《發(fā)電設(shè)備故障診斷與狀態(tài)檢修》講義

1、發(fā)電設(shè)備故障診斷與狀態(tài)檢修講義刖吞在檢修體制演變過程中，在不同的階段，根據(jù)不同的行業(yè)特點(diǎn)、不同的設(shè)備管理要求， 出現(xiàn)了各種追求不同具體目標(biāo)的檢修方式。歸納起來有四種，即事后維修、預(yù)防性定期維修、 狀態(tài)檢修和改進(jìn)性檢修。1. 事丿匸維修(bm,break-down maintenance)是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或其他失效時(shí)進(jìn)行的非 計(jì)劃性維修。又稱為故障維修。僅適用于對(duì)生產(chǎn)影響極小的非重點(diǎn)設(shè)備、有冗余配置懂得設(shè) 備或采用其他檢修方式不經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。(18世紀(jì))2. 預(yù)防性定期檢修(pm, preventive maintenance)是一種以時(shí)間為基礎(chǔ)的預(yù)防檢修方 式，也稱計(jì)劃檢修(sm, schcdu

2、 1 c mainteenance) o它是根據(jù)設(shè)備磨損的統(tǒng)計(jì)規(guī)律或經(jīng)驗(yàn)，事 先確定檢修類別、檢修周期、檢修工作內(nèi)容、檢修備件及材料等的檢修方式。適合于已知設(shè) 備磨損規(guī)律的設(shè)備，以及難以隨時(shí)停機(jī)進(jìn)行檢修的流程工業(yè)、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。(19世紀(jì)到20 世紀(jì)30年代)3 狀態(tài)檢修(cbm, condition-based maintenance )或預(yù)知維修(pl, predictive maintenance)是從預(yù)防性檢修發(fā)展而來的更高層次的檢修體制，是一種以設(shè)備狀態(tài)為基礎(chǔ)、 以預(yù)測設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢為依據(jù)的檢修方式。它根據(jù)對(duì)設(shè)備的日常檢查、定期重點(diǎn)檢查、在 線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所提供的信息，經(jīng)過分

3、析處理，判斷設(shè)備的健康和性能劣化狀況及其 發(fā)展趨勢，并在設(shè)備故障發(fā)生前及性能降低到不允許極限前有計(jì)劃地安排檢修。這種檢修方 式能及時(shí)地、有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，不僅可以提高設(shè)備的可用率，述能有效降低檢修 費(fèi)用。(20世紀(jì)80年代至今)4. 改進(jìn)性檢修(corrective maintenance)是為了消除設(shè)備的先天性缺陷或頻發(fā)故障, 對(duì)設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)或零件的設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，并結(jié)合檢修過程實(shí)施的檢修方式。美國普遍推行的檢修體制是生產(chǎn)檢修體制，它以生產(chǎn)為中心，為生產(chǎn)服務(wù)，綜合上述各 項(xiàng)檢修方式，根據(jù)不同情況選擇不同方式。日本從70年代開始推行全員生產(chǎn)維修體制(tpm)o英國根據(jù)全壽命費(fèi)用優(yōu)化的原

4、則安排采用合適的檢修方式。徳國的檢修體制分為集約型和粗放型。集約型主要采用預(yù)防維修，以充分發(fā)揮設(shè)備潛力, 延長設(shè)備使用壽命；粗放型多采用事后維修方式，主要用于使用壽命短、故障后果較小的設(shè) 備。瑞典綜合采用事后維修、預(yù)防維修和狀態(tài)檢修。法國以預(yù)防檢修為主，并盡量使其和狀態(tài)檢修結(jié)合。當(dāng)前我國電力系統(tǒng)實(shí)施的檢修體制是定期預(yù)防性維修，該方式容易出現(xiàn)維修過?；蚓S修 不足的現(xiàn)象。為了提高設(shè)備的利用率和提高效益、降低成本，正在試行狀態(tài)檢修。為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是基礎(chǔ)，因此本課程著重介紹狀態(tài)監(jiān)測和故障 診斷方面的內(nèi)容，同時(shí)也介紹一些狀態(tài)檢修的有關(guān)知識(shí)。第一章介紹故障及故障診斷技術(shù); 第二章介紹

5、故障信號(hào)及信號(hào)采集；第三章介紹信號(hào)分析與處理；第四章介紹故障診斷方法; 第五章介紹狀態(tài)維修及其實(shí)施。第一章 概述§ 1-1故障的范疇與分類一. 故障的范疇定義：設(shè)備故障是指設(shè)備不能按照預(yù)期的指標(biāo)工作的一種狀態(tài)，也可以說是設(shè)備未達(dá)到其應(yīng) 該達(dá)到的功能。包括：（1）能使設(shè)備或系統(tǒng)立即喪失其功能的破壞性故障，如轉(zhuǎn)子斷裂、汽輪機(jī)飛車、鍋爐爆炸（2）由于設(shè)計(jì)、制造、安裝或與設(shè)備性能有關(guān)的參數(shù)不當(dāng)造成的設(shè)備性能降低的故障，如 效率下降、振動(dòng)大、動(dòng)靜摩擦、真空系統(tǒng)不嚴(yán)密等。（3）設(shè)備處于規(guī)定條件下工作吋，由于操作不當(dāng)而引起的故障，如撞車事故、轉(zhuǎn)子彎曲等。二. 故障的分類1. 按故障的性質(zhì)分類（1）

6、人為故障 由于運(yùn)行人員無意或有意而造成的故障。（2）自然故障 設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，因自身的原因而造成的故障。2. 按故障發(fā)生的快慢程度分類（1）突發(fā)性故障 發(fā)生前無明顯可察覺征兆，突然發(fā)生，且破壞性較大的故障。（2）漸進(jìn)性故障 設(shè)備中某些零件的技術(shù)指標(biāo)逐漸變化,最終超出允許范圍而引起的故障。3. 按故障的維持時(shí)間分類（1）間斷性故障故障發(fā)生后，在沒有外界干涉的情況下，很快恢復(fù)正常狀態(tài)的故障。（2）持續(xù)性故障故障發(fā)生后，直至外界采取措施，方可恢復(fù)其原有功能的故障。4. 按故障的發(fā)生程度分類（1）局部性故障 部分性能指標(biāo)下降，但未喪失其全部功能的故障。（2）完全性故障設(shè)備或部件完全喪失其應(yīng)達(dá)到的功能的故

7、障。5. 按故障產(chǎn)生的原因分類（1）先天性故障 由于設(shè)計(jì)、制造不當(dāng)而造成的設(shè)備固有缺陷而引起的故障。6.按故障造成的后果分類（1）（2）（3）（4）（2）使用性故障 由于裝配、運(yùn)行過程使用不當(dāng)或自然產(chǎn)生的故障。輕微故障 一般故障 嚴(yán)重故障 惡性故障設(shè)備略微偏離正常的規(guī)定指標(biāo)，但設(shè)備運(yùn)行受影響輕微的故障。 設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量下降，導(dǎo)致能耗增加、環(huán)境噪聲增大等的故障。 某些關(guān)鍵設(shè)備或部件整體功能喪失，造成停機(jī)或局部停機(jī)等的故障。 設(shè)備遭受嚴(yán)重破壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人身安全或造成嚴(yán)重環(huán)境污染的故障。§ 1-2故障診斷技術(shù)的范疇設(shè)備故障診斷技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是了解和掌握設(shè)備在運(yùn)行過程中的狀態(tài)；

