本文關(guān)鍵詞：振動診斷技術(shù)在數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

大連交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 振動診斷技術(shù)在數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用的研究 姓名：鄧曉云 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：機械制造及其自動化 指導(dǎo)教師：葛研軍 20091208

摘要

摘

要

設(shè)備故障診斷技術(shù)在保障設(shè)備的安全運行，預(yù)防事故發(fā)生，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)維修，提 高設(shè)備壽命等方面起到了關(guān)鍵

性的指導(dǎo)作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。振動

診斷技術(shù)是進行機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷最常用最有效的手段。本文旨在研究振動
診斷技術(shù)在數(shù)控機床進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用。主要研究如下工作： 分析數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點，確定監(jiān)測和診斷的對象：研究狀態(tài)監(jiān)測的監(jiān)測參數(shù)、測 點及方向、測試工況和監(jiān)測周期的確定方法；在定期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)控機床的

振動狀態(tài)判斷標準；并對數(shù)控機床進行狀態(tài)識別與趨勢分析。
總結(jié)常用的振動信號處理和分析方法。振動信號預(yù)處理方法包括濾波、時域同步平

均法和包絡(luò)解調(diào)法。振動信號分析方法包括時域分析和頻域分析兩大類：時域分析主要
有統(tǒng)計分析和相關(guān)函數(shù)分析，統(tǒng)計分析包括幅值概率密度分析以及提取時域波形的特征 參數(shù)和無量綱動態(tài)指標；頻域分析包括頻譜分析、倒頻譜分析、包絡(luò)分析。

針對數(shù)控機床最易發(fā)生的軸承故障和齒輪故障進行重點研究。滾動軸承著重研究 因故障引起的沖擊脈沖振動機理，滾動軸承故障特征頻率的計算方法，滾動軸承典型故 障振動的時域及頻域特征及針對不同故障類別采用不同診斷方法；并通過實際診斷證明
包絡(luò)解調(diào)法是滾動軸承診斷最有效的方法。齒輪方面利用動力學(xué)模型，在分析齒輪嚙合 剛度周期性變化的基礎(chǔ)上，闡述了齒輪的振動故障機理；從信號調(diào)制角度分析齒輪故障

特征，并具體分析各種典型故障振動的時域及頻域特征；通過實際診斷證明齒輪故障診 斷主要采用頻域分析方法。同時也介紹了其它典型故障特征及成功診斷實例，包括主軸
聯(lián)軸器不對中、機械松動和電機故障等。

關(guān)鍵詞：故障診斷；狀態(tài)監(jiān)測；數(shù)控機床；振動信號

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｐｌａｙｅｄ

ａ

ｋｅｙ ｒｏｌｅ ｉｎ

ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅ
ｓｔａｔｕｓ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，

ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ．
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｍｏｓｔ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅａｎｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ
ａｔ ｓｔｕｄｙｉｎｇ

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｅｄ
ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｉｎ ｔｈｅ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ａｎｄ

ｆａｕｌｔ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｍａｊｏｒ
ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
ｏｆ ＮＣ

Ｔｈｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｆｏｒ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ

ａｒｅ

ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ；Ｔｈｅ

ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
ｒｅｇｕｌａｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｅｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．

Ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｅｄ．Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ｓｉｇｎａｌ ｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ａｖｅｒａｇｉｎｇ

ａｎｄ

ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ

ａｎａｌｙｓｉｓ

ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｗｏ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ：ｔｈｅ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ

ａｎａｌｙｓｉｓ

ｉｎｃｌｕｄｅｓ

ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ

ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ

ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ

ａｎａｌｙｓｉｓ

ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｏｎ

Ｉｔ ｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄ

ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇｓ
ｏｎ

ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｅｐｓｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． ａｎｄ ｇｅａｒｓ ｍｏｓｔｌｙ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ

ＮＣ

ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄ

ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｐｕｌｓｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ

ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｆａｕｌｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ
ｒｏｌｌｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ

ａｎｄ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｆａｕｌｔ ｔｙｐｅｓ ｕｓｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ

ｍｅｔｈｏｄｓ；Ａｎｄ

ｔｏ

ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ
ｔｈｒｏｕｇｈ ａｃｔｕａｌ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ｕｓｅ

ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｕｌｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｇｅａｒ ｉｓ
ｏｎ

ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｂｙ ｍａｋｅ

ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｂａｓｅｄ

ａｎａｌｙｚｉｎｇ

ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｃａｌ

ｃｈａｎｇｅｓ

ｉｎ ｇｅａｒ

ｍｅｓｈ

ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；Ｔｈｅ

ｇｅａｒ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｓ

ａｎａｌｙｚｅｄ

ｔｈｅ ｆｒｏｍ ｓｉｇｎａｌ

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ

ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｆａｕｌｔｓ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ；Ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｇｅａｒ ｆａｕｌｔ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ

ｂｙ

ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ

Ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ

ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ

ａｎｄ

ｅｘａｍｐｌｅｓ

ｏｆ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ｌｏｏｓｅ

ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ，
ｆａｕｌｔｓ。

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ

ＩＩ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ

ＩＩＩ

大連交通大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明
本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝及參考 文獻的地方外，論文中不包含他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成

果，也不包含為獲得太整窒通太堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而
使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在 論文中作了明確的說明并表示謝意。 本人完全意識到本聲明的法律效力，申請學(xué)位論文與資料若有不 實之處，由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。

學(xué)位論文作者簽名：

孑乍?％－２

日期：叫年，２月鏟日

大連交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解太蓬鑾通太堂有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)及保
留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的

知識產(chǎn)權(quán)單位屬太整鑾通太堂，本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表或使用 論文工作成果時署名單位仍然為太整塞通太堂。學(xué)校有權(quán)保留并向
國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件及其電子文檔，允許論文被查 閱和借閱。

本人授權(quán)太蓬交通太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入
中國科學(xué)技術(shù)信息研究所《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》等相關(guān)數(shù)據(jù)庫 進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論 文。 （保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）

學(xué)位論文作者簽名：７ｐ好
日期：糾年７２月８日
學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向：
工作單位．Ｏ大連交通大學(xué) 電話：８４１０９２４５

通訊地址：大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院 電子信箱：ｘｙｕｎｄｅｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ

郵編：１１６０２８

第一章緒論

第一章緒論
１．１設(shè)備故障診斷技術(shù)意義
設(shè)備故障診斷技術(shù)，它是指通過對設(shè)備定期監(jiān)測，了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，識 別設(shè)備的異常表現(xiàn)，早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在故障并預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。通俗地講就 是一種給設(shè)備“看病”的技術(shù)。 設(shè)備故障診斷技術(shù)在實際工程中應(yīng)用的重大意義主要表現(xiàn)在兩個方面： （１）提高設(shè)備運行的可靠性、安全性和有效性 設(shè)備故障診斷技術(shù)能及時地、正確地對設(shè)備的各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷，
預(yù)防或消除故障，避免重大事故發(fā)生，保證設(shè)備安全、可靠運行。 （２）推進了設(shè)備維修制度改革

設(shè)備維修方式的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即早期的事后維修方式，目前普遍采用的定 期預(yù)防維修方式，現(xiàn)在正向狀態(tài)維修方式發(fā)展。定期維修方式可以預(yù)防事故的發(fā)生，但 可能出現(xiàn)過剩維修或維修不足。狀態(tài)維修方式是以設(shè)備故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)備 運行的實際狀態(tài)來決策維修，它即可避免過剩維修又可防止不足維修，是一種更科學(xué)、
更合理的維修方式。 （３）能給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益 由于設(shè)備故障診斷技術(shù)能避免因突發(fā)性事故發(fā)生造成的經(jīng)濟損失，能充分挖掘設(shè)備

的潛力，延長設(shè)備的使用壽命，還能指導(dǎo)進行有針對性的維修，縮短維修時間，降低維 修成本，所以能給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 目前設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已在保障設(shè)備安全運行，預(yù)防事故發(fā)生，實現(xiàn)設(shè) 備維修制度由定期預(yù)防維修向狀態(tài)維修改革，提高設(shè)備壽命等方面起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo) 作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。日本資料報道，實施故障診斷后，事故率可 減少７５％，維修費用可降低２５＂－－＇５０％；英國報道，對２０００個大型工廠調(diào)查表明，采用
診斷技術(shù)后每年節(jié)省維修費用３億英鎊，而對于故障診斷的成本為０．５億英鎊，收益為 投入的６倍，凈獲益達２．５億英鎊／年；我國石化系統(tǒng)的３０噸合成氨廠，過去每年定期 大修一次，需時４５天，檢修費用占年產(chǎn)值的１５％。采用故障診斷后改為３年修兩次，
ｒ０１

一次不到３０天，檢修費用降為年產(chǎn)值的１０％“。。

大連交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

１．２設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展
１．２．１設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展概況

設(shè)備故障診斷技術(shù)作為一門學(xué)科，是從２０世紀６０年代以后發(fā)展起來的。隨著科學(xué)技
術(shù)的不斷進步和發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備故障診斷技

術(shù)以設(shè)備的管理、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷為內(nèi)容，以建立新的維修體制為目標，在歐美、
日本以不同的形式得到了廣泛的開展。

美國作為最早發(fā)展設(shè)備診斷技術(shù)的國家，其診斷技術(shù)在航空航天、軍事、核能等尖 端部門得到廣泛的應(yīng)用，在世界上處于領(lǐng)先地位。英國在７０年代初成立了機械保健與狀 態(tài)監(jiān)測協(xié)會，為故障診斷技術(shù)的開展起了很大作用，目前，英國在摩擦磨損以及汽車、 飛機發(fā)動機監(jiān)測和診斷方面具有領(lǐng)先地位。歐洲一些國家的診斷技術(shù)發(fā)展也各有特色， 如瑞典ＳＰＭ公司的軸承監(jiān)測技術(shù)，丹麥Ｂ＆Ｋ公司的振動、噪聲監(jiān)測技術(shù)，挪威的船舶診斷 技術(shù)等。日本的診斷技術(shù)研究開始于７０年代，目前，在鋼鐵、化工、鐵路等民用工業(yè)的
診斷技術(shù)處于領(lǐng)先。

我國對機械設(shè)備故障診斷工作的開展始于１９８３年，許多高校和科研機構(gòu)對故障診 斷技術(shù)的理論與應(yīng)用等方面進行了研究和探索，取得了可喜的成果。如灰色系統(tǒng)理論及 其在故障診斷中的應(yīng)用、小波分析及其在機械故障中的應(yīng)用、分形理論及其在故障診斷 中的應(yīng)用、時間序列診斷技術(shù)、智能診斷技術(shù)等。同時哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了“機械振 動微機監(jiān)測和故障診斷技術(shù)＂，西安交通大學(xué)研制了“大型旋轉(zhuǎn)機械計算機狀態(tài)監(jiān)測與 故障診斷系統(tǒng)＂，上海汽輪機廠研制了“１２５１唧汽輪機組微機監(jiān)測分類管理系統(tǒng)’’等。 目前而言，我國設(shè)備故障診斷技術(shù)在石化、冶金、電力等行業(yè)中應(yīng)用情況較好，已取得
了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，并形成了學(xué)科體系。 盡管機械設(shè)備診斷技術(shù)已取得了很大的發(fā)展，但它是一門正在發(fā)展的新型學(xué)科，還 沒有達到完善的水平，主要表現(xiàn)在：

（１）理論與實際相脫離。故障診斷是一門實踐性

極強的技術(shù)，目前從事機械故障診斷研究人員多為高�；蜓芯繂挝唬麄儗ΜF(xiàn)場設(shè)備缺
乏深入研究，而現(xiàn)場技術(shù)人員又沒有足夠的時間和技術(shù)基礎(chǔ)，將所觀察、檢測的現(xiàn)象上 升到理論加以分析、歸納、總結(jié)。 （２）在智能診斷儀器、傳感器、信號采集與分析儀
ｒ１一Ｒ］

器等方面與發(fā)達國家有一定的差距”一。 １．２．２設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢 設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展到今天，已成為一門獨立的跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，它 以可靠性理論、信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測試儀器和計算機為技術(shù)

２

第一章緒論

手段，結(jié)合各種診斷現(xiàn)象（系統(tǒng)、設(shè)備、機器、裝置、工程結(jié)構(gòu)、工藝過程等）的特殊規(guī) 律而逐步形成的－Ｉ＇－Ｊ新興學(xué)科。它大體上Ｅｈ－－－部分組成：第一部分為故障診斷物理、化 學(xué)過程的研究，例如以電器、機械部件失效的腐蝕、蠕變、疲勞、氧化、斷裂、磨損等 理化原因的研究；第二部分為故障診斷信息學(xué)的研究，它主要研究故障信號的采集、選 擇、處理與分析過程。例如通過傳感器采集設(shè)備運行中的信號（如振動、轉(zhuǎn)速），再經(jīng)過 時域與頻域上的分析處理來識別評價所處的狀態(tài)或故障；第三部分為診斷邏輯與數(shù)學(xué)原 理方面的研究，主要是通過邏輯方法、模型方法、推論方法和人工智能方法，根據(jù)可觀 測的設(shè)備故障表征來確定下一步的檢測部位，最終分析判斷故障發(fā)生的部位和產(chǎn)生故障
的原因。

故障診斷技術(shù)可簡單地劃分為傳統(tǒng)的診斷方法、數(shù)學(xué)診斷方法以及智能診斷方法。 （１）傳統(tǒng)的診斷方法包括：振動監(jiān)測技術(shù)、油液分析技術(shù)、噪聲監(jiān)測技術(shù)、紅外測溫技 術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)以及無損檢測技術(shù)等；（２）數(shù)學(xué)診斷方法包括：基于貝葉斯決策判據(jù)以及 基于線性和非線性判別函數(shù)的模式識別方法、基于概率統(tǒng)計的時序模型診斷方法、基于 距離判據(jù)的故障診斷方法、模糊診斷原理、灰色系統(tǒng)診斷方法、故障樹分析法、小波分 析法以及混沌分析法與分形幾何法等；（３）智能診斷方法包括：模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神
經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化計算方法（如遺傳算法）等。

設(shè)備故障診斷技術(shù)與當代前沿科學(xué)的融合是設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。當今故 障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化，診斷理論、診斷模型的多元化，診
斷技術(shù)的智能化１２～。

１．３設(shè)備故障診斷內(nèi)容
設(shè)備故障診斷分為狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷兩個階段，設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測是指對設(shè)備
定期監(jiān)測，了解設(shè)備的劣化程度，預(yù)測設(shè)備運行狀態(tài)的發(fā)展趨勢；故障診斷則是指當設(shè)

備有劣化趨勢或設(shè)備已經(jīng)處于異常狀態(tài)時，進一步對機械設(shè)備異常或故障的類型、原因、
部位及危險程度進行診斷。 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的實施步驟歸納為以下四個方面： （１）信號采集

對運行中機械設(shè)備的狀態(tài)進行正確的檢測，獲取合理的信號，因為它是設(shè)備異常或
故障信息的載體，若能夠真實、充分地采集到足夠數(shù)量的信號，那么就能客觀地反映所 診斷設(shè)備的工作狀況。 （２）信號處理

大連交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

采集到的信號是表征機械設(shè)備運行過程的原始狀態(tài)信號。為了提高故障診斷的靈敏 度和可靠性，必須采用信號處理技術(shù)，排除噪聲、干擾的影響，把有用的故障信息從大
量的背景噪聲、干擾中提取，以突出故障特征。 （３）狀態(tài)識別

對于提取出來的反映機械設(shè)備故障特征的信息進行分析、比較、識別，判斷機械設(shè)
備運行中有無異常征兆，進行早期診斷。 （４）故障診斷

當識別出機械設(shè)備狀態(tài)異�；蚬收虾螅仨氝M一步對機械設(shè)備異�；蚬收系念愋汀� 原因、部位和危險程度進行診斷，并預(yù)測機械設(shè)備運行狀態(tài)的發(fā)展趨勢。

１．４振動診斷技術(shù)
基于振動測量的振動診斷技術(shù)是機械設(shè)備故障診斷方法中最主要、最有效的方法。 振動與機械故障之間有著緊密的聯(lián)系，設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中不可避免地發(fā)生不同程度的振 動，當振動超過一定限度時就會對設(shè)備造成危害，嚴重時會威脅到設(shè)備的安全運行，由 此可以看出，振動伴隨機械設(shè)備的運行而產(chǎn)生，會引起設(shè)備運行的劣化，必須將其控制 在一定的許可范圍之內(nèi)。統(tǒng)計資料表明，由于振動而引起的設(shè)備故障在各類故障中占６０ ％以上。振動是機械設(shè)備動力學(xué)特性的表征，設(shè)備振動信號中包含了系統(tǒng)、零部件由于
磨損、疲勞、老化等因素引起的劣化和失效等重要信息，利用各種動態(tài)測試儀器對設(shè)備

的振動信號拾取、記錄，通過信號處理技術(shù)對其進行分析和處理，可以監(jiān)測設(shè)備的運行 狀態(tài)，識別設(shè)備的故障類型、故障來源。又因為振動信號的測量方法簡單易行，分析理 論也比較成熟，因而振動診斷技術(shù)在工程實際中得到最為廣泛的應(yīng)用。 在機械故障診斷的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)最重要、最關(guān)鍵而且也是最困難的問題是 信號特征提取與狀態(tài)識別。在某種意義上，故障特征提取直接關(guān)系到故障診斷的準確性 和故障早期預(yù)報的可靠性。對振動信號應(yīng)用不同的信號分析方法，就形成了以下幾種振
動診斷的基本方法： （１）時域診斷方法是振動檢測方法中發(fā)展最早的一種檢測方法。在時域診斷中，

