机械振动特征分析4
机械振动信号特征分析与提取方法研究
机械振动信号特征分析与提取方法研究引言机械振动信号的分析与提取一直是工程领域的研究热点之一。
准确地分析和提取机械振动信号的特征可以帮助我们了解机械系统的运行状态、判断机械故障以及预测寿命。
本文将介绍机械振动信号特征分析与提取的相关研究方法，并结合实际案例提供一些应用实例。
一、时域分析时域分析是最基本、最直观的信号分析方法之一。
它通过观察信号的波形图、频谱图和幅值图等来分析信号的特性。
例如，我们可以通过观察机械振动信号的波形图，判断机械系统是否存在明显的异常振动。
此外，时域分析还可以帮助我们提取机械振动信号的幅值、峰值等特征参数，进一步分析振动信号的周期性和稳定性。
二、频域分析频域分析是一种将时域信号转化为频域信号的方法。
通过对机械振动信号进行傅里叶变换或功率谱估计，我们可以将信号从时域转化为频域，并获得信号的频谱分布。
频域分析可以帮助我们提取机械振动信号的频率、振幅等特征参数，以及检测信号中的谐波和噪声成分。
例如，通过分析机械设备的振动信号频谱，我们可以判断机械系统存在哪些故障模式，以及故障的频率范围。
三、小波分析小波分析是一种在时频域上进行信号分析的方法。
它通过对机械振动信号进行小波变换，将信号分解成不同频率的小波分量，并可以获得信号在不同时间尺度和频率尺度上的特征。
小波分析可以帮助我们提取机械振动信号的瞬时特征、瞬态特征以及非线性特征。
例如，在判断机械设备故障时，通过小波分析，我们可以检测到故障信号中的冲击特征、非线性共振特征等。
四、时频分析时频分析是一种结合了时域和频域信息的信号分析方法。
它通过对机械振动信号进行时频变换，将信号在时间和频率上的信息同步地表示出来。
时频分析可以帮助我们有效地提取机械振动信号的瞬态特征、频率变化特征以及瞬时能量的分布情况。
例如，在机械系统运行过程中，我们通过时频分析可以监测到特定频率随时间变化的趋势，进而判断机械系统是否存在渐变故障。
结论机械振动信号特征分析与提取是一项重要的工程技术。
机械振动信号的特征提取与分析方法研究
机械振动信号的特征提取与分析方法研究引言：机械设备在运行过程中，产生的振动信号是一种常见的现象。
这些振动信号包含着丰富的信息，可以提供机械设备运行状态的相关特征。
因此，提取和分析机械振动信号的特征，对于设备故障诊断和健康管理具有重要意义。
一、机械振动信号的特征提取方法1. 时域分析时域分析是最常用的特征提取方法之一。
它通过观察振动信号的波形，获得振动信号的幅值、峰值、均值等特征。
此外，时域分析还可以通过计算振动信号的统计量，如方差、标准差等，来量化振动信号的变动性。
2. 频域分析频域分析是另一种常用的特征提取方法。
它通过将振动信号转化为频谱，来研究振动信号在不同频率上的分布。
常见的频域分析方法有傅里叶变换、小波分析等。
频域分析可以帮助我们找出振动信号中的特定频率分量，从而判断机械设备是否存在异常。
3. 瞬时参数提取瞬时参数提取是一种特殊的特征提取方法，它关注振动信号的瞬时变化。
通过利用瞬时参数提取方法，我们可以获得机械设备故障时的瞬时振动特征，从而更准确地判断设备运行状态的变化。
二、机械振动信号的特征分析方法1. 统计学方法统计学方法是最常用的特征分析方法之一。
它基于振动信号的统计特征，如均值、标准差等，进行故障诊断和健康管理。
我们可以通过比较不同状态下的统计特征，来判断机械设备的运行状态。
2. 时频分析方法时频分析方法结合了时域和频域分析的优势，可以对振动信号的瞬时特性和频率特性进行分析。
常见的时频分析方法有短时傅里叶变换、时频分布等。
时频分析方法可以帮助我们更直观地观察振动信号的时域和频域特征，以便更好地理解设备的运行状态。