8、預(yù)測設(shè)備的可靠 性；確定其整體或局部是正常或異常：早期發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)其原因、部位、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行 識(shí)別和評(píng)價(jià)；預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢，并針對(duì)具體情況作出實(shí)施維護(hù)決策的技術(shù)。設(shè)備故障診 斷主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：一. 信息采集二. 分析處理三. 故障診斷圖1 故障診斷邏輯示意圖§ 1-3故障診斷的應(yīng)用范圍與方法一. 故障診斷的應(yīng)用范圍1. 生產(chǎn)屮的重大關(guān)鍵設(shè)備，如鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等。2. 不能接近檢查、不能解體檢查的重要設(shè)備，如轉(zhuǎn)機(jī)、加熱器、凝汽器等。3. 維修困難、維修成本高的設(shè)備，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等。4. 沒有備品備件，或備品備件昂貴的設(shè)備，如磨煤機(jī)等。5. 從生產(chǎn)的重要性、人身安全、壞境保

9、護(hù)等方面考慮，必須采用診斷技術(shù)的設(shè)備，如核反 應(yīng)堆、大壩等。二. 故障診斷的分類1.1.1 按目的分類（1）功能診斷対新安裝或剛進(jìn)行過維修的設(shè)備進(jìn)行診斷，以確定其功能是 否正常，即投入運(yùn)行前的診斷（2）運(yùn)行診斷即對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行診斷1.1.2 按方式分類（1）定期診斷（巡回檢測、離線診斷）對(duì)運(yùn)行的設(shè)備每隔一段時(shí)間進(jìn)行檢測 和診斷（2）連續(xù)診斷（在線監(jiān)測、在線診斷）對(duì)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和診 斷1.1.3 按提取信息的方式分類（1）直接診斷診斷對(duì)彖和診斷信息直接對(duì)應(yīng)的一種診斷（2）間接診斷診斷對(duì)象和診斷信息不直接對(duì)應(yīng)的一種診斷1.1.4 按診斷時(shí)所要求的機(jī)械運(yùn)行工況條件分類（1）常規(guī)工況診斷 設(shè)

10、備在正常運(yùn)行條件下進(jìn)行的診斷（2）特殊工況診斷 設(shè)備在特殊工作條件下進(jìn)行診斷（如起停機(jī)過程中臨 界轉(zhuǎn)速的測取等）1.1.5 按功能分類（1）簡易診斷對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)做出相對(duì)粗略的判斷。一般冋答“有無故障" 等問題，而不分析故障的原因、部位及程度（2）精密診斷在簡易診斷的基礎(chǔ)上更為細(xì)致的一種診斷過程，它不僅回 答“有無故障”，而且還要分析出故障的原因、部位、程度及發(fā)展趨勢 等一系列問題三. 發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，振動(dòng)故障診斷技術(shù)也必然會(huì)不斷發(fā)展，其主要趨 勢為：（1）先進(jìn)檢測技術(shù)、手段、設(shè)備的研制開發(fā)，廣泛采用高可靠性監(jiān)測設(shè)備（2）由單純的監(jiān)測診斷向監(jiān)測、診斷、管理、調(diào)

11、度系統(tǒng)化、集成化發(fā)展，直接服務(wù)于設(shè)備狀態(tài)檢測（3）集中式診斷系統(tǒng)向集中分散診斷系統(tǒng)發(fā)展（4）開發(fā)人工智能診斷系統(tǒng)（專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集）（5）開發(fā)及應(yīng)用預(yù)測技術(shù)（剩余壽命評(píng)價(jià)）（6）研究診斷理論、診斷方法和故障機(jī)理，形成和完善診斷判據(jù)四、故障診斷的主要環(huán)節(jié)及實(shí)施過程故障診斷的主要環(huán)節(jié)如圖11所示圖1 1故障診斷的主要壞節(jié)故障診斷的任務(wù)是要確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類別、部位，明確故障、征兆、原 因和系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，并指明故障發(fā)展趨勢。具體地說包括以下四個(gè)方面：（1）狀態(tài)監(jiān)測 特征信號(hào)提取，在設(shè)備的合適部位獲取征兆，形成待檢模式。（2）狀態(tài)識(shí)別即診斷 將待建模式與樣板模式進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)主

12、要性能指標(biāo)高于或低 于期望的fi標(biāo)范圉時(shí)就認(rèn)為發(fā)生故障。根據(jù)故障程度分別給了早期警報(bào)，緊急 警報(bào)或強(qiáng)迫停機(jī)等處理。（3）狀態(tài)分析與預(yù)測根據(jù)監(jiān)測信息找出故障源，然后根據(jù)這些信息就故障對(duì)設(shè)備 和系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度做出估計(jì)，綜合給定故障等級(jí)，并預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的 發(fā)展趨勢。（4）決策處理 根據(jù)故障等級(jí)的評(píng)價(jià)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)形成正確的敢于決策，做出修改操 作，控制及其他臨時(shí)性維護(hù)或停機(jī)維修的決定。圖2 故障診斷的實(shí)施過程§ 1-4常見故障及其診斷技術(shù)一. 汽輪機(jī)、油泵1. 振動(dòng)（模糊診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)）2. 動(dòng)靜摩擦（聲發(fā)射技術(shù)）3. 軸承潤滑渦動(dòng)和振蕩（頻譜分析）4. 轉(zhuǎn)子裂紋（聲發(fā)射技術(shù)

13、）二. 加熱器、凝汽器、管道等（用聲發(fā)射）1. 漏泄（四管漏泄、高加漏泄、汽封漏泄、旁路漏泄等）2. 裂紋（汽包、管道、聯(lián)箱、閥門、球罐等用聲發(fā)射）3. 嚴(yán)密性差（加熱器、凝汽器）用超聲波檢漏法4. 結(jié)垢或堵塞（凝汽器）用端差分析三. 熱力系統(tǒng)1. 能量損失（能損分析）2. 如何進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化四. 當(dāng)前所需的監(jiān)測診斷技術(shù)1. 汽輪機(jī)動(dòng)靜摩擦診斷；2. 軸瓦缺陷診斷；3. 發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)在線監(jiān)測診斷；4. 葉片缺陷在線監(jiān)測診斷；5. 汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測診斷；6. 大軸缺陷診斷；7. 大型發(fā)電機(jī)組軸系扭振監(jiān)測診斷；8. 高溫金屬與承壓部件疲勞和蠕變壽命監(jiān)測與診斷；9. 汽輪機(jī)進(jìn)冷汽冷水的監(jiān)測診