普遍采用振動信號的基本數(shù)字特征及其頻率分布特征來進行分析和診斷。應(yīng)用比較廣泛 的有：振動信號的平均值、均方根值、方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、自相關(guān)函 數(shù)、互相關(guān)函數(shù)以及峰值因子、波形因子、峭度系數(shù)等無量綱特征參數(shù)。 （２）頻譜分析法。對振動信號作頻譜分析，從頻譜圖（幅值譜、相位譜、功率譜、 細化譜、倒頻譜和包絡(luò)譜等）中提取有關(guān)的故障診斷信息。頻率分析是機械故障診斷中
信號處理最重要和最常用的方法。

４

第一章緒論

（３）時頻分析法。機械振動信號，特別是設(shè)備有故障時的振動信號具有非平穩(wěn)的
特性。時頻分析方法是八十年代發(fā)展起來的一種適用于處理非平穩(wěn)或時變信號的方法。

它在機械故障診斷中的應(yīng)用研究隨后于九十年代初出現(xiàn)。時頻分析能夠捕捉由設(shè)備故障 引起的短時瞬變，從而更加準確有效地對故障進行診斷。與前述的三種僅在時域或僅在
頻域上對振動信號進行分析的方法相比，時頻分析法在機械故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測中具有 明顯的優(yōu)勢。它克服了Ｆｏｕｒｉｅｒ變換不能同時進行時間一頻率局域性分析的缺點。常用

的時頻分析方法有Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布（ＷＶＤ）、短時Ｆｏｕｒｉｅｒ變換（ＳＴＥＴ）與小波分析等
［３，８，９３

１．５研究意義、目的和主要內(nèi)容
１．５．１研究意義

在機械加工行業(yè)，隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備日趨大型化、集 成化、高速化、自動化、復(fù)雜化和智能化，高效率、高精度、高度自動化的數(shù)控機床在
生產(chǎn)中的地位越來越重要，一方面提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強了市場經(jīng)濟條件下

企業(yè)的競爭力和應(yīng)變力；但另一方面機床突發(fā)性故障對企業(yè)生產(chǎn)的影響也越來越大，造 成的經(jīng)濟損失也是巨大的。因此，如何保障處于生產(chǎn)關(guān)鍵部位的數(shù)控機床能夠安全可靠 運行，降低故障發(fā)生率，成為企業(yè)亟待解決的一大課題。設(shè)備故障診斷技術(shù)能夠為數(shù)控 機床維修提供可靠的科學(xué)依據(jù)，在提高設(shè)備運行安全性、可靠性方面，在實現(xiàn)機床的狀 態(tài)維修，降低維修成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益方面都能發(fā)揮重要的作用，適應(yīng)了生產(chǎn)設(shè)備
現(xiàn)代化的發(fā)展需要。

我國故障診斷技術(shù)在大型石化、電力、冶金等行業(yè)應(yīng)用最早，主要是一些大型旋轉(zhuǎn) 機械，如離心式壓縮機、汽輪機、球磨機、大型鉆機等關(guān)鍵設(shè)備，但在加工機床上的應(yīng)
用起步較晚，主要的原因是機床其特有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度的要求，決定了與一般設(shè)備 相比對機床設(shè)備開展故障診斷信號更復(fù)雜、識別難度更大，對準確性的要求也更高。因 此，對數(shù)控機床開展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有一定的開創(chuàng)性和現(xiàn)實意義。 １．５．２研究目的 應(yīng)用振動診斷技術(shù)，通過對數(shù)控機床進行定期監(jiān)測，識別機床當前的運行狀態(tài)，預(yù) 測機床狀態(tài)劣化趨勢；對于有劣化趨勢或已經(jīng)處于異常狀態(tài)的數(shù)控機床，要診斷故障發(fā) 生的部位、產(chǎn)生的原因、嚴重程度及發(fā)展趨勢，以便盡早采取有效的維修措施，保證設(shè) 備安全、可靠運行。

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１．５．３研究主要內(nèi)容 本課題研究的具體內(nèi)容如下： 第一章緒論

闡述設(shè)備故障診斷技術(shù)的意義，概述設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展概況和趨勢，簡介設(shè)備 故障診斷與振動診斷技術(shù)，介紹本課題的研究意義、目的和主要研究內(nèi)容。 第二章數(shù)控機床振動狀態(tài)監(jiān)測 分析數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點，確定監(jiān)測和診斷的對象；研究狀態(tài)監(jiān)測的監(jiān)測參數(shù)、測 點及方向、測試工況和監(jiān)測周期的確定方法；建立測試系統(tǒng)；研究信號采樣處理方法； 建立數(shù)控機床狀態(tài)判斷標準；對數(shù)控機床運行狀態(tài)進行識別及趨勢分析。 第三章振動信號處理與分析
研究常用的振動信號處理和分析方法。振動信號預(yù)處理方法包括濾波、時域同步平

均法和包絡(luò)解調(diào)法。振動信號分析方法包括時域分析和頻域分析兩大類：時域分析主要 包括概率分析以及提取時域波形的特征參數(shù)和無量綱動態(tài)指標、相關(guān)函數(shù)分析；頻域分 析包括頻譜分析、倒頻譜分析、包絡(luò)分析。 第四章數(shù)控機床振動故障診斷 針對數(shù)控機床最易發(fā)生的軸承故障和齒輪故障進行重點研究，包括振動機理分析、 故障特征頻率、典型故障分析、故障診斷方法，并應(yīng)用于數(shù)控機床故障診斷中；同時也 介紹其它典型故障特征及診斷實例，包括主軸聯(lián)軸器不對中、機械松動和電機故障等。

６

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

第二章數(shù)控機床振動狀態(tài)監(jiān)測
２．１數(shù)控機床結(jié)構(gòu)特點
在對數(shù)控機床進行故障診斷前，必須首先了解數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點。數(shù)控機床由輸
入輸出設(shè)備、ＣＮＣ數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、可編程控制器、檢測反饋裝置、輔助裝置和 機床本體等部分組成，如圖２．１所示：

圖２．１數(shù)控機床結(jié)構(gòu)組成
Ｆｉ ｇ．２．１ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

振動診斷主要是針對機械故障的。數(shù)控機床的機械故障主要集中在機床本體的主傳

動部分，其主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有如下幾個特點：①系列化、標準化，即其主軸單元化、
變速箱單元化。根據(jù)主軸單元與變速箱的聯(lián)接方式不同而分為兩種典型結(jié)構(gòu)，一是分離

式傳動，即主軸單元與變速籍之間通過皮帶傳動，此種結(jié)構(gòu)在數(shù)控車床上應(yīng)用的比較廣
泛，二是集中式傳動；即主軸單元與變速箱之間直連或通過聯(lián)軸節(jié)連接，此種結(jié)構(gòu)在加

工中心等應(yīng)用比較廣泛；②變速箱的變速級數(shù)一般為２—３級，且其滑移齒輪的操縱一般 為液壓缸式或電磁離合器式；③主傳動電機一般為直流或交流無級調(diào)速電機。
由數(shù)控機床結(jié)構(gòu)特點可以看出，數(shù)控機床所需要監(jiān)測和診斷的主要對象為主傳動系 統(tǒng)，包括主軸單元、變速箱和主電機，容易發(fā)生故障的零部件通常為主軸軸承和齒輪。

２．２數(shù)控機床振動狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容和基本步驟
２．２．１狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容 數(shù)控機床振動狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容有三個方面：

７

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩七學(xué)位論文

（１）振動信號測試 （２）數(shù)控機床運行狀態(tài)識別 （３）數(shù)控機床運行狀態(tài)趨勢分析 ２．２．２狀態(tài)監(jiān)測基本步驟 數(shù)控機床振動狀態(tài)監(jiān)測的基本步驟由以下幾個基本環(huán)節(jié)組成： （１）確定測試方案 （２）建立測試系統(tǒng) （３）采集振動信號 （４）狀態(tài)識別、趨勢分析及預(yù)報

２．３確定測試方案
振動測試方案主要包括測量參數(shù)、測點及方向、測試工況及監(jiān)測周期等方面‘１３】。測 試方案確定得當，是數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷準確的基本保證。 ２．３．１振動測量參數(shù)選擇 振動的測量參數(shù)有位移、速度和加速度。由于位移對低頻振動敏感，而加速度對高 頻振動敏感，速度對頻率的敏感度介于二者之間，所以應(yīng)根據(jù)診斷對象振動信號的頻率 范圍選用不同的測量參數(shù)。一般按表２．１的原則選用【１７１。

表２．１測量的選擇
Ｔａｂｌｅ ２．１ Ｃｈｏｏｓｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ

參數(shù) 位移 速度 加速度

頻率范圍
Ｏ～１００Ｈｚ １０～１０００Ｈｚ ＞１０００ＨＺ

使用情況 加－Ｉ＝機床的振動，旋轉(zhuǎn)軸的擺動等，軸振動 旋轉(zhuǎn)機械的振動 滾動軸承和齒輪的缺陷引起的振動

此外還可根據(jù)設(shè)備的異常類別而定的測量參數(shù)，如表２．２所示。在進行低頻類故障

（如不平衡、不對中等）即低速設(shè)備的監(jiān)測和診斷時，應(yīng)選取位移參數(shù)；在進行高頻類
故障（如滾動軸承、齒輪箱故障等）及高速設(shè)備的監(jiān)測和診斷時，應(yīng)選取加速度參數(shù)； 而在中頻寬帶測量中，速度是從能量觀點反映振動強度大小的理想?yún)?shù)。

８

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

表２．２適用于各類異常類別的測量參數(shù)
Ｔａｂｌｅ ２．２ Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｏ ａｂｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

測定參數(shù) 位移 速度 加速度

異常類別 位移量或活動量成為問題的異常 振動能量和疲勞成為問題的異常 沖擊力等力的大小成為問題的異常

舉例 加工機床的振動現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)軸的擺動 旋轉(zhuǎn)機械的振動 軸承和齒輪的缺陷引起的振動

國際上許多振動診斷標準都是采用速度有效值（Ｖｒｍｓ，振動烈度）作為狀態(tài)判別參 數(shù)【ｌ】。另外，齒輪和軸承是數(shù)控機床主要監(jiān)測對象，它們的缺陷引起的振動頻率遠遠超 過１０００ＨＺ，在機床內(nèi)部損壞還沒有影響其實際工作能力之前，高頻分量就已經(jīng)包含了

缺損的信息，僅當內(nèi)部缺損已經(jīng)發(fā)展為較大時，才能從低頻信息上反映出來。因此，為
了預(yù)測機器損壞，高頻信息是十分重要的，測量加速度峰值的變化及其頻率結(jié)構(gòu)分析成 為數(shù)控機床故障診斷最重要的手段。 綜上所述，對數(shù)控機床監(jiān)測，選擇速度有效值和加速度峰值作為測量參數(shù)。依據(jù)

速度有效值可判斷機床當前狀態(tài)及劣化趨勢；通過對加速度信號分析，可進行故障診斷。
２．３．２測點選擇 測點選擇合理與否，關(guān)系到能否獲得我們所需要的真實完整的設(shè)備狀態(tài)信息。必須 在查閱機床的技術(shù)文件和圖紙資料，對機床結(jié)構(gòu)充分了解的基礎(chǔ)上，才能根據(jù)診斷對象 恰當?shù)剡x擇測點。 ＩＳ０２３７３標準推薦，測點位置的選取應(yīng)遵循傳遞路徑最短，測點剛度最大兩條原則。 在對數(shù)控機床進行振動檢測時，測量旋轉(zhuǎn)軸振動時，可以選擇在軸承座上安裝傳感器。

因為機床的任何一個零件或部位發(fā)生問題產(chǎn)生振動時，其振動會經(jīng)由轉(zhuǎn)軸、基座或結(jié)構(gòu)
傳遞至軸承位置，且軸承又直接承受轉(zhuǎn)子上的振動載荷、還有材質(zhì)的原因以及潤滑的情 況等，比較容易受到損壞，所以在一般最好都能在軸承部位進行測量，而且最好能測量 到每個軸承。另外由于低頻信號的方向性較強，而高頻信號方向不敏感，所以對于低頻

信號，一般應(yīng)在水平、垂直和軸向三個方向進行測量；對于高頻振動，則只需在一個方
向（徑向）進行測量即可。需要注意的是為保證測量數(shù)據(jù)的可比性，測點位置一經(jīng)選定， 必須要固定不變，應(yīng)做好標記。 ２．３．３測試工況確定 由于數(shù)控機床的加工過程中有大量的切屑和冷卻液，且大都封閉作業(yè)，安裝傳感器 比較困難等原因，所以加工過程中很難測量。另外因機床工作狀況不同，產(chǎn)生的振動信

９

大連交通人學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)何論文

號也不相同，無法進行分析比較。因此為了保證測量的可行性和可比性，測量均是在高 速空轉(zhuǎn)條件下進行。 ２．３．４監(jiān)測周期確定

監(jiān)測周期是指每次測量的間隔時間，它的選取與數(shù)控機床的運行狀態(tài)同步。應(yīng)結(jié)合 機床劣化趨勢分析圖，根據(jù)機床的磨損速度合理的確定檢測的時間間隔。機床處于穩(wěn)定
運行狀態(tài)時，監(jiān)測周期可以相對的長一些（定為一個月）且保證固定不變，因為固定監(jiān) 測周期有利于機床的趨勢分析；當機床進入磨損期時，監(jiān)測周期要相對縮短。

２．４建立振動測試系統(tǒng)
應(yīng)根據(jù)信號采集的要求建立測試系統(tǒng)。在建立測試系統(tǒng)時，不僅要注意有用信號的 獲取（靈敏度和精度等性能），同時還要考慮測試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性以及如何在測試階段 進行降噪除噪等，以便簡化后續(xù)的信號分析處理過程。

數(shù)據(jù)采 集器

———————＇■

計算機（分析系 統(tǒng)軟件）

圖２．２振動測試系統(tǒng)組成
Ｆｉｇ ２．２ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ

振動測試系統(tǒng)由加速度傳感器、美國ＥＮＴＮＫ－ＩＲＤ公司的ＤＥＬ便攜式數(shù)據(jù)采集器和配套 信號分析軟件組成，其組成框圖如圖２．２所示。 （１）加速度傳感器，它把機械振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電測的電參數(shù)（很小的電壓信 號），得到的是模擬信號。 （２）數(shù)據(jù)采集器，包括適調(diào)放大器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)化器以及存貯器等。其主要功能是采 集振動信號，對信號放大、濾波、包絡(luò)、平均等預(yù)處理后，經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器將模擬振動 信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存儲數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳入計算機。 ＤＥＬ便攜式數(shù)據(jù)采集器功能和主要性能指標如下：

①測量功能：通頻幅值、速度譜、加速度譜、時域波形、相位、包絡(luò)譜、時域和頻
域平均及窗函數(shù)

②測量參數(shù)：速度有效值、加速度峰值、位移峰峰值 ③通頻測量頻率范圍：速度２ＨＺ－－２ＫＨＺ，加速度２ＨＺ－－２０ＫＨＺ
④頻率范圍：１０－－４０ＫＨＺ

＠Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的分辨率：１５位 ⑥頻率分辨率：最高達１２８００線
１０

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

⑦存儲器內(nèi)存：１ＭＢ并可外配內(nèi)存卡 ⑧動態(tài)范圍：９６ｄＢ ⑨通道數(shù)：單通道 ⑩通訊：ＲＳ２３２－－ＰＣ串口
（３）配套專用系統(tǒng)軟件，其主要功能一是數(shù)據(jù)管理和二是信號分析處理，提取故 障特征信息，據(jù)此進行故障診斷和趨勢預(yù)報。具體功能如下：

①建立狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)地管理與監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)： ②可根據(jù)設(shè)定報警值自動報警，還可按分類自動生成統(tǒng)計報警值； ③分析功能可進行頻譜分析、時域波形分析、趨勢分析、頻譜趨勢分析及時序瀑布
圖等；

④配備近７０００條軸承數(shù)據(jù)庫，輸入部件參數(shù)和運行參數(shù)可自動計算顯示故障特征
頻率。

２．５振動信號采集
振動信號是設(shè)備異常或故障信息的載體，若能夠?qū)\行中機床的狀態(tài)進行正確的檢

測，采集到采集到真實、有效、信噪比高的信號，那么就能客觀地反映所診斷設(shè)備的工 作狀況，這是正確診斷故障的前提。為此在采樣時需考慮如下內(nèi)容【８】：
２．５．１采樣間隔和頻率混淆 采樣的基本問題是如何確定合理的采樣間隔△ｆ和采樣長度丁，以保證采樣所得的數(shù)

字信號能真實地代表原來的連續(xù)信號ｘ（，）。采樣頻率六越高，采樣越密集，所得的數(shù)字
信號越逼近原信號。然而，當采樣長度丁一定時，Ｚ越高，數(shù)據(jù)量越大，所需的計算機

