1、机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术 -信号的时域分析、频域分析信号的时域分析、频域分析 工程信号分析的意义工程信号分析的意义 在叶片上粘贴硬币，模拟工程实际中的不平衡现象在叶片上粘贴硬币，模拟工程实际中的不平衡现象 转速 n：单位时间内物体做圆周运动的次数(r/min)转频 f：每秒转过的圈数，f=n/60(Hz)工程信号分析的意义工程信号分析的意义 增加硬币重量，模拟更严重的不平衡现象增加硬币重量，模拟更严重的不平衡现象 时域和频域的幅值变大时域和频域的幅值变大 工程信号分析的意义工程信号分析的意义 将转速提高为原来的将转速提高为原来的2倍倍 时域中信号变得密集，频域中特征频率是原来的
2、时域中信号变得密集，频域中特征频率是原来的2倍倍 工程信号分析的意义工程信号分析的意义 不平衡质量块加重 增加转速 工程信号分析的意义工程信号分析的意义 1.时域还可以关注哪些特征？2.复杂信号如何观察频域特征？时域：幅值？周期特性？频域：幅值？频率大小？Questions:工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 信号的波形分析 概率分析 信号的多段平均 信号的统计特征值 信号的趋势分析 信号的相关分析 信号的频域分析信号的频域分析 幅值谱 功率谱 倒频谱 1.方法的原理？2.方法的作用？3.方法的适用性（注意事项）？关注关注:信号的时域分析方法信号的时域分析方法 信号
3、的波形分析信号的波形分析 概率分析概率分析 信号的多段平均信号的多段平均 信号的统计特征值信号的统计特征值 信号的趋势分析信号的趋势分析 信号的相关分析信号的相关分析 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域波形分析时域波形分析 特点特点 时域波形直观、易于理解 包含的信息量大 但不容易看出所包含信息与故障的联系 应用应用 对某些故障信号进行初步、定性的判断 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 时域波形分析时域波形分析 实例实例 旋转机
4、械出现不平衡故障时，信号中有明显的以旋转频率为特征的周期成分(接近正弦波形)转轴发生不对中故障时，信号在一个周期内，旋转频率的2倍频成分明显加大（一周波动2次）转子碰摩的时域信号存在明显的削波现象 轴承/齿轮因故障产生冲击 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 Time vel,不平衡 不对中 碰摩&偏载 vel 冲 击 vel 信号的时域分析方法信号的时域分析方法 信号的波形分析信号的波形分析 概率分析概率分析 信号的多段平均信号的多段平均 信号的统计特征值信号的统计特征值 信号的趋势分析信号的趋势分析 信号的相关分析信号的相关分析 工程信号分析基础工程信号分析基础
5、 信号的时域分析信号的时域分析 观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析 概率分析概率分析 概率函数概率函数 各态历经过程的样本函数x(t)的值落在x和(x+x)范围内的概率为：其中 表示 x(t)落在 x 和(x+x)范围内的总时间，T：总的观察时间 TtxxtxxPTlim)(工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 niitt1t1t2t3t4t5tx(t)0 x+xxT波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 概率分析概率分析 概率密度函数概率密度函数 lim1lim=+)(lim=)(00Ttxx
6、xxtxxPxpTxx概率密度函数的计算 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 概率大小 区间范围 概率密度函数p(x)曲线下的面积p(x)x，即是幅值x(t)落在x和(x+x)内的概率 波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 Maxx(t)Minx(t)概率分析概率分析 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 几种典型信号的概率密度函数-1010510152025050100150200-101050100150200-2024-202405101520050100150200-
7、101-101051015Sin信号 白噪声 混合信号 波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 050100150200250300-4-202050100150200250300-4-202概率分析概率分析 p(x)不受所取幅值间隔大小的影响，即概率不受所取幅值间隔大小的影响，即概率密度函数表示了密度函数表示了概率相对幅值的变化率概率相对幅值的变化率，或是单位幅值的概率，故有密度的概念，或是单位幅值的概率，故有密度的概念，量纲为量纲为1/(dx)工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析-4-20240510
8、15-4-20240204060波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 轴承故障分析轴承故障分析 概率分析概率分析 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 波形分析波形分析 概率分析概率分析 多段平均多段平均 相关分析相关分析 特征值特征值 趋势分析趋势分析 正常状态 外圈故障 概率分析的概率分析的matlab应用应用 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 Dy=linspace(ymin,ymax,n);%将幅值区间分成 n 个等分点 Num=hist(y,Dy);%计算各区间的
9、点个数 bar(Dy,Num);%画出柱状概率密度分布 最小幅值 最大幅值 信号的时域分析方法信号的时域分析方法 信号的波形分析信号的波形分析 概率分析概率分析 信号的多段平均信号的多段平均 信号的统计特征值信号的统计特征值 信号的趋势分析信号的趋势分析 信号的相关分析信号的相关分析 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析 落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析 信号的多段平均信号的多段平均 时域分析方法：直观、结果便于理解，很常用时域分析方法：直观、结果便于理解，很常用 旋转机械中的周期信号旋转机械中的周