14、斷；1（）.凝汽器清潔度和管道泄露的監(jiān)測與診斷；11.換熱器管道泄露的監(jiān)測與診斷；12 油液分析診斷；13. 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)分析診斷；14. 用于大型機(jī)組綜合性診斷的專家系統(tǒng)。表1發(fā)電設(shè)備診斷技術(shù)匯總表分類主要設(shè)備對(duì)象診斷技術(shù)開發(fā)研究情況軸承類滑動(dòng)軸承振動(dòng)音響法epri已用于生產(chǎn)，國內(nèi) 正在研究滾動(dòng)軸承聲發(fā)射法齒輪裝置溫度法油分析法轉(zhuǎn)機(jī)類汽輪機(jī)振動(dòng)音響法epri、ge已用于生產(chǎn)， 國內(nèi)正開始應(yīng)用研究熱力系統(tǒng)主蒸汽、主給水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏監(jiān)測eprl ltc、peco 已 用于生產(chǎn)凝汽器等加熱器內(nèi)漏監(jiān)測性能指標(biāo)監(jiān)測液動(dòng)控制 系統(tǒng)油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間在線監(jiān)測epri、國內(nèi)試用階段調(diào)節(jié)汽門調(diào)節(jié)汽門嚴(yán)密性監(jiān)測

15、抽汽逆止門滯后時(shí)間監(jiān)測調(diào)節(jié)部件卡澀抽汽門嚴(yán)密性監(jiān)測在汽輪發(fā)電機(jī)組屮異常振動(dòng)在故障屮占有相當(dāng)大的比例、按不同的分類方法，異常振 動(dòng)可分為：（1）按振動(dòng)原因分類a. 轉(zhuǎn)子不平衡；b. 轉(zhuǎn)軸不對(duì)中；c. 轉(zhuǎn)子摩擦；d. 軸承缺陷；e. 油膜振蕩及渦動(dòng)。f. 電氣、空氣動(dòng)力或水力動(dòng)力；（2）按振動(dòng)頻率分類a. 倍頻振動(dòng)；b. 分頻振動(dòng)。（3）按振動(dòng)發(fā)生部位分類；a. 轉(zhuǎn)軸包括各類機(jī)械轉(zhuǎn)子的軸頸、軸端及葉片等；b. 軸承 包括油膜滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承；c. 殼體 包括軸承座，機(jī)殼；d. 基礎(chǔ) 指機(jī)座、鋼筋混凝土基礎(chǔ)；e. 其他 包括閥門、閥桿及各種管道結(jié)構(gòu)。（4）按振幅方位分類a. 徑向振動(dòng) 指沿轉(zhuǎn)軸某截

16、面直徑方向的振動(dòng)，包折水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)；b. 軸向振動(dòng) 指沿轉(zhuǎn)軸軸線方向的振動(dòng)；c. 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)指沿轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)第二章故障信號(hào)采集設(shè)備在運(yùn)行過程中，和運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的各種物理量隨吋間的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。這些 物理量包括振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力等。用各種相應(yīng)的傳感器及測量儀器測得它們隨時(shí)間的 變化就獲得信號(hào)。信號(hào)中常常包插對(duì)設(shè)備狀態(tài)識(shí)別與診斷非常有用的各種信息。有效地分析、 處理這些信息，建立它們和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)z間的聯(lián)系，是設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。然而，信號(hào) 中常伴有各種噪聲和干擾，要消除或減少噪聲和干擾的影響，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。為了 更有效的進(jìn)行識(shí)別和診斷，通常還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理，抽取

17、其特征。如杲知道某些特征 與設(shè)備狀態(tài)或某種故障有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，就能獲得好的診斷結(jié)果。幅值不隨時(shí)間變化的信號(hào)稱為靜態(tài)信號(hào)。實(shí)際上，隨時(shí)間的變化幅值變化很緩慢的信號(hào) 也可看作靜態(tài)信號(hào)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)。實(shí)際上遇到的大多數(shù)信號(hào)均為動(dòng)態(tài)信號(hào)。§ 2-1動(dòng)態(tài)信號(hào)描述及其轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)信號(hào)可分為用確定的吋間函數(shù)來表達(dá)的確定性信號(hào)和不能用吋i'可函數(shù)來描述的 隨機(jī)信號(hào)。具體分類如下：動(dòng)態(tài)信號(hào)周期信號(hào)確定性信號(hào)簡諧信號(hào)復(fù)雜周期信號(hào)非周期信號(hào)準(zhǔn)周期信號(hào)瞬變非周期信號(hào)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)各態(tài)歷經(jīng)信號(hào) 非各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)ie平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)一般非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào) 瞬變隨機(jī)信號(hào)一.周期信號(hào)1. 簡諧振動(dòng)信號(hào)物體作簡諧振動(dòng)吋，位移

18、x和時(shí)間的關(guān)系可用三角函數(shù)表示為：x = a sin（血 + （p）2. 周期信號(hào)及其分解實(shí)際中更多的是非簡諧的周期信號(hào)，一個(gè)周期信號(hào)可以展開成一系列簡諧函數(shù)z和, 即周期信號(hào)可以分解為一系列頻率成正比的正眩波信號(hào)，如x(z) = + aa cos cot + a2 cos 2cot + + 勺 sin 必 + 乞 sin 2cot + q（）2oo+ 工( cos 血 + bn sinh=1其中°ox力(« = 1,2,3/)2 ctat =x(t) cos n coldt二.非周期信號(hào)非周期信號(hào)包括準(zhǔn)周期信號(hào)和瞬變非周期信號(hào)。1. 準(zhǔn)周期信號(hào)任意的兩個(gè)或幾個(gè)正弦波之和，

19、一般不會(huì)組成周期信號(hào)。比如8=工圮 sin(©/0+ 0)/=1當(dāng)式屮q” !a)m不等于有理數(shù)時(shí)，即為準(zhǔn)周期信號(hào)。2. 瞬變非周期信號(hào)瞬變非周期信號(hào)指除準(zhǔn)周期信號(hào)以外的非周期信號(hào)，瞬變非周期信號(hào)也可以用某時(shí)變函 數(shù)進(jìn)行描述。瞬變非周期信號(hào)一般持續(xù)時(shí)間很短，有明顯的額開端和結(jié)束，其譜結(jié)構(gòu)為由傅 立葉積分表示的連續(xù)譜。3. 隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)不能用確定的時(shí)間函數(shù)來表達(dá)。對(duì)同一事物的變化過程獨(dú)立地重復(fù)進(jìn)行多次觀 測，所得的信號(hào)是不同的，波形在無限長時(shí)間內(nèi)不會(huì)重復(fù)。對(duì)于隨機(jī)信號(hào)，需要用概率統(tǒng)計(jì) 的方法進(jìn)行分析。如幅域參數(shù)均值、均方值、方差和均方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù); 吋域參數(shù)自相關(guān)

20、函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)；頻域參數(shù)自功率譜密度函數(shù)、互功率譜密度函數(shù)、相干 函數(shù)和傳遞函數(shù)。均值和口相關(guān)函數(shù)不隨時(shí)間變化的隨機(jī)信號(hào)稱為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，多數(shù)設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 的信號(hào)可以看作是平穩(wěn)的。反之即為非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。表示隨機(jī)信號(hào)的單個(gè)時(shí)間歷程稱為樣本函數(shù)。整個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與每個(gè)樣本 的統(tǒng)計(jì)特性相同吋，稱這種平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)為各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)，否則，稱為非各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)。 瞬變隨機(jī)信號(hào)往往是由于瞬間的機(jī)械沖擊造成的，它在瞬間發(fā)生后很快就消失了，因此既不 能用數(shù)學(xué)公式描述，也不能用統(tǒng)計(jì)辦法描述，只能用頻譜分析辦法。§2-2數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是隨吋間連續(xù)變化的；數(shù)字