3. 机器学习方法机器学习方法是近年来兴起的一种特征分析方法。
它利用机器学习算法对振动信号进行建模和分类，从而实现设备故障的自动检测和诊断。
机器学习方法具有较强的自适应性和泛化能力，可以在不断学习的过程中提高诊断和预测的精度。
结论：振动信号的特征提取和分析方法对于机械设备的故障诊断和健康管理至关重要。
机械振动信号的特征分析与故障诊断
机械振动信号的特征分析与故障诊断引言近年来，随着科技的不断发展，机械设备的应用越来越广泛。
然而，由于长时间工作和不良工作环境等因素，机械设备的故障率也逐渐增加。
因此，进行机械设备的故障诊断和预测对于提高设备的可靠性和工作效率至关重要。
本文将探讨机械振动信号的特征分析与故障诊断。
一、机械振动信号的特征分析1. 振动信号的采集机械设备中的振动信号通常通过加速度传感器进行采集。
采集的数据可以是时域信号，也可以进行傅里叶变换得到频域信号。
2. 时域分析时域分析是对振动信号在时间上的变化规律进行分析。
通过观察振动信号的波形、幅值和频率等特征，可以初步判断出机械设备的工作状态。
例如，当振动信号呈现规律性的周期性波形时，说明机械设备正常运行；而当出现突然的幅值变化或频率变化时，可能存在故障。
3. 频域分析频域分析是将振动信号从时间域转换到频率域进行分析。
通过傅里叶变换等方法，可以得到振动信号的频谱图。
频谱图可以清晰地显示振动信号在不同频率上的分布情况。
根据不同频率上的峰值和频率分布情况，可以分析出机械设备的工况和故障情况。
例如，当频谱图中出现特定频率的峰值时，可能说明存在共振或传动系统故障。
二、机械振动信号的故障诊断1. 故障特征提取在进行机械设备的故障诊断时，首先需要从振动信号中提取故障特征。
根据机械设备的不同类型和工作方式，故障特征可能具有多种形式。
例如，对于滚动轴承故障，常用的特征包括脉冲特征、包络谱特征和细节系数特征等。
2. 故障诊断方法针对不同类型的故障，可以采用不同的诊断方法。
常见的故障诊断方法包括模式识别、神经网络和支持向量机等。
这些方法可以通过对机械振动信号进行特征提取和分析，建立故障诊断模型进行故障判断。
3. 故障诊断系统为了实现机械设备的在线故障诊断和预测，可以搭建故障诊断系统。
故障诊断系统将振动传感器、数据采集模块、信号处理模块和故障诊断模型等部件进行集成，实时监测和分析机械设备的振动信号，并输出故障诊断结果。
机械振动分析
机械振动分析机械振动是机械系统中普遍存在的一种运动形式，它对机械设备的性能、可靠性和寿命等都有着重要的影响。
因此，进行机械振动分析是了解并解决机械系统振动问题的关键步骤之一。
本文将对机械振动分析进行详细探讨。
一、机械振动的基本概念和分类机械振动是指机械设备在工作过程中由于内外部因素的作用而产生的周期性或非周期性的运动。
根据机械振动的特点和性质，可以将其分为自由振动和受迫振动两类。
自由振动是指机械系统在不受外界强制激励的情况下，由于初始的位移或速度而引起的自身振动。
自由振动的频率和振幅受到机械系统的固有特性决定。
受迫振动是指机械系统在外界强制激励的作用下，产生的与激励力有关的振动。
根据振动激励的特点，受迫振动可分为谐振和非谐振两类。
谐振是指激励力频率等于机械系统固有频率时产生的振动；非谐振则是指激励力频率与机械系统固有频率不等时产生的振动。
二、机械振动分析的目的和意义机械振动分析的主要目的是了解和解决机械系统中产生的振动问题。
通过振动分析，可以对机械系统进行设计优化，提高工作效率和稳定性；可以检测机械设备的正常工作状态，预测可能存在的故障；还可以减少机械系统对周围环境和人员的危害。
