机械故障诊断技术实验指导书.doc
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目录
实验一常用振动诊断仪器………………………………………………1
实验二振动信号的采集和预处理……………………………………….3
实验三滑动轴承油膜涡动和油膜振荡……………………………….…6
实验四轴承故障诊断分析………………………………………………10
实验五齿轮故障诊断分析………………………………………………13
实验六转子不平衡的故障特征…………………………………………16
实验一常用振动诊断仪器
一、实验目的、意义
通过振动测试实验，了解振动测试仪器的使用方法、测点的位置选择、振动信号的分析方法，初步理解机械振动功率谱的物理意义，加深对机械故障振动诊断技术掌握。
二、实验基本原理与方法
基本原理：
机械设备的外部振动信号可以反映机械设备内部的状态变化。
通过测量机械设备外部的信号并加以处理，可以识别设备振动激励源、振动传递途径和状态变化。
方法：
将振动传感器安装在综合实验台的机械设备上，测量不同位置的振动信号，并进行信号的相关分析、功率谱分析等，得出机器不同位置的振动信号特征，最后选择出较好的机械振动状态监测点。
三、主要仪器和耗材
主要仪器：
计算机、振动数据采集系统、电荷放大器、振动压电加速度传感器。
（记下仪器名称）
耗材：
信号线、磁座、镊子、砂纸、抹布等。
地点：
机电系实验室一楼，机械综合实验台。
四、实验方案与技术路线
实验方案：
（1）敲击实验：
用锤子对传感器安装点附近进行敲击。
（2）改变采样频率，分别测取时间历程，并做频谱分析。
技术路线:
1．在综合实验台上选择振动测点；
2．安装传感器，用信号线联接传感器、放大器、信号调理仪器、计算机等；
3．启动计算机，进入测试界面；
4．设置相关测试参数；
5．启动综合实验台的制动器实验台；
6．等电机工作稳定后开始测试；
7．观察测试过程中的时间曲线和对应的频域谱图；
8．分析频域谱图上的谱线产生的原因。
（利用计算机画出时间曲线和对应的频域谱图，回去分析）
思考题：
1、从频域谱图上看，有没有机械松动的现象？
为什么？
时间曲线能否反映这种现象？
2、本实验台的机械振动，有没有电磁激励引起的频率成分？
为什么？
3、从敲击实验结果，你有什么新的认识？
4、你能分辨出有关的滚动轴承通过振动频率成分吗？
为什么？
5、画出振动测试系统的组成框图。
实验二 振动信号的采集和预处理
一、实验内容与目的
1、了解振动信号采集、分析与处理的整个过程及注意事项；
2、了解并掌握测试仪器的连接、信号的敏感参数选取、测点布置及各注意事项；
3、掌握信号的时域分析、频域分析理论与特点。
二、实验设备
（1）振动实验台，电机及数据线等；
（2）振动加速度传感器YD36（2只）：
电荷灵敏度SC=7.99 PC/m.s-2；
（3）DLF2通道四合一放大滤波器；
（4）INV306DF 16通道智能信号采集仪；
（5）CoinvDasp2003专业版信号采集分析与处理系统。
信号采集与分析系统基本框图如图1－1所示。
振动实验台
图1－1 信号采集与分析系统框图
φ9
数据线
DLF2放大器
电脑及DASP2003信号采集分析与处理系统
INV306采集仪
YD36传感器
另外，简易诊断设备有BZ－8701A便携式测振仪。
三、实验原理
1、振动测量敏感参数的选取
常用的振动测量参数有加速度、速度和位移。
假定振动位移信号为：
（1－1）
则振动速度信号为：
（1－2）
振动加速度信号为：
（1－3）
