1、發電設備故障診斷與狀態檢修講義前言在檢修體制演變過程中，在不同的階段，根據不同的行業特點、不同的設備管理要求，出現了各種追求不同具體目標的檢修方式。歸納起來有四種，即事后維修、預防性定期維修、狀態檢修和改進性檢修。1事后維修（BM,Break-down Maintenance）是當設備發生故障或其他失效時進行的非計劃性維修。又稱為故障維修。僅適用于對生產影響極小的非重點設備、有冗余配置懂得設備或采用其他檢修方式不經濟的設備。（18世紀）2預防性定期檢修（PM,Preventive Maintenance）是一種以時間為基礎的預防檢修方式，也稱計劃檢修(SM,Schedule Mainteena

2、nce)。它是根據設備磨損的統計規律或經驗，事先確定檢修類別、檢修周期、檢修工作內容、檢修備件及材料等的檢修方式。適合于已知設備磨損規律的設備，以及難以隨時停機進行檢修的流程工業、自動生產設備。（19世紀到20世紀30年代）3狀態檢修（CBM,Condition-Based Maintenance）或預知維修（PM,Predictive Maintenance）是從預防性檢修發展而來的更高層次的檢修體制，是一種以設備狀態為基礎、以預測設備狀態發展趨勢為依據的檢修方式。它根據對設備的日常檢查、定期重點檢查、在線狀態監測和故障診斷所提供的信息，經過分析處理，判斷設備的健康和性能劣化狀況及其發展趨勢

3、，并在設備故障發生前及性能降低到不允許極限前有計劃地安排檢修。這種檢修方式能及時地、有針對性地對設備進行檢修，不僅可以提高設備的可用率，還能有效降低檢修費用。（20世紀80年代至今）4改進性檢修（Corrective Maintenance）是為了消除設備的先天性缺陷或頻發故障，對設備的局部結構或零件的設計加以改進，并結合檢修過程實施的檢修方式。美國普遍推行的檢修體制是生產檢修體制，它以生產為中心，為生產服務，綜合上述各項檢修方式，根據不同情況選擇不同方式。日本從70年代開始推行全員生產維修體制（TPM）。英國根據全壽命費用優化的原則安排采用合適的檢修方式。德國的檢修體制分為集約型和粗放型。集

4、約型主要采用預防維修，以充分發揮設備潛力，延長設備使用壽命；粗放型多采用事后維修方式，主要用于使用壽命短、故障后果較小的設備。瑞典綜合采用事后維修、預防維修和狀態檢修。法國以預防檢修為主，并盡量使其和狀態檢修結合。當前我國電力系統實施的檢修體制是定期預防性維修，該方式容易出現維修過剩或維修不足的現象。為了提高設備的利用率和提高效益、降低成本，正在試行狀態檢修。為了實現狀態檢修，狀態監測和故障診斷是基礎，因此本課程著重介紹狀態監測和故障診斷方面的內容，同時也介紹一些狀態檢修的有關知識。第一章介紹故障及故障診斷技術；第二章介紹故障信號及信號采集；第三章介紹信號分析與處理；第四章介紹故障診斷方法；第

5、五章介紹狀態維修及其實施。第一章 概 述§1-1 故障的范疇與分類一 故障的范疇定義：設備故障是指設備不能按照預期的指標工作的一種狀態，也可以說是設備未達到其應該達到的功能。包括：（1） 能使設備或系統立即喪失其功能的破壞性故障，如轉子斷裂、汽輪機飛車、鍋爐爆炸（2） 由于設計、制造、安裝或與設備性能有關的參數不當造成的設備性能降低的故障，如效率下降、振動大、動靜摩擦、真空系統不嚴密等。（3） 設備處于規定條件下工作時，由于操作不當而引起的故障，如撞車事故、轉子彎曲等。二 故障的分類1 按故障的性質分類（1） 人為故障 由于運行人員無意或有意而造成的故障。（2） 自然故障 設備在運行

6、時，因自身的原因而造成的故障。2 按故障發生的快慢程度分類（1） 突發性故障 發生前無明顯可察覺征兆，突然發生，且破壞性較大的故障。（2） 漸進性故障 設備中某些零件的技術指標逐漸變化，最終超出允許范圍而引起的故障。3 按故障的維持時間分類（1） 間斷性故障 故障發生后，在沒有外界干涉的情況下，很快恢復正常狀態的故障。（2） 持續性故障 故障發生后，直至外界采取措施，方可恢復其原有功能的故障。4 按故障的發生程度分類（1） 局部性故障 部分性能指標下降，但未喪失其全部功能的故障。（2） 完全性故障 設備或部件完全喪失其應達到的功能的故障。5 按故障產生的原因分類（1） 先天性故障 由于設計、制