存貯量和計算量就越大。反之，采樣頻率低到一定程度就會丟失或歪曲原來信號的信息。
Ｓｈａｎｎｏｎ采樣定理給出了不丟失信息的最低采樣頻率

正≥２ｋ
率混淆現(xiàn)象。 解決頻率混淆的辦法是：

（２．１）

此處，丘為原信號中最高頻率成分的頻率。如果不滿足此采樣定理，將會產(chǎn)生頻

（１）提高采樣頻率以滿足采樣定理。一般取，＝（２．５６—４）厶。
（２）用低通濾波器濾去不需要的高頻成分以防止頻混現(xiàn)象。如濾波器的截止頻率

為厶，則取厶＝Ｚ／（２．５６－４）。

大連交通大學(xué)［：學(xué)碩十學(xué)位論文

２．５．２泄漏及加窗處理 有限帶寬信號通常具有無限時寬，由于我們無法取用無限數(shù)據(jù)，因而在利用離散

傅立葉變換ＤＦＴ計算時，必須將時間信號截短。截短實際上是將該時間函數(shù)與一個窗
函數(shù)相乘。相應(yīng)地，在頻域中則是該時間函數(shù)與窗函數(shù)的傅立葉變換相卷積。因為窗函 數(shù)的帶寬是無限的，所以卷積后將使原帶限頻譜擴展開來而占據(jù)無限頻帶，這種由于截 斷而造成的譜峰下降，頻譜擴展稱為頻譜泄漏。在譜分析中，如不強調(diào)或明確指出加某 種窗函數(shù)時，就是加矩形窗，矩形窗函數(shù)波形變化劇烈，造成的頻譜泄漏最嚴重，為了 減少泄漏，通常采用特種窗函數(shù)來替換矩形窗，稱為窗處理或加窗。 本系統(tǒng)的ＥＤＬ數(shù)據(jù)采集器，可根據(jù)采集信號的不同選用窗函數(shù)，如Ｈａｒｍｉｎｇ窗、 Ｈａｍｍｉｎｇ窗、平頂窗、規(guī)一窗等。通常高頻信號選用Ｈａｒｍｉｎｇ窗，中低頻信號選用 Ｈａｍｍｉｎｇ窗。

２．６狀態(tài)識別、趨勢分析及預(yù)報
２．６．１狀態(tài)判斷標準建立與狀態(tài)識別 （１）機械狀態(tài)判斷標準

在對機床完成測試后，要根據(jù)測出的值判定機床狀態(tài)是否正常，關(guān)鍵要有一個正確
的狀態(tài)判斷標準。機械狀態(tài)判斷標準包括絕對標準、相對標準、類比標準。

①絕對判斷標準 絕對判斷標準是將測試的數(shù)據(jù)或統(tǒng)計量直接與標準閥值進行比較以判定設(shè)備所處 的狀態(tài)。振動的烈度（振動速度有效值Ｖｒｍｓ）直接反映振動物體的振動強度，是最簡
單、最常用的一種絕對判斷標準。常用的國際振動判斷絕對標準有ＩＳ０２３７２，ＩＳ０３９４５如 表２．３所示【１２，１４】。

１２

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

表２．３國際標準ＩＳ０２３７２和ＩＳ０３９４５
Ｔａｂｌｅ ２．３ ＩＳ０２３７２ ａｎｄ ＩＳ０３９４５ １Ｓ０２３７２

除

ＩＳ０３９４５

（適塒予轉(zhuǎn)逮為 ‘透內(nèi)ｒ轉(zhuǎn)速為ｉｆｆ－２００ｒ如，信號紜謇在１０－－１０００１－１ｚ范啜Ｉ＾ｉ的麓轉(zhuǎn)搬槭）
１０－－２００ｒｔｓ

的大擻機器）

速度曹斂
值１翹嘲

小，Ｉ！機械
（≤ｌＳＫｗ）

巾幫鞔扳

大移 汽輪蟣 機器

剛性 豢礎(chǔ)

鬃軟 基礎(chǔ)

（１５－－－燃ｗ＇

‘ｒａｍ／ｓ） Ｏ．２毒 Ｏ．４Ｓ ０．７１ ｌ。１２ ８ １．Ｓ Ｂ ２．８ Ｃ
４．５

Ａ Ａ
Ａ ＾

優(yōu)

優(yōu)

Ｂ Ｃ ８ Ｃ

曉 斑
可 Ｃ

７．１ １１．２

可

１０ Ｏ ２５ ４５ ７ｌ Ｄ Ｄ Ｄ

不岈 舉可

②相對判斷標準
對于有些設(shè)備，由于規(guī)格、產(chǎn)量、重要性各種因素難以確定絕對判定標準，因此將 設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時所測得的值定為初始值，然后對同一部位定期進行測定，并按時間先后 進行比較，根據(jù)實測值與初始值的倍數(shù)比來判斷設(shè)備狀態(tài)的辦法。表２．４所示為典型的 相對判別標準。
表２．４振動相對判斷標準
Ｔａｂｌｅ ２．４ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｊｕｄｇｍｅｎｔ Ｓｔａｎｄａｒｄ

區(qū)域 注意區(qū)域 異常區(qū)域

低頻振動 １．５～２倍 ４倍

高頻振動 ３倍 ６倍

針對具體的設(shè)備制定的相對標準，若制定得當，其效果將會比使用絕對標準還要好。
因此對于現(xiàn)場的實際工作將有十分重要的意義。其不足之處在于，標準的建立周期長，

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

Ｒｆ－ｊ檻值的設(shè)定可能隨時間和環(huán)境條件（包括載荷情況）而變化。因此在實際工作中，應(yīng)

通過反復(fù)試驗才能確赳１１】。
③類比判斷標準 數(shù)臺同樣規(guī)格型號的設(shè)備在相同條件下運行時，可通過對各臺設(shè)備的同一部位進行
測定，并對測定值進行相互比較，進而判定某臺設(shè)備是否發(fā)生異常。 ２）數(shù)控機床狀態(tài)判斷標準建立 在實際的工程應(yīng)用中，企業(yè)不應(yīng)生搬硬套上述標準，可以根據(jù)設(shè)備實際情況和經(jīng)驗 參考建立適合自己企業(yè)設(shè)備的企業(yè)標準。通過對數(shù)臺數(shù)控機床一年多的定期狀態(tài)監(jiān)測，

經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計初步建立了如表２．５所示的數(shù)控機床絕對判斷標準。這個標
準的制定考慮了如下兩個因素：

①測試工況 測量均是在高速空轉(zhuǎn)條件下進行，各類數(shù)控機床空轉(zhuǎn)條件下的功率損耗不大，這樣 主電機功率的影響就較小，在制定絕對標準時可以不予考慮。②以精度分組 加工精度是數(shù)控機床重要的性能指標，而機床的振動烈度大小直接影響其加工精
度，也就是說不同精度的數(shù)控機床對振動烈度的允許范圍是不同的。所以標準中分為Ａ、 Ｂ、Ｃ三組，Ａ組：表示高精度數(shù)控機床組；Ｂ組：表示精密數(shù)控機床組；Ｃ組：表示 普通精度數(shù)控機床組。
表２．５數(shù)控機床狀態(tài)判斷標準
Ｔａｂｌｅ ２．５ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｓｔａｔｕｓ Ｊｕｄｇｍｅｎｔ ｓｔａｎｄａｒｄ

ｍｍ／ｓ

不允許
７．５０ ４．５０
２．５０ １．８０

不允許 不允許 允許 注意

允許 允許 注意
注意

１．２０ ０．７０
０．４５

好 好
Ａ組 好 Ｂ組 Ｃ組
Ｏ．２８

③數(shù)控機床運行狀態(tài)識別

１４

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

數(shù)控機床的基本狀態(tài)通常被認為有三種，即好、允許注意和不允許。當機床的振動 烈度處于“好＂的范圍內(nèi)時，可以認為機床的工作狀態(tài)良好，無需進行故障診斷；當機 床的振動烈度處于“允許注意＂范圍內(nèi)時，說明機床的振動是允許的，但應(yīng)進行故障診 斷，對故障的發(fā)展趨勢進行預(yù)報；當機床的振動烈度處于“不允許’’范圍內(nèi)時，應(yīng)立即 停機維修，排除故障。 ２．６．２數(shù)控機床運行狀態(tài)趨勢分析 （１）機械設(shè)備故障率曲線 與一般設(shè)備相同，數(shù)控機床的故障率隨時間變化的規(guī)律可用下圖２．３所示的浴盆曲

線表示。在整個使用壽命期，根據(jù)數(shù)控機床的故障頻度大致分為三個階段，即早期故障
期、偶發(fā)故障期和耗損故障期。

五（Ｉ

故 障 率

．

≮陷丁鰳ｙ ＼
Ｉ

。Ｉ．１Ｉ

。Ｉ．

、．一

１１１

。

使用ｆ

圖２．３機械設(shè)備故障率曲線
Ｆｉｇ ２．３ Ｆａｕｌｔ ｒａｔｅ
ＣＨＩ Ｖｅ

①早期故障期
設(shè)備處于早期故障期，開始故障率很高，但隨時間的推移故障率迅速下降。早期故 障期對于機械產(chǎn)品又稱為“磨合期”。

②偶發(fā)故障期
設(shè)備進入偶發(fā)故障期，故障率大致處于穩(wěn)定狀態(tài)，趨于定值。這是設(shè)備的最佳狀態(tài)

期或稱正常工作期。在此期間，故障發(fā)生是隨機的，偶然失效主要原因是質(zhì)量缺陷、材
料弱點、環(huán)境和使用不當?shù)纫蛩匾�，對這個時期的故障進行監(jiān)測與診斷具有重要意義。 ③耗損故障期

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該階段的失效率隨時間的延長而急速增加，主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因 造成。在此期間，可能發(fā)生突發(fā)性的、危險性的、全局性的故障，通過監(jiān)測、診斷，發(fā) 現(xiàn)失效零部件后應(yīng)及時采取措施，以避免發(fā)生事故。 （２）機床運行狀態(tài)趨勢分析 若對機床進行定期監(jiān)測，便可獲得機床運行狀態(tài)變化曲線，了解設(shè)備狀態(tài)劣化的趨 勢，進而預(yù)測機床的剩余壽命，適時維修。

２．７數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測實際應(yīng)用
設(shè)備編號為０４６－２０的ＭＣｌ２１０數(shù)控加工中心是日本牧野公司設(shè)計制造的，用于加 工柴油機氣缸蓋。自２００４年９月起，對該加工中心的主傳動系統(tǒng)實行狀態(tài)監(jiān)測。 （１）監(jiān)測參數(shù)：速度有效值

（２）測點布置：主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置如圖２．４所示。
（３）監(jiān)測工況：主軸空轉(zhuǎn)，７００轉(zhuǎn)／分鐘

（４）監(jiān)測周期：每月一次

圖２．４ ＭＣｌ２１０加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置
Ｆｉｇ ２．４ ＭＣ １ ２１ ０ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ

ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ

圖２．５為依據(jù)在１＃測點垂直方向測量的速度有效值繪制的振動狀態(tài)趨勢圖�？梢钥�
到從２００５年６月開始機床振動強度有增大趨勢，但速度緩慢。該機床屬Ａ組高精度機 床，振動烈度尚在允許注意范圍內(nèi)，機床加工精度滿足要求，所以決定注意定期監(jiān)測，

繼續(xù)使用。直到２００６年５月，機床振動突然增大，且機床加工精度超差，才對其大修。
與定期預(yù)防維修相比，延長機床使用壽命近９個月。

１６

第二章數(shù)控機床的振動狀態(tài)監(jiān)測

圖２．５ １＃測點垂直方向振動速度趨勢圖
Ｆｉｇ ２ ５ Ｐｏｉｎｔ １ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｔｒｅｎｄ

本章小節(jié)
（１）分析數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點，確定監(jiān)測和診斷的對象是主傳動系統(tǒng)即主軸單元、 變速箱和主電機，特別是主軸、軸承和齒輪；

（２）研究確定狀態(tài)監(jiān)測測量參數(shù)、測點及方向、測試工況和監(jiān)測周期的方法：
（３）建立并介紹測試系統(tǒng)的組成及功能； （４）研究信號采樣處理方法：可通過提高采樣頻率和低通濾波的方法避免頻率混 淆；通過加窗處理的方法來減小頻率泄漏； （５）在定期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)控機床的振動狀態(tài)判斷標準； （６）研究數(shù)控機床運行狀態(tài)狀態(tài)識別與趨勢分析方法； （７）介紹數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測及趨勢分析的實際應(yīng)用。

１７

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第三章
３．１振動信號分類

振動信號預(yù)處理與診斷方法

按照振動信號的特性可按下圖３．１進行分類㈣。

圖３．１振動信號的分類

３．２信號預(yù)處理方法
采集到的信號是表征機械設(shè)備運行過程的原始狀態(tài)信號。為了提高故障診斷的靈敏 度和可靠性，往往采用信號預(yù)處理技術(shù)，排除噪聲、干擾的影響，把有用的故障信息從 大量的背景噪聲、干擾中提取出來，以突出故障特征。信號的預(yù)處理方法有：濾波、時 域同步平均、包絡(luò)解調(diào)以及其它很多方法。 ３．２．１濾波

以一定采樣頻率采集的振動信號中包括反映機械設(shè)備狀態(tài)的真實信號和混入的噪
聲信號，在進行數(shù)據(jù)處理時，為提高信噪比，突出被測機械設(shè)備的特征信息，通常要對 采集信號進行濾波處理。濾波從頻率范圍上說分為五種濾波，即低通濾波、帶通濾波、 高通濾波、帶阻濾波和全通濾波。 ３．２．２時域同步平均

時域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號中提取周期性分量的有效方法。也稱相干
檢波法。 一個隨機信號的時域平均起著濾波的作用，當平均次數(shù)無窮大時可得信號的直流分 量，即平均值。當隨機信號中包含有確定性的周期信號時，如果截取信號的采樣時間等 于周期性信號的周期丁，將所截得的信號疊加平均，就能將該周期信號從隨機信號、非

第二章振動信號預(yù)處理與診斷方法

周期信號以及與指定周期ｒ不一致的其它周期信號中分離出來，而保留指定的周期分量 及其高頻諧波分量，提高欲研究周期信號的信噪比。即使該周期信號較弱也可分離出來， 這是譜分析法所不及的，這就是時域同步平均法的基本思路。 設(shè)觀測得到的信號為 ｘ（，）＝ｄ（，）＋刀（，）
ｆ３．１１

其中ｄ（，）為欲提取的周期信號，其周期為Ｔ；玎（ｆ）為噪聲信號�？梢宰C明，時域信 號的平均相當于在頻域上設(shè)置一個頻域窗函數(shù)。經(jīng)Ⅳ次平均后，輸出噪聲能量降為輸入 噪聲能量的１／Ⅳ，從而所得到的輸出信號ｙ（ｆ）為

ｙ（ｆ）＝ｄ（，）＋掣 √Ⅳ
３．２．３包絡(luò)解調(diào)

（３．２）

包絡(luò)解調(diào)【１６副１就是提取載附在高頻信號上的低頻信號。當旋轉(zhuǎn)機械的零部件的元件
出現(xiàn)局部損傷時，伴隨設(shè)備運轉(zhuǎn)這些故障會產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的高階固 有振動。選擇沖擊激起的高頻固有振動為研究對象，通過濾波將其從信號中分離出來，

然后通過包絡(luò)檢波，提取載附在其上的與周期脈沖對應(yīng)的包絡(luò)信號，對包絡(luò)信號進行頻
譜分析便能將與故障有關(guān)的信號從高頻調(diào)制信號中提取出來，快速而正確地診斷出故障 發(fā)生的部位，避免了與其它低頻干擾的混淆。其原理示意圖如圖３．２所示［９１。

簍愕鱉Ｐ叫塑Ｈ趟到
圖３．２包絡(luò)法診斷原理示意圖
Ｆｉｇ．３．２ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆｔｈｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉａｇｎｏｓｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

ｌ帶通濾

上波分離

３．３振動信號分析
振動信號是數(shù)控機床故障特征信息的載體，對信號進行有效的分析處理來提取故障 特征信息，這是數(shù)控機床故障診斷的基礎(chǔ)和關(guān)鍵一步。

１９

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３．３．１振動信號時域分析 信號時域分析可分為波形分析和時域統(tǒng)計分析。對于某些故障信號，其波形具有明 顯的特征，直接觀察可以看出周期信號、諧波信號、短脈沖信號，這時利用波形分析可 以直接識別共振現(xiàn)象和調(diào)制現(xiàn)象。但是由于與其它隨機信號混雜，往往很難能識別出來。 時域統(tǒng)計分析是直接對振動信號的時域波形進行幅值分析，得到幅值概率密度函 數(shù)，并計算振動信號的有量綱特征參數(shù)和無量綱動態(tài)指標。 （１）統(tǒng)計特征參數(shù)

①幅值概率密度函數(shù) 對于各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程可用其時間歷程的幅值概率分布來描述。對于某一信號 ｘ（ｆ）的幅值概率密度函數(shù)ｐ（ｘ），可由下列關(guān)系式計算

ｐ（ｘ）＝要妥！坌生三蘭攀＝出ｌｉ．ｍ。出１－ �。鄄罚欤椋恚�。Ｔｌｘ］

（３．３）

式中￡是在總的觀測時間ｒ中信號ｘ（ｆ）位于（ｘ，ｘ＋出）區(qū)間內(nèi)的所有時間之和。 幅值概率密度函數(shù)提供了隨機信號沿幅值域的分布規(guī)律。不同特點的隨機信號有不
同的概率密度函數(shù)。故障的產(chǎn)生與發(fā)展引發(fā)設(shè)備振動幅值及頻譜的改變，幅值域變化很 靈敏地引起概率密度函數(shù)圖形的變化。一般來說，當機械處于正常工作狀態(tài)時，其概率 密度函數(shù)曲線是近似于正態(tài)分布的，而當機械出現(xiàn)異常周期信號時，就改變了原來的曲 線形狀。