同时，机械振动分析还有助于优化机械系统的结构和材料选择，降低振动噪声；可以评估机械设备的可靠性和寿命，提前采取维护和修理措施；对于已发生故障的机械设备，还可以通过振动分析锁定故障位置和原因。
三、机械振动分析的方法和步骤机械振动分析的方法主要包括试验分析和数值模拟两种。
试验分析是通过采集机械设备振动信号的方式，通过对信号的处理和分析，了解机械设备的振动特性和问题。
试验分析的具体步骤包括：获得振动信号、信号处理、频谱分析、特征提取和问题诊断等。
数值模拟是利用计算机软件进行机械系统的振动仿真。
通过建立机械系统的数学模型，模拟系统在不同工况下的振动行为。
数值模拟的步骤包括建模、求解和分析结果等。
四、机械振动分析的指标和评估方法机械振动分析涉及多个指标和评估方法，常用的指标包括振幅、频率、相位和谱图等。
机械振动运动学第四章 多自由度系统振动(改)
或简写成
上式还可以简写成：
（4.21）
(4.20)
上式表明，在动力作用下系统产生的位移等于系统的柔 度矩阵与作用力的乘积。它也可写成：
（4.22） 柔度矩阵与刚度矩阵之间转换关系为：
（4.23）
上式说明，对于同一个机械振动系统，若选取相同的广 义坐标，则机械振动系统的刚度矩阵和柔度矩阵互为逆矩矩 阵。
可用矩阵形式表达为：
（4.48）
（4.49）
（4.50） （4.51） 将式（4.50）和式（4.51）代入式（4.48）和式（4.49） 中，得到机械系统的动能T和势能V的表达式分别为：
（4.52）
故得
（4.53） （4.54）
（4.55）
单自由度无阻尼系统在作自由振动时，其动能T和势能V （4.57） （4.58）
现在选取以下三组不同的广义坐标来分别写出振动系统 的运动作用力方程。
①取C点的垂直位移 yc和刚杆绕C点的转角c为广义坐标。 如图4.6（b）所示。
图4.6（b） 刚体振动系统广义坐标示意图 应用达朗伯原理，得出振动系统的运动方程式：
(4.62)
将上式写成矩阵形式：
（4.63）
上式中，刚度矩阵是非对角线矩阵，反映在方程组中，即 为两个方程通过弹性力项互相耦合，故称为弹性耦合。
为使系统的第 j坐标产生单位位移，而其它坐标的位移 为零时，在第i 坐标上所需加的作用力大小。
现以图4.1所示的三自由度系统为例，说明确定影响系数和 系数矩阵的方法。
1、确定 及[k] 设 x₁ 1， x₂ 0，x₃ 0 则得到系统的刚度矩阵
2、确定 及[C] 设 设 设
得 C₁₁ C₁ C₂， C₂₁ C₂， C₃₁ ； 得 C₂₂ C₂ C₃;C₁₂ C₂;C₃₂ C₃ 得C₃₃ = C₃; C₂₃ = C₃; C₁₃ = 0
机械振动的分析与控制
机械振动的分析与控制机械振动是机械工程中一个重要而常见的现象，它是机械运动中由失衡、不平衡、偏心、摩擦等因素引起的一种周期性变化。
这种振动不仅会引起设备故障，也会带来安全隐患和环境污染。
因此，对机械振动进行分析和控制，对于提高设备的稳定性和运行效率具有重要的意义。
一、机械振动的分类和特点机械振动可以分为自由振动和受迫振动两种类型。
自由振动是指机械系统在无外力干扰下的自然振动，受迫振动则是指机械系统受到周期性的外部激励而引起的周期性振动。
自由振动和受迫振动都具有很高的周期性，表现出振动频率、振幅等特点。
机械振动的特点有以下几点：第一，机械振动有一定的周期性，振动周期一般比较固定。
第二，机械振动的振幅大小是通过阻尼系数进行调节的，在外界激励等干扰下，振幅会发生变化。
第三，机械振动会产生能量，能量的大小和机械系统的状态和运动速度都有关系。
第四，机械振动的产生往往是由于机械系统自身的缺陷和损坏导致的。
二、机械振动的分析方法机械振动的分析方法涉及到多个学科领域，主要包括机械力学、信号处理、控制理论等。