21、信號(hào)是由離散數(shù)字 組成的，定期的觀察值或模擬信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換得到的一串?dāng)?shù)字都是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處 理就是以數(shù)字信號(hào)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的各種分析處理。目前常用的有fft (fast fourier transform)一.模擬信號(hào)的離散化把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為摸/數(shù)轉(zhuǎn)換過程，它包括采樣、量化、編碼等， 是數(shù)字信號(hào)分析的必要過程。1. 采樣與量化采樣也稱抽樣，是利用采樣脈沖序列從模擬信號(hào)中抽取一系列離散樣值，使z成為采樣 信號(hào)的過程。量化又稱幅值量化，把采樣信號(hào)經(jīng)過舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)的過程2. 采樣間隔和頻率混淆。采樣間隔市采樣頻率決定，一般要求最低采樣頻率為大丁-原信

22、號(hào)中最高頻率成分的頻率 的2倍。頻率混淆是由于采樣頻率太低，釆樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆 的一種現(xiàn)象。其解決辦法是：1)提高采樣頻率，一般工程中常取2.56-4倍信號(hào)頻率；2）用低通濾波器濾掉不必要的高頻成分。3. 釆樣長度與頻率分辨率頻率分辨率與采樣長度成反比，_般采樣點(diǎn)數(shù)為512,1024,2048,對(duì)應(yīng)的分辨率為1/200, 1/400, 1/800o4. 泄漏及窗函數(shù)泄漏現(xiàn)象是對(duì)無限長的信號(hào)進(jìn)行截?cái)喽a(chǎn)生的所得譜與其原有譜形成差異的現(xiàn)象。為了 減小泄漏，必須選擇適當(dāng)?shù)慕財(cái)啻昂瘮?shù)，如幕窗、三角函數(shù)窗、指數(shù)窗。具體說來有：矩形 窗、汗宇窗、海明窗、高斯窗等二.離散傅立葉

23、變換（dft： discrete fourier transform）1 n7二卞工嚴(yán)嗣 nk = 0,1,2,w -1三. 快速傅立葉變換（fft）把采樣序列中的n個(gè)數(shù)按奇數(shù)和偶數(shù)分成n/2點(diǎn)的兩組，再把每一組按照同樣的方法再 分成兩組，依次下去，直至每一組中只有兩個(gè)數(shù)為止。然后按照合并公式將其組合起來，得 到頻譜x （k）o這樣可以減少計(jì)算量，加快計(jì)算速度，當(dāng)n=1024時(shí)，dft的計(jì)算量是fft 的204.8倍。xk+n）2 w = e-/(2,/,v)§ 2-3設(shè)備故障信號(hào)采集一.信號(hào)及傳感器選取原則1. 信號(hào)選取原則設(shè)備及其組成的系統(tǒng)的運(yùn)行狀況好壞完全由其各種狀態(tài)參數(shù)表征。

24、為了更好地診斷故障 原因，必須監(jiān)測一些直接反應(yīng)安全性好壞的參數(shù)。選擇監(jiān)測參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循下列原則：1. 表征設(shè)備安全運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)；2. 危害人身與設(shè)備的重點(diǎn)設(shè)備及重點(diǎn)部位的狀態(tài)參數(shù)；3. 表征設(shè)備老化與壽命的狀態(tài)參數(shù)；4. 表明設(shè)備性能（如效率）的狀態(tài)參數(shù)。2. 傳感器及其選擇原則傳感器是能感受規(guī)定的被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的儀器或裝置。通常 由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。前者是指傳感器屮能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。后者是指 傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。傳感器常 按工作原理和輸入信息分類如下：（1）按傳感器工作原理分類傳感器按其傳感的工作原理

25、大體可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器三類。a. 物理傳感器是利用某些變換元件的物理性質(zhì)及某些功能材料的特殊物理性能 制成的傳感器；b. 化學(xué)傳感器是利用電化學(xué)原理，把無機(jī)和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分濃度等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器；c. 生物傳感器是近年來發(fā)展較快的一類傳感器，它是一種利用生物活性物質(zhì)選 擇性的識(shí)別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。（2）按傳感器輸入信息分類 按傳感器的輸入信息（或被測參數(shù)）分類能表現(xiàn)傳感器功能，方便用戶。它可分為位 移、速度、加速度、力、壓力、流速、溫度、光強(qiáng)、濕度等傳感器。二.故障信號(hào)采集1. 振動(dòng)信號(hào)測量振動(dòng)信號(hào)一般呈現(xiàn)很強(qiáng)的周期性，而且信號(hào)頻率較低。振動(dòng)的測試一般測

26、量三個(gè)方向，即水平方向、垂直方向和軸向方向。對(duì)于徑向的兩個(gè)測點(diǎn)，一般是傾斜45°,如圖所示。測試系統(tǒng)一般分為兩部分，前一部分為傳感器和專用測量與適調(diào)線路，其功能是將機(jī)械 振動(dòng)最終轉(zhuǎn)化為可以被一般分析測量儀器所接受的、并具有歸一化機(jī)電靈敏度的電壓信號(hào); 后一部分的功能在于將前面所獲得的原始電壓信號(hào)加以分析、處理以及取得所要的數(shù)據(jù)。振 動(dòng)傳感器一般用渦流式位移傳感器、慣性式速度傳感器或壓電式加速度傳感器。（1）渦流式位移傳感器用于測量轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸承的相對(duì)振動(dòng)，其最大特點(diǎn)是采用非接 觸測量。渦流式位移傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有零頻率響應(yīng)，且有頻率范圍寬、線性度好以 及在線性范圍內(nèi)靈敏度不隨初

27、始間隙的大小改變等優(yōu)點(diǎn)。圖1-1電渦流傳感器外形1 一頭部線圈；2固定螺帽;3高頻電纜渦流式位移傳感器輸出電圧的直流分量正比于感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體z間的靜態(tài)間隙； 若線圈與金屬板z間存在相對(duì)振動(dòng)，則有交流電壓輸出，它正比于金屬板與感應(yīng)線圈z間的 相對(duì)位移，因此這種傳感器又稱為位移傳感器。它不但可以作靜態(tài)測量，還可以做動(dòng)態(tài)測量。電渦流傳感器監(jiān)測到的交直流信號(hào)是疊加在線圈的高頻電源上的，如果直接將這種混頻 信號(hào)送到振動(dòng)儀，即使采用高頻電纜，也會(huì)使傳感器靈敏度顯著降低，而且易受干擾。為避 免這些不利影響，必須在電渦流傳感器附近設(shè)置放大器、檢波器和濾波器，將振動(dòng)信號(hào)放大 并檢出后送到振動(dòng)儀。這一裝置稱為

28、電渦流傳感器的前置器。前置器是電渦流傳感器的高頻 電纜是由制造廠精心調(diào)配好的。不同型號(hào)或不同系列的傳感器不能互換，而且不能延長或截 短。（2）慣性式速度傳感器具有較高的速度靈敏度（100-500mv/cmo s-1）和較低的輸出 阻抗（1-3k）,能輸出較強(qiáng)的信號(hào)功率，不易受電磁場的干擾，對(duì)于比較復(fù)雜、需很長導(dǎo)線 的現(xiàn)場，仍能夠獲得較高的信噪比。其頻率范圍一般在oo 008-1kh乙勿需設(shè)置號(hào)門的前 置放大器，測量線路簡單，加之安裝、使用簡單，主要用于測量非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。圖3-2絕對(duì)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)1、8簧片；2永久磁鋼；3-kr尼環(huán)；4導(dǎo)磁體；5連接桿；6外殼；7動(dòng)線圈；8引出線接頭