②有量綱特征參數(shù)
由上述幅值概率密度函數(shù)可以得到以下幾個有量綱參數(shù)：

峰值，信號可能出現(xiàn)的最大瞬時值，它是對信號強度的一種描述。在測試時，對需
測信號的峰值事先應(yīng)有足夠的估計，以便調(diào)整儀器的范圍。
Ｘ＝ｍａｘ ｘ（ｆ）Ｉ

（３．４）

平均幅值，表示了信號的直流分量（穩(wěn)定分量），表達隨機信號變化的中心趨勢。 又ｐ＝彳１

ｆ

ｘ（ｔ）ｌ

ｄｔ

（３．５）

均方根值，又稱有效值，它表征了振動的破壞能力，衡量振動能量大小的量。ＩＳＯ 標準規(guī)定，振動速度的均方根值，即有效值為“振動烈度＂，作為衡量振動強度的一個 標準。

ｘ�。健虒＃妫ǎ希洌�
方根幅值
２０

（３．６）

第二章振動信號預(yù)處理與診斷方法

恥（拍酬鋤
偏斜度（簡稱歪度），以平均值為中心，反映波形的對稱性。
—∞，

（３．７）

口３

２匕ｘ３ｐ（ｘ）出

（３?８）

峭度，反映波形的尖峭程度、有無沖擊。

口。＝Ｅｘ＇ｐ（ｘ）ｄｘ

（３．９）

上述有量綱參數(shù)不僅會隨著故障的發(fā)生和發(fā)展而逐漸增大，而且它們會因工作條件 （負載、轉(zhuǎn)速、儀表的靈敏度等等）的改變而變化，即又存在著對故障不十分敏感、不好 區(qū)分的缺點。因此又引入了一些無量綱的參數(shù)，它們只取決于概率密度函數(shù)的形狀№３５１。 由于故障的產(chǎn)生及發(fā)展，引發(fā)設(shè)備振動幅值域的變化，進而引發(fā)概率密度函數(shù)的變化。
所以這些參數(shù)對故障有足夠的靈敏度，可以準確地判定故障。

③無量綱動態(tài)指標
波形因數(shù)，反映波形與正弦波比較的偏移與歪斜。

Ｋ：孥
Ｘ
ｐ

、

（３．１０）
一

脈沖因數(shù)，反映波形是否有沖擊。

，：善 Ｘ
ｐ

、

（３．１１）
’

峰值因數(shù)，是反映波形高度的指標。

ｃ：當
Ｘ眥Ｓ

（３．１２）
、
‘

裕度因數(shù)

三：善
ｘ。

ｊ

（３．１３）

裕度指標、峭度指標和脈沖指標對于脈沖型故障比較敏感，特別是故障在早期發(fā)生
時，他們有明顯增加，但匕升到一定程度，隨著故障的逐漸發(fā)展反而會下降，表明它們

２ｌ

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩士學(xué)何論文

對早期故障有較高敏感性【３５１，但穩(wěn)定性不好。均方值的穩(wěn)定性較好，但對早期信號不敏 感。所以為了取得較好的效果，常將它們同時應(yīng)用，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。 （２）相關(guān)函數(shù)分析

①自相關(guān)分析
設(shè)ｘ（ｔ１）和Ｘ（ｔ２）是隨機過程ｘ（ｔ）在任意兩個時Ｎｔｌ、ｔ２時的狀態(tài)，Ｐ２（ｘｌ，ｘ２；，ｌ，，２）是 相應(yīng)的二階概率密度函數(shù)，定義二階原點混合矩

Ｒ。（ｆｌ，ｔ２）＝研ｘ（＾）ｘ（，２）】２上。上二ｊｃｌｘ２Ｐ２（ｘＩ，ｘ２；，ｌ，ｆ２）出１ｄｘ２
為隨機過程Ｘ（ｔ）的自相關(guān)函數(shù)。

（３?１４）

對于平穩(wěn)隨機過程，由于各數(shù)字特征量不隨時間而變化，因而自相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計平

均可用其時間平均來代替，則隨機過程ｘ（ｔ）在兩個不同時刻ｆｌ、ｆ：＝ｆ。＋ｆ（ｆ為任意值）
時的自相關(guān)函數(shù)定義為：

足。（ｆ）＝Ｅｂ（ｆ）ｘ（ｒ＋ｆ）】＝，ｌｉｍ，１。［ｘｏ）ｘｏ＋ｆ）ｄｔ

（３．１５）

它反映了隨機過程ｘ（ｔ）自身在ｔ。和ｔ。＋ｆ這兩個不同時刻狀態(tài)之間的線形依從關(guān)系
和相似程度。周期信號的相關(guān)函數(shù)仍為同周期的周期函數(shù)，隨機信號當ｆ＝０時，取得 最大值且等于均方值矽。２。

Ｒ。（ｏ）＝Ｅｋ＠）２】＝ｒｌｉ．ｍ。。歹１

ｒｘｏ）２衍＝丸２

（３．１６）

當丁專００時，尺。＠）專以２，段為均值，當／ｌ工２＝０，則尺。（∞）專０。
利用自相關(guān)函數(shù)可檢測過程信號中是否混有周期性的確定性函數(shù)。設(shè)測得的信號為 ｘ（ｆ）＝ｄ（ｆ）＋，．（，） （３．１７）

其中ｄ（ｔ）是欲尋求的某一確定性的、被檢測的周期性故障信號，，．（ｆ）是某一平穩(wěn)隨機信 號，如果，．（ｒ）與ｄ（ｔ）不相關(guān)，對于零均值化的平穩(wěn)隨機信號，當ｆ—００時，Ｒ，，０）專０， 對實際問題來說，經(jīng)過足夠長的測量時間以后Ｒ。（ｒ）≈Ｒ謝０），就可以將隱藏在隨機信
號中的確定性周期信號檢測出來，Ｒ崩（ｆ）的周期等于被測周期信號的周期。這樣利用自 相關(guān)函數(shù)就可觀測出由于故障而產(chǎn)生的周期性信號的大小和位置。

②互相關(guān)分析 設(shè)有兩個隨機過程Ｘ（ｆ）和ｙ（，），它們在任意兩個時刻，，、ｔ：的取值為隨機變量
ｘ（ｔ。）、Ｙ（ｔ：），則它們的互相關(guān)函數(shù)定義為：

第三章振動信號預(yù)處理與診斷方法

Ｒ掣（，ｌ，，２）＝Ｅ【ｘ（，１）ｌ廠（，２）】２上。Ｅｘｙｐ砂（ｘ，ｙ；ｔｌ，，２）蚴
式中：Ｐ。（ｘ，ｙ；ｔ。，ｔ２）是隨機過程彳（，）和】，（ｆ）的二維聯(lián)合概率密度。

（８—１８）

對于平穩(wěn)隨機過程，互關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計平均可用其時間平均來代替，因而兩個隨機過 程Ｘ（ｆ）和】，（ｆ）在任意兩個時刻，，、ｔ２＝‘＋ｒ（ｆ為任意值）時的互相關(guān)函數(shù)又可定義為：

尺叫（ｆ）＝Ｅｂ（ｒ）少（，＋ｒ）】＿～ｌｉｍｌ丁ｆ ｘ（咖（，＋ｒ）ｄｔ
此時互相關(guān)函數(shù)反映了兩個信號波形在相差時間＿ｒ后的相似程度。

（３．１９）

利用互相關(guān)函數(shù)檢測和回收隱藏在外晃噪聲中的有用信號的時延。對于不一定是周 期性的信號，當信號與噪聲的頻帶相同時，普通濾波法就無能為力了，而利用相關(guān)法則 是改善信噪比提取有用信號的有效方法。

設(shè)欲測的有用信號為Ｘ（ｔ），而觀測得到的信號為】，（，），信號】，（，）滯后Ｘ（ｆ）一段時間
白；Ｎ（ｔ）為隨機噪聲信號，一般認為Ｎ（ｔ）與ｘ（ｔ）不相關(guān)，則有 】，（『）＝ａＸ（ｔ一乃）＋ⅣＯ） 其中口表示信號傳輸過程中的吸收系數(shù)�？傻� Ｒ。（＿ｆ）＝ａＲ。（ｆ—Ｔｄ） （３．２１） （３．２０）

當ｆ＝Ｔｄ時，Ｒ。（０）具有最大值。于是根據(jù)測量出來的Ｒ胛（ｆ）的峰值，可求得乃。若已

知Ｘ（ｔ）的傳播速度１，，則可計算ｘ（ｔ）與】，（ｆ）之間的距離，據(jù)此距離可判斷故障的位置和
起。 ３．３．２振動信號頻域分析

頻率分析是機械故障診斷中信號處理最重要和最常用的方法。工程上測得的信號一
般為時域信號，然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展往往引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化，因此需要分 析頻域信息。 振動信號的頻域分析的基礎(chǔ)是頻譜分析，頻譜分析就是利用傅立葉變換由信號ｘ（，）

求出它的頻譜Ｘ（ｆ）的過程，以獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)以及幅值、相位、功率及能量與頻
率的關(guān)系。頻譜分析中最常用的有：幅值譜、功率譜、倒頻譜及細化譜等。 （１）幅值譜分析 傅立葉變換的理論依據(jù)是：任何一個復(fù)雜的周期性信號都能分解成一系列簡單正弦 波的疊加‘４１。

大連交通大學(xué)ｒ?qū)W碩十學(xué)位論文

ｘ（ｆ）＝ｘｑ＋ｎｒ）

（刀＝Ｏ，±１，…，）

（３．２２）

如果在周期（一三，ｉＴ）內(nèi)滿足狄里赫利（。ｉｒｉｃｈｌｅｔ）條件： （１）或者處處連續(xù)，或者 只有有限個第一類間斷點；（２）具有有限個極大值或極小值。則在（一三，ｉＴ）上，可以把
ｘ（ｔ）展開成三角形式的傅里葉級數(shù)，即

ｘ（，）：口。＋∑＋ｅｏ［口。ｃ。ｓ（２ｎｎｆｏｔ）＋６。ｓｉｎ（２ｎｎｆｏｔ）］ ：‰＋∑４－００彳。ｃ。ｓ（２ｎｎｆｏｔ一九）
（３．２３）

式中：直流分量：％＝歹１乓Ｔ ｘ（ｒ）衍
余弦分量：％＝�。才遥� ｘ（ｆ）ｃ。ｓ（２堿，）衍
（甩＝１，２，３，…）

正弦分量：玩２手臣ｘ（ｆ）ｓｉｎ（２砥ｒ）衍

２）…，３，２，１＝力（

諧波分量：Ａ。ｃｏａ（２ｎｎｆｏｔ－６）（聆＝１，２，３，…）

厶＝專一基波頻率；
礬一玎次諧波頻率（刀＝１，２，３，…）；

彳。：止麗一第ｎ次諧波分量振幅

細陽留㈦ｂｎ一第ｎ黜波分量橢
ｎ

．．Ｉ
一ｎｆｏ

Ｉ Ｉ

ｌ Ｉ
０
２４

Ｉ Ｉ

Ｉ

．
ｎｆｏ

．

一

一２ｆｏ－ｆｏ

ｆｏ ２ｆｏ

ｆ

圖３．３周期信號的幅值譜
Ｆｉｇ ３．３ Ｐｅｒｉｏｄ ｓｉｇｎａｌ’Ｓ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ

第ｊ章振動信號預(yù)處理與診斷方法

周期信號的幅值譜如圖３．３所示，信號的幅值譜反映了振動信號ｘ（ｔ）中各個簡諧分

量的幅值與其頻率的關(guān)系，即它揭示了信號在不同頻率上的幅值大小。但幅值譜最大的 缺點是信噪比相對較低，抗噪聲能力較差。
（２）功率譜分析法

函數(shù)ｘ（ｆ）的功率譜密度函數(shù)（簡稱自譜密度）為
１
．

Ｓ“（／）２～ｌｉｍ，糾＇＿＿Ｌ＿Ｉ Ｃ（廠，�。保�
對，即

（３?２４）

根據(jù)維納一辛欽公式，自功率譜密度＆（廠）和自相關(guān)函數(shù)Ｒ。（ｆ）是一傅里葉變換

ｓ。（／）＝ｔ Ｒ。（ｆ）Ｐ叫斫ｄ

ｆ

Ｒ。（ｆ）＝寺佇ｓ。（廠）一２咖ａｆ
在實際的工程應(yīng)用中常用單邊自功率譜Ｇ。（／）來表示：

（３．２５）

若自相關(guān)函數(shù)表示信號的總能量，則自功率譜密度函數(shù)將表示單位頻帶寬度上所含 能量（功率）的大小，而自譜密度函數(shù)譜圖就表示能量（功率）按頻率分布的情況【１３１。一般

Ｇ。（廠）＝２＆（廠）

（廠＞０）

（３．２６）

對于混在隨機噪聲中的周期信號，幅值譜很難分析出來，功率譜則能夠很好的揭示

隨機信號中混有的周期信號。因為功率譜表示振動信號中各諧波分量的能量大小，是幅
值的平方，與幅值譜相比，周期信號成分更明顯突出，信噪比要高，抗噪聲能力要強。 利用幅值譜和功率譜分析振動信號的頻率結(jié)構(gòu)并比較各個諧波分量的幅值大小及變

化規(guī)律，結(jié)合故障特征頻率即可診斷一般性故障。它們是故障診斷中最常用最直觀的分
析手段。 （３）倒頻譜分析

倒頻譜也稱逆譜，或稱功率譜的功率譜。它是對自功率譜取對數(shù)后再進行一次傅里
葉變換，并取其平方得到的，常用的是功率倒頻譜和幅值倒頻譜。 信號ｘ（，）的功率倒頻譜定義為

ｃ（ｒ）＝１

Ｆ（１０９Ｇ積（刪１２：｜ＬｌｏｇＧ搬（廠）Ｐ一／２礦ｄｆ １２

（３．２７）

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩士學(xué)何論文

式中Ｇ。（廠）．Ｉ ＦＩＸ（ｔ）】Ｊ２爿Ｘ（力１２，也就是把時間信號ｘ（，）的功率譜函數(shù)取對數(shù)再進行傅 里葉變換。 Ｃ，（ｆ）的正平方根即為幅值倒頻譜

Ｃ。（ｆ）＝Ｉ Ｆ［１０９Ｇ搬（廠）】Ｉ＝Ｉ Ｆ［１０９ ｌ ｘ（ｆ）１２］ｌ

（３．２８）

在工程上實測的振動信號往往不是振源信號本身，而是振源ｘ（，）經(jīng)過傳遞系統(tǒng)
Ｈ（ｆ）到測點的輸出信號ｙ（ｔ），則系統(tǒng)輸出信號的功率譜密度為

Ｇ。（廠）＝Ｇ。（力１日（／）１２ 兩邊取對數(shù)后再進行傅里葉變換得響應(yīng)ｙ（，）的幅值倒頻譜 Ｆ［１０９Ｇｗ（廠）】＝Ｆ［１０９Ｇ。（門】＋Ｆ［２１０９ １日（廠）Ｉ】
或簡寫成 Ｇ。（ｆ）＝Ｇ。（ｆ）＋Ｇ。Ｈ（ｆ）

（３．２９）

（３．３０）

（３．３１）

如果Ｇ。（門和日（門具有不同結(jié)構(gòu)的頻帶。則在倒頻譜圖Ｇ。（ｆ）上就能夠很容易地
把Ｇ。（ｆ）和Ｇ棚（ｆ）分離開，從而實現(xiàn)振源信號Ｘ（ｆ）和系統(tǒng)特性Ｈ（廠）的線性分離作用， 這就是利用倒頻譜進行載荷識別和故障診斷的原理。

�。�

ｆｃ
（ａ）對數(shù)功率譜

≈ｃ

｛。
（ｂ）倒頻譜 圖３．４倒頻譜變換

Ｆｉｇ．

３．４ Ｃｅｐｓｔｒｕｍ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ

如圖３．４所示，功率譜中有兩個周期成分，即頻率丘和，，二者周期間隔不同，倒
頻譜清楚地將其分離開來�？梢姡诡l譜分析可以有效地提取和識別頻譜上的周期成分， 這是倒頻譜分析的第一個優(yōu)點，倒頻譜分析的另一個優(yōu)點是受信號傳遞路徑影響小，這 樣就不必考慮傳感器位置不同和信號衰減帶來的問題。 （４）細化譜分析

第二章振動信號預(yù)處理與診斷方法

細化譜分析對信號頻譜中某一頻段局部放大，使得分析頻段的頻率分辨率和頻譜分 析精度都大為提高，是非常重要的一種高精度譜分析手段，對分析頻譜的細微結(jié)構(gòu)非常

有效。當調(diào)制頻率過小且邊頻帶很密集時，為了分析頻譜圖中的細微結(jié)構(gòu)需要采用細化
譜分析技術(shù)。

本章小節(jié)
（１）介紹振動信號的分類； （２）介紹振動信號預(yù)處理方法Ｉ濾波、時域同步平均法和包絡(luò)解調(diào)法； （３）介紹振動信號分析方法分為時域分析和頻域分析兩大類。 時域分析主要包括統(tǒng)計分析和相關(guān)函數(shù)分析，統(tǒng)計分析包括幅值概率密度函數(shù)， 提取時域波形的特征參數(shù)：峰值、平均幅值、均方根幅值、方根幅值、偏度和峭度，提 取無量綱動態(tài)指標：波形因數(shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、裕度因數(shù)。 頻域分析主要有幅值譜分析、功率譜分析、倒頻譜分析和細化譜分析。
．