7、造不當而造成的設備固有缺陷而引起的故障。（2） 使用性故障 由于裝配、運行過程使用不當或自然產生的故障。6 按故障造成的后果分類（1） 輕微故障 設備略微偏離正常的規定指標，但設備運行受影響輕微的故障。（2） 一般故障 設備運行質量下降，導致能耗增加、環境噪聲增大等的故障。（3） 嚴重故障 某些關鍵設備或部件整體功能喪失，造成停機或局部停機等的故障。（4） 惡性故障 設備遭受嚴重破壞，造成重大經濟損失，甚至危及人身安全或造成嚴重環境污染的故障。§1-2 故障診斷技術的范疇設備故障診斷技術，其實質是了解和掌握設備在運行過程中的狀態；預測設備的可靠性；確定其整體或局部是正常或異常；早期發

8、現故障，并對其原因、部位、危險程度等進行識別和評價；預報故障的發展趨勢，并針對具體情況作出實施維護決策的技術。設備故障診斷主要包括三個環節：一 信息采集二 分析處理三 故障診斷 診斷對象 信息采集 分析處理 故障診斷 治理措施 圖1 故障診斷邏輯示意圖§1-3 故障診斷的應用范圍與方法一 故障診斷的應用范圍1 生產中的重大關鍵設備，如鍋爐、汽輪機、發電機等。2 不能接近檢查、不能解體檢查的重要設備，如轉機、加熱器、凝汽器等。3 維修困難、維修成本高的設備，如汽輪機轉子等。4 沒有備品備件，或備品備件昂貴的設備，如磨煤機等。5 從生產的重要性、人身安全、環境保護等方面考慮，必須采用診斷

9、技術的設備，如核反應堆、大壩等。二 故障診斷的分類1.1.1 按目的分類（1） 功能診斷 對新安裝或剛進行過維修的設備進行診斷，以確定其功能是 否正常，即投入運行前的診斷（2） 運行診斷 即對運行設備進行診斷1.1.2 按方式分類（1） 定期診斷(巡回檢測、離線診斷) 對運行的設備每隔一段時間進行檢測和診斷（2） 連續診斷（在線監測、在線診斷） 對運行的設備進行連續監測和診斷1.1.3 按提取信息的方式分類（1） 直接診斷 診斷對象和診斷信息直接對應的一種診斷（2） 間接診斷 診斷對象和診斷信息不直接對應的一種診斷1.1.4 按診斷時所要求的機械運行工況條件分類（1） 常規工況診斷 設備在正常

10、運行條件下進行的診斷（2） 特殊工況診斷 設備在特殊工作條件下進行診斷（如起停機過程中臨界轉速的測取等）1.1.5 按功能分類（1） 簡易診斷 對系統的狀態做出相對粗略的判斷。一般回答“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 在簡易診斷的基礎上更為細致的一種診斷過程，它不僅回答“有無故障”，而且還要分析出故障的原因、部位、程度及發展趨勢等一系列問題三、發展趨勢隨著科學技術和社會經濟的不斷發展，振動故障診斷技術也必然會不斷發展，其主要趨勢為：（1） 先進檢測技術、手段、設備的研制開發，廣泛采用高可靠性監測設備（2） 由單純的監測診斷向監測、診斷、管理、調度系統化、集成

11、化發展，直接服務于設備狀態檢測（3） 集中式診斷系統向集中分散診斷系統發展（4） 開發人工智能診斷系統（專家系統、神經網絡、模糊集）（5） 開發及應用預測技術（剩余壽命評價）（6） 研究診斷理論、診斷方法和故障機理，形成和完善診斷判據四、故障診斷的主要環節及實施過程故障診斷的主要環節如圖1-1所示運行機組傳 感 器 信息處理比 較標準信息信息處理信息積累診斷決策重點監測維修更新巡回監測圖1-1 故障診斷的主要環節故障診斷的任務是要確定設備故障的性質、程度、類別、部位，明確故障、征兆、原因和系統之間的相互關系，并指明故障發展趨勢。具體地說包括以下四個方面：（1） 狀態監測 特征信號提取，在設備的

12、合適部位獲取征兆，形成待檢模式。（2） 狀態識別即診斷 將待建模式與樣板模式進行對比，當主要性能指標高于或低于期望的目標范圍時就認為發生故障。根據故障程度分別給予早期警報，緊急警報或強迫停機等處理。（3） 狀態分析與預測 根據監測信息找出故障源，然后根據這些信息就故障對設備和系統性能指標的影響程度做出估計，綜合給定故障等級，并預測設備狀態的發展趨勢。（4） 決策處理 根據故障等級的評價對設備系統形成正確的敢于決策，做出修改操作，控制及其他臨時性維護或停機維修的決定。 監測儀表 信號采集 診 傳 放 信號記錄儀 信號 斷 感 大 分析 計算機 對 器 器 儀 象 圖2 故障診斷的實施過程

