振动信号故障分析的一些知识点

胖呼呼

　　1. 齿轮的振动频率
　　(1) 齿轮的振动类型
　　齿轮在运行过程中产生的振动是比较复杂的，由于齿轮所受的激励不同，从而使齿轮产生的振动类型也不同。
　　第一，齿轮啮合过程中，由于周节误差、齿形误差或者均匀磨损等都会使齿与齿之间发生撞击，撞击的频率就是啮合频率。齿轮在此周期撞击力的激励下产生了以啮合频率为振动频率的强迫振动。频率范围一般在几百到几千赫兹
　　第二，由于齿轮啮合过程中齿轮发生弹性变形，使刚刚进入啮合的齿轮发生撞击，因而产生沿着啮合线方向的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。
　　对于渐开线齿轮，在节点附近为单齿啮合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的周期函数，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。
　　第三，齿与齿之间的摩擦在一定条件下会诱发自激振动，主要与齿面加工质量及润滑条件有关。 自激振动的频率接近齿轮的固有频率。
　　第四，齿与齿之间撞击是一种瞬态激励，它使齿轮产生衰减自由振动
　　振动频率就是齿轮的固有频率，通常固有频率在1-10kHz内。
　　第五，齿轮、轴、轴承等元件由于不同心、不对称、材料不均匀等均会产生偏心、不平衡，其离心惯性力使齿轮轴系统产生强迫振动，
　　振动的频率等于轴的转动频率(一般在100Hz以内)及其谐频;
　　第六，由于齿面的局部损伤而产生的激励，其相应的强迫振动频率等于损伤的齿数乘以轴的转动频率。
　　综上所述，齿轮的振动频率基本上可归为三类：即轴的转动频率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮自身的各阶固有频率。

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　　而齿轮的实际振动往往是上述各类振动的某种组合，齿轮几种常见工作状态下振动的时间历程曲线和相应的幅频谱图。
　　处于不同状态的齿轮其振动信号时域和频域均有明显的区别。
　　振动曲线都是经过低通滤波后得到的 ，它只显示出其中频率较低的转动频率和啮合频率及谐频，滤去了高频的自由衰减振动(固有频率)。
　　实际上，齿轮的自由振动经由轴、轴承传到齿轮箱体时，高频冲击振动已衰减，犹如通过一个机械低通滤波器，因此在轴承座等处测的振动信号，一般只包含转动频率与啮合频率及其谐频。
　　图1各种状态齿轮的振动(低频部分)

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　　齿轮振动的各调制边频可写为
　　式中fm为齿轮副的啮合频率;fr1，fr2为主动齿轮、被动齿轮的转动频率;P=1, 2, 3,…为啮合频率各阶谐频的序数;M，N=1,2,3…分别为主、被动齿轮转动的各阶谐频序数。
　　倒频谱分析
　　对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。 倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分，将原来谱上成簇的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察。 而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔(故障频率)的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。
　　倒频谱分析优点：精确辨识频谱中的周期特性。。
　　当频率分辨率不够时，将频率细化分析与倒频谱分析结合起来，可得到满意结果。

