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机械设备故障诊断技术 --工程信号的精密分析技术 北京科技大学 机械工程学院 阳建宏 2010.04 背景介绍 如果某实测信号由两个分量叠加而成，即： y(t) = x(t) + s(t) 若两个分量的能量分别集中在不同的频率，可用频域分析方法中的线性滤波或功率谱分析 若一个分量具有周期性，另一个为随机噪声，可用时域分析方法中的多段平均或相关分析 倒频谱分析 信号的精密分析 倒频谱分析 三维谱阵图与轴心轨迹 滤波 包络分析 细化谱分析 离散频谱校正技术 全息谱分析 倒频谱分析 倒频谱的用途 倒频谱(Cepstrum)分析可以处理复杂频谱图上的周期结构 当机械故障信号的频谱图出现难以识别的多族调制边频时，应用倒频谱分析，还可以分解和识别故障频率，分析和诊断产生故障的原因 倒频谱可区分输入信号与传递函数，便于识别 在回声、语音分析、地震、机械故障诊断、噪声分析等方面得到广泛的应用 倒频谱分析 倒频谱的两种主要形式 功率倒频谱(Power Cepstrum) 幅值倒频谱(Complex Cepstrum) 倒频谱分析 功率倒频谱 幅值倒频谱（工程中常用） 自变量τ，称为倒频率，它同信号 x(t)及其自相关函数Rx(τ)中的自变量具有相同的时间量纲 τ值大者，称为高倒频率，表示频谱图上的快速波动和密集谐频 τ值小者，称为低倒频率，表示频谱图上的缓慢波动和疏散谐频 倒频谱分析 倒频谱的基本原理 倒频谱分析 倒频谱的基本原理 倒频谱分析 倒频谱的小结 倒频谱分析 例：考察叠加性 由(a)可看出，功率谱有两部分组成：其一为输入信号的谱，有明显的周期性，频率间隔为Δf;其二为缓慢变化的中线，是系统的响应 由(b)可看出，倒频谱有两个明显的波峰：高倒频率τ2(τ2=1/Δf),表示了输入信号的特征；低倒频率τ1表示了系统的影响 在倒频谱图中，输入与系统响应是一种可分离的叠加性谱图，这为分解和判断其中任一分量提供了先决条件。 倒频谱分析 倒频谱分析 倒频谱的基本步骤 倒频谱分析 应用1：齿轮箱故障诊断 实际齿轮箱有多个转轴频率和多个啮合频率，每一个转轴频率都可能在每一个啮合频率的周围调制出边带信号 齿轮箱振动的功率谱中有很多大小和周期都不同的周期成分混杂在一起，难以分离，不能直观地看出其特点 使用倒频谱分析可以清楚地检测和分离这些周期信号 倒频谱分析 应用1：齿轮箱故障诊断 齿轮箱输入轴转速频率为5100r/min(85Hz)，输出轴的转速频率为3000r/min(50Hz) 通过倒频谱分析，从(b)图中可以看出85Hz的信号很强，而50Hz的信号很弱，说明齿轮箱频谱中的边带信号主要是由输入轴调制的，应该着重修理输入轴和该轴上的齿轮，才能减少或排除85Hz振源。 倒频谱分析 应用2：电机故障诊断 倒频谱分析 应用2：电机故障诊断 信号的精密分析 倒频谱分析 三维谱阵图与轴心轨迹 滤波 包络分析 细化谱分析 离散频谱校正技术 全息谱分析 三维谱阵图 转子的转速或其他过程参数在变化过程中，转子的振动呈动态变化 将转子振动信号的频谱随转速或其他过程参数的变化过程表示在一个谱阵中，称为三维谱阵图，也称“瀑布图” 三维转速谱阵图 频谱随转速变化 转速阶比谱阵图 频谱随转速比变化 三维谱阵图 三维转速谱阵图 从图上可以看到由谱峰构成的“山脉”。若“山脉”斜线通过坐标原点，表明这种振动的频率分量与转速有关，其振源也必定与转速有关（如不平衡） 与频率轴垂直的“山脉”表示不受转速影响的频率分量（如油膜振荡）; 分布不规则的“山脉”认为由随机振动产生。 三维谱阵图 三维谱阵图 三维谱阵图 转速阶比谱阵图 阶比谱对旋转机械在升降速过程的振动信号分析有着特殊的意义，因为许多故障频率都与转速频率成比例关系 实际工作中，转速不可能恒定 阶比谱可以抑制与转速无关的频率成分和随机噪声 等角度采样 为实现阶比谱，必须保证等转角间隔采样，而不是等时间间隔采样 轴心轨迹 轴心轨迹 是指轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹。 电涡流传感器的安装 轴心轨迹 轴心轨迹 油膜涡动 轴心轨迹 油膜涡动 轴心轨迹 不对中 转子碰摩 轴心轨迹 典型故障的轴心估计 轴心轨迹 分析轴心估计的方法 轴心轨迹 分析轴心估计的方法 信号的精密分析 倒频谱分析 三维谱阵图与轴心轨迹 包络分析 滤波 细化谱分析 离散频谱校正技术 全息谱分析 包络分析 概述 实际工程中，有时检测到的信号波形虽然比较复杂，但其包络线却有一定的规律或趋向 利用包络线分析方法可以对信号高频成分的低频特征或低频事件作更详细的分析 有缺陷的齿轮在啮合中存在低频、低振幅所激发的高频、高振幅共振，对