13、7;1-4 常見故障及其診斷技術一 汽輪機、油泵1 振動（模糊診斷、神經網絡、專家系統）2 動靜摩擦（聲發射技術）3 軸承潤滑渦動和振蕩（頻譜分析）4 轉子裂紋（聲發射技術）二 加熱器、凝汽器、管道等（用聲發射）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、聯箱、閥門、球罐等用聲發射）3 嚴密性差（加熱器、凝汽器）用超聲波檢漏法4 結垢或堵塞（凝汽器）用端差分析三 熱力系統1 能量損失（能損分析）2 如何進行運行優化四 當前所需的監測診斷技術1 汽輪機動靜摩擦診斷；2 軸瓦缺陷診斷；3 發電機組軸系振動在線監測診斷；4 葉片缺陷在線監測診斷；5 汽輪機電液調節系統監

14、測診斷；6 大軸缺陷診斷；7 大型發電機組軸系扭振監測診斷；8 高溫金屬與承壓部件疲勞和蠕變壽命監測與診斷；9 汽輪機進冷汽冷水的監測診斷；10 凝汽器清潔度和管道泄露的監測與診斷；11 換熱器管道泄露的監測與診斷；12 油液分析診斷；13 機組運行狀態參數分析診斷；14 用于大型機組綜合性診斷的專家系統。 表1 發電設備診斷技術匯總表分類主要設備對象診斷技術開發研究情況軸承類滑動軸承振動音響法EPRI已用于生產，國內正在研究滾動軸承聲發射法齒輪裝置溫度法油分析法轉機類汽輪機振動音響法EPRI、GE已用于生產，國內正開始應用研究熱力系統主蒸汽、主給水系統閥門內漏監測EPRI、LTC、PECO已

15、用于生產凝汽器等加熱器內漏監測性能指標監測液動控制系統油動機關閉時間在線監測EPRI、國內試用階段調節汽門調節汽門嚴密性監測抽汽逆止門滯后時間監測調節部件卡澀抽汽門嚴密性監測在汽輪發電機組中異常振動在故障中占有相當大的比例、按不同的分類方法，異常振動可分為：（1） 按振動原因分類a. 轉子不平衡；b. 轉軸不對中；c. 轉子摩擦；d. 軸承缺陷；e. 油膜振蕩及渦動。f. 電氣、空氣動力或水力動力；（2） 按振動頻率分類a. 倍頻振動；b. 分頻振動。（3） 按振動發生部位分類；a. 轉軸 包括各類機械轉子的軸頸、軸端及葉片等；b. 軸承 包括油膜滑動軸承、滾動軸承；c. 殼體 包括軸承座，機

16、殼；d. 基礎 指機座、鋼筋混凝土基礎；e. 其他 包括閥門、閥桿及各種管道結構。（4） 按振幅方位分類a. 徑向振動 指沿轉軸某截面直徑方向的振動，包括水平振動和垂直振動；b. 軸向振動 指沿轉軸軸線方向的振動；c. 扭轉振動 指沿轉軸旋轉方向的振動第二章 故障信號采集設備在運行過程中，和運行狀態有關的各種物理量隨時間的變化呈現一定的規律。這些物理量包括振動、噪聲、溫度、壓力等。用各種相應的傳感器及測量儀器測得它們隨時間的變化就獲得信號。信號中常常包括對設備狀態識別與診斷非常有用的各種信息。有效地分析、處理這些信息，建立它們和設備運行狀態之間的聯系，是設備故障診斷的基礎。然而，信號中常伴有各

17、種噪聲和干擾，要消除或減少噪聲和干擾的影響，需要對信號進行預處理。為了更有效的進行識別和診斷，通常還要對信號進行加工處理，抽取其特征。如果知道某些特征與設備狀態或某種故障有較強的依賴關系，就能獲得好的診斷結果。幅值不隨時間變化的信號稱為靜態信號。實際上，隨時間的變化幅值變化很緩慢的信號也可看作靜態信號或準靜態信號。實際上遇到的大多數信號均為動態信號。§2-1動態信號描述及其轉換動態信號可分為用確定的時間函數來表達的確定性信號和不能用時間函數來描述的隨機信號。具體分類如下：動態信號 一 周期信號1簡諧振動信號物體作簡諧振動時，位移X和時間的關系可用三角函數表示為：2 周期信號及其分解實