针对不同类型的机械振动，需要选用不同的分析方法。
对于自由振动，可以通过求解系统的特征方程来计算系统的振动频率和振型。
对于受迫振动，可以采用傅里叶分析或小波分析等信号处理方法，分析系统的荷载和响应信号特点。
除了单独分析机械振动外，还可以采用有限元分析和振动模拟方法对机械系统进行整体分析。
这种方法可以考虑机械系统的复杂性和非线性特性，预测机械振动的发生概率和严重程度，为控制机械振动提供依据。
三、机械振动的控制技术针对机械振动所带来的影响，需要采取一系列控制技术进行控制。
机械振动的控制技术主要包括结构控制、阻尼控制、主动控制、被动控制等多个方面。
结构控制是指通过设计改变机械系统的结构，改变系统的固有频率，达到控制机械振动的目的。
阻尼控制则是通过人工增加机械系统的阻尼，以减少振幅和振动能量。
主动控制是指在机械系统内部增加控制装置，通过控制振动器件的电磁力、液压力等来控制机械振动。
机械振动和简谐振动
机械振动和简谐振动机械振动是自然界和工程实践中常见的现象，而简谐振动则是机械振动中最为基本和重要的模型。
本文将介绍机械振动和简谐振动的概念、特点以及一些应用。
一、机械振动的概念和特点机械振动是物体围绕平衡位置做周期性的往复运动。
它可以是机械系统中的部件振动，也可以是整个机械系统的振动。
机械振动往往由质点或弹簧等弹性元件的弹力引起。
其特点如下：1. 周期性：机械振动的运动是周期性的，当物体围绕平衡位置做一次完整的往复运动后又回到同样的位置和状态。
这一周期性使得机械振动具有可预测性和可重复性。
2. 频率：机械振动的频率是其运动的重要特征，代表了单位时间内振动的次数。
频率与振动周期的倒数成正比，可以通过实验或计算得到。
3. 幅度：机械振动的幅度代表了振动的最大位移或最大速度。
幅度与振动的能量大小相关，可以通过实验或计算得到。
4. 阻尼和驱动力：机械振动中常常存在阻尼和外加驱动力。
阻尼消耗了振动的能量，而驱动力则为物体提供了能量，影响了振动的稳定性和特性。
5. 谐振现象：在机械振动中，当外加力的频率接近物体的固有频率时，会出现谐振现象。
谐振时，振动幅度最大，能量传递效率高。
二、简谐振动的概念和特点简谐振动是机械振动中最简单的一种形式，其模型假设了无阻尼和驱动力的作用。
简谐振动具有以下特点：1. 一维振动：简谐振动在物理模型中往往被假设为一维振动，即物体围绕一个平衡位置在一条直线上往复振动。
2. 束缚性：简谐振动在一个有限范围内进行，物体保持在某个平衡位置附近做往复运动，不会无限制地扩散或发散。
3. 固有频率：简谐振动的频率与物体的固有特性有关，而与外界的驱动力无关。
物体的固有频率可以通过实验或计算得到。
4. 振幅和相位：简谐振动的振幅和相位是其两个重要的参数。
振幅代表振动的最大位移或速度，而相位则代表振动的位置关系。
5. 能量守恒：在简谐振动中，能量在势能和动能之间周期性转换，总能量保持不变，体现了能量守恒定律。
大型机械设备的振动分析研究
大型机械设备的振动分析研究现代工业制造离不开机械设备的应用，而大型机械设备常常被应用于重工业和基础设施建设，其在生产中产生的振动问题是影响设备稳定性和工艺精度的主要因素之一。
振动会导致机械设备强度削弱、噪声和能源浪费增大，严重时还会威胁到安全。
因此，学习和分析大型机械设备的振动问题，对于提高设备的稳定性和性能具有重要意义。
一、振动分析的概念和方法振动分析是振动学中的重要技术方法，它通过对振动源及其传递路径的分析，以及对被测物体的振动响应进行分析，来得出物体在振动过程中的各种状况信息。
通俗地说，振动分析就是通过测量和研究发生在被测体上的振动，来预测其运动状态和工作性能。
振动分析的基本方法包括频域分析和时域分析两种。