29、（3）壓電式加速度傳感器是利用某些品體材料的正壓電效應(yīng)作為機(jī)電變換器而制成的 加速度傳感器。它具有極寬的頻帶（0。0002-10khz）,本身質(zhì)量較?。?-50g）,有很大的 動(dòng)態(tài)范韋i，比較適合于輕型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承座及殼體的振動(dòng)加速度測暈。圖3-3加速度傳感器的結(jié)構(gòu)1底座；2壓電晶體片；3導(dǎo)電片；4質(zhì)量塊5外殼；6蝶形簧片；7引出線接頭；8導(dǎo)線在機(jī)組振動(dòng)測試中合理的選擇振動(dòng)傳感器，不但可以獲得滿意的測量結(jié)果、節(jié)省工作時(shí) 間，而且對(duì)于盡快查明振動(dòng)故障原因、提高轉(zhuǎn)自平衡精度和減少機(jī)組起停次數(shù)都有重要意義。合理地選擇振動(dòng)傳感器主要考慮兩個(gè)方面：一是傳感器性能；二是被測對(duì)象的條件和要 求，只有兩

30、者很好的結(jié)合，才能獲得最佳測量效果。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)來說，點(diǎn)渦流傳感器和速度傳感器都是需要的，但在-般測試 屮，由于電渦流傳感器安裝麻煩，且有費(fèi)時(shí)，故應(yīng)盡可能以速度傳感器取代。但在某些振動(dòng) 故障診斷屮及當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量與靜子質(zhì)量之比小于1:10時(shí)，如汽機(jī)高壓部分，應(yīng)采用點(diǎn)渦流傳 感器測量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)；相反，當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量與靜子質(zhì)量之比較大吋，如汽機(jī)低壓和發(fā)電機(jī)部分, 應(yīng)采用速度傳感器測量軸承振動(dòng)或測量轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)。為了對(duì)以上三種傳感器有一個(gè)簡單了解和對(duì)比以便進(jìn)行選擇，下面對(duì)三種傳感器的主要 性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納：（一）電渦流傳感器b. 可以直接測量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)，由于是非接觸式測量，可以避免接觸測量中產(chǎn)生的

31、 不良影響；c. 能作靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量，所以它可以測量2iiz以下的低頻振動(dòng)，而且適用與絕 大多數(shù)條件；d. 價(jià)格比較便宜，本身價(jià)格為速度傳感器的少5,若考慮前置器的價(jià)格，則與速 度傳感器價(jià)格相近；e. 輸出信號(hào)與振動(dòng)位移成正比，對(duì)于采用振幅描述振動(dòng)狀態(tài)的大多數(shù)情況來 說，它可以獲得較高的輸出信號(hào)；f. 結(jié)構(gòu)簡單可靠，尺寸小，沒有活動(dòng)部件；g. 針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)，它具有合適的頻率響應(yīng)范圍，標(biāo)定較容易；h. 除用于測量振動(dòng)和部件靜態(tài)位置外，還可以作為轉(zhuǎn)速測量和振動(dòng)相位測量的 鑒相信號(hào)；i. 測量振動(dòng)物體材料如不同會(huì)影響傳感器線性范圍和靈敏度，須重新標(biāo)定；j. 需外加電源，安裝比較麻煩，必須配

32、有前置器。（二）速度傳感器k. 安裝簡單，可適用于絕大多數(shù)機(jī)械的工作環(huán)境，對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)來說, 它具有合適的頻率響應(yīng)范圍；l. 不需外加電源，振動(dòng)信號(hào)可以不經(jīng)任何處理傳輸?shù)侥繕?biāo)；m. 體積、重量較大，活動(dòng)部件易損壞，低頻響應(yīng)不好，一般測試15hz以下的 振動(dòng)信號(hào)時(shí)，將產(chǎn)生較大的振幅和相位誤差。（三）加速度傳感器n. 體積小、重量輕，適用于受附加質(zhì)量影響顯著的振動(dòng)系統(tǒng)的測試，例如汽輪 機(jī)葉片的振動(dòng)測試；o. 結(jié)構(gòu)緊湊、牢靠，不易損壞；p. 環(huán)境噪聲、傳感器安裝方法和導(dǎo)線敷設(shè)方式，對(duì)測試結(jié)果有較大影響。對(duì)汽 輪發(fā)電機(jī)組來說，英工作頻率范圍顯得過大。標(biāo)定困難，只能作動(dòng)態(tài)測量， 價(jià)格較貴，需設(shè)置

33、前置放大器。2. 摩擦信號(hào)測量金屬材料發(fā)生碰磨或連續(xù)摩擦?xí)r，發(fā)生摩擦處的原子之間的結(jié)合能以彈性波的形式釋放 出來，即聲發(fā)射。用壓電晶體聲發(fā)射傳感器即可接受該信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過 分析處理后即可得到反應(yīng)設(shè)備動(dòng)靜摩擦的特征參數(shù)。3. 轉(zhuǎn)子裂紋信號(hào)測量測量辦法同摩擦信號(hào)，但不同之處是裂紋信號(hào)的頻率更高，且是瞬變隨機(jī)信號(hào)。而且其 傳遞是難點(diǎn)，當(dāng)前轉(zhuǎn)子裂紋信號(hào)的傳遞方法有兩種：一種是發(fā)報(bào)法，即把傳感器測取的轉(zhuǎn)子 裂紋信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后形成載波信號(hào)，用無線發(fā)報(bào)機(jī)發(fā)送到機(jī)外的接收裝置，再經(jīng)過放人、濾 波等處理后得到特征參數(shù)；另一種是電磁感應(yīng)法，即通過固泄在轉(zhuǎn)子上的主線圈和固定在靜 止件上的副線圈間的

34、電磁感應(yīng)傳遞信號(hào)，然后再經(jīng)過放大、濾波等處理后得到特征參數(shù)。4. 軸承油質(zhì)信號(hào)測量目前常用的測量分析方法是：油樣光譜分析法、油樣鐵譜分析法、磁塞檢查法。第三章 信號(hào)分析及特征提取常用工程信號(hào)都是時(shí)間波形的形式。時(shí)間波形有直觀、易于理解等特點(diǎn)，由于是最原始 的信號(hào)，所以包含的信息量大。缺點(diǎn)是不太容易看出所包含信息與故障的聯(lián)系。§3-1隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征隨機(jī)信號(hào)的分析，主要是采用概率和統(tǒng)計(jì)的方法，通過幅值統(tǒng)計(jì)平均計(jì)算概率密度，再 通過相關(guān)分析和頻譜分析(譜密度分析)，在幅域、時(shí)域和頻域中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。(1) 幅域分析的統(tǒng)計(jì)函數(shù)a. 均值ex均值ex表示集合平均值和數(shù)學(xué)期望均值，亦即品均值