18、際中更多的是非簡諧的周期信號，一個周期信號可以展開成一系列簡諧函數之和，即周期信號可以分解為一系列頻率成正比的正弦波信號，如其中 二 非周期信號非周期信號包括準周期信號和瞬變非周期信號。1 準周期信號任意的兩個或幾個正弦波之和，一般不會組成周期信號。比如當式中不等于有理數時，即為準周期信號。2 瞬變非周期信號瞬變非周期信號指除準周期信號以外的非周期信號，瞬變非周期信號也可以用某時變函數進行描述。瞬變非周期信號一般持續時間很短，有明顯的額開端和結束，其譜結構為由傅立葉積分表示的連續譜。3隨機信號隨機信號不能用確定的時間函數來表達。對同一事物的變化過程獨立地重復進行多次觀測，所得的信號是不同的，波

19、形在無限長時間內不會重復。對于隨機信號，需要用概率統計的方法進行分析。如幅域參數均值、均方值、方差和均方差、概率密度函數、概率分布函數；時域參數自相關函數和互相關函數；頻域參數自功率譜密度函數、互功率譜密度函數、相干函數和傳遞函數。均值和自相關函數不隨時間變化的隨機信號稱為平穩隨機信號，多數設備在正常運轉時的信號可以看作是平穩的。反之即為非平穩隨機信號。表示隨機信號的單個時間歷程稱為樣本函數。整個平穩隨機信號的統計特性與每個樣本的統計特性相同時，稱這種平穩隨機信號為各態歷經信號，否則，稱為非各態歷經信號。瞬變隨機信號往往是由于瞬間的機械沖擊造成的，它在瞬間發生后很快就消失了，因此既不能用數學公

20、式描述，也不能用統計辦法描述，只能用頻譜分析辦法。§2-2 數字信號處理信號分為模擬信號和數字信號。模擬信號是隨時間連續變化的；數字信號是由離散數字組成的，定期的觀察值或模擬信號經過A/D轉換得到的一串數字都是數字信號。數字信號處理就是以數字信號為基礎所進行的各種分析處理。目前常用的有FFT（Fast fourier Transform）。一 模擬信號的離散化把模擬信號轉換為數字信號的過程稱為摸/數轉換過程，它包括采樣、量化、編碼等，是數字信號分析的必要過程。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中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號的過程。量化又稱幅值量化，把采樣信

21、號經過舍入的方法變為只有有限個有效數字的數的過程2采樣間隔和頻率混淆。采樣間隔由采樣頻率決定，一般要求最低采樣頻率為大于原信號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，采樣信號頻譜發生變化，而出現高、低頻成分發生混淆的一種現象。其解決辦法是：1） 提高采樣頻率，一般工程中常取2.56-4倍信號頻率；2） 用低通濾波器濾掉不必要的高頻成分。3采樣長度與頻率分辨率頻率分辨率與采樣長度成反比，一般采樣點數為512，1024，2048，對應的分辨率為1/200，1/400，1/800。4泄漏及窗函數泄漏現象是對無限長的信號進行截斷而產生的所得譜與其原有譜形成差異的現象。為了減小泄漏，必須

22、選擇適當的截斷窗函數，如冪窗、三角函數窗、指數窗。具體說來有：矩形窗、汗寧窗、海明窗、高斯窗等二離散傅立葉變換（DFT：Discrete Fourier Transform）三 快速傅立葉變換（FFT）把采樣序列中的N個數按奇數和偶數分成N/2點的兩組，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數為止。然后按照合并公式將其組合起來，得到頻譜X（k）。這樣可以減少計算量，加快計算速度，當N=1024時，DFT的計算量是FFT的204.8倍。§2-3 設備故障信號采集一信號及傳感器選取原則1信號選取原則設備及其組成的系統的運行狀況好壞完全由其各種狀態參數表征。為了

23、更好地診斷故障原因，必須監測一些直接反應安全性好壞的參數。選擇監測參數時應遵循下列原則：1 表征設備安全運行的狀態參數；2 危害人身與設備的重點設備及重點部位的狀態參數；3 表征設備老化與壽命的狀態參數；4 表明設備性能（如效率）的狀態參數。2傳感器及其選擇原則傳感器是能感受規定的被測量按照一定規律轉換成可用輸出信號的儀器或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。前者是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。后者是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。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大體可分為物理傳感器

24、、化學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及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器;b. 化學傳感器是利用電化學原理，把無機和有機化學物質的成分濃度等轉換成電信號的傳感器;c. 生物傳感器是近年來發展較快的一類傳感器，它是一種利用生物活性物質選擇性的識別和測定生物化學物質的傳感器。（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）分類能表現傳感器功能，方便用戶。它可分為位移、速度、加速度、力、壓力、流速、溫度、光強、濕度等傳感器。二 故障信號采集1振動信號測量振動信號一般呈現很強的周期性，而且信號頻率較低。振動的測試一般測量三個方向，即水平方向、垂直方