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

第四章數(shù)控機床振動故障診斷
由數(shù)控機床結(jié)構(gòu)特點可以看出，數(shù)控機床所需要監(jiān)測和診斷的主要對象為主傳動系 統(tǒng)，包括主軸單元、變速箱和主電機，數(shù)控機床最易發(fā)生的故障為軸承故障和齒輪故障， 下面將對此進行重點研究。

４．１滾動軸承故障診斷
滾動軸承是主傳動系統(tǒng)中的重要支承部件，同時又是較為薄弱的環(huán)節(jié)。在正常工作 條件下，由于受到載荷、安裝、潤滑狀態(tài)等因素的影響，運轉(zhuǎn)一段時間后，滾動軸承就 會產(chǎn)生磨損、剝落、膠合、裂紋等各種形式的損傷，引起振動和噪聲，造成機床狀態(tài)劣 化。據(jù)統(tǒng)計約３０％的旋轉(zhuǎn)機械故障是由于滾動軸承的損壞引起的，所以軸承故障的監(jiān)測 與診斷一直是機械故障診斷技術(shù)中的重要內(nèi)容。 ４．１．１滾動軸承振動機理分析 滾動軸承的振動是由滾動軸承各個部分的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、表面損傷和裝配情況等 各種因素所決定的，而且還與軸承座傳遞過來的外界載荷和激勵信號有關(guān)。軸承振動信 號產(chǎn)生機理如圖４．１。

軸承部分的振動

外部激勵 圖４．１軸承振動信號產(chǎn)生機理
Ｆｉｇ．４．１ Ｂｅａｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

（１）軸承結(jié)構(gòu)本身引起的振動 滾動軸承是由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體和保持架等元件組成。內(nèi)環(huán)、外環(huán)分別與軸頸及 軸承座裝配在一起。在大多數(shù)情況下外環(huán)不動，而內(nèi)環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)。滾動軸承的典型結(jié)構(gòu) 如圖４．２。

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

２ｒ２

圖４．２滾動軸承典型結(jié)構(gòu)
Ｆｉｇ ４．２ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｔｉｎｇ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

圖中，Ｄ一軸承的節(jié)圓直徑；ｄ一滾動體的直徑；ｚ一為滾動體的個數(shù)； ＾一內(nèi)環(huán)滾道半徑；ｒ２一外環(huán)滾道半徑；口一為軸承壓力角。

軸承在載荷作用下，最下面的滾動體受力最大，最上面的滾動體受力最小，其余滾 動體的受力大小根據(jù)其位置的不同而不同。軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，最下面的滾動體從載荷

中心線下面向非載荷中心線位置滾動，其接觸力由大變小，引起軸頸中心的位移。軸頸
中心不僅有上下方向的微動，隨滾動體位置的變化，還有水平方向的微動。因此，只要

軸在旋轉(zhuǎn)，每個滾動體通過載荷中心線時，就會發(fā)生一次力的變化，對軸頸和軸承座產(chǎn)
生激勵作用，這個激勵頻率稱為滾動體的通過頻率ｆ，表達式為：

，＝ｚＬ
式中，，．厶一為滾動體的公轉(zhuǎn)頻率；ｚ一為滾動體的個數(shù)； （２）軸承制造或裝配原因產(chǎn)生的振動

（４．１）

１）加工面波紋引起的振動，近似正弦，其頻率比滾動體在滾道上的通過頻率高很 多倍： ２）軸彎曲或軸裝偏，由于軸承偏斜引起的振動，其振動頻率成份位ｆｃＺ土ｆｒ； ３）滾動體大小不均勻引起的振動，其頻率包括滾動體公轉(zhuǎn)頻率ｆｃ及ｎｆｃ士ｆｒ（其 中ｎ＝ｌ，２，…），頻率數(shù)值一般在ｌ ｋＨｚ以下； ４）裝配過緊或過松引起的振動，當滾動體通過特定位置時，會產(chǎn)生頻率相應(yīng)于滾 動體通過周期的周期振動； ５）滾動軸承偏心，當軸承有偏心時，軸的內(nèi)圈中心便以外圈中心為中心作振動， 這時會產(chǎn)生振動頻率ｎｆｒ（其中ｒｌ＝１，２，３…）。 軸承在制造或裝配時不可避免地存在加工誤差、裝配誤差等，它引起的振動在機床

運行早期就會出現(xiàn)。

大連交通大學(xué)丁學(xué)碩十學(xué)何論文

（３）軸承故障引起的振動

滾動軸承因故障引起的振動分為兩大類，即磨損類故障振動和損傷類故障振動。
磨損類故障振動是指由于零件的磨損造成軸承間隙逐漸變大，振動強度隨之增大。 當軸承出現(xiàn)磨損時，振動信號的特征是隨機性很強，無明顯的周期信號存在，振幅的概 率密度大體均為正態(tài)分布，頻譜亦無明顯差別。

損傷類故障振動是指由于軸承元件工作表面局部損傷引起的沖擊振動。滾動軸承在
運轉(zhuǎn)時，由于潤滑不良、載荷過大、軸承內(nèi)有異物等原因引起軸承工作面上產(chǎn)生剝落、 裂紋、壓痕等離散型缺陷或局部損傷。當滾動體通過缺陷時，就會產(chǎn)生一個沖擊脈沖振

動，這個脈沖振動可激起軸承各個組件的瞬時高頻共振。因此，軸承缺陷產(chǎn)生的振動形
式往往是復(fù)雜的調(diào)幅振動。載波是軸承各組件的高頻固有頻率；起調(diào)制作用的是與損傷

有關(guān)的低頻通過頻率，也被稱為“故障特征頻率＂。
４．１．２滾動軸承故障特征信息

在滾動軸承的滾道與滾動體之間無相對滑動，承受徑向、軸向載荷時各部分無變形，
外環(huán)固定、內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)的情況下，假設(shè)內(nèi)環(huán)滾道、外環(huán)滾道、滾動體或保持架上有一處局 部缺陷（剝落或裂紋），則滾動體通過缺陷時，產(chǎn)生的沖擊振動間隔頻率也稱為軸承故障

特征頻率。根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計算的軸承故障特征頻率，如表４．１。
表４．１軸承故障特征頻率
Ｔａｂｌｅ ４．１ Ｂｅａｒｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

缺陷位置 內(nèi)環(huán)

特征頻率

備注 Ｚ個滾動體通過內(nèi)環(huán)上一處缺陷的頻率

ｚ＝互１ ｚ（１＋萬ｄ

ｃ。ｓ口），

外環(huán)

滾動體

保持架

無＝吉ｚ（１一五ｄ ｃ…）， ‘＝瓦Ｄ Ｚ【１一（丟ｃ。ｓ口）２】， 以＝三（，一丟ｃｏｓｍ

Ｚ個滾動體通過外環(huán)上一處缺陷的頻率

滾動體上一點通過內(nèi)環(huán)或外環(huán)的頻率

保持架旋轉(zhuǎn)頻率，也是滾動體的公轉(zhuǎn)頻率

，一軸旋轉(zhuǎn)頻率；Ｄ一軸承的節(jié)圓直徑；ｄ一滾動體的直徑；
ｚ一為滾動體的個數(shù)；口一為軸承壓力角。

在實際工作中，有時無法查到所測軸承的有關(guān)幾何尺寸，根據(jù)經(jīng)驗，對于安裝方式 為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定的軸承可按軸承的滾珠數(shù)Ｚ來估算其內(nèi)外圈的故障頻率。即０．６ｚｆ，．

為內(nèi)圈故障頻率，Ｏ．４礬為外圈故障頻率。
３０

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

此外，滾動軸承在其運轉(zhuǎn)過程中，滾動體與內(nèi)圈或外圈之間產(chǎn)生沖擊可能誘發(fā)軸承 各元件的固有頻率振動。軸承元件的固有頻率僅取決于其材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量及安 裝方式，而與軸承的轉(zhuǎn)速無關(guān)。 鋼球的固有頻率計算公式為

厶＝半悸
，．

他２，

Ｖ Ｚｐ

式中，，．為鋼球的半徑ｂ），ｐ為材料密度惱／ｍ２），Ｅ為鋼球的彈性模（Ⅳ／聊２）。
內(nèi)外圈的固有頻率計算公式為：

ｆ（ｔ．ｏ＞，＝９．４０ｘ１０５

ｘＲ２√等×麗ｎ（ｎ２－１）

∽３，

式中，尺為圓環(huán)回轉(zhuǎn)軸到中性軸的半徑ｍ），０—１）為固有頻率的階數(shù)，胛＝２，３，４，…，

Ｉ為圓環(huán)截面繞中性軸的慣性矩似４），Ｍ為圓環(huán)單位長度內(nèi)的質(zhì)量（堙／聊）心０‘４３１。
４．１．３滾動軸承典型故障分析

滾動軸承常見的故障為內(nèi)環(huán)、外環(huán)或滾動體出現(xiàn)點蝕和疲勞剝落。因損傷部位不同
頻譜圖中的故障特征頻率也不同，各軸承元件故障振動信號時域波形和頻譜如圖４．３所 示。 圖４．３（ａ）為外環(huán)故障振動波形和頻譜圖。滾動體每次通過點蝕產(chǎn)生的沖擊信號波

形，其峰峰值為故障間隔頻率的倒數(shù)。由于外環(huán)是固定不動的，滾動體通過點蝕時具有 相等的沖擊強度。則外環(huán)故障時的故障振動頻率為：，吮＝ｎｚｆ。（ｎ＝１，２，…）。
圖４．３（ｂ）為內(nèi)環(huán)故障振動波形和頻譜圖。由于內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)，故障位置也隨之旋轉(zhuǎn)，故 滾動體通過內(nèi)環(huán)故障位置，產(chǎn)生的沖擊信號波形是周期性變化的。形成了以內(nèi)環(huán)間隔頻

率關(guān)為載波的脈沖信號幅值調(diào)制，調(diào)制頻率為滾動體的公轉(zhuǎn)頻率以或軸的轉(zhuǎn)頻，。則 內(nèi)環(huán)故障時的故障振動頻率為：諺±兀（，）（刀＝１，２，…）。
圖４．３（ｃ）為滾動體故障振動波形和頻譜圖。由于滾動體缺陷與內(nèi)、外環(huán)接觸位置在

變動，故所產(chǎn)生的波形與內(nèi)環(huán)故障類似，脈沖幅值也出現(xiàn)周期性變化，但由于滾動體自
轉(zhuǎn)一周分別與內(nèi)外環(huán)各接觸一次，會產(chǎn)生２個脈沖力，且由于損傷點與內(nèi)環(huán)接觸時產(chǎn)生

的脈沖力相比較損傷點與外環(huán)接觸時小的多，會產(chǎn)生如圖所示強弱相間的振動沖擊。此

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

時的間隔頻率兵的脈沖幅值將為滾動體公轉(zhuǎn)頻率無所調(diào)制。．則滾動體故障時的故障振

動頻率為：，以＋ｆｂ（ｎ＝１，２，…），嘰０＝１，２，…）。

１，玩
●—●

ｌ
－

Ｊ
Ｉ

ｌ
Ｉ

Ｊ 【ｊ
１

Ｉ Ｉ ｌ Ｉ

ｒ

Ｉ

ｌ

（句外環(huán)故障時攝動信號時域搜形和攢者圈

（ａ）內(nèi)環(huán)技障時振動信號時域波形和頻譜囤

一

＾

‘■＾

ｌＩ－Ａ ● ‘＿足¨兒 石Ｈ¨¨ｍ ●Ｉ－Ｉｌ且ｎ

一

（ｃ）滾動體散障對振動信號時域波形和頻謹圖

ｊ一

圖４．３軸承元件故障振動信號時域波形和頻譜圖
Ｆｉｇ．４．３ Ｂｅａｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｆａｕｌｔ’ｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｖｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ

４．１．４滾動軸承故障診斷方法 診斷滾動軸承故障時，應(yīng)根據(jù)軸承故障類別不同，采用不同的診斷方法。 磨損類故障是一個漸變性的故障，振動強度隨磨損嚴重程度而增大。當軸承出現(xiàn)磨 損時，振動信號的特征是隨機性很強，無明顯的周期信號存在，振幅的概率密度大體均 為正態(tài)分布，頻譜亦無明顯差別。因此可通過定期監(jiān)測軸承的振動能量，作趨勢分析和 預(yù)報。速度有效值（均方根值）指標是判定軸承磨損程度的理想特征參數(shù)。 損傷類故障是一種突發(fā)性較強又比較危險的故障，故障早期癥狀較難識別，是我們 進行故障診斷時重點加以研究的。 滾動軸承損傷類故障會產(chǎn)生沖擊脈沖信號，但是由于與其它隨機信號混雜，從時 域波形上往往很難直接觀察出來。在時域診斷方法中，峭度指標對于脈沖型故障比較敏 感，特別是故障在早期發(fā)生時，它有明顯增加，表明它對早期故障有較高敏感性呤引�？� 以通過峭度指標來檢測是否有早期沖擊脈沖信號出現(xiàn)。
３２

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

頻域分析方法可以對軸承早期故障進行精密診斷。若要具體診斷出是否是軸承故障 及軸承損傷的具體部位，需要對信號進行頻域分析。圖４．４為滾動軸承振動的頻譜結(jié)構(gòu)， 可分為３個部分［４０＿４３｜：
幅值

低頻段

中頻段

高頻段

圖４．４滾動軸承振動的頻譜結(jié)構(gòu)
Ｆｉｇ．４．４ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ’ｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

①低頻段頻譜（１ｋＨｚ以下）。包括軸承的故障特征頻率及加工裝配誤差引起的振動特
征頻率。通過分析低頻段的譜線，也可以監(jiān)測和診斷相應(yīng)的軸承故障。但是，由于這一 頻段易受機械中其它零件及結(jié)構(gòu)的影響，并且在故障初期反映故障部位的特征頻率，其 能量很小，常常淹沒在噪聲之中。

②中頻段頻譜（１ｋＨｚ－－２０ｋＨｚ）。主要包括軸承元件表面損傷引起的軸承元件固有振
動頻率。分析此頻段內(nèi)的振動信號可以較好地診斷出軸承的局部損傷故障。

⑧高頻段頻譜（２０ｋＨｚ以上）。如果加速度傳感器諧振頻率較高（４０ｋＨｚ以上），那么
由于軸承損傷引起的沖擊在２０ｋＨｚ以上的高頻也有能量分布，周測得的信號中含有 ２０ｋＨｚ以上的高頻成分。對此高頻段信號進行分析也可以診斷出相應(yīng)的軸承故障。

故障產(chǎn)生的振動能量激勵起軸承和軸承座各零部件的固有頻率振動，振動信號的頻

ｒ…ｃ１

率成分不僅包含低頻軸承故障特征頻率，還包含軸承各部件的高頻固有頻率Ｈｂ”。。如 何去除高頻固有頻率，提取出低頻故障特征頻率，是滾動軸承故障診斷的關(guān)鍵。包絡(luò)診 斷法能夠提取載附在高頻信號上的低頻信號，是滾動軸承故障診斷最有效的一種方法。 該方法以軸承系統(tǒng)的共振頻率區(qū)為監(jiān)測帶，振動信號經(jīng)放大、濾波和解調(diào)，獲得脈動沖 擊的低頻脈動信號，以此作為分析的依據(jù)，結(jié)合軸承故障特征頻率即可診斷出軸承故障。 圖４．５為滾動軸承包絡(luò)診斷的信號處理步驟。

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

Ｘ（ｔ）

ｍ’Ｆ一屯，…秘如筆
ａ）振動波形
。一

』電！執(zhí)�！橹舐瓷��！� ｔ

絕對值處理｛波形
ｘ（ｔ）＇

仁ｌ／ｆ
卜——————～１

Ｉ
ｘ“）ｆ

ｒ

一／／—、一。。，一７—＼～／”’＼。．。／”氣＼～
ｔ

ｃ）（ｂ）帕包絡(luò)線處理波形

Ｌ…一疋…，／ｔ…一一Ｌ～九…一
ｆ ２ｆ ３ｆ ４ｆ

ｆ

ｄ）【ｃ）的頻譜圖
圖４．５滾動軸承包絡(luò)診斷的信號處理步驟
Ｆｉｇ ４．５ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ

進行包絡(luò)解調(diào)的關(guān)鍵之一在于帶通濾波，能否將包含缺陷的固有振動分離出來十分 重要。 ４．１．５滾動軸承故障診斷實例 Ｄ０１５ＭＣＮＣ８２連桿齒型磨床是西德ＥＬＢ公司制造的，用于加工連桿與端蓋結(jié)合面牙 口，全廠獨此一臺，投產(chǎn)至今，一直未大修。２００４年９月起對其主軸系統(tǒng)進行定期檢測。 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置如圖４．６所示。

ｉ

‘Ｌ

黧霧

＼ｒ川

一一

ｊ一

上＊（
一

、鄉(xiāng)

Ｌ

圖４．６連桿齒形磨床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置
Ｆｉｇ．４．６ Ｍａｉｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅａｓｔｌｒｅ ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

