障診斷相關(guān)理論方法進(jìn)行了相對(duì)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(jī)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(jìn)展和成果。本書(shū)可以為機(jī)械工程和動(dòng)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(duì)機(jī)械設(shè)備故障診斷的工程應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本書(shū)共分為9章。第1章為緒論，給出了機(jī)械故障診斷的基本概念，概要介紹了現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀、主要研究方向與研究方法，提出了基于振動(dòng)分析的機(jī)械故障診斷具體含義及主要研究?jī)?nèi)容。

內(nèi)容概要

本書(shū)以振動(dòng)分析為主要手段，理論與實(shí)際相結(jié)合，介紹了現(xiàn)代機(jī)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(jī)械振動(dòng)的基本原理，振動(dòng)信號(hào)的傳感與測(cè)量，振動(dòng)信號(hào)分析與處理的基本理論與方法，振動(dòng)故障信號(hào)特征提取的時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域分析方法，典型機(jī)械系統(tǒng)的故障模式，振動(dòng)故障診斷的統(tǒng)計(jì)分析方法，基于模型的振動(dòng)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(shū)還附有必要的計(jì)算程序。    本書(shū)可供從事機(jī)械故障診斷及其相關(guān)研究的科技人員參考，也可供機(jī)械工程和動(dòng)力工程等相關(guān)學(xué)科的教師、研究生和高年級(jí)本科生閱讀。

作者簡(jiǎn)介

韓清凱,1969年3月生，博士。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究所所長(zhǎng)。曾在美國(guó)阿克倫大學(xué)做訪問(wèn)學(xué)者（2009年），在英國(guó)謝菲爾德大學(xué)（2007年）和德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)（2001年）進(jìn)行短期合作研究。近年來(lái)，先后承擔(dān)973項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國(guó)家自

書(shū)籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  機(jī)械故障診斷的發(fā)展  1.3  機(jī)械故障診斷的分類與方法  1.4  機(jī)械故障診斷的主要環(huán)節(jié)  1.5  基于振動(dòng)分析的機(jī)械故障診斷  參考文獻(xiàn)第2章  機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量與分析方法  2.1  機(jī)械振動(dòng)的基本原理    2.1.1  振動(dòng)方程    2.1.2  轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)    2.1.3  振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)    2.1.4  振動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)  2.2  振動(dòng)信號(hào)的傳感測(cè)量?jī)x器    2.2.1  振動(dòng)傳感器概述    2.2.2  壓電式加速度計(jì)    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(dòng)信號(hào)的計(jì)算機(jī)采集與處理    2.3.1  A/D轉(zhuǎn)換    2.3.2  采樣控制與信號(hào)處理    2.3.3  轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)舉例  2.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章  機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)的特征提取方法  3.1  信號(hào)的時(shí)域分析    3.1.1  隨機(jī)變量及其相關(guān)概念    3.1.2  隨機(jī)信號(hào)的基本理論    3.1.3  信號(hào)的參數(shù)估計(jì)與假設(shè)檢驗(yàn)    3.1.4  信號(hào)時(shí)域分析的數(shù)值計(jì)算  3.2  信號(hào)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(hào)頻域分析的采樣、混疊、截?cái)嗯c泄漏以及加窗  3.3  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第4章  機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)特征提取的時(shí)頻域分析方法  4.1  信號(hào)的ARMA模型    4.1.1  時(shí)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(jì)    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(xiàn)第5章  基于振動(dòng)分析的機(jī)械系統(tǒng)故障模式分析  5.1  旋轉(zhuǎn)機(jī)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(duì)中    5.1.3  轉(zhuǎn)靜件碰摩    5.1.4  軸承松動(dòng)    5.1.5  油膜渦動(dòng)與油膜振蕩  5.2  泵故障的機(jī)理及診斷方法    5.2.1  泵的基本概念    5.2.2  水泵的常見(jiàn)故障及其故障機(jī)理  5.3  水泵幾種典型振動(dòng)故障模式的振動(dòng)測(cè)試    5.3.1  現(xiàn)場(chǎng)裝置與測(cè)試方案    5.3.2  不同故障模式下的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果  5.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第6章  機(jī)械系統(tǒng)故障診斷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法  6.1  多變量統(tǒng)計(jì)分析診斷方法    6.1.1  單變量統(tǒng)計(jì)分析的基本原理    6.1.2  多變量統(tǒng)計(jì)分析的檢測(cè)方法  6.2  基于統(tǒng)計(jì)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(jì)算方法與舉例    6.3.3  基于主元分析的故障檢測(cè)方法    6.3.4  基于主元分析的故障類型識(shí)別方法  6.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第7章  機(jī)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(shí)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(shí)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(xiàn)第8章  機(jī)械故障的智能診斷方法  8.1  基于故障樹(shù)的故障診斷方法    8.1.1  概述    8.1.2  故障樹(shù)分析法的基本原理    8.1.3  故障樹(shù)圖的繪制方法    8.1.4  故障樹(shù)的定性分析    8.1.5  故障樹(shù)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(shí)表示和獲取方法    8.2.3  推理機(jī)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(shí)別  8.5  應(yīng)用舉例    8.5.1  某發(fā)電機(jī)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(jī)械故障診斷  8.6  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第9章  機(jī)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)    9.4.2  C/S體系的功能與實(shí)現(xiàn)  9.5  某水泵網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)舉例  9.6  本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

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(guò)高；吸氣管漏氣；流量過(guò)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(duì)；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(dòng)力機(jī)皮帶輪，加大柴油機(jī)油門(mén)，增加水泵轉(zhuǎn)速；改正旋轉(zhuǎn)方向；檢查水管長(zhǎng)度或清洗出水管；清洗葉輪。3.泵振動(dòng)嚴(yán)重，聲音不正常水泵正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)機(jī)組應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，聲音應(yīng)當(dāng)正常。如果機(jī)組振動(dòng)過(guò)大或有雜音則往往是水泵故障的先兆，必須仔細(xì)觀察，判明原因，排除故障。本章就生產(chǎn)運(yùn)行中遇到的水泵振動(dòng)情況進(jìn)行分析，并提出了消除振動(dòng)的措施。一般來(lái)說(shuō)，引起水泵振動(dòng)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(gè)部件（包括軸、葉輪、軸套和平衡盤(pán)等）的重量平衡來(lái)達(dá)到的，由于水泵轉(zhuǎn)子不均衡引起的水泵振動(dòng)現(xiàn)象最為常見(jiàn)。轉(zhuǎn)子的不平衡會(huì)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(huì)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(jī)組轉(zhuǎn)子斷裂現(xiàn)象在我國(guó)就發(fā)生過(guò)。（2）引起機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，會(huì)加速軸承等零件的磨損，降低機(jī)器的壽命和效率。（3）轉(zhuǎn)子的振動(dòng)會(huì)通過(guò)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(dòng)不平衡兩種：如果一個(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)化為一力偶，則稱此轉(zhuǎn)子具有動(dòng)不平衡。水泵的轉(zhuǎn)子不平衡原因如下：（1）葉輪質(zhì)量問(wèn)題。如果水泵葉輪在加工時(shí)各部分重量分布不均勻，就會(huì)使葉輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較大的離心力，使水泵振動(dòng)或損壞。對(duì)于這種情況必須通過(guò)堆焊或車(chē)削，使葉輪各部分重量均勻。

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