25、向和軸向方向。對于徑向的兩個測點，一般是傾斜45，如圖所示。測試系統一般分為兩部分，前一部分為傳感器和專用測量與適調線路，其功能是將機械振動最終轉化為可以被一般分析測量儀器所接受的、并具有歸一化機電靈敏度的電壓信號；后一部分的功能在于將前面所獲得的原始電壓信號加以分析、處理以及取得所要的數據。振動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子相對于軸承的相對振動，其最大特點是采用非接觸測量。渦流式位移傳感器的另一個特點是具有零頻率響應，且有頻率范圍寬、線性度好以及在線性范圍內靈敏度不隨初始間隙的大小改變等優點。 圖1-1 電渦流傳感器外形

26、1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壓的直流分量正比于感應線圈與金屬導體之間的靜態間隙；若線圈與金屬板之間存在相對振動，則有交流電壓輸出，它正比于金屬板與感應線圈之間的相對位移，因此這種傳感器又稱為位移傳感器。它不但可以作靜態測量，還可以做動態測量。電渦流傳感器監測到的交直流信號是疊加在線圈的高頻電源上的，如果直接將這種混頻信號送到振動儀，即使采用高頻電纜，也會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置放大器、檢波器和濾波器，將振動信號放大并檢出后送到振動儀。這一裝置稱為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

27、精心調配好的。不同型號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/CM。S-1）和較低的輸出阻抗（1-3K），能輸出較強的信號功率，不易受電磁場的干擾，對于比較復雜、需很長導線的現場，仍能夠獲得較高的信噪比。其頻率范圍一般在0。008-1KHZ，勿需設置專門的前置放大器，測量線路簡單，加之安裝、使用簡單，主要用于測量非轉動部件的穩態振動。 圖3-2 絕對式速度傳感器的結構 1、8簧片；2永久磁鋼；3阻尼環；4導磁體；5連接桿； 6外殼；7動線圈；8引出線接頭（3）壓電式加速度傳感器是利用某些晶體材料的正壓電效應作為機電變換器而

28、制成的加速度傳感器。它具有極寬的頻帶（0。0002-10KHZ），本身質量較小（2-50G），有很大的動態范圍，比較適合于輕型高速旋轉機械的軸承座及殼體的振動加速度測量。 圖3-3 加速度傳感器的結構1 底座；2壓電晶體片；3導電片；4質量塊5外殼；6蝶形簧片；7引出線接頭；8導線在機組振動測試中合理的選擇振動傳感器，不但可以獲得滿意的測量結果、節省工作時間，而且對于盡快查明振動故障原因、提高轉自平衡精度和減少機組起停次數都有重要意義。合理地選擇振動傳感器主要考慮兩個方面：一是傳感器性能；二是被測對象的條件和要求，只有兩者很好的結合，才能獲得最佳測量效果。對于汽輪發電機組的振動來說，點渦流傳感

29、器和速度傳感器都是需要的，但在一般測試中，由于電渦流傳感器安裝麻煩，且有費時，故應盡可能以速度傳感器取代。但在某些振動故障診斷中及當轉子質量與靜子質量之比小于1:10時，如汽機高壓部分，應采用點渦流傳感器測量轉軸振動；相反，當轉子質量與靜子質量之比較大時，如汽機低壓和發電機部分，應采用速度傳感器測量軸承振動或測量轉軸絕對振動。為了對以上三種傳感器有一個簡單了解和對比以便進行選擇，下面對三種傳感器的主要性能和優缺點進行歸納：（一） 電渦流傳感器b. 可以直接測量轉軸振動，由于是非接觸式測量，可以避免接觸測量中產生的不良影響;c. 能作靜態和動態測量，所以它可以測量2Hz以下的低頻振動，而且適用與

30、絕大多數條件;d. 價格比較便宜，本身價格為速度傳感器的1/5,若考慮前置器的價格，則與速度傳感器價格相近；e. 輸出信號與振動位移成正比，對于采用振幅描述振動狀態的大多數情況來說，它可以獲得較高的輸出信號；f. 結構簡單可靠，尺寸小，沒有活動部件；g. 針對汽輪發電機組的振動，它具有合適的頻率響應范圍，標定較容易；h. 除用于測量振動和部件靜態位置外，還可以作為轉速測量和振動相位測量的鑒相信號；i. 測量振動物體材料如不同會影響傳感器線性范圍和靈敏度，須重新標定；j. 需外加電源，安裝比較麻煩，必須配有前置器。（二） 速度傳感器k. 安裝簡單，可適用于絕大多數機械的工作環境，對于汽輪發電機組

