機(jī)械振動是工業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中常見的一種現(xiàn)象，一般情況下機(jī)械振動都是有害的，因為振動會破壞機(jī)械的正常運(yùn)作。因此利用振動信號判斷設(shè)備的故障狀態(tài)越來越受到重視，如果機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障而未能監(jiān)測出來結(jié)果不僅會影響設(shè)備的壽命更有可能帶來更大的損失。所以基于振動信號的機(jī)械設(shè)備故障診斷成為監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的一種主要形式。

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測信號是反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行正常與否的信息載體。而振動信號是設(shè)備主要的監(jiān)測信號之一。基于振動信號的故障監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)步驟：振動數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

振動信號采集

機(jī)械設(shè)備振動信號的采集通常選用振動傳感器，振動傳感器作為傳感器的一種，在工業(yè)中主要用來檢測機(jī)械設(shè)備在工作中的振動情況，進(jìn)而確定設(shè)備的有無故障。基于振動傳感器的特性其在預(yù)測性維護(hù)中發(fā)揮了重要作用。例如我們可以根據(jù)電機(jī)的振動信號通過進(jìn)行時頻分析發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在的問題如電機(jī)不平衡，不對中等問題。從而可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)所說的零停機(jī)狀況。

常見的振動傳感器有：加速度傳感器，速度傳感器，位移傳感器，不同的傳感器適用的工業(yè)應(yīng)用場景不同。位移傳感器所測頻率為0～10kHz，在此范圍內(nèi)能給出準(zhǔn)確的低頻振幅及相位，速度傳感器為5～2kHz，能對中頻的振動產(chǎn)生較強(qiáng)的信號，加速度傳感器為5～20kHz，高頻范圍信號較強(