35、?？捎?時(shí)間間隔/內(nèi)，曲線x(f)下的總而積除以t表示 tex = lim £ x(t)dt(4-07)也可以用匚代表樣本平均值。b.均方值 /的平均值，定義班/)的均方值£r?i，即(4-08)ex2 = limt >coc.方差和均方差方差,其正平方根。稱均方差，也叫標(biāo)準(zhǔn)差，方差的定義為(4-09)32e(x-ex)2即方差為兀對(duì)ex的偏差的平方的平均值，可得ct2 =ex2-(ex)2(4-10)d. 概率密度函數(shù) 概率密度函數(shù)/x)為隨機(jī)變暈的瞬時(shí)幅值落在增量a/范|韋| 內(nèi)可能出現(xiàn)的概率與增量ax之比，即/v p(x) - p(x + ax)豪p(x) =

36、lim (4-11)山 toax式中戶(力和a x)為概率分布函數(shù)。e. 概率分布函數(shù) 同概率密度一樣，概率分布函數(shù)也用于對(duì)隨機(jī)變量屮數(shù)值 分布的描述(4-12)(4-13)p(x) = f p(x)dxj oo也就是說，隨機(jī)變量的幅值不大于某值的累積概率，對(duì)以寫成p(x) = proh(x < xk)式中x為隨機(jī)變量的幅值，應(yīng)為某值，pm為概率。f. 聯(lián)合概率密度函數(shù) 兩個(gè)隨機(jī)樣本記錄的聯(lián)合概率密度函數(shù)，表示兩個(gè)樣 本記錄值在某瞬時(shí)同時(shí)落在某個(gè)指定范圍內(nèi)的概率。聯(lián)合概率密度函數(shù) "(x)可表示為1(ax)(ay)lim若兩個(gè)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)是獨(dú)立的，則(4-15)p(x,y) =

37、p(x)p(y)此時(shí)聯(lián)合概率密度函數(shù)是單個(gè)概率密度函數(shù)的乘積。(2) 時(shí)域分析的統(tǒng)計(jì)函數(shù)a. 自相關(guān)函數(shù) 自相關(guān)函數(shù)心(c為隨機(jī)信號(hào)班廣)在時(shí)間方時(shí)的值與時(shí)間為 (z+ r )時(shí)的值的乘積的平均值，即1 ct7?v(r) = ex(t)x(t + r) = lim+ t)dt (4-16)ttoo t jo自相關(guān)函數(shù)表示波形與自己相差一個(gè)時(shí)間廠值時(shí)的相似程度。自相關(guān)系數(shù)“(門表示信號(hào)班力的自相關(guān)函數(shù)與該信號(hào)的均方值z比ex2(t)(4-17)口相關(guān)系數(shù)滿足(4-18)b.互相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù)r.&廠)為信號(hào)無&)在吋間t吋的值與另一信號(hào)y(r)在時(shí)間為(甘丁)時(shí)的值的乘積的平

38、均值1 rt7? (0 = ex(t)y(t + r) = lim| 兀尹(/ + t)dt (4-19)1 y jo互相關(guān)函數(shù)表示兩個(gè)信號(hào)波形相差時(shí)間祁寸的相似程度?；ハ嚓P(guān)系數(shù)處y表示信號(hào)x&)和y&)的互相關(guān)函數(shù)與這兩個(gè)信號(hào)的均方值的 乘積的平方根之比(4-20)式中 心(t)=ex(t)y(t+ r),他(0)二e”,ry(o)=eyt). 互相關(guān)系數(shù)滿足-l<prv(r)<l(4-21)(3) 頻域分析的統(tǒng)計(jì)函數(shù)a. 自功率譜密度函數(shù) 對(duì)平穩(wěn)隨機(jī)過程，自功率譜密度gv(/ )為自相關(guān)函數(shù) 的傅立葉變換c其單邊譜為6丫(/) = 2心(刃2力血(4-22)j8

39、式中心("一自相關(guān)函數(shù)。g/ )也可以直接用傅立葉變換的頻率分量表示，即g,(/) = ¥xo)1(4-23)b. 互功率普密度函數(shù)對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過程，互功率普密度函數(shù)gxy(f )為互相 關(guān)函數(shù)的傅立葉變換式屮r?(t)互相關(guān)函數(shù)相干函數(shù) 相干函數(shù)yl(/)表示為仇(/)gqjgg、)(4-25)式屮g(/ )輸入功率譜； gkka)輸出功率譜; giku )互功率譜。相干函數(shù)滿足(4-26)加二0吋，說明兀與必")完全不相干；加=1吋，表示互功率譜和傳遞函數(shù) 是完全可信的。d. 傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)如)定義為系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)加對(duì)的拉普拉斯變換<00(4-27

40、)= h(i)e-ptdt 式中 p=a+ib0令“0, b=2町，則得到頻率響應(yīng)函數(shù)(4-28)對(duì)于物理上可實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定的系統(tǒng)，頻率響應(yīng)函數(shù)可以代替?zhèn)鬟f函數(shù)而不會(huì) 失去有用的信息。§3-2信號(hào)的頻域分析一. 頻域分析的概念工程上所測得的信號(hào)一般為時(shí)域信號(hào)，然而由于故障發(fā)生、發(fā)展往往引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化，為了通過所測信號(hào)了解、觀測對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。將吋域信號(hào) 變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)傅 立葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值和相位 信息。周期性及準(zhǔn)周期性信號(hào)的頻譜為離散譜，非

41、周期信號(hào)及隨機(jī)信號(hào)為連續(xù)譜。f(e)=x®嚴(yán)dtj8(4-29)或?qū)Ω盗⑷~逆變換，有f)=x叫tjoo(4-30)x(t) = f(cd)e,(adco27t j-8(4-31)或二.自功率譜密度分析兀二匸f嚴(yán)df自功率譜密度函數(shù)是在頻域中對(duì)信號(hào)能量或功率分布情況的描述，它可由自相關(guān)函數(shù)的 傅立葉變換求得。自功率譜密度函數(shù)為：j8自功率譜密度函數(shù)反映的信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)與信號(hào)的幅值譜相似，但自功率譜密度函數(shù)反映 的是信號(hào)幅值的平方，因此它反映的頻率結(jié)構(gòu)更為明顯。三. 互功率譜密度分析互功率譜密度函數(shù)為：互功率譜密度函數(shù)是兩個(gè)信號(hào)在頻域上的相關(guān)程度的描述，并且具有相位信息?；スβ?譜密度函數(shù)

42、提供的結(jié)果是頻率的函數(shù)而不是時(shí)間的函數(shù)。四. 階比譜分析階比譜是一種研究機(jī)械振動(dòng)特征的、在fft分析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)，主要是充分利 用轉(zhuǎn)速信號(hào)，因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)中多數(shù)離散頻率分量與主旋轉(zhuǎn)頻率(基頻)有關(guān)。五倒頻譜分析倒頻譜分析也稱二次頻譜分析，它包括功率倒頻譜分析和復(fù)倒頻譜分析兩種主要形式。 它對(duì)于分析具有同族諧頻或異族諧頻、多成分邊頻等復(fù)雜信號(hào)，找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問 題，非常有效。功率譜分析能夠很好地揭示隨機(jī)波形中混有的周期信號(hào)，那么倒頻譜就能突出功率譜圖 的一些特點(diǎn)和顯示振動(dòng)狀態(tài)的一些變化，特別能揭示譜圖中的周期分量，有利于故障診斷。如果一實(shí)測信號(hào)尹(/)是由x(f)和$