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　　经过时域平均后，比较明显的故障可以从时域波形上反映出来，如图所示。
　　图(a)是正常齿轮的时域平均信号，信号由均匀的啮合频率分量组成，没有明显的高次谐波;
　　图(b)是齿轮安装对中不良的情形，信号的啮合频率分量受到幅值调制，但调制频率较低，只包含转频及其低阶谐频;
　　图(c)是齿轮的齿面严重磨损的情况，啮合频率分量严重偏离正弦信号的形状，故其频谱上必然出现较大的高次谐波分量，由于是均匀磨损，振动的幅值在一转内没有大的起伏;
　　图(d)为齿轮有局部剥落或断齿时的典型信号，振动的幅值在某一位置有突跳现象。
　　滚动轴承故障发展过程的四阶段中典型特征：
　　第一阶段：1噪声正常;2.温度正常;3.可用超声，振动尖峰能量gSE声发射测量出来，轴承外环有缺陷;4.振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰;5.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之十。
　　第二阶段：1.噪声略增大;2.温度正常;3.超声，声发射，振动尖峰能量gSE明显增大，轴承外环有缺陷;4.振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量);5.在对数刻度的频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性刻度的频谱上则很难看到;噪声地平明显提高;6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之五。
　　第三阶段：1.可以听到噪声;2.温度略升高;3.非常高的超声，声发射，振动尖峰能量gSE，轴承外环有故障;4.振动加速度总量和振动速度总量大增;5.在线性刻度频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率;6.振动频谱的噪声地平明显提高;7. .轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之一。
　　第四阶段：1.噪声的强度改变;2.温度明显升高;3.超声，声发射，振动尖峰能量gSE迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态;4.振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小;5.频率较低的轴承故障频率尖峰占优势，振动频谱中噪声地平非常高;6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之零点二。
　　滚动轴承故障四种类型频率：
　　第 一 种 频 率 ：
　　随机的，超声频率 -- 振动尖峰能量( g SE )，高频加速度( HFD)和冲击脉冲( SPM );
　　第二种频率：
　　轴承零部件的自振频率 -- 在500到2000赫兹频率 范围内，与转速无关 ;
　　第三种频率：
　　旋转的故障频率 --- 轴承的内环故障(BPFI)，外环 故障(BPFO)，滚动体故障(BSF)和保持架故障(FTF);
　　第四种频率 ：
　　和频与差频 --- 轴承的若干故障频率之间及与其它 振源频率之间相加或相减
　　轴承故障振动频谱和解调频谱特征
　　1.振动速度频谱是评定大多数滚动轴承故障的最佳参数，甚至在低速机器上;
　　2.滚动轴承故障频率都不是转速频率的谐波频率
　　3.轴承外环故障频率(BPFO)的幅值大于轴承内环故障频率(BPFI)幅值，这是因为振动传感器通常都安装在靠近轴承外环处之故;
　　4..通常，首先出现轴承外环故障频率和轴承内环故障频率;
　　5.在轴承故障发展的早期阶段，轴承保持架故障频率(FTF)以轴承外环故障频率(BPFO)的边带频率出现，到故障发展后期，FTF才以其基频形式出现
　　滚动轴承故障发展的四个阶段：
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　　一，只是 g SE 有明显指示。
　　二，g SE明显增大，开始出现轴承零件共振频率并伴有1X转速频率边带
　　三，A.仅出现滚动轴承故障频率(没有1X边带频率)
　　B.滚动轴承跑道圆周上出现轻微磨损时，便出现轴承故障频率的谐波频率
　　C.磨损明显时轴承故障频率两侧出现1X转速边带频率，还可出现其它的轴承故障频率
　　四，gSE本阶段开始时减小，卡死前可能剧增。出现高频随机谱，轴承寿命成问题。
　　滚动轴承故障发展的第一阶段：
　　噪声正常，轴承温度正常，可以用超声，振动尖峰能量，声发射测量出来，轴承外环有缺陷，振动总量比较小。无离散的轴承故障频率尖峰，轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之十( 注 )
　　注：基于百分之九十的置信度
　　滚动轴承故障的最早指示出现在从250K赫兹到350K赫兹频率范围内;随后，当磨损扩展时，通常降到约20K赫兹到60K赫兹。这些频率就是振动尖峰能量gSE等评定的频率。例如，振动尖峰能量gSE首先以约0.25gSE出现(具体数值取决于测量位置和机器转速)。gSE谱可以确认滚动轴承是否处于其故障发展的第一阶段。
　　滚动轴承故障发展的第二阶段：
　　噪声略增大，轴承温度正常。超声，声发射，振动尖峰能量有大的增大 ，轴承外环有缺陷。振动总量略增大( 振动加速度总量和振动速度总量)。在对数频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性频谱上难以看到;噪声地平明显提高
　　轴承剩余寿命小于B-10规定的百分之五( 注 )
　　注：基于百分之九十的置信度
