机械故障诊断技术实验指导书.docx
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机械故障诊断技术实验指导书
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。
图1－1 信号采集与分析系统框图
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，以避免长时间剧烈振动对系统造成大的破坏。
2）幅值-转速曲线图：
改变软件设置，选择幅值，查看在经过临界转速和油膜涡动时基频幅值和半频幅值的变化。
在临界转速处，基频振幅出现共振峰，而在油膜涡动和油膜振荡处，半频幅值出现峰值，说明油膜涡动的一个重要特点是出现明显的半频成分。
3）阶次频谱：
将显示方式调到频谱，再将左侧频谱分析中阶次标注位置选上。
通过观察1/2X倍频的变化可以判断油膜涡动现象。
实验完毕，数据存盘。
五、实验报告
1、将实验记录填入表18-1中。
表1-1
升速过程
降速过程
发生（r/min）
消失（r/min）
发生（r/min）
消失（r/min）
涡动
油膜振荡
2、绘制涡动时轴心轨迹图和油膜振荡时轴心轨迹图。
3、绘制涡动时频谱图，并标注基频、半频及对应幅值。
实验四轴承故障诊断分析
一、实验目的
1、了解利用振动进行轴承故障诊断原理及方法。
2、了解轴承故障的危害性及其表现形式。
二、实验仪器
QPZZ-Ⅱ旋转机械振动分析及故障模拟试验平台，压电式加速度传感器，激光转数仪，信号条理器，采集卡，故障诊断软件，故障轴承。
三、实验原理
滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，其运行状态是否正常直接影响到整个设备的性能好坏。
据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约30％的机械故障是由于滚动轴承的损坏造成的。
滚动轴承的故障诊断技术使用最多的是振动测量技术，它通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。
滚动轴承的基本结构包括外圈、内圈、滚动体、保持架等元件，结构如图2-1所示。
图2-1
由于滚动轴承的振动频率成分十分丰富，既含有低频成分，又含有高频成分，而且每一种特定的故障都对应特定的频率成分。
进行频谱分析之前需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来，然后对其进行处理，以找出信号的特征频率，确定故障的部位和类别。
设轴承外圈固定，内圈（即轴）的旋转频率为fs，n为轴的转速，轴承节径为D，滚动体直径为d，接触角为α，滚动体个数为z。
假定滚动体与内外圈之间纯滚动接触，则滚动轴承的特征频率计算公式如下：
内圈（即轴）的旋转频率：
外环故障频率：
内环故障频率：
滚珠故障频率：
保持架碰外环：
保持架碰内环：
本实验平台提供检测的轴承为滚动轴承N205（4只，其中3只故障轴承，分别为外圈缺陷、内圈缺陷、滚珠缺陷）。
滚动轴承的基本尺寸如下表2-1。
根据轴承的基本尺寸，运用软件计算出所测轴承的特征频率。
表2-1
内径（mm）
外径（mm）
节圆直径（mm）
滚动体直径（mm）
接触角（deg）
滚动体数目（个）
25
52
38.5
6.75
30
13
四、实验内容与步骤
1、本实验室共有4台，其中一台为无故障轴承系统，另外三台分别为外圈缺陷、内圈缺陷和滚珠缺陷轴承系统。
实验系统如图2-2所示，先开动机械试机，检查以下情况：
各螺栓、螺钉有无松动；电机绝缘电阻是否大于20MΩ；各部分布线有没有错误等，确定无误后停机。
图2-2
2、将压电式加速度传感器安装在轴承座上，激光转数仪用支座安装在平台基础上，然后将两个信号线与信号条理器连接。
3、打开数据采集软件，设置好采样频率及采样点数。
开动并运行机器，当运行稳定后点击“采样”，得到相应的振动信号并保存。
打开精密诊断分析软件，导入已保存的数据，并用各种信号处理方法分析。
其他三台设备也照此步骤进行实验操作。
4、将四台实验系统的轴承振动信号进行对比分析，找出这些实验平台中哪个是正常轴承？
哪些属于故障轴承？
这些各属于哪种轴承故障？
5、重复实验步骤3、4以得出正确结论。
五、实验报告
1、计算轴承的故障特征频率，并填入表2-2。
表2-2
转速n
（r/min）
外环
故障频率
内环
故障频率
滚珠
故障频率
保持架碰外环
故障频率
保持架碰内环
故障频率
2、根据实验数据，将分析结果填入表2-3，并仔细观察振动信号的时域波形和频谱特征。
表2-3
实验系统编号
1
2
3
4
时域波形
幅值谱
特征频率（Hz）
特征频率处幅值
诊断结论
3、实验有无误差？
请分析。
。
实验五齿轮故障诊断分析
一、实验目的
1、了解利用振动进行齿轮故障诊断原理及方法。
2、了解齿轮故障的危害性及其表现形式。
二、实验仪器
QPZZ-Ⅱ旋转机械振动分析及故障模拟试验平台，压电式加速度传感器，激光转数仪，信号条理器，采集卡，故障诊断软件，故障齿轮。
三、实验原理
齿轮传动是常用的一种传动方式，由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，常会发生损伤等故障，常见有四类：
（1）齿的断裂有疲劳断裂和过负荷断裂两种。
疲劳断裂：