２００５年７月在３＃測點的加速度包絡(luò)譜圖中發(fā)現(xiàn)有１５６．７５ＨＺ頻率分量和其高次諧頻， 如圖４．７所示，恰好與計算所得的后軸承外環(huán)的故障特征頻率相同，判斷該軸承外環(huán)出 現(xiàn)缺陷。

圖４．７ ３＃測點垂直向振動加速度包絡(luò)譜圖
Ｆｉｇ．４．７ Ｎｏ．３ ｐｏｉｎｔ’ｓ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｃｈａｒｔ

縮短測試周期，監(jiān)測故障發(fā)展趨勢，同時通知車間抓緊準備備件并安排維修。檢 修結(jié)果發(fā)現(xiàn)該軸承外環(huán)表面有剝落，與診斷結(jié)論相符。

４．２齒輪故障診斷
４．２．１齒輪振動機理分析

齒輪系

振動

———————◆

軸系振 動

————————●＇

軸承系
振動

———————＿一■

軸承座及

床體振動

圖４．８齒輪振動產(chǎn)生機理
Ｆｉｇ．４．８ Ｇｅａｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ’Ｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ

齒輪產(chǎn)生振動的機理可用圖４．８來說明。齒輪可看成是以輪齒為彈簧、齒輪本身為 質(zhì)量的振動系統(tǒng)，由于齒輪剛度周期性的變化、齒輪裝配誤差以及載荷變化等外因引起
的激振力的作用，齒輪將產(chǎn)生圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動，此振動可通過軸、軸承傳到軸承座 及床體，軸、軸承的振動也傳給軸承座及床體，使床體產(chǎn)生振動。 （１）齒輪傳動的動力學(xué)模型１８，１５Ｊ

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齒輪的振動系統(tǒng)是一個相當復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。要建立其完整的非線性振動模型非
常困難，在研究齒輪故障時，通常將齒輪副進行簡化。齒輪副作為一個振動系統(tǒng)，物理

模型可以簡化為圖４．９所示。

圖４．９齒輪副嚙合物理模型
Ｆｉｇ．４．９ Ｇｅａｒｓ ｅｎｇａｇｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ

ｍｏｄｅｌ

根據(jù)振動理論，其動力學(xué)方程為【３ ７Ｊ：

旌＋Ｃ譬＋ｋ（ｔ）ｘ＝Ｆ（ｆ）
式中：Ｘ一沿嚙合線上齒輪相對位移；ｃ一齒輪嚙合阻尼；尼（ｆ）一嚙合剛度； Ｍ一齒輪副質(zhì)量，Ｍ＝（聊ｌｍ２）／（川１＋ｍ２）；Ｆ（，）－＃ｂ界激勵。

（４．４）

Ｆ（ｔ）為動載荷，包括故障缺陷所產(chǎn)生的激勵，它的變化受齒輪剛度和傳動誤差變化

的影響，同時還與齒面摩擦力方向的變化有關(guān)。在潤滑狀態(tài)良好且齒面粗糙度低的情況
下，齒面摩擦力變化對振動的影響較小，可忽略，從而可以表示為： ＾眾＋Ｃ譬＋ｋ（ｔ）ｘ＝ｋ（ｔ）Ｅｌ＋ｋ（ｔ）Ｅ２０）
（４．５）

公式（４．５）的左側(cè)代表齒輪副本身的振動特征，右側(cè)為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看 出，齒輪的振動來源于兩部分：第一部分為ｋ（ｔ）Ｅ，，其中Ｅ為齒輪承載后的平均靜彈性 變形，它與齒輪的誤差和故障無關(guān)。正常齒輪在嚙合過程中也會產(chǎn)生微量振動，因此稱 這部分為常規(guī)振動；第二部分為ｋ（ｔ）Ｅ：（，），其中Ｅ：（，）為齒輪誤差和故障造成的兩齒輪 間的相對位移，稱為故障函數(shù)。ｋ（ｔ）Ｅ，（，）可以較好解釋與故障有關(guān)的齒輪振動。 （２）齒輪副的嚙合剛度 剛度是反應(yīng)零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力，其大小由產(chǎn)生單位變形所需要 的外力或外力矩來表示。對齒輪振動的產(chǎn)生，齒輪嚙合剛度是一個很重要，同時也是一 個很復(fù)雜的參數(shù)，它受諸多因素的影響，如傳遞載荷、載荷分布、輪齒變形、嚙合位置 和齒輪重合系數(shù)等。

３６

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

公式（４．５）中的齒輪嚙合剛度后（ｆ）是參與嚙合的單對齒輪的綜合剛度，是一個周 期性的變量，原因有以下兩點：一是隨著嚙合點位置的變化，參與嚙合的單一齒輪的剛

度發(fā)生變化；二是參與嚙合的齒數(shù)在變化。假定齒輪副的重合度占≤２，單嚙區(qū)長度為ａ， 雙嚙區(qū)長度為ｂ，則剛度ｋ（ｔ）如圖４．１０所示…。
Ｋ（ｔ）

直齒輪 圖４．１０嚙合剛度變化曲線
Ｆｉｇ．４．１０ Ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ’Ｓ

斜齒輪

ｃｕｒｖｅ

由圖４．１０可知，從一個輪齒進入嚙合到下一個輪齒進入嚙合，齒輪的嚙合剛度就 變化一次。齒輪的嚙合剛度變化規(guī)律取決與齒輪的重合系數(shù)和齒輪的類型，直齒輪的重

合度低，剛度變化較陡，可用周期的矩形函數(shù)來描述；斜齒輪重合度高，剛度變化較為
平緩，接近正弦波，波動幅度小，從而引起齒輪的振動和噪聲小，運行比直齒輪平穩(wěn)。 若齒輪副主動輪轉(zhuǎn)速為ｎ．、齒數(shù)為ｚ，；從動輪轉(zhuǎn)速為行：、齒數(shù)為ｚ：，則齒輪嚙合 剛度的變化規(guī)律（嚙合頻率．疋）為：

丘＝ｚｚ?＝厶ｚ２－靜＝裔ｚｚ
４．２．２齒輪故障頻率特征
（１）正常齒輪的頻域特征

（４．６）

正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性的衰減波形，反映在頻域上，有嚙合頻

率及其諧波分量礬Ｇ＝１，２，…），且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減��；同時，
在低頻處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波分量ｍｆ，（ｍ＝１，２，…），如圖４．１１所示。

３７

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

圖４．１ｌ齒輪的頻域特征
Ｆｉｇ．４．１ １ ｇｅａｒ’Ｓ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ

（２）齒輪振動信號頻域的主要故障特征有：

在機床上測得的信號為上述信號一種或幾種綜合作用的結(jié)果，實際情況是比較復(fù)雜 的，可能還包含了各種干擾信號。下面分別介紹各個特征成分對應(yīng)的故障類型，并分析

其產(chǎn)生原斟４２一刪。
①嚙合頻率及其各次諧波
Ａ

ｆｃ

２ｆｃ

３ｆｃ

ｆ

圖４．１２齒輪嚙合頻率及其高次諧波
Ｆｉ ｇ．４．１２ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎ ｉ
ｃ ｗａｖｅ

ｏｆ Ｇｅａｒ ｅｎｇａｇｍｅｒｔ

齒輪的振動主要是由嚙合剛度后（，）的周期變化引起的，齒輪處于正�；虍惓顟B(tài)

下，嚙合頻率振動成分及其諧波總是存在的，但兩種狀態(tài)下振動水平是有差異的。齒輪 嚙合情況良好，產(chǎn)生的嚙合頻率及其各次諧波幅值較低。當齒面發(fā)生磨損，或者負荷增 大，產(chǎn)生齒輪徑向間隙過大等故障時，嚙合頻率及其各次諧波成分的幅值會明顯增大。
特別是當齒面均勻磨損后，齒廓形狀變壞，嚙合時不僅時域上的振動幅值增大，而且在 頻域上嚙合頻率及其各次諧波也有明顯增長，如圖４．１２所示，得注意的是，嚙合頻率的 高次諧波增長比基波快的多，磨損嚴重時，二次諧波幅值可能超過嚙合基波。因此從嚙 合基頻及其各次諧波的相對增長量上可以看出齒面的磨損程度。

②以齒輪嚙合頻率為載波的幅值調(diào)制和頻率調(diào)制
ａ、幅值調(diào)制

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響造成的。例如，齒輪的偏心造成齒 輪嚙合時一邊緊一邊松，從而產(chǎn)生載荷波動，使振動幅值按此規(guī)律周期性變化。又如，

齒輪加工造成節(jié)距不均勻及類似故障使齒輪在嚙合中產(chǎn)生短暫的“加載＂和“卸載＂效
應(yīng)，也會產(chǎn)生幅值調(diào)制。 根據(jù)單一簡諧振動的幅值調(diào)制原理，可設(shè)代表嚙合頻率的載波信號為：

ｇ（ｆ）＝Ａｓｉｎ（２ｎ＂．以－Ｉ－緲）
代表齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制信號為： ｅ（ｔ）＝ｌ＋Ｂｃｏｓ２ｎ＂．，， 則調(diào)幅后的信號為： ｘ（，）＝Ａ（Ｉ ４－Ｂｃｏｓ２ｒｃ．ｆ，ｔ）ｓｉｎ（２＃．丘，＋咖

（４．７）

（４．８）

（４．９）

式中，，ｃ一載波頻率（嚙合頻率）；／，一調(diào)制波頻率（齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率）；
彳一載波信號振幅；Ｂ一調(diào)制指數(shù)；緲一初相角。 將（４．９）式展開，可得

ｘ（，）：彳ｓｉｎ（２萬以，＋糾＋華ｓｉｎ【２萬（正＋，）ｆ＋緲】＋華ｓｉｎ【２萬（丘一，弦＋緲】

（４．１０）

由（４．１０）式可知，信號經(jīng)幅值調(diào)制后，除了原有的嚙合頻率分量外，還增加了一對分量

（丘＋，）和（丘一，），它們是以工為中心，以，為間隔，以幅值華對稱分布于ｚ兩側(cè)，
Ｚ

稱為邊頻帶，如圖４．１３所示。
＾Ｊ

Ｉ

Ａ。

Ｌ

Ａ。

‘毛 ｆｒ
７Ｉ
●１

ｌＩ
圖４．１３幅值調(diào)制

。

Ｉｆ

ｌＩ

－

Ｆｉｇ．４．１３ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

齒輪嚙合振動信號在幅值調(diào)制之前的總能量為Ａ２，經(jīng)幅值調(diào)制之后，總能量Ｅ為

各頻率成分能量之和，即Ｅ＝彳２＋（丟彳Ｂ）２＋‘蠆１彳Ｂ）２＝彳２＋三彳２８２

（４．１ １）

３９

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

此可見，調(diào)幅作用使信號的總能量增加了妻彳２８２，這部分能量的大小就反映了齒 Ｚ
輪的故障程度，而調(diào)制的邊帶的間距則表明了故障產(chǎn)生的部位。 但對于實際的齒輪振動信號，載波信號和調(diào)制信號都不是單一的，一般來說都是周

期函數(shù)。在公式（４．１２）中，ｋ（ｔ）Ｅｌ一般不隨故障的產(chǎn)生而變化，而ｋ（ｔ）Ｅ２（ｆ）是故障發(fā)生時 產(chǎn)生調(diào)制邊頻帶的原因。由公式（４．１０）求得齒輪嚙合振動中的幅值調(diào)制部分可表示為：
Ｊ，（，）＝Ｘｒ（，）ＤＥ（，） （４．１２）

式中，ｘｒ（ｆ）一載波信號，包含了齒輪嚙合正及其高次諧波； ＤＥ（，）一調(diào)制信號，包含了齒輪軸的轉(zhuǎn)頻，及其高次諧波；
ＤＥ（ｆ）反映了齒輪本身誤差和故障情況及其它零部件引起的齒輪傳動誤差情況，包 含了故障所在軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波，對Ｙ（ｔ）做頻譜分析，由于傅立葉變換的性質(zhì)是時 域相乘、頻域卷積，故頻譜圖上形成若干以嚙合頻率及其高次諧波為中心、間隔為齒輪

軸轉(zhuǎn)頻及其高次倍頻的邊頻帶，根據(jù)傅立葉變換的頻域卷積定理，式（４．１１）在頻域中表
示為： Ｓ。（廠）＝Ｓ，（／）棗ＳＤ（廠） （４．１３）

式中：?號一示卷積；Ｓ。（／）一】，（ｆ）傅立葉變換（即頻譜）； Ｓ，（廠）一Ｘｒ（，）傅立葉變換（即頻譜）；ＳＤ—ＤＥ（ｆ）的傅立葉變換（即頻譜）。 如圖４．１４所示，這就是齒輪嚙合頻率幅值調(diào)制邊頻帶的原因。
ｓｏ（力 ｓｘ（，）

ｓｙｉｆ）

。以
．｛ｅ ２｛ｃ ３｛ｃ
｛

ｌ｜Ｉ｜｜Ｉ
｛ｃ

ｌ ｌ，ｌ ｌ｜ｌ＿
３｛ｃ｛。

｛，

｛

２｛ｃ

圖４．１４幅值調(diào)制作用下的邊頻帶
Ｆｉｇ．４．１ ４ Ｓｉｄｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｕｎｄｅｒ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

ｂ、頻率調(diào)制（相位調(diào)制）

齒輪載荷不均勻、齒距不均勻以及故障造成載荷的波動，除了對振幅產(chǎn)生影響，同
時也必然產(chǎn)生扭矩的波動，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動。這種波動表現(xiàn)在振動上即為頻率調(diào)制

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

（也稱相位調(diào)制）。所以，對于齒輪來說如何導(dǎo)致幅值調(diào)制的因素也同時會導(dǎo)致頻率調(diào) 制，兩種調(diào)制總是同時存在的。 在齒輪信號頻率調(diào)制中，載波信號和調(diào)制信號均為一般周期性函數(shù)，包含嚙合頻率 及其倍頻成分，在嚙合頻率及其倍頻兩側(cè)形成一系列邊頻帶，邊頻間隔為齒輪所在軸的

轉(zhuǎn)頻，。
根據(jù)單一簡諧振動的頻率調(diào)制原理，可設(shè)代表嚙合頻率的載波信號為： ｇ（，）＝Ａ ｓｉｎ（２ｕｆ＜，＋緲） 調(diào)制信號為： Ｐ（ｒ）＝ｆｌ ｓｉｎ（２萬．Ｌｔ） 則調(diào)頻后的信號為： Ｘ（，）＝Ａ ｓｉｎ（２ｘ．Ｌｔ＋ｆｌ ｓｉｎ（２７ｒ．，，）＋妒） （４．１ ６） （４．１ ５） （４．１４）

笪
式中，∥一ｆ，頻率調(diào)制指數(shù)即調(diào)制產(chǎn)生的最大相位移；
Ａｆ一最大頻率偏差值，也就是齒輪的最大角速度波動量；

／，一調(diào)制頻率，即分度不均勻齒輪的轉(zhuǎn)頻。
將式（４．１６）展開為無窮級數(shù)：

ｘ（ｆ）：要ｐ。（∥）ｓｉｎ（２礬，＋緲）＋
二

Ｊ１（ｆ１）ｓｉｎ（２ｘ（ｆ。一，ｙ＋伊）＋，１（ｆ１）ｓｉｎ（２ｎ＇（ｆ。＋，）『＋緲）＋

以（ｆ１）ｓｉｎ（２ｘ（ｆ。一２ｆ）ｆ＋緲）＋Ｊ２（ｆ１）ｓｉｎ（２ｒｃ（ｆ。＋２Ｌ弘＋伊）＋…｝（４．１７）
式中的Ｊ。（∥）表示以∥為自變量的第ｎ階貝賽爾系數(shù)。式（４．１７）表示，調(diào)頻振動信 號包含無窮多個頻率分量，其中第一項人Ｊ。（ｆ１）ｓｉｎ（２ｒｃ．丘，＋咖為載波分量；第二、三項
Ｊｌ（∥）有一階上邊帶和下邊帶分量；第四、五項以（∥）有二階上邊帶和下邊帶分量。
Ｘ

一一、一｝套ｌ

ｊ

＾ ㈧㈣人／ ㈣㈣＾ ＼ 洲ｙ礦Ｖ Ｖ … ｙＩ Ｖ¨一
４１

大連交通大學(xué)ＩＴ學(xué)碩卜學(xué)位論文

．

（ａ）

（ｂ）

圖４．１５頻率調(diào)制作用下的邊頻帶
Ｆｉｇ．４．１ ５ Ｓｉｄｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｕｎｄｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

在頻域上，以（∥）各項是以載波頻率‘為中心，以調(diào)制頻率，為間隔的，對稱分 布的無限多對調(diào)制邊帶，如圖４．１５（ｂ）所示，邊頻帶幅值的高低和形狀主要取決于∥。圖
４．１５（ａ）是頻率調(diào)制的時域信號。 ｃ、調(diào)幅調(diào)頻 在齒輪實際運轉(zhuǎn)過程中，齒輪故障的調(diào)幅和調(diào)頻現(xiàn)象總是同時存在的，形成交叉調(diào) 制。雖然幅值調(diào)制和頻率調(diào)制具有相同的載波頻率、邊帶間隔以及邊帶對稱載波頻率分 布的特點，但由于邊頻成分的相位不同，邊頻帶的疊加是向量疊加，使調(diào)制頻率兩邊的 邊頻帶并不呈對稱分布，如圖４．１６所示。這就給齒輪故障診斷帶來的很大的困難，對調(diào) 制現(xiàn)象及其邊頻帶分布特點的研究是齒輪故障診斷中一個很重要的課題。