其中，频域分析是通过将信号从时域转换到频域，得到频率分量信息的方法。
而时域分析则是直接观察和测量被测物体在时间上的振动变化。
振动分析的应用越来越广泛，特别是在制造业和机械系统的故障分析中被广泛应用。
科学家和工程师们通过振动分析所获得的信号，可以识别出许多机械故障，如轴承的损坏、齿轮的磨损和弯曲等。
二、大型机械设备的振动特征大型机械设备作为重工业和基础设施建设中的重要设备，常常需要在高强度高能耗的环境下工作。
因此，对于其振动特征的深入研究，不仅能发现机械故障的根源，还可以为其稳定工作和延长使用寿命提供重要参考。
根据机械设备振动的物理特性，其振动特征主要包括振动的类型、振动的幅值和频率。
1、振动的类型在大型机械设备振动中，常见的振动类型主要有自由振动、强迫振动和自激振动。
自由振动是指物体在没有外施加作用力的情况下自然运动的振动形态。
强迫振动是指外作用力按照一定的频率对物体施加振动作用，使物体发生与外界振动同频的振动。
自激振动是指在物体自身存在某种非线性机制时，物体在某个阶段内产生的自身振荡现象。
2、振动的幅值振动的幅值是指振动过程中物体运动轨迹从最大值到最小值的距离。
它反映了物体在运动过程中的振幅大小和振动能量强度。
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定子故障
图中细化谱指示一种严重的电气故障。注意，(2FL)频率处出现5.79mm/s高的 幅值，而在2X转速频率处的幅值仅为0.11mm/s。在2X电源频率附近没有任何 极通过频率边带，这指示是定子故障。检查后，发现确实是定子偏心故障。
定子故障
2 ．应该对 2X 电源频率处振动超过1.27mm/s 的新电动机或修过的电动 机，在用的定子故障振动峰值达到2.54mm/s 的电动机进行分析。 ( 这 个准则适用于 50 马力到 1000马力的电动机 ) 。如果电动机直接驱动精 密机床的轴，则2FL的幅值必须更小，应该在0.63mm/s或更小。 注：1HP=745.7W 3 ．定子偏心，在转子与定子之间产生一个静止的不均匀的气隙，产 生非常定向的振动，在转子与定子的最小气隙处出现最大电磁力。电 磁力本身每转一转从最小到最大产生电源频率两倍的振动。
• 大部分电气故障在2X工频(同步频率)处振动值高
•100Hz
电气故障检测的一些问题
为什么是两倍工频? 而不是电源工频?
在定子磁场3000rpm一转过程中，朝向最靠近的极的磁拉力，从零上升到 最大在偏心转子中发生两次。磁场以3000rpm旋转，磁拉力在每分种内达 到最大6000次(或6000rpm)。
静止的和旋转的气隙的变化
电气故障检测的一些问题
FL=电源频率(FL=50赫兹) Ns=120FL／P
式中： Ns=无滑差的同步转速(转／分) P=极的数目
Fs=Ns-RPM
式中： Fs=滑差频率(转／分)
Fp=极数 * 滑差频率
式中： Fp=极通过频率 :存在电气故障问题的一个关子故障
5．松动的铁芯是由于定子支承刚性局部减弱或者松动造成的。 6．短路的定子铁芯片可引起不均匀的，局部发热，它实际上使 定子畸变，引起定子偏心故障。这就产生热弯曲，热弯曲可随着 运转时间延长明显增大，有时会引起定子与转子相接触，这是灾 难性的。
转子偏心
偏心的转子在转子与定子之 间产生不均匀的气隙，这个不均 匀的气隙与转子一起旋转(与偏心 的定子情况中静止的气隙正相反)
注意: • 在2FL处的较高振动3.40mm/s。 • 必须采用非常高的频率分辩率，以将2FL与电动机转速频率的谐波频 率分离开来 • 对于所选择的大多数频率范围，在2X转速频率和2FL频率处，分析仪 将不显示两个单独的频率；而在6000cpm处只显示一个频率(取决于所选 择的最高频率)。这些情况下，必须增加FFT的谱线数，或在6000cpm附 近作”细化谱“。