31、振動來說，它具有合適的頻率響應范圍；l. 不需外加電源，振動信號可以不經任何處理傳輸到目標；m. 體積、重量較大，活動部件易損壞，低頻響應不好，一般測試15Hz以下的振動信號時，將產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，適用于受附加質量影響顯著的振動系統的測試，例如汽輪機葉片的振動測試；o. 結構緊湊、牢靠，不易損壞；p. 環境噪聲、傳感器安裝方法和導線敷設方式，對測試結果有較大影響。對汽輪發電機組來說，其工作頻率范圍顯得過大。標定困難，只能作動態測量，價格較貴，需設置前置放大器。2 摩擦信號測量金屬材料發生碰磨或連續摩擦時，發生摩擦處的原子之間的結合能以彈性波的形

32、式釋放出來，即聲發射。用壓電晶體聲發射傳感器即可接受該信號，并把它轉換為電壓信號，經過分析處理后即可得到反應設備動靜摩擦的特征參數。3轉子裂紋信號測量測量辦法同摩擦信號，但不同之處是裂紋信號的頻率更高，且是瞬變隨機信號。而且其傳遞是難點，當前轉子裂紋信號的傳遞方法有兩種：一種是發報法，即把傳感器測取的轉子裂紋信號經過調制后形成載波信號，用無線發報機發送到機外的接收裝置，再經過放大、濾波等處理后得到特征參數；另一種是電磁感應法，即通過固定在轉子上的主線圈和固定在靜止件上的副線圈間的電磁感應傳遞信號，然后再經過放大、濾波等處理后得到特征參數。4軸承油質信號測量目前常用的測量分析方法是：油樣光譜分析

33、法、油樣鐵譜分析法、磁塞檢查法。第三章 信號分析及特征提取常用工程信號都是時間波形的形式。時間波形有直觀、易于理解等特點，由于是最原始的信號，所以包含的信息量大。缺點是不太容易看出所包含信息與故障的聯系。§3-1 隨機信號的統計特征隨機信號的分析，主要是采用概率和統計的方法，通過幅值統計平均計算概率密度，再通過相關分析和頻譜分析（譜密度分析），在幅域、時域和頻域中進行統計處理。（1） 幅域分析的統計函數a. 均值Ex 均值Ex表示集合平均值和數學期望均值，亦即品均值。可用時間間隔t內，曲線x(t) 下的總面積除以T表示 (4-07) 也可以用代表樣本平均值。b. 均方值 x2(t)的

34、平均值，定義x(t)的均方值Ex2，即 (4-08)c. 方差和均方差 方差2 ，其正平方根稱均方差，也叫標準差，方差的定義為 (4-09)即方差為x(t) 對Ex的偏差的平方的平均值，可得 (4-10)d. 概率密度函數 概率密度函數p(x)為隨機變量的瞬時幅值落在增量x范圍內可能出現的概率與增量x之比，即 (4-11) 式中 P(x)和P(x+x)為概率分布函數。e. 概率分布函數 同概率密度一樣，概率分布函數也用于對隨機變量中數值分布的描述 (4-12)也就是說，隨機變量的幅值不大于某值的累積概率，可以寫成 (4-13)式中 x為隨機變量的幅值，xk為某值，Prob為概率。f. 聯合概率

35、密度函數 兩個隨機樣本記錄的聯合概率密度函數，表示兩個樣本記錄值在某瞬時同時落在某個指定范圍內的概率。聯合概率密度函數p(x,y)可表示為 (4-14)若兩個現象的統計是獨立的，則 (4-15)此時聯合概率密度函數是單個概率密度函數的乘積。（2） 時域分析的統計函數a. 自相關函數 自相關函數Rx()為隨機信號x(t)在時間t時的值與時間為（t+）時的值的乘積的平均值，即 (4-16)自相關函數表示波形與自己相差一個時間值時的相似程度。自相關系數x()表示信號x(t)的自相關函數與該信號的均方值之比 (4-17)自相關系數滿足 (4-18)b. 互相關函數 互相關函數Rxy()為信號x(t)在

36、時間t時的值與另一信號y(t)在時間為（t+）時的值的乘積的平均值 (4-19)互相關函數表示兩個信號波形相差時間時的相似程度。互相關系數xy表示信號x(t)和y(t)的互相關函數與這兩個信號的均方值的乘積的平方根之比 (4-20)式中 Rxy()=Ex(t)y(t+)，Rx(0)=Ex2(t)，Ry(0)=Ey2(t)。互相關系數滿足 (4-21)（3） 頻域分析的統計函數a. 自功率譜密度函數 對平穩隨機過程，自功率譜密度Gx()為自相關函數的傅立葉變換。其單邊譜為 (4-22)式中 Rx()自相關函數。Gx()也可以直接用傅立葉變換的頻率分量表示，即 (4-23)b. 互功率普密度函數