　　这阶段中，轻微的滚动轴承故障开始“振铃”激起滚动轴承零件的自振频率(fn),这些自振频率通常出现在500赫兹到2000赫兹频率范围内。这种自振频率也可能是机器结构的共振频率。这阶段末，在自振频率两侧出现边带频率。振动尖峰能量gSE增大(例如，从0.25gSE增大到0.5gSE)。
　　滚动轴承故障发展的第三阶段：
　　可以听到噪声。轴承温度略升高。非常高的超声，声发射，振动尖峰能量，轴承外环有故障。振动加速度总量和振动速度总量有大的增大。在线性频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率。振动频谱的噪声地平明显提高。轴承剩余寿命小于不B-10规定的百分之一( 注 )
　　注：基于百分之九十的置信度
　　这阶段中，出现滚动轴承故障频率及其谐波频率。当磨损进一步扩展时，出现较多的滚动轴承故障频率的谐波频率，并且，边带频率的数量增多。振动尖峰能量gSE总量值继续增大(例如，从0.5gSE到1.0gSE以上)。这时已可以用肉眼观察到磨损，当滚动轴承故障频率及其谐波频率的两侧伴随有很多边带频率时，磨损可能已扩展到轴承的整个圆周。gSE谱可以帮助确认滚动轴承故障发展的第三阶段。这时，应该更换滚动轴承(与振动频谱中轴承故障频率分量的幅值无关)。
　　滚动轴承故障发展的第四阶段 ：
　　噪声的强度改变。轴承的温度明显升高。超声，声发射，振动尖峰能量迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处在损坏之前的故障状态。振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量反而减小。出现较低频率的轴承故障频率尖峰且占优势
　　振动频谱中噪声地平非常高。轴承剩余寿命小于B-10规定的百分之零点二
　　(注：基于百分之九十的置信度)
　　这阶段末，甚至可以检测出1X转速频率的振动幅值增大，通常还引起许多转速谐波频率分量的增大。离散的轴承故障频率和自振频率实际开始“消失”，而被随机，宽带高频“噪声地平”取代。此外，高频噪声地平和振动尖峰能量gSE两者的幅值事实上反而减小;但是，轴承刚损坏前振动尖峰能量gSE值通常将突增到很大的幅值。
　　滚动轴承故障谱特征(1)
　　滚动轴承故障发展第一和第二阶段gSE和频谱特征的比较
　　常规振动频率区轴承故障频率区轴承零件自振频率区振动尖峰能量区
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　　滚动轴承故障发展的第三和第四阶段gSE和振动频谱特征的比较
　　常规振动频率区轴承故障频率区轴承零件自振频率区振动尖峰能量区
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　　滚动轴承故障频率计算(1)
　　保持架故障频率：
　　FTF=(1/2){No[1+(d/D)Cos φ] +Ni [1-(d/D)Cos φ]}
　　滚动体旋转故障频率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni|{ [1-(d/D)Cos φ2}
　　外环故障频率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| [1-(d/D)Cosφ]
　　内环故障频率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| [1+(d/D)Cosφ]
　　以上符号： d=滚动体直径; D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径); φ=径向方向接触角; n=滚动体数目; No=轴承外环角速度; Ni=轴承内环角速度(=轴转速).
　　注：1.滚动轴承没有滑动;2.滚动轴承几何尺寸没有变化;3.轴承外环和轴承内环都旋转.
　　滚动轴承故障频率计算(2)
　　滚动轴承保持架故障频率：FTF=(N/2)[1-(d/D)Cos φ]
　　滚动轴承滚动体旋转故障频率：BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cos φ]2}
　　滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ]
　　滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ]
　　以上符号： d=滚动体直径D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径);φ=径向方向接触角; n=滚动体数目;N=轴的转速。
　　注：1.滚动轴承没有滑动;2.滚动轴承几何尺寸没有变化;3.轴承外环固定不旋转.
　　滚动轴承故障频率计算(3)-经验公式
　　外环故障频率： BPFOr≌0.4Nn
　　内环故障频率：BPFIr≌0.6Nn
　　保持架故障频率： FTFr≌0.4N
　　以上符号： n=滚动体数目; N=轴的转速。
　　注：1.滚动轴承没有滑动;2.滚动轴承几何尺寸没有变化;3.轴承外环固定不旋转.
　　滚动轴承故障频率计算(4)-估算公式
　　外环故障频率： BPFOe≌N(0.5n-1.2)
　　内环故障频率： BPFIe≌N(0.5n+1.2)
　　滚动体故障频率： BSFe≌N(0.2n-1.2/n)
　　保持架故障频率： FTFe≌N(0.5-1.2/n)
　　以上符号： n=滚动体数目; N=轴的转速。
　　注：1.滚动轴承没有滑动;2.滚动轴承几何尺寸没有变化;3.轴承外环固定不旋转.

天在上

这么好的帖，看不懂啊

tranevib

好贴，多多指教。

konan_yao

hi 我也是最近在学习振动故障诊断技术，想和您探讨一下，能加一下qq讨论吗？ 1058385614

kekett00

好贴，新人路过，有没有更初级一点的知识啊

lpanysu

学习！！！！！！！！！！！！！！！