模态分析在故障诊断和状态监测中的应用

模态分析在故障诊断和状态监测中的应用

（文献综述）

秦志昌（2011201202）

机械工程学院一般力学与力学基础（硕）

摘要

机械设备故障诊断与状态监测技术在现代化工业生产中占有十分重要的地位，而模态分析理论及技术实现逐渐发展并趋于成熟，在各行各业中都有所应用。本文主要针对模态分析在故障诊断与状态监测领域的应用进行综述，并在此基础上分析并提出该技术在今后的发展趋势。

关键词：模态分析故障诊断状态监测

ABSTRACT

The fault diagnosis and condition monitoring of mechanical equipments plays an important role in modern industrial production. However, with the development of modal analysis theory and technology, the modal analysis is widly being used in many kinds of domains. This artical will summarize the use of modal analysis in the domain of fault diagnosis and condition monitoring. And on the base of it, the artical presents the development tendency of this important technology.

Keywords:modal analysis fault diagnosis condition monitoring

Ⅰ

1. 研究的背景、意义

随着科学技术的发展，机械设备向着大型化、高速化、连续化和自动化的方向发展。而且设备的功能越来越多，性能越来越高，组成和结构也越来越复杂，同时在现代化工业生产中所产生的作用和影响越来越大。然而，机械设备在运行过程中发生任何故障或失效不仅会造成重大的经济损失，甚至可能造成人员伤亡，因此，应该对设备可能发生的故障有正确的了解。

随着信息传感技术、信号处理技术、以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是计算机技术的发展，为设备故障诊断提供了技术支持，从而上述需要成为可能[1]。例如，结构状态监测（Structure Condition Monitoring）及诊断系统的研究与发展正是在此基础上产生的，它涉及土木工程、力学、测试技术、信号分析与处理技术、传感器技术、网络通信技术等多门学科，已经成为当前国内外土木工程领域研究热点[2]。结构健康监测基本理论是利用现场的无损传感与系统特性分析(包括结构响应)，来探测结构的变化，揭示结构损伤或结构性能的变化，并对结构状态做出评估，进而实现对结构的健康监测与诊断[3-4]。

因而，通过对设备工况进行检测，对故障发展趋势进行早期诊断，找出故障原因，采取措施避免设备的突然损坏，使之安全经济的运转，在现代化工业生产中起着重要作用。

2.故障诊断与状态监测技术的发展

故障诊断[5]（FD）始于（机械）设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断（CMFD）。它包含两方面的内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对设备故障进行分析、诊断。

设备故障诊断是随设备管理和设备维修发展起来的。欧洲各国在欧洲维修团体联盟（FENMS）的推动下，主要以英国倡导的设备综合工程学为指导；美国以后勤学（Logistics）为指导；日本吸收两者特点，提出了全员生产维修（TPM）的观点。美国自1961年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的事故，导致1967年在美国宇航局（NASA）倡导下，由美国海军研究室（ONR）主持成立了美国机械故障预防小组（MFPG），并积极从事技术诊断开发。英国在60~70年代，以Collacott为首的英国机器保健和状态监测协会（MHMG&CMA）最先开始研究故障诊断技术。英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面具有领先地位。日本的新日铁子1971年开发诊断技术，1976年达到实用化。日本诊断技术在钢铁、化工和铁路等部门处于领先地位。

我国在故障诊断技术方面起步较晚，1979年才初步接触设备诊断技术。目前我国诊断技术在化工、冶金、电力等行业应用较好。故障诊断技术经过三十年的研究与发展，已经用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程和设备、飞机和船舶发动机、汽车、冶金设备、矿山设备和机床等领域。

故障诊断技术自身发展过程，大致可以归纳为3个阶段[6]：

（1）离线的FFT分析仪阶段

20世纪80年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回实验室输入FFT 分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方法单一，基本上只能查幅值、频率。

（2）离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段

20世纪80年代末至90年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分析、数据管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，甚至更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，同时涌现出专家辅助诊断系统。

（3）网络化监测、诊断阶段

20世纪90年代末以来，充分利用企业内部局域网和Internet网络，做到资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。有专家预言：基于人工智能的故障诊断专家系统和基于人工神经网络理论的诊断系统将是故障诊断技术进一步发展的方向。

3. 模态分析技术的发展

3.1 模态分析的定义及分类

模态分析经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数[7]。

模态分析方法主要分三类，分别是试验模态分析EMA、工作模态分析OMA和工作变形分析ODS。

（1）试验模态分析[8-9]（Experimental Modal Analysis，EMA），也称为传统模态分析或经典模态分析，是指通过输入装置对结构进行激励，在激励的同时测量结构的响应的一种测