37、對于平穩隨機過程，互功率普密度函數Gxy()為互相關函數的傅立葉變換 （4-24） 式中 Rxy()互相關函數c. 相干函數 相干函數表示為 （4-25）式中 Gii()輸入功率譜； Gkk()輸出功率譜； Gik()互功率譜。相干函數滿足 （4-26）ik=0時，說明xi(t)與yk(t)完全不相干；ik=1時，表示互功率譜和傳遞函數是完全可信的。d. 傳遞函數 傳遞函數H(p)定義為系統脈沖響應函數h()的拉普拉斯變換 (4-27)式中 p=a+ib。令a=0，b=2，則得到頻率響應函數 (4-28)對于物理上可實現和穩定的系統，頻率響應函數可以代替傳遞函數而不會失去有用的信息。§

38、;3-2 信號的頻域分析一頻域分析的概念工程上所測得的信號一般為時域信號，然而由于故障發生、發展往往引起信號頻率結構發生變化，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態行為，往往需要頻域信息。將時域信號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雜的時間歷程波形，經傅立葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結構以及各諧波幅值和相位信息。周期性及準周期性信號的頻譜為離散譜，非周期信號及隨機信號為連續譜。 (4-29)或 (4-30)對傅立葉逆變換，有 (4-31)或 二自功率譜密度分析自功率譜密度函數是在頻域中對信號能量或功率分布情況的描述，它可由自相關函數的傅立葉變換求

39、得。自功率譜密度函數為：自功率譜密度函數反映的信號頻率結構與信號的幅值譜相似，但自功率譜密度函數反映的是信號幅值的平方，因此它反映的頻率結構更為明顯。三互功率譜密度分析互功率譜密度函數為：互功率譜密度函數是兩個信號在頻域上的相關程度的描述，并且具有相位信息。互功率譜密度函數提供的結果是頻率的函數而不是時間的函數。四 階比譜分析階比譜是一種研究機械振動特征的、在FFT分析技術基礎上發展起來的技術，主要是充分利用轉速信號，因為旋轉機械的振動信號中多數離散頻率分量與主旋轉頻率（基頻）有關。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倒頻譜分析兩種主要形式。它對于分析具有同族諧頻或

40、異族諧頻、多成分邊頻等復雜信號，找出功率譜上不易發現的問題，非常有效。功率譜分析能夠很好地揭示隨機波形中混有的周期信號，那么倒頻譜就能突出功率譜圖的一些特點和顯示振動狀態的一些變化，特別能揭示譜圖中的周期分量，有利于故障診斷。如果一實測信號y(t)是由x(t)和s(t)迭加形成的，即y(t)= x(t)+ s(t)，則當兩個分量的能量分別集中在不同的頻率里時，可用頻域分析中的線性濾波或功率譜分析。當所要提取的分量以一定的形狀作周期性重復，而另一個分量是隨時間變化的噪聲時，可用時域分析中的信號平均方法或相關分析。這些方法都可有效地處理線性迭加信號。但是，有的信號不是其分量的線性迭加。于是1962

41、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與傳遞函數區分開來，便于識別。還能區別出因調制引起的功率譜中的周期分量，診斷出調制源。給出時間信號y(t)的功率譜Sy(t)表達式如下： (4-53)式中F 表示傅立葉正變換，表示取模。倒頻譜就是對功率譜Sy(f)的對數值進行傅立葉逆變換的結果，用Cy()來表示功率Sy(f)的倒頻譜，有 (4-54)式中F-1 表示傅立葉逆變換，表示倒頻譜的時間變量。這里 指出，由式（4-54）聯系到y(t)的自相關函數Ry(): (4-55)可以看到，倒頻譜Cy()的變量與自相關函數Ry()的時間變量在量綱上是一致的。我們

42、稱為倒頻譜。對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別信號的組成分量，便于提取其中我們關心的信號成分。例如一個系統的脈沖響應函數為h(t)，輸出為x(t)，那么輸出信號y(t)等于x(t)和h(t)的卷積，如圖4-1所示的關系式。倒頻譜的作用就是將y(t)=x(t)*h(t)的卷積變成簡單的迭加。 圖4- 1 系統的輸入、輸出和傳遞函數y(t)=x(t)*h(t)對兩邊取傅立葉正變換，時域中的卷積，轉換成頻域中的相乘 (4-56)將上式取幅值平方，便得到功率譜的關系式 (4-57)兩邊取對數由于傅立葉變換的線性性質，這個相加關系保留在倒頻譜中 (4-58)即 (4-59)上式

43、含義是，如果輸入信號x(t)或系統的脈沖響應h(t)中有一個已知，就可以從輸入信號y(t)的倒頻譜Cy()中除去，得到另一分量的倒頻譜，例如Ch()，對它進行傅立葉正變換可得到lnH(f) 2，再進行指數運算，便得到傳遞函數的幅值H(f) 了。利用倒頻譜對信號進行分析的基本步驟如圖4-2所示 圖4- 2 利用倒頻譜對信號進行分析的基本步驟六細化分析及小波分析細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，常用的細化方法為復調制細化方法。用它可以得到細化幅值譜和細化相位譜。小波分析是從經典傅立葉變換發展而來的，概括地說，小波是一個滿足條件的函數通過平移和放縮產生的一