圖４．１６齒輪調(diào)幅調(diào)頻作用下的邊頻帶
Ｆｉｇ．４．１ ６ Ｓｉｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｕｎｄｅｒ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ＆ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

③以齒輪及機床其它零部件的固有頻率為載波的調(diào)制
當發(fā)生斷齒、齒形嚴重誤差、軸彎曲比較嚴重時，由于振動能量比較大，激振能量

大，不但產(chǎn)生齒輪嚙合頻率調(diào)制，而且會激勵起齒輪本身以及機床其它零部件的固有振
動，在其固有頻率附近產(chǎn)生一個高頻響應(yīng)。在頻譜圖中固有頻率附近出現(xiàn)調(diào)制邊頻帶， 產(chǎn)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。齒輪等固有頻率調(diào)制現(xiàn)象是機床產(chǎn)生故障的一個很重要的因 素，應(yīng)引起重視１３引。

④其它頻率成分
附加脈沖：齒輪平衡不良、對中不良、零部件機械松動等缺陷都會引起附加脈沖。 它們均是旋轉(zhuǎn)頻率及低次諧波的振源，而不一定與齒輪本身缺陷直接有關(guān)。 隱含成分：新齒輪傳動時，其頻譜圖上除了旋轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率及其邊頻成分之外， 還會出現(xiàn)某一頻率及其低次諧波成分，這是加工該齒輪所用機床的分度齒輪的嚙合頻 率，稱為隱含成分。在齒輪運行一段時間后，隱含成分及其諧波成分逐漸減小。

４２

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

４．２．３齒輪典型故障分析

齒輪典型故障的頻域特征總結(jié)如下【３４’３９】：
（１）齒輪均勻磨損

齒輪均勻磨損時由于無沖擊振動信號產(chǎn)生，一般不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。磨損發(fā)
展到一定程度時，嚙合頻率及其各次諧波幅值明顯增大，而且高次諧波幅值相對增大較 多，如圖４．１７所示。

（ａ）正常齒輪 圖４．１７齒輪的頻域特征

（ｂ）均勻磨損齒輪

Ｆｉｇ．４．１ ７ ｇｅａｒ’Ｓ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ

（２）齒輪局部異常 齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差 等，圖４．１８（ａ）表示了幾種常見的異常情況，圖４．１８（ｂ）表示局部異常齒輪的振動波形。

卜齒根部有裂紋 ２一局部齒面磨損 ３一局部齒形誤差

妒岫

赳
ｆｂ）

ｆａ）

圖４．１８局部異常齒輪的振動波形
Ｆｉｇ．４．１ ８ Ａｂｎｏｒｍａｌ ｇｅａｒ’ｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｗａｖｅ

齒輪運轉(zhuǎn)時，由于上述四種局部異常，異常部位參與嚙合時會產(chǎn)生很大的沖擊振動，
時域上表現(xiàn)為幅值很大的、有規(guī)律的沖擊振動，沖擊頻率等于故障齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻。 在頻域上具體表現(xiàn)為：

４３

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)何論文

①嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔為軸轉(zhuǎn)頻的邊頻帶，由于沖擊信號可以分解
為許多正弦分量之和，因此形成的邊帶數(shù)量多且均勻，如圖４．１９顯示。

②通過細化譜或解調(diào)譜可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)頻及高次諧波，甚至出現(xiàn)１０階以上； ③由于沖擊能量大，還能激勵起齒輪固有頻率，出現(xiàn)以齒輪各階固有頻率為載波頻
率，以故障齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波為調(diào)制頻率的調(diào)制邊頻帶。 Ｇ（ｆ）

ｆｃ

２ｆｃ

３ｆ。

ｆ

圖４．１９齒輪缺陷對邊頻帶的影響
Ｆｉｇ．４．１ ９ Ｇｅａｒ ｆａｕｌｔ’ｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｓｉｄｅｂａｎｄｓ

（３）齒輪偏心

齒輪偏心時主要產(chǎn)生調(diào)幅振動，時域波形有明顯的調(diào)幅現(xiàn)象，頻域上產(chǎn)生以嚙合頻

率為中心，以故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的一階邊頻，即蛻±，（ｎ＝１，２，…），同時故障

齒輪的旋轉(zhuǎn)特征頻率咀（ｍ＝１，２，…）幅值增大，如圖４．２０所示。

圖４．２０齒輪偏心的頻譜特征
Ｆｉｇ．４．２０ Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｇｅａｒ’ｓ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

（４）齒輪不同軸 齒輪不同軸時主要產(chǎn)生調(diào)幅振動，時域波形有明顯的調(diào)幅現(xiàn)象，頻域上產(chǎn)生以嚙合

頻率為中心，以故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的一階、二階邊頻，即蛻±，、

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

ｎＬ＋－２Ｌ∽＝１，２，…），同時故障齒輪的旋轉(zhuǎn)特征頻率ｍｙ，沏＝１，２９ ｏ＂）在譜圖上有一定反
映，如圖４．２ｌ所示。 Ｇ（ｆ）

Ｏ

圖４．２１不對中的頻譜
Ｆｉｇ．４．２１ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｎｏｔ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｇｔａｒ’ｓ

（５）齒輪不平衡 齒輪不平衡時主要產(chǎn)生以調(diào)幅為主調(diào)頻為輔的振動，頻域上產(chǎn)生以嚙合頻率為中

心，以故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶，即蛻＋－ｍｆｒ（療，ｍ＝１，２，…），同時受不平衡
力的激勵，故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率及諧波ｍｙ，（�。剑�，２，…）的能量也有相應(yīng)的增加。如圖４．２２ 顯示。 Ｇ（ｆ）

０

圖４．２２不平衡齒輪的頻譜
Ｆｉｇ．４．２２ Ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｇｅａｒｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｎｍａ

（６）齒輪有齒距誤差 齒輪有齒距誤差時主要產(chǎn)生調(diào)頻振動，頻域上產(chǎn)生以嚙合頻率為中心，以故障齒輪

的旋轉(zhuǎn)頻率及高次諧波為間隔的邊頻帶族，即ｎｆｏ±峨（以，ｍ＝１，２，…），如圖４．２３所示。

４５

大連交通大學(xué)一【學(xué)碩十學(xué)位論文

Ｇ（ｆ）

０

ｆｃ

２ｆｃ

３ｆｃ

圖４．２３有齒距誤差的頻譜
Ｆｉｇ．４．２３ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｇｅａｒ ｗｉｔｈ ｔｅｅｔｈ ｓｐａｃｅ
ｅｒｒｏｒ

４．２．４齒輪故障診斷方法 齒輪故障診斷主要采用頻域分析方法。將齒輪的頻譜圖與標準頻譜圖對比，觀察各 成分及變化規(guī)律，可以診斷齒輪故障。圖４．２４為齒輪的振動頻譜圖結(jié)構(gòu)㈣。

圖４．２４齒輪的振動頻譜結(jié)構(gòu)
Ｆｉｇ．４．２４ Ｇｅａｒ’Ｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ

（１）低頻段頻譜，包括各軸的旋轉(zhuǎn)頻率成分，齒輪故障會使所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率及 高次諧波頻率的幅值增大； （２）中頻段頻譜，是齒輪嚙合頻率或其諧波頻率區(qū)域，嚙合頻率或其諧波頻率附 近存在一些等間距的邊頻成分，它反映了齒輪故障特征。邊頻的增多在某種程度上揭示

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

了齒輪故障的發(fā)生，邊頻幅值的大小說明故障的嚴重程度，邊頻的間隔頻率反映故障的
來源。因此，對齒輪該頻率區(qū)域的振動信號進行分析，識別嚙合頻率及諧波頻率的邊頻 帶特征，可以有效地識別齒輪故障。

（３）高頻段頻譜，主要包括由齒輪故障激起的齒輪本身以及機床其它零部件的固
有振動頻率。在固有頻率附近出現(xiàn)故障信號的調(diào)制邊頻帶。分析此頻段內(nèi)的振動信號也 可以診斷出相應(yīng)的齒輪故障。

（４）時域同步平均可以將該周期信號從混有噪聲干擾的信號中分離出來，而且保 留指定的周期分量及其高頻諧波分量，提高欲研究周期信號的信噪比。
（５）當調(diào)制頻率過小且邊頻帶很密集時，為了分析頻譜圖中的細微結(jié)構(gòu)需要采用 細化譜分析技術(shù)。 （６）倒頻譜分析有效地提取和識別頻譜上的周期成分，清楚地將嚙合頻率．疋和旋

轉(zhuǎn)頻率ｆ分離開來。
４．２．５齒輪故障診斷實例 前面介紹的設(shè)備編號為０４６－－２０日本牧野公司設(shè)計制造的ＭＣｌ２１０數(shù)控加工中心， 自２００４年９月起對該加工中心的主傳動系統(tǒng)實行狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)機床振動強度有增大 趨勢，振動烈度在允許注意范圍內(nèi)，對該機床進行了故障診斷。 （１）測試方案

①監(jiān)測參數(shù)：加速度 ②測點布置：主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點位置如圖２．４所示 ③監(jiān)測工況：主軸空轉(zhuǎn)，７００轉(zhuǎn)／分鐘 （２）故障特征頻率計算
機床的主傳動系統(tǒng)由兩級傳動組成，傳動路線如圖４．２５所示。

廠百２０（轉(zhuǎn)速ｎ＜７２０ｒ／ｍｉｎ）］

Ｉ軸一磊３４一Ⅱ軸一

Ｌ ６６（轉(zhuǎn)速ｎｉ＞７２０ｒ／ｍｉｎ）Ｊ

卜－Ⅲ軸（主軸）

圖４．２５ ＭＣｌ２１０數(shù)控機床傳動路線圖
Ｆｉｇ ４．２５ ＭＣ １ ２ １ ０ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｋｅｔｃｈ

實測轉(zhuǎn)速為６９１ｒ／ｍｉｎ，各軸轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)頻如表４．２；各傳動組齒輪嚙合頻率如表４．３。

４７

大連交通大學(xué)－丁學(xué)碩十學(xué)位論文

表４．２各軸轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)頻
Ｔａｂｌｅ ４．２ Ｒｏｔａｔｉｏｎ

ｓｐｅｅｄ／ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

軸號
Ｉ ＩＩ

轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）
４０９４ ２１０９ ６９１

轉(zhuǎn)頻（ＨＺ）
６８ ３５ １１．５

ＩＩＩ（主軸）

表４．３各傳動組齒輪嚙合頻率
Ｔａｂｌ
ｅ

４．３

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ

ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ

傳動組號
Ｉ—ＩＩ ＩＩ—ＩＩＩ

嚙合頻率（ＨＺ）
２３４９ ７０３

（３）故障診斷分析 圖４．２６（ａ）是１＃測點第１１次測量的加速度時域波形圖和頻譜圖。從時域波形 看明顯有沖擊脈沖信號，圖中三個衰減脈沖（１，２，３點）的時間間隔為２８ｍｓ（３５ＨＺ）， 是齒數(shù)為２０的小齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率。 圖４．２６（ｂ）在頻譜圖上看到傳動組ＩＩ－ＩＩＩ（齒數(shù)為２０與６ｌ齒輪）嚙合頻率的 二倍頻（１４０６ＨＺ）幅值較大，且兩側(cè)有大量邊頻帶，分布較均勻，頻帶間隔恰好為３５ＨＺ （齒數(shù)為２０的小齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率），因此可以判斷ＩＩ軸上齒數(shù)為２０的小齒輪有較嚴重 的缺陷。
ｌｌａ．杓ｌ

＾ｃ臼●ｌ

ｌ“＇

４８

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

１）７０３．０００

２）１３７０．０００

３）１４０５．０００

４）］４４０．０００

（ｂ）

圖４．２６ １＃測點的加速度時域波形圖和頻譜圖
Ｆｉｇ．４．２６ Ｓｐｅｅｄ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｖｅ ａｎｄ ｆｆｅｎｑｕｅｎｃｙ ｏｆＮｏ．１ ｐｏｉｎｔ’Ｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ

分析１２次測量的加速度頻譜，可以看出傳動組ＩＩ－Ｉｌｌ的嚙合頻率及其倍頻的加速

度幅值變化情況，如表４．４所示。由此可見，嚙合頻率加速度幅值略有變化，而其二倍
頻的幅值則增大了近３倍，這說明傳動組的小齒輪不斷剝落，而且已經(jīng)磨損。
表４．４小齒輪振動加速度幅值
Ｔａｂｌｅ ４．４ Ｌｉｔｌｌｅ ｇｅａｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ’Ｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ

頻率（ＨＺ）

１，２，３，４次平均

５，６，７，８次平均

９，１０，１１，１２次平均

７０３

１９７ｍｍ／ｓ２

１８７ｍｍ／ｓ２

２０７ｍｍ／ｓ２

１４０５

２４５ｍｍ／ｓ２

３９４ｍｍ／ｓ２

５５８ｍｍ／ｓ２

２００６年５月，機床振動突然增大，且機床加工精度超差，進行了大修。發(fā)現(xiàn)小齒
輪磨損嚴重，與診斷結(jié)論一致。

４．３其它典型故障及診斷實例
４．３．１主軸聯(lián)軸器不對中 （１）主要故障特征

①頻率特征：軸的旋轉(zhuǎn)頻率，及倍頻２Ｌ、３Ｌ，嚴重時二倍頻幅值會高于軸頻；

４９

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

②軸向易產(chǎn)生振動，軸向振動幅值有時會是徑向幅值的５０％以上。 （２）故障診斷實例
設(shè)備編號４６—２１是另外一臺日本牧野公司設(shè)計制造的ＭＣｌ２１０數(shù)控加工中心，在監(jiān) 測時發(fā)現(xiàn)機床振動強度增大，于是對該機床進行了故障診斷。

①測試方案
監(jiān)測參數(shù)：加速度

測點布置：主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點位置如圖２．４所示
監(jiān)測工況：主軸空轉(zhuǎn)，７００轉(zhuǎn)／分鐘

②故障特征頻率計算
機床的主傳動系統(tǒng)由兩級傳動組成，傳動路線如圖４．２４所示。 轉(zhuǎn)速為７００轉(zhuǎn)／分時，各軸轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)頻如表４．２。

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

③故障分析診斷 ３＃測點垂直向振動速度頻譜圖如圖４．２７所示。通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)第１ＩＩ軸的旋轉(zhuǎn)頻
率６７．５ＨＺ及高次諧波的幅值較大，有２倍頻、３倍頻出現(xiàn)，且２倍頻幅值大于１倍頻幅值，

完全符合平行不對中的故障特征。因此，診斷認為是與電機連接的聯(lián)軸器平行不對中造 成的。通過加速度譜分析，沒有發(fā)現(xiàn)齒輪故障；通過加速度包絡(luò)譜分析沒有發(fā)現(xiàn)軸承故 障頻率，說明主傳動系統(tǒng)內(nèi)部各零件無缺陷。經(jīng)拆機檢修，齒輪完好，可繼續(xù)使用，主
軸軸承雖有磨損但并無缺陷，聯(lián)軸節(jié)的鍵與鍵槽磨損嚴重，與診斷結(jié)果完全吻合。

圖４．２７ ３＃鋇ｌＪ點垂直向振動速度頻譜圖
Ｆｉｇ．４．２７ Ｎｏ．３ ｐｏｉｎｔ’ｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

４．３．２機械松動 （１）主要故障特征

①特征頻率：軸的旋轉(zhuǎn)頻率．ｆ及３—１０次的高次諧頻； ②垂直方向振動。
（２）故障診斷實例 Ｄ０１５ＭＣＮＣ８２連桿齒型磨床是西德ＥＬＢ公司制造的，用于加工連桿與端蓋結(jié)合面牙口。

近期該設(shè)備狀態(tài)異常，機床振動強度增大，并出現(xiàn)悶車現(xiàn)象，前托架軸承因損傷嚴重更
換后有所改善。但時間不久，機床運行狀況又出現(xiàn)劣化，再次進行故障診斷。

①測試方案
監(jiān)測參數(shù)：速度 測點布置：主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)筒圖及測點布置如圖４．６所示 監(jiān)測工況：隨機檢測

②故障特征頻率 測得主軸轉(zhuǎn)速為７９５轉(zhuǎn)／分鐘，計算主軸旋轉(zhuǎn)頻率，＝１３．２５ＨＺ。

查蘭苧翌奎蘭三蘭竺圭蘭竺堡蘭
＠故障分析診斷
圖４ ２８為】＃測點垂直方向測量的速度頻譜圖，發(fā)現(xiàn)頻譜圖中有主軸基頻ｆ及大

量高次諧波出現(xiàn)，且幅值較大：圖４．２９為３＃測點水平方向測量的速度頻譜圖，未見高 次諧波，說明振動只在垂直方向，符合機械松動的頻率特征，判斷是主軸前托架有松動。 維修后，重新測量ｌ＃測點垂直方向的速度頻譜圖如圖４．３０所示，振動明顯減小，且高 次諧波消失，機床運行恢復(fù)正常。

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圖４
２９

３＃測點水平方向測量的速度頻譜圖

Ｆｉｇ ４ ２９ＮｏＩ ｐｏｉｎｔ’ｓ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ

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翻４ ３０維修后１＃測點垂直方向的速度頻譜圖
Ｆｉｇ ４ ３０Ｎｏ】ｐｏｉｎｔ’ｓｖｅｒｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄｆ”ｑｕｃｎｃｙ