由上式可知，当传感器拾取的信号很微弱时，位移信号和速度信号幅值很小，由于频率的放大作用，加速度的信号的幅值相比相应的位移和速度分量的幅值要大得多，加速度参数在高频范围更加敏感，所以选择加速度振动信号。
实用上，参数的选定可参考以下频率范围进行：
低频范围（10~100Hz）――位移参数（，，，等）；
中频范围（10~1000Hz）――速度或称振动烈度（）；
高频范围（＞1000Hz）――加速度参数（，，）
2、振动信号分析与处理（傅里叶级数）
对于一个复杂的周期振动信号可以用傅里叶级数展开，即可将这个信号分解成许多不同的频率的正弦和余弦的线性叠加，即：
（1－4）
因此，用傅里级数法求频谱，实际上就是求傅里叶级数的系数、和，即：
（1－5）
则傅里叶级数的频谱幅值等于：
（1－6）
傅里叶级数的相位谱为：
（1－7）
四、实验步骤
1、根据选取的敏感参数选择振动传感器；
2、合理布置测点，测点布置的是否合理，直接关系到采集信号的真空性。
要注意以下：
（1）所布置的测点要固定，且固定面要光滑、绝缘，并且要用特殊明显的标记符号标出。
因为测点位置不同，测出来的信号也不同。
（2）测点应布置在反映振动特征最敏感的部位。
一般轴承是反映振动诊断信息最集中和最敏感的部位，因此把风机和电机的轴承座列为主要测点。
（3）测点应选在与轴承座联接刚度较高的地方或箱体上的适当位置，而且安装面要光滑。
（4）振动信号通过不同零件联接的界面一次，其振动能量就损失约80%左右，所以在选择测点时应注意尽是减少中间界面。
（5）尽量保持每次测量时机器的工况条件、测量参数、使用的测量仪器和测量方法（如传感器的固定方法）相同。
这样才能保证每次所测量数据的真实性及相互可比性。
3、测试仪器选择与布置
测试仪器应选择分辨率、灵敏度较高的仪器。
布置时，应尽量减小电噪声的干扰和外来噪声的干扰，以及数据通道之间的信号干扰等。
4、信号的示波、分析与处理。
五、实验注意事项
1、安装传感器时，千万不要与机器的转动部件相接触；
2、连接各测试仪器时，要注意断电，待连接完毕并经检查确认连接无误时，接通电源；
3、测试仪器要轻拿、轻放，特别要注意传感器安装时要放稳、放平；
4、实验完毕时，先断电，然后拆线，放好各测试仪器。
实验三滑动轴承油膜涡动和油膜振荡
一、实验目的
1、认识滑动轴承发生油膜涡动、油膜振荡的现象；
2、观察转子发生油膜涡动、油膜振荡振动幅值和相位以及轴心轨迹的变化情况；
3、分析转子系统发生油膜涡动、油膜振荡的规律及特点；
二、实验仪器
INV1612型多功能柔性转子实验台、数显式调速器、光电传感器、电涡流传感器、振动传感器、INV306U-5164采集仪、INV多功能滤波放大器、分析软件。
三、实验原理
油膜涡动：
对于滑动轴承受到动载荷时，轴颈会随着载荷的变化而移动位置。
移动产生惯性力，此时，惯性力也成为载荷，且为动载荷，取决于轴颈本身的移动。
轴颈轴承在外载荷作用下，轴颈中心相对于轴承中心偏移一定的位置而运转。
当施加一扰动力，轴颈中心将偏离原平衡位置。
若这样的扰动最终能回到原来的位置或在一个新的平衡点保持不变，即此轴承是稳定的；反之，是不稳定的。
后者的状态为轴颈中心绕着平衡位置运动，称为“涡动”。
涡动可能持续下去，也可能很快地导致轴颈和轴承套的接触。
油膜振荡：
高速旋转机械的转子常用流体动压滑动轴承支承，设计不当，轴承油膜常会使转子产生强烈的振动，这种振动与共振不同，它不是强迫振动，而是由轴承油膜引起的旋转轴自激振动，所以称为油膜振荡。
。
“油膜振荡”可产生与转轴达到临界转速时同等的振幅或更加激烈。
油膜振荡不仅会导致高速旋转机械的故障，有时也是造成轴承或整台机组破坏的原因，应尽可能地避免油膜振荡的产生。
油膜振荡的特点：