43、(/)迭加形成的，即y(f)=x(f)+s(f),貝！i當(dāng)兩個(gè)分量的能量 分別集中在不同的頻率里時(shí)，可用頻域分析中的線性濾波或功率譜分析。當(dāng)所要提取的分量 以一定的形狀作周期性重復(fù)，而另一個(gè)分量是隨吋問變化的噪聲吋，可用吋域分析中的信號(hào) 平均方法或相關(guān)分析。這些方法都可有效地處理線性迭加信號(hào)。但是，有的信號(hào)不是其分量的線性迭加。于是1962年bogert、healy、tukey等人提出 了功率倒頻譜分析方法。倒頻譜可將輸入信號(hào)與傳遞函數(shù)區(qū)分開來，便于識(shí)別。還能區(qū)別出 因調(diào)制引起的功率譜中的周期分量，診斷出調(diào)制源。給出吋間信號(hào)尹(/)的功率譜sy(z)表達(dá)式如下：sy(/) = |fy(/)(4

44、-53)式屮f 表示傅立葉正變換，丨丨表示取模。倒頻譜就是對(duì)功率譜sy(/)的對(duì)數(shù)值進(jìn)行傅立葉逆變換的結(jié)果，用cy( j來表示功率sy(/) 的倒頻譜，有cy(t)= f-insy(f)(4-54)式屮fl 表示傅立葉逆變換，廠表示倒頻譜的時(shí)間變量。這里指出,由式(4-54)聯(lián)系到y(tǒng)(z)的自相關(guān)函數(shù)用( r)：7?/r) = f-,sv(/)(4-55)可以看到，倒頻譜cy(廠)的變量廠與自相關(guān)函數(shù)心(。的時(shí)間變量在量綱上是一致的。我 們稱為倒頻譜。對(duì)功率譜作倒頻譜變換，其根本原因是在倒頻譜上可以較容易地識(shí)別信號(hào)的組成分量, 便于提取其中我們關(guān)心的信號(hào)成分。例如一個(gè)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)為,輸出

45、為x&), 那么輸出信號(hào)y等于x和力的卷積，如圖4-1所示的關(guān)系式。倒頻譜的作用就是將y(t) =x( t) */?( r)的卷積變成簡單的迭加o! h(t)2門 h(/)圖41系統(tǒng)的輸入、輸出和傳遞函數(shù)y(z)=x(“*/?("對(duì)兩邊取傅立葉正變換，時(shí)域中的卷積，轉(zhuǎn)換成頻域中的相乘y(/) = w)-w)(4-56)將上式取幅值平方，便得到功率譜的關(guān)系式(/)= (/)-|w)|2(4-57)兩邊取對(duì)數(shù)lns/) = lnsx(/) + ln|h(/)|2市于傅立葉變換的線性性質(zhì)，這個(gè)相加關(guān)系保留在倒頻譜屮f-'ln sy (/) = f “ in s (/) +

46、fln|h(/)(4-58)即cy(t)= cx(t)+ ch(t)(4-59)上式含義是，如果輸入信號(hào)hz)或系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)力(z)中有一個(gè)已知，就可以從輸入 信號(hào)y&)的倒頻譜cy( r)中除去，得到另一分量的倒頻譜，例如ch( 0,對(duì)它進(jìn)行傅立葉 正變換可得到|2,再進(jìn)行指數(shù)運(yùn)算，便得到傳遞函數(shù)的幅值丨砌丨了。利用倒頻譜對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的基本步驟如圖4-2所示圖42利用倒頻譜對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的基本步驟六. 細(xì)化分析及小波分析細(xì)化分析是用來增加頻譜中某些有限部分上的分辨能力的方法，即“局部放大”的方 法，常用的細(xì)化方法為復(fù)調(diào)制細(xì)化方法。用它可以得到細(xì)化幅值譜和細(xì)化相位譜。小波分析是從經(jīng)

47、典傅立葉變換發(fā)展而來的，概括地說，小波是一個(gè)滿足條件 rhxdx = 0的函數(shù)通過平移和放縮產(chǎn)生的一個(gè)函數(shù)族hah(x):其中a，b分別為伸縮和平移因子，統(tǒng)稱尺度因子，力為小波母函數(shù)，叱he稱為分析小波 或連續(xù)小波。小波變換是對(duì)描述信號(hào)的函數(shù)進(jìn)行帶通濾波，即將信號(hào)分解到一系列帶寬和中心頻率 不同的頻率通道的過程。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上往往需要把連續(xù)小波變換為 離散小波，具體做法是通過對(duì)其伸縮因子和平移因子的采樣而離散化。經(jīng)過離散化后的小波 和相應(yīng)的小波變換稱為二進(jìn)小波變換。七. 分形兒何幾何上，分維d刻畫了曲線的“粗糙”程度，d越大，曲線越彎折，越不規(guī)則。d越 小，曲線越光滑。也就

48、是說分堆d能定量地表征曲線的不規(guī)則程度，如圖511所示。八. 時(shí)間序列分析時(shí)間序列是按事件發(fā)生的前后順序排列所得的一系列數(shù)，時(shí)間序列分析所研究的對(duì)象 是離散的。時(shí)間序列分析方法完全是一種以參數(shù)模型為基礎(chǔ)的分析方法。以模型參數(shù)為基礎(chǔ), 可以進(jìn)行參數(shù)識(shí)別、譜估計(jì)、預(yù)報(bào)等等。時(shí)間序列分析屮兩類最基本的數(shù)學(xué)模型是arma模型和ar模型。1. arma (n,m)模型(自回歸滑動(dòng)平均模型)對(duì)于滿足各態(tài)歷經(jīng)性假設(shè)的隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)，可用如下的數(shù)學(xué)模型來描述它們z間的相 互依賴關(guān)系，即兀 一®兀一 1 一 卩2兀一2(pnxt-n =勺 一&“-1 一&2陽-2盅勺-加此即n為階自回歸

49、1】1階滑動(dòng)平均模型，0,02，久稱為滑動(dòng)平均系數(shù)，q,&2,，&加稱為白回歸系數(shù)，殘差&均為白噪聲序列。此式表明，當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)值不僅與其前n個(gè)數(shù)值有關(guān)，而且還與前m個(gè)吋刻的隨機(jī)干擾有關(guān)。3. ar(n)模型(自回歸模型)此式表明，當(dāng)前吋刻的數(shù)值只與英前血n個(gè)吋刻的數(shù)值和當(dāng)前吋刻的隨機(jī)干擾有關(guān)。§3-3瞬態(tài)信號(hào)的處理與分析瞬態(tài)信號(hào)是設(shè)備隨著某些工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的變化過程的響應(yīng)的過程信號(hào)。常用于 分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障。一.跟蹤軸心軌跡軸心軌跡是軸心相對(duì)于軸承座的運(yùn)動(dòng)軌跡，它反映了轉(zhuǎn)子瞬時(shí)的渦動(dòng)狀況。跟蹤軸心 軌跡是在一組過程信號(hào)屮，相距一定的時(shí)間間隔對(duì)轉(zhuǎn)子的軸