10、期信号 转子不平衡时的振动信号 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 信号的多段平均信号的多段平均 旋转机械设备的状态信号具有周期性旋转机械设备的状态信号具有周期性 但在实测的信号中常常带有噪声但在实测的信号中常常带有噪声 信号染噪后，从时域波形观察信号难度增大信号染噪后，从时域波形观察信号难度增大 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域的多段平均时域的多段平均 为了从含噪数据中提取信号成分，需要降噪处理为了从含噪数据中提取信号成分，需要降噪处理 周期信号与噪声特性各异周期信号与噪声特性各异 周期信号的特点：属于确定性信号 f(x)=f(
11、x+nT)噪声的特点：属于随机信号 各时刻的数据分布相互独立，对于高斯白噪声，期望为0，方差为 降噪过程就是利用信号与噪声的特点，尽可能地降噪过程就是利用信号与噪声的特点，尽可能地保持信号成分保持信号成分，同时又尽可能地，同时又尽可能地抑制噪声成分抑制噪声成分。工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域的多段平均时域的多段平均 方法原理：分段方法原理：分段 +平均平均 分段：分段：选择合适的时间长度将信号分成若干段 时间长度必须为信号周期的整数倍 平均：平均：把多段数据的对应点相加、求和、取平均 方法作用：方法作用：抑制了非周期成分和噪声干扰，保留了周期信号 工程信号
12、分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域的多段平均时域的多段平均 正弦信号加白噪声正弦信号加白噪声 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 含噪信号 时域的多段平均时域的多段平均 分段、叠加、平均分段、叠加、平均 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域的多段平均时域的多段平均仿真信号仿真信号 N越大，噪声抵消得越多。越大，噪声抵消得越多。当当N取到取到128时，已经可以得到比较光滑的正弦曲线时，已经可以得到比较光滑的正弦曲线 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域多段平均算法的数学原理时域多
13、段平均算法的数学原理()()()x ts tn t()(0,)n tN将将x(t)分成分成N段，每段有段，每段有M个数据点个数据点 101()()(),0,1,1Nkky is in iiMN112200111()()NNkkkkDn iD n iNNN降噪后，噪声的标准差为原来的降噪后，噪声的标准差为原来的 1N 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 时域的多段平均时域的多段平均注意事项注意事项 关于分段的原则：整周期分段关于分段的原则：整周期分段 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 分段周期不精确的影响分段周期不精确的影响 分段周期不精
14、确分段周期不精确会给分析结果造成很大影响，且会给分析结果造成很大影响，且N越大结果越糟糕越大结果越糟糕!分段周期为实际周期的分段周期为实际周期的99%，即为非整周期截断，即为非整周期截断 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 如何保证整周期分段？如何保证整周期分段？引入键相信号引入键相信号 在工程应用中通常使用键相信号键相信号 同步数据采集同步数据采集 A 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 信号的时域分析方法信号的时域分析方法 信号的波形分析信号的波形分析 概率分析概率分析 信号的多段平均信号的多段平均 信号的相关分析信号的相关分析 信号
15、的统计特征值信号的统计特征值 信号的趋势分析信号的趋势分析 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 整周期分段整周期分段/叠加叠加/平均，降噪平均，降噪 观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析 落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析 如何分析两个信号之间的关系？如何分析两个信号之间的关系？问题的提出问题的提出 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 研究变量研究变量 与延迟时间与延迟时间 后的后的 之间的关系，称之间的关系，称为为自相关自相关)(tx)(tx研究变量研究变量 与延迟时间与延迟时间 后后的另一个变量的另一个变
16、量 之间的关之间的关系，称为系，称为互相关互相关)(tx)(tyx(t)y(t)x(t)问题的提出问题的提出 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 0 491419-2021234-0.500.511.551015202530-20211.522.533.54-0.500.511.5 自相关函数自相关函数 (Autocorrelation Function)dtxtxRx0)()(1lim)(NtxtxtxNR11)()()(实际工程应用中实际工程应用中 0 491419-2021234-0.500.511.5x(t)t t 乘积、加和、求平均乘积、加和、求平均)(tx研究研究 时刻与时刻与 时刻，两个信号时刻，两个信号之间的依赖关系之间的依赖关系 tt0 491419-2021234-0.500.511.5自相关的原理自相关的原理 工程信号分析基础工程信号分析基础 信号的时域分析信号的时域分析 0 491419-2021234-0.500.511.50 491419-2021234-0.500.511.5时间延迟时间延迟 0)1()1(xxNtxtxtxNR