1、发生于转轴一阶临界转速两倍以上，其甩动方向与转轴旋转方向一致；
2、一旦产生，转子的振动将剧烈增加，轴心轨迹变化范围剧烈增大，也从原来的“椭圆形”变得不稳定，呈紊乱状态；振荡产生后，转速继续增加，振动并不减少，也不易消除。
3、油膜振荡时，轴心涡动频率通常为转子一阶固有频率，振型为一阶振型；
4、转速在一阶临界转速的两倍以下时可能产生半速涡动，涡动频率为转速的一半。
半速涡动的振幅较小，若再提高转速则会发展成为油膜振荡，半速涡动通常在高速轻载轴承情况下发生；
5、转子速度降低时，油膜振荡常常在其开始出现的转速以下仍继续存在，至转速降低到一定程度之后油膜振荡才消失，即：
升速时产生油膜振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同，这种现象人们称为“惯性效应”。
发生油膜涡动和油膜振荡时的典型轴心轨迹如图1-1和图1-2所示。
图1-1图1-2
四、实验内容与步骤
1、按图-3安装实验装置。
图1-3
2、查看实验注意事项，做好实验的准备工作。
抽出配重盘橡胶托件，油壶内加入适量的润滑油。
3、按实验仪器使用说明书连接测试系统：
电涡流传感器的前置器由-24V直流电源供电。
电涡流传感器的感应面与被检测物体的表面距离应在1mm左右，使间隙电压调整到检定证书中的标准值。
连接传感器、抗混滤波器、INV306U数据采集仪及计算机DASP测试软件。
4、采样参数设置
进入INV1612型多功能柔性转子实验系统的转子实验模块：
选择转子实验按钮，进入转子实验模块界面。
点击“程序设置[P]”按钮，参照图1-4常规实验缺省的采样和通道参数的设置来分配传感器信号的通道。
采集仪的1通道接转速（键相）信号，2通道接水平位移X向信号，3通道接垂直位移Y向信号；对于0～10000r/min的转子实验装置，为兼顾时域和频域精度，一般采样频率应设置在1024～4096Hz的范围较为合适；程控放大可以将信号放大，但注意不要太大，以免信号过载；X-Y轴心轨迹图设置在转轴同一位置的水平和垂直两个位移测点（实验中，因为转轴较细，为了避免传感器磁头发生磁场交叉耦合引起的误差，所以X、Y向传感器不要安装在同一平面内）。
图1-4
在数字跟踪滤波方式[F]选择0-1X低通或0-2X低通。
如选择0-2X低通滤波将观察到更有趣味油膜振荡现象；在虚拟仪器库栏下打开“转速表[F7]”和“幅值表[F8]”，转速表和幅值表都可以拖到屏幕适当的位置；图谱曲线选择X-Y（在曲线界面上方，可按热键[K]进行各种测量的快速切换）
5、检查连线连接无误后，开启各仪器电源；点击开始按钮并同时启动转子。
6、数据采集：
1）X-Y图：
将显示调到X-Y图方式，逐渐提高转子转速，同时要注意观察转子转动速度和振幅的变化，接近临界转速时，可以发现振幅迅速增大，转子运行噪声也加大，转子通过临界转速后，振幅又迅速变小，由此可大致确定转子系统基频所在转速区间，系统临界转速大约在3000r/min左右。
继续升高转速，观察轨迹变化，当转速大约升至临界转速的两倍左右时，转子的振动剧烈增加，轴心轨迹也从原来的“椭圆型”变为双椭圆型，如图1-1所示，此时的现象表明转子系统发生油膜涡动，记录发生涡动的转速，填入表1-1中；
继续提高转速，轴心轨迹变得更加紊乱，并且很不稳定，如图1-2所示，此时表明油膜振荡开始发生，记录转速，填入表1-1中；
观察基频、半频振幅-转速曲线，逐渐调整转速，基频振幅最大时即为系统的一阶临界转速。
半频出现最值是为涡动现象；在临界、涡动转速附近运转时要快速通过，以避免长
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