ｓｐｅｃｍｌｍａｆｔｅｒｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ

４ ３

３電機故障診斷實例

Ｍ１３８０ＢＩ抽軸主軸頸磨床是德國產(chǎn)數(shù)控磨床，用于曲軸主軸頸最后的磨削加工。曲軸 主軸頸表面磨削后出現(xiàn)螺旋紋．導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。為查找原因，決定對該磨床進行 測試和故障診斷。 初步分折主軸頸表面螺旋紋主要是由振動產(chǎn)生的，必須尋找出振源，才能徹底排除 故障。產(chǎn)，Ｅ振動的振源主要在磨頭和主軸兩部分，經(jīng)初步測試，塘頭部分運行平穩(wěn)，振 動強度不大，而主軸部分振動強度偏大，因此將重點對主軸部分進行振動測量和信號分 析。主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置如圖４ ３１所示。

圖｛３１
Ｆｉｇ．４ ３ｌ

Ｍ１３８０Ｂ曲軸主軸顫磨床主ｌＩＩＩ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡酗及測點ｔｆｌｉ簧
ｓｔｒＬｌｃｔｕｒｅ

Ｍ１３８０Ｂ ｃｒａｎｋ ａｘｌｅ ｐｒｉｃｉｐｅｌ ａｘｉｓ

ａｎｄｍｅ３ｓｕｒｅｐｅｉｎｌ

ｐｏｓｉｔｉｏｎ

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)各測點均有５０ＨＺ的頻率成分，電機上的５＃、６＃測點幅值最大，
圖４．３２為５＃測點水平方向的速度頻譜圖，出現(xiàn)５０ＨＺ及高次諧波成分，５０ＨＺ正好是電源頻 率，正常情況下直流電機的圖譜不應(yīng)該有電源頻率（５０ＨＺ）及其高次諧波存在，由此可 以懷疑電機發(fā)生故障。曲軸主軸頸表面加工質(zhì)量降低是因電機故障產(chǎn)生的振動，傳到主

軸，引起主軸振動所致。根據(jù)診斷結(jié)果，只拆下電機檢修就排除了故障，避免了對主軸 箱的盲目拆機檢查。

圖４．３２ ５＃測點水平向振動速度頻譜圖
Ｆｉｇ．４．３２ Ｎｏ．５ ｐｏｉｎｔ’Ｓ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ

圖４．３３、４．３４分別為１＃測點維修前、后水平方向振動速度頻譜圖，可見，維修后， ５０ＨＺ頻率成分消失。

圖４．３３維修前ｌ＃測點水平向振動速度頻譜圖
Ｆｉｇ．４．３３ Ｎｏ．１ ｐｏｉｎｔ’Ｓ ｈｏｆｉｚｏｎｍｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂｅｆｏｒｅ ｍａｉｎｔａｉｎ

第四章數(shù)控機床振動故障診斷

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圖４．３４維修后１＃測點水平向振動速度頻譜圖
Ｆｉｇ．４．３４ Ｎｏ．１ ｐｏｉｎｔ’Ｓ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｆｔｅｒ ｍａｉｎｔａｉｎ

表４．５為ｌ＃測點維修前后水平、垂直、軸向的振動速度有效值對比，維修后的振動

速度幅值大致減小到維修前的一半。
表４．５ ｌ＃測點維修前、后的振動速度幅值（ｕ／ｓ）
Ｔａｂｌｅ ４．５ Ｎｏ．１ ｐｏｉｎｔ’Ｓ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｍａｉｎｔａｉｎ

方向 維修前 維修后

水平（１Ｖ）
０． １３８

垂直（１Ｈ）
０． ０． ３１７ １９１

軸向（１Ａ）
Ｏ． １３８

０．０７６

０．０８９

常見機械故障與頻譜結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系見圖４．３５。
振幅

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二二．２二ｏ．；頻率（ＨＺ）
ｒ

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圖４．３５機械故障與頻譜結(jié)構(gòu)
Ｆｉｇ．４．３５ Ｍａｃｈｉｎｅ ｄｅｆａｕｌｔ

ａｎｄ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

５５

大連交通大學(xué)Ｔ學(xué)碩十學(xué)位論文

本章小節(jié)’
（１）針對數(shù)控機床最易發(fā)生的軸承故障和齒輪故障進行重點研究，包括振動機理
分析、故障特征信息、典型故障分析、故障診斷方法并列舉故障診斷成功實例；

（２）滾動軸承著重研究因故障引起的沖擊脈沖振動機理，滾動軸承故障特征頻率
的計算方法，滾動軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)或滾動體點蝕的典型故障振動的時域及頻域特征及針 對不同故障類別采用不同的診斷方法；

（３）滾動軸承磨損類故障可通過定期監(jiān)測軸承的速度有效值，作趨勢分析和預(yù)報；
損傷類故障時域分析可以通過峭度指標來檢測早期故障，頻域分析可以對軸承早期故障 進行精確診斷。 包絡(luò)解調(diào)法是滾動軸承診斷最有效的一種方法。該方法以軸承系統(tǒng)的共振頻率區(qū)為 監(jiān)測帶，振動信號經(jīng)放大、濾波和解調(diào)，獲得脈動沖擊的低頻脈動信號，以此作為分析 的依據(jù)，結(jié)合軸承故障特征頻率即可診斷出軸承故障。

（４）利用動力學(xué)模型，在分析齒輪嚙合剛度周期性變化的基礎(chǔ)上，闡述了齒輪的 振動故障機理；從信號調(diào)制角度分析齒輪故障特征，即以齒輪嚙合頻率及其各次諧波為
載波頻率，以齒輪故障頻率及其高次諧波為調(diào)制頻率的調(diào)制邊頻帶；分析各種典型故障 振動的時域及頻域特征，包括齒輪均勻磨損、齒輪局部異常、齒輪偏心、齒輪不同軸、 齒輪不平衡、齒輪具有齒距誤差： （５）齒輪故障診斷主要采用頻域分析方法，邊頻幅值的大小說明故障的嚴重程度，

邊頻的間隔頻率反映故障的來源，識別嚙合頻率及諧波頻率的邊頻帶特征，可以有效地
識別齒輪故障。 （６）時域同步平均可以將該周期信號從混有噪聲干擾的信號中分離出來，細化譜

分析可以分析頻譜圖中的密集邊頻帶，倒頻譜分析可以有效地提取和識別頻譜上的周期 成分，清楚地將嚙合頻率．疋和旋轉(zhuǎn)頻率ｆ分離開來。
（７）介紹其它典型故障研究及診斷實例，包括主軸聯(lián)軸器不對中、機械松動和電 機故障。

５６

結(jié)論與展望

結(jié)論與展望
結(jié)論
本文在對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點、機械振動測試和故障診斷原理、數(shù)字信號處理原理

等充分研究的基礎(chǔ)上，重點研究了振動診斷技術(shù)在數(shù)控機床的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的
實際應(yīng)用。得到以下結(jié)論： （１）針對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點，確定的監(jiān)測和診斷對象、監(jiān)測參數(shù)、測點及方向、 測試工況和監(jiān)測周期是正確可行的。 （２）頻譜分析是故障診斷中最常用的分析方法，利用幅值譜和功率譜分析振動信 號的頻率結(jié)構(gòu)，通過分析、比較各個諧波分量的大小及變化規(guī)律，結(jié)合故障特征頻率可 以有效診斷機床故障。 （３）包絡(luò)解調(diào)法能夠能有效提取載附在高頻信號上的低頻信號，是滾動軸承診斷 最有效的一種方法。 （４）齒輪故障診斷主要采用頻域分析方法，識別嚙合頻率及諧波頻率的邊頻帶特 征，可以有效地識別齒輪故障。 （５）應(yīng)用振動診斷技術(shù)能夠有效地對數(shù)控機床進行狀態(tài)識別、趨勢預(yù)測和故障診 斷，達到保證設(shè)備安全、可靠運行，進行適時、有效維修的目的。

展望 （１）針對具體的機床制定的相對標準，若制定得當，其效果將會比使用絕對標準
還要好，其不足之處在于，標準的建立周期長，今后可在建立機床相對標準及標準譜圖 方面做進一步研究。 （２）數(shù)控機床機械故障部件比較密集，容易相互影響。因此應(yīng)針對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)

復(fù)雜，振動系統(tǒng)屬多激勵、非線性系統(tǒng)等特點，在振動信號的處理和分析方法方面，今 后應(yīng)進一步探索適用于數(shù)控機床故障診斷的新方法，比如針對非平穩(wěn)信號的時頻域分析
在占

號手ｏ

（３）小波分析作為一種新的數(shù)字信號處理方法，克服了Ｆｏｕｒｉｅｒ變換不適用于非
平穩(wěn)信號分析，不能同時進行時頻局域性分析的缺點，已逐步應(yīng)用到滾動軸承和齒輪的 故障診斷當中，可作為今后研究的首選。

５７

參考文獻

參考文獻
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攻讀碩十學(xué)位期問發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
１．鄧曉云．基于振動診斷技術(shù)的曲軸主軸頸磨床故障診斷．大連鐵道學(xué)院學(xué) 報．２００５，（１）：６９－７ １ ２．鄧曉云．數(shù)控機床的狀態(tài)維修．中國設(shè)備工程．２００４（４）：４９．５１

致

謝

在論文完成之際，首先要衷心感謝我的導(dǎo)師葛研軍教授。在課題研究和論文撰寫期 間，導(dǎo)師富有啟發(fā)性的建議和指導(dǎo)使本文的研究得以順利進行；導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、 淵博的知識和踏實、務(wù)實的工作作風(fēng)，深深地影響著我，為我樹立了做人、做事的榜樣。 閻長罡副教授、湯武初博士在論文完成期間給予我的大力幫助，在此向他們表示衷 心的感謝。宋雪萍博士為我順利完成論文答辯做了大量工作，在此表示衷心的感謝。 對在百忙之中抽出時間參加本論文評審、答辯的各位老師表示衷心的感謝。 最后我還要感謝我的父母與家人。他們的鼓勵與支持是我前進的動力和源泉，他們 的默默奉獻和殷切希望使我得以完成學(xué)業(yè)。 向所有在我完成論文過程中教導(dǎo)過我、關(guān)心幫助過我的師長和朋友致以誠摯的謝
意１

作者：鄧曉云 二零零九年十一月于大連交通大學(xué)

６ｌ

振動診斷技術(shù)在數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用的研究
作者： 學(xué)位授予單位： 鄧曉云 大連交通大學(xué)

相似文獻(10條) 1.會議論文 曾白泉.曾白泉 狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷十二年 1998
該文介紹了該公司在過去十二年應(yīng)用DDM、ADRE、DM2000等系統(tǒng)對大化肥五大機組開展狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及預(yù)測維修的情況。

2.學(xué)位論文 魏曉 基于狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷大型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計開發(fā) 2005
設(shè)備維修管理體制的變遷經(jīng)歷了“事后維修”和“定期維修”兩個階段，目前設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)越來越受到人們的重視。機械設(shè)備狀態(tài) 監(jiān)測和故障診斷是建立在機械工程、測試技術(shù)、信號處理、計算機應(yīng)用技術(shù)、人工智能等眾多理論基礎(chǔ)上的新興綜合性科學(xué)技術(shù)。在狀態(tài)監(jiān)測與故障診 斷技術(shù)中，信號的管理是非常重要的。 基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷大型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)以數(shù)據(jù)庫為中心的在線、離線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)整理了歷年測得的信號，并把它們整理入庫 ，以便日后容易查找；存儲在線、離線系統(tǒng)測得了振動、溫度、壓力等信號，可定期存儲在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；可及時存儲海量數(shù)據(jù)；可手工干預(yù)存儲數(shù)據(jù)。 另外，作為狀態(tài)監(jiān)測的輔助工具，該系統(tǒng)還創(chuàng)建了設(shè)備卡片、設(shè)備管理、設(shè)備維修管理和備件管理等表空間，以方便公司對設(shè)備的管理；知識庫的創(chuàng)建 為以后的智能診斷作了基礎(chǔ)。 本文以燕山石化各工廠設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷為背景主要研究大公司中測量信號的管理以及設(shè)備管理，首先介紹了設(shè)備維修管理體制的改革 ；接著介紹數(shù)據(jù)庫的一些基本知識：數(shù)據(jù)文件的組織、關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論、常見數(shù)據(jù)庫的比較、Oracle數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)、Oracle數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與空間管理、數(shù) 據(jù)庫的并發(fā)控制并舉例說明Oracle的工作過程；然后介紹基于狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷大型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理 設(shè)計和其它設(shè)計；最后說明基于狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷大型數(shù)據(jù)庫的分布式軟件結(jié)構(gòu)和管理�；跔顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷大型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計開發(fā)可為公司向 預(yù)知維修方面發(fā)展作鋪墊。

3.會議論文 彭永勝.王太勇.張子謙.王國鋒.冷永剛.胥永剛 基于Internet的泵站遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研 究 2004
研究設(shè)計了基于Internet的泵站遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng).系統(tǒng)提供了基于參數(shù)監(jiān)測和仿真運行的狀態(tài)監(jiān)測方法,支持多種參數(shù)顯示方式.水泵的 各種參數(shù)被動態(tài)地監(jiān)測和顯示,運行狀態(tài)也可以在遠程狀態(tài)監(jiān)測計算機上進行模擬;提供了經(jīng)典平穩(wěn)信號分析方法和先進的非平穩(wěn)信號時頻分析方法用于 及時診斷水泵的故障,預(yù)測運行趨勢.先進的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)得到應(yīng)用,所有數(shù)據(jù)、方法和信號分析與故障診斷軟件均置于服務(wù)器上.利 用服務(wù)器的并行事件處理能力,可同時完成多個泵站的監(jiān)測和診斷工作.

4.期刊論文 陳前 關(guān)于工程大系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 -振動測試與診斷2002,22(3)
介紹了多元統(tǒng)計過程監(jiān)控技術(shù)及其在工程大系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用的背景.結(jié)合工程動力學(xué)領(lǐng)域中的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷問題,提出了兩個 設(shè)想:一是將工程動力學(xué)系統(tǒng)與工業(yè)過程大系統(tǒng)一體化,以便用多元統(tǒng)計過程監(jiān)控技術(shù)進行統(tǒng)一的綜合狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷;二是將多元統(tǒng)計過程監(jiān)控技術(shù) 移植到工程動力學(xué)中,用于工程結(jié)構(gòu)和機械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷.此外,還討論了基于案例推理法及其在故障診斷決策支持中的應(yīng)用.

5.學(xué)位論文 馮斌 磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 2009
磁力軸承是集機械、電子、計算機、控制、傳感于一體的高性能復(fù)雜機電系統(tǒng)。近年來，磁力軸承雖然已經(jīng)開始在許多工業(yè)場合下使用，但由于其 工作時轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的可靠性、安全性、穩(wěn)定性阻礙了其在工業(yè)上的進一步應(yīng)用。為了解決這些問題，開展對磁懸浮轉(zhuǎn)子進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診 斷研究工作以確保磁力軸承正常運行已經(jīng)迫在眉睫。本文對磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷做了研究與試驗，主要工作如下： 首先，對磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，指出研究磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的必要性。在此基礎(chǔ)上，對磁力 軸承的故障來源進行了詳細分類，并對每類可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子故障進行了分析與說明。 其次，指出了對磁懸浮轉(zhuǎn)子進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的方法，應(yīng)用該方法分析了轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)并對其進行了診斷�；诒菊n題已有的硬件設(shè)施 ，搭建了磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，建立了轉(zhuǎn)子狀態(tài)數(shù)據(jù)庫并對采集信號進行了合理的分類，指出了基于時間的數(shù)據(jù)稀化存儲方案，在此基 礎(chǔ)上，對磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件組成和軟件功能進行了詳細說明。 對磁懸浮轉(zhuǎn)子未懸浮及懸浮時的電渦流位移傳感器常見故障和轉(zhuǎn)子起浮時的碰撞故障進行了分析�；诒鞠到y(tǒng)，可以有效地對磁懸浮轉(zhuǎn)子進行狀態(tài) 監(jiān)測與故障分析并結(jié)合具體實例進行了說明。 最后，在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，對磁懸浮轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究工作進行了展望。

6.期刊論文 李國正.楊杰.裴仁清.李朝東 機械設(shè)備中黑箱部件的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 -振動測試與診斷 2003,23(3)
利用小波包分解、Yule-Walker AR譜密度分析算法和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究開發(fā)了一套狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)是用于類似卷煙廠卷接包機 八工位轉(zhuǎn)塔的黑箱部件.利用仿真信號對系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測部分進行了測試,并應(yīng)用到實踐中去.在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診 斷系統(tǒng),用仿真信號進行了測試,結(jié)果證明該系統(tǒng)是可行的.該系統(tǒng)的研制開發(fā)對類似黑箱部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷具有一定的實用價值,對其他類似機 構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷也具有參考意義.

7.學(xué)位論文 王學(xué)孔 焊機液壓控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究 2010
閃光焊機液壓控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其焊接工藝的核心，是保證帶鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。由于該液壓控制系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高精度的機、電、液一體化 的系統(tǒng)，其可能的故障既有結(jié)構(gòu)性的，又有參數(shù)性的，采用人工的方法很難及時、準確地定位并排除故障。因此，研制一套狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) ，對其狀態(tài)進行實時監(jiān)測并對其可能發(fā)生的故障迅速地診斷。

  本文關(guān)鍵詞：振動診斷技術(shù)在數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。