通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断。
过负荷断裂：
由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端引起。
（2）齿的磨损由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象。
（3）齿面疲劳由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。
表面层先产生细微裂纹，然后小块剥落，直至整个齿断裂。
（4）齿面塑性变形如压碎、趋皱。
在旋转机械中其齿轮故障约占10%，在齿轮箱的失效零件中，齿轮失效占整个失效比重的60%，因此对齿轮进行故障诊断十分重要。
在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。
当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。
齿轮振动特征频率的计算如下：
齿轮及轴的转动频率：
齿轮的啮合频率：
有固定齿圈的行星轮系，啮合频率为：
式中，
—任一参考齿轮的齿数；
—参考齿轮的转数；
—-转臂的回转速度，当与参考齿轮转向相反时取正号，否则就取负号。
齿轮箱中齿轮发生故障时振动特征如下表所示：
表3-1
式中，
—轴的转动频率；
—齿轮的固有频率。
本实验平台提供检测的齿轮为大齿轮和小齿轮。
其中大齿轮模数为2，齿数为75，材质为S45C（3只,其中2只为故障齿轮，分别为齿轮断齿、齿轮磨损）。
小齿轮模数为2，齿数为55，材质为S45C（2只,其中1只故障齿轮）。
四、实验内容与步骤
1、本实验室共有4台，其中一台为无故障齿轮系统，另外三台分别为有故障齿轮系统。
实验系统如图3-1所示，先开动机械试机，检查以下情况：
各螺栓、螺钉有无松动；电机绝缘电阻是否大于20MΩ；各部分布线有没有错误等，确定无误后停机。
图3-1
2、将压电式加速度传感器安装在齿轮箱的轴承座上，激光转数仪用支座安装在平台基础上，然后将两个信号线与信号条理器连接。
3、打开数据采集软件，设置好采样频率及采样点数。
开动并运行机器，当运行稳定后点击“采样”，得到相应的振动信号并保存。
打开精密诊断分析软件，导入已保存的数据，并用各种信号处理方法分析。
其他三台设备也照此步骤进行实验操作。
4、将四台实验系统的齿轮振动信号进行对比分析，找出这些实验平台中哪个是正常齿轮？
哪些属于故障齿轮？
这些各属于哪种齿轮故障？
5、重复实验步骤3、4以得出正确结论。
五、实验报告
1、根据实验数据，将分析结果填入表3-2。
表3-2
实验系统编号
1
2
3
4
时域波形
幅值谱
特征频率（Hz）
特征频率幅值
啮合频率（Hz）
转速n
（r/min）
诊断结论
2、实验有无误差？
请分析。
。
实验六 转子不平衡的故障特征
一、实验内容与目的
1、了解转子不平衡的原因；
2、了解并掌握转子不平衡的振动机理；
3、了解并掌握转子不平衡振动特征，包括时域与频域特征。
4、学会用FFT来分析转子不平衡的振动特征。
二、实验设备
（1）振动加速度传感器YD36（2只）：
电荷灵敏度SC=7.99 PC/m.s-2；
（2）DLF8通道四合一放大器；
（3）INV306DF 16通道智能信号采集仪；
（4）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实验一中的图1－1所示。
三、实验原理
设转子的质量为Ｍ，偏心距为e。
转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，挠度为a，如图2-1所示。
图2－1 转子不平衡动力学模型
一具有偏心质量的转子，设其质量集中于C点，考虑到其外阻尼的作用，转子以角速度
转动时，其轴心的运动微分方程为：
（2－1）
其中M为集中质量,C为阻尼，K为系统刚度。
等式右边分别为不平衡产生的离心力F在X轴与Y轴方向的分量。
令
，其复数形式的运动方程为
（2－2）
其中：
系统的自然角频率，
称为粘滞阻尼因子或称阻尼率，为无量纲。
在（2－2）式中设其特解为
代入（2－2）式可得
（2－3）
因
，
故有
（2－4）
解出|A|、
（
）和轴心
对不平衡振动的响应z（t）：
（2－5）
（2－6）
（2－7）其中：
，
为转子旋转频率。
由式（2－7）可知，振幅和相位响应都只与转速
有关，也就说转子不平衡振动特征频率为转子旋转频率
。
四、实验步骤
1、按实验一步骤布置好测点，连接好测试仪器；
2、接通电源，采集信号（选择采样频率
，且
，
为信号中频率最高的成分），先示波，采集信号再分析处理；
3、调整电机转速，改变偏心转子的工作频率，观察其时域波形与频域波形的变化，并做记录。
五、实验结果与分析
1、转子不平衡的时域波形特征是否与理论波形相一致？
2、转子不平衡的频域特征是否与理论相一致？
3、改变采样频率，如果采样频率小于电机转频的2倍，即
时，观察振动信号的频域特征有何变化？
并分析其原因。
六、实验注意事项
1、电机的转速调节要缓慢，以免烧坏电机；
2、采样频率最好选择为大于信号中最高频率成分的10倍，即
，以免采集的信号出现混频现象；
3、频率分辨率△f=fs/N，其中fs为采样频率，N为采样点数。
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