50、心軌跡進(jìn)行觀測的一種方法。1i1000r/min1500r/min2000r/min2500r/min3000r/min二. 波德（bode）圖波徳圖是描述某一頻帶下振幅和相位隨過程的變化而變化的兩組曲線。頻帶可以是1 倍頻、2倍頻或其它諧波，這些諧波的幅值、相位計(jì)算既可以用fft法，也可以用濾波法。 當(dāng)過程的變化參數(shù)為轉(zhuǎn)速時(shí)，波德圖實(shí)際上就是機(jī)組隨激振頻率不同而幅值和相位變化的幅 頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。三. 極坐標(biāo)圖極坐標(biāo)圖實(shí)質(zhì)上是振動(dòng)向量矢端圖，和波徳圖一樣。振動(dòng)向量可以是1倍頻、2倍頻 或其它諧波的振動(dòng)分量。極坐標(biāo)圖有時(shí)也被稱為振型圓和奈魁斯特圖（nyquist圖）。它對(duì)于 說明不平衡質(zhì)

51、量的部位，判別臨界轉(zhuǎn)速以及進(jìn)行故障分析是十分有用的。四. 三維譜陣圖（瀑布圖）當(dāng)轉(zhuǎn)子升速時(shí)，各轉(zhuǎn)速下都有反映轉(zhuǎn)子頻域特性的頻譜圖，把各個(gè)轉(zhuǎn)速下的譜圖描繪 在一張圖上，稱之為“級(jí)聯(lián)圖”，為三維譜陣圖的一種，也稱瀑布圖。五. 坎貝爾（campber）圖坎貝爾圖和三維譜陣圖屬同一種特征分析，包含有相同的信息，只是其表達(dá)的形式不§ 3-4聲發(fā)射信號(hào)的處理與分析聲發(fā)射檢測技術(shù)是20世紀(jì)50年代初興起的一種新的無損檢測方法。兒十年來，聲發(fā) 射技術(shù)已經(jīng)在壓力容器的安全性檢測與評(píng)價(jià)、核反應(yīng)堆安全性監(jiān)測以及動(dòng)靜摩擦、受力部件 裂紋、電火花放電等許多領(lǐng)域都得到成功應(yīng)用。一. 聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生和傳播所謂聲

52、發(fā)射，是指材料或結(jié)構(gòu)因受外力或內(nèi)力作用而產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波的 形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。因此，聲發(fā)射也稱應(yīng)力波發(fā)射。工程材料中許多機(jī)構(gòu)都可能成為聲發(fā)射源，其中與無損檢測有關(guān)的聲發(fā)射源則主要有塑性變 形和裂紋的形成與擴(kuò)展。塑性變形主要是通過滑移和李生兩種方式進(jìn)行的，其中滑移是主要 方式，它的元過程則是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。作為應(yīng)變能以彈性波釋放而產(chǎn)生的聲發(fā)射波，與超聲波有相似的傳播規(guī)律。從傳播形 式上來看，聲發(fā)射波在固體介質(zhì)中以縱波、橫波、表面波和板波等各種形式向前傳播。聲發(fā) 射波在傳播過程中，除由于波前擴(kuò)展而產(chǎn)生的擴(kuò)散損失外，還會(huì)由于內(nèi)摩擦及組織界面的散 射使其在規(guī)定方向傳播的聲能衰減。二. 聲發(fā)

53、射信號(hào)的表征參數(shù)表征聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)主要有：聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)幅度及幅度分布、能量及 能量分布、有效值電壓、頻譜和波形等。1. 事件計(jì)數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)逐一計(jì)數(shù)每一個(gè)聲發(fā)射事件脈沖即為聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)，單位時(shí)間的事件計(jì)數(shù)稱為事件 計(jì)數(shù)率；振鈴計(jì)數(shù)就是就是逐一計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)波形超過預(yù)置檻值電平的次數(shù)。單位時(shí)間的 振鈴計(jì)數(shù)稱為振鈴計(jì)數(shù)率。2. 幅度和幅度分布幅度是指聲發(fā)射波形的峰值偏移，幅度分布是指事件計(jì)數(shù)或振鈴計(jì)數(shù)關(guān)于幅度的函數(shù) 分布。幅度和幅度分布可以更多地反映聲發(fā)射信息的一種處理方法。3. 能量聲發(fā)射能量反映聲發(fā)射源以彈性波的形式釋放的能量。4. 有效值電壓有效值電壓直接與聲發(fā)射能量相關(guān)，是表

54、征聲發(fā)射信號(hào)的主要參數(shù)之一。第四章故障診斷及壽命管理§4-1設(shè)備故障診斷方法l=j:小距離分類法由z7個(gè)特征參數(shù)組成的特征矢量相當(dāng)于«維特征空間上的一個(gè)點(diǎn)。研究證明同類模式 點(diǎn)具有聚類性，不同類狀態(tài)的模式點(diǎn)有各自的聚類域和聚類中心，如果我們能事先知道各類 狀態(tài)的模式點(diǎn)的聚類域作為參考模式，則可將待檢模式與參考模式間的距離作為判別函數(shù), 判別待檢狀態(tài)的屬性。(1) 歐氏距離在歐氏空間中,設(shè)矢量&(兀1/2,對(duì)丫,辺,zu),兩點(diǎn)距離越近，表明相似性越大，則可認(rèn)為屬于同一個(gè)群聚域，或?qū)儆谕活悇e，這種距離稱為歐氏距離，由下式表示, 其幾何概念如圖4-1所示（5-01）=

55、£（兀 _召）2 =（x_z）"x_z）/=|圖51樣本的聚類域和距離的概念式中，z為標(biāo)準(zhǔn)模式矢量；x為待檢矢量，為矩陣轉(zhuǎn)置。歐式距離簡單明了，且不受坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移的影響。為避免坐標(biāo)尺度對(duì)分類結(jié)果的影響, 可在計(jì)算歐氏距離之前先對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，如x,.=兀一入伽(5-02)xmax 一 兀min式屮，兀nax和xini分別為特征參數(shù)的最大值和最小值?？紤]到特征矢量中的諸分量對(duì)分類起的作用不同，可采用加權(quán)方法，構(gòu)造加權(quán)歐氏距離 dl=(x-zywx-z)(5-03)式中，w為權(quán)系數(shù)矩陣。(2) 馬氏距離這是加權(quán)歐氏距離屮用得較多的一種，其形式為d： = (x - zy r" (x - z)(5-04)式屮，人為x與z的協(xié)方差矩陣，即(5-05)r = xzt馬氏距離的優(yōu)點(diǎn)是排除了特征參數(shù)之間的相互影響。(3) 歐氏距離判別的應(yīng)用現(xiàn)以時(shí)間序列模型參數(shù)作為特征暈而得到殘差偏移的距離函數(shù)為例。 設(shè)自冋歸模型的矩陣形式(5-06)式中，x為時(shí)序樣本矩陣；。為自回歸系數(shù)矢量；為殘差矢量。 可得殘差平方和s = ata =肝罰=収(5-07)式中，r=x'x為樣本序列的自協(xié)方差函數(shù)。設(shè)待檢模型殘差ajxy下,并將待檢序列代入?yún)⒖寄Ｐ蚢r or=/r中，達(dá)到/rt= ay丫, 定義artat為殘