44、個函數族： 其中A，B分別為伸縮和平移因子，統稱尺度因子，為小波母函數，稱為分析小波或連續小波。小波變換是對描述信號的函數進行帶通濾波，即將信號分解到一系列帶寬和中心頻率不同的頻率通道的過程。在實際應用中，特別是在計算機實現上往往需要把連續小波變換為離散小波，具體做法是通過對其伸縮因子和平移因子的采樣而離散化。經過離散化后的小波和相應的小波變換稱為二進小波變換。七分形幾何幾何上，分維D刻畫了曲線的“粗糙”程度，D越大，曲線越彎折，越不規則。D 越小，曲線越光滑。也就是說分堆D 能定量地表征曲線的不規則程度，如圖5-11所示。 圖5-11 D刻畫了曲線的不規則程度八時間序列分析時間序列是按事件發

45、生的前后順序排列所得的一系列數，時間序列分析所研究的對象是離散的。時間序列分析方法完全是一種以參數模型為基礎的分析方法。以模型參數為基礎，可以進行參數識別、譜估計、預報等等。時間序列分析中兩類最基本的數學模型是ARMA模型和AR模型。1ARMA（n,m）模型（自回歸滑動平均模型）對于滿足各態歷經性假設的隨機信號數據，可用如下的數學模型來描述它們之間的相互依賴關系，即此即n為階自回歸m階滑動平均模型，稱為滑動平均系數，稱為自回歸系數，殘差at、at-m均為白噪聲序列。此式表明，當前時刻的數值不僅與其前N個數值有關，而且還與前M個時刻的隨機干擾有關。3 AR(n)模型（自回歸模型） 此式表明，當前

46、時刻的數值只與其前面N個時刻的數值和當前時刻的隨機干擾有關。§3-3 瞬態信號的處理與分析瞬態信號是設備隨著某些工藝參數和運行參數的變化過程的響應的過程信號。常用于分析旋轉機械振動故障。一跟蹤軸心軌跡軸心軌跡是軸心相對于軸承座的運動軌跡，它反映了轉子瞬時的渦動狀況。跟蹤軸心軌跡是在一組過程信號中，相距一定的時間間隔對轉子的軸心軌跡進行觀測的一種方法。 1000r/min 1500r/min 2000r/min 2500r/min 3000r/min二波德（Bode）圖波德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

47、計算既可以用FFT法，也可以用濾波法。當過程的變化參數為轉速時，波德圖實際上就是機組隨激振頻率不同而幅值和相位變化的幅頻響應和相頻響應曲線。三極坐標圖極坐標圖實質上是振動向量矢端圖，和波德圖一樣。振動向量可以是1倍頻、2倍頻或其它諧波的振動分量。極坐標圖有時也被稱為振型圓和奈魁斯特圖（Nyquist圖）。它對于說明不平衡質量的部位，判別臨界轉速以及進行故障分析是十分有用的。四三維譜陣圖（瀑布圖）當轉子升速時，各轉速下都有反映轉子頻域特性的頻譜圖，把各個轉速下的譜圖描繪在一張圖上，稱之為“級聯圖”，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，

48、包含有相同的信息，只是其表達的形式不同。在坎貝爾圖中，與轉速有關的頻率成分或階比成分用圓圈來表示，圓圈的直徑表示信號的幅值大小，其橫坐標表示轉速，而縱坐標表示頻率。 波德圖 極坐標圖 瀑布圖（級聯圖）§3-4 聲發射信號的處理與分析聲發射檢測技術是20世紀50年代初興起的一種新的無損檢測方法。幾十年來，聲發射技術已經在壓力容器的安全性檢測與評價、核反應堆安全性監測以及動靜摩擦、受力部件裂紋、電火花放電等許多領域都得到成功應用。一聲發射信號的產生和傳播所謂聲發射，是指材料或結構因受外力或內力作用而產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放出應變能的現象。因此，聲發射也稱應力波發射。工程材料中許多機構都可能成為聲發射源，其中與無損檢測有關的聲發射源則主要有塑性變形和裂紋的形成與擴展。塑性變形主要是通過滑移和孿生兩種方式進行的，其中滑移是主要方式，它的元過程則是位錯的運動。作為應變能以彈性波釋放而產生的聲發射波，與超聲波有相似的傳播規律。從傳播形式上來看，聲發射波在固體介質中以縱波、橫波、表面波和板波等各種形式向前傳播。聲發射波在傳播過程中，除由于波前擴展而產生的擴散損失外，還會由于內摩擦及組織界面的散射使其