感应电动机振动分析
用振动分析可以检测的某些故障问题包括： 1．定子偏心，短路的铁芯片和松动的铁芯； 2．转子偏心(可变的气隙)； 3．转子故障(断的或裂的转子条或短路环，短路的转子铁芯片，松动的转子 条等)； 4．转子的不均匀的局部受热造成的转子热弯曲； 5．由于松动的或断开的接头造成的电气相位问题； 6．同步电机的故障； 7．直流电动机的故障； 8．扭转脉冲故障。
定子故障
振动分析可检测的定子故障：
1．定子偏心(偏心的定子在转子与定子之间产生一个静止的不动气 隙) ； 2．短路的铁芯片(铁芯片层的绝缘问题，它可以引起局部发热)； 3．松动的铁芯(定子中任何松动或弱点)；
这些故障问题呈现如下特征：
1．所有这些定子故障都产生2X电源频率的大振动。然而，它们不产生 极通过频率边带，因为它的振源在定子，不被转速频率或者滑差频率 调制。
定子故障
4．对于交流感应电动机，气隙差不应该超过5％；对于同步电动 机，不超过10％。 如果两倍电源频率(2FL)处振动额外增大，则应在定子和转子 上分别作一个点标记，检查电动机(如果物理上可以检查的话 )。 然后，在定子与转子的作点标记对准的情况下，测量气隙，每转 动转子45度，测量定子作点标记处的气隙。如果气隙变化超过的5 ％，则气隙差是由于偏心的转子造成的。下一步是再每转动转子 45度，测量转子作点标记处的气隙，如果这个气隙变化超过5％， 则说明是偏心的定子。
各种极数的同步转速(转／分)
极数 2 4 6 8 10 12 同步转速 3000 1500 1000 750 600 500
RBPF = 转子条数 X 转速
RBPF(转子条通过频率)
气隙 = 转子与定子之间的间隙 磁中心 = 转子磁场和定子磁场相平衡及转子被驱动的点
电气故障检测的一些问题
指示定子故障问 题的细化谱
机器振动特征分析（4）
交流感应电动机故障
电动机故障
• • • • MCSA电动机电流分析，是振动分析的强有力的支持技术。 不仅可证实存在故障，还可评定故障的严重程度。 振动分析和电流分析技术组合起来还可指出故障的原因。 有效的专家诊断软件。
在电流分析或振动分析评定电动机故障时，纯的机械故障可能使电动 机“呈现”为有明显的电气故障问题 (例如，严重不对中的轴可在电流分 析中产生转子与定子之间变化的气隙的效果 )。因此，这些试验指出存在 电气故障问题时，在把电动机送出去之前，应该首先进行详细的振动分析， 检查是否存在机械故障问题，以免本来不必要的电气修理。 首先应修正这些机械故障问题(不平衡，不对中，轴弯曲等)。然后，重 新进行电动机电流分析和振动分析，评定在解决了机械问题后电动机的电 气状态。
另一种解释是：转子的靠近侧首 先北极吸引，然后被南极吸引，力将 以2X磁场相对于偏心的频率变化。因 此，当转子与定子不同心时(或者由于 偏心的转子或者由于偏心的定子)，它 总是将影响6000rpm的振动。
转子与定子之间不均匀的气隙
电气故障检测的一些问题
图表示间隙本身保持 在同一角向位置的静止的 气隙问题与由偏心转子引 起的旋转的气隙问题之间 的差别。
交流感应电动 机及其定子、 转子、转子条、 气隙和磁场示 意图
感应电动机振动分析
包括转子条、短路环和转子铁芯片的转子立体图
电气故障检测的一些问题
• 如果怀疑电气故障，应该在电动机满负荷下进行测试 • 电磁力与定子电流的平方成正比 • 有电气故障的电动机，往往在‘单独”运转( 与被驱的机器不 连接) ，或者机器处于空载运转时，不产生故障的振动特征信号。 机器承载时，便出现明确的症兆，尤其处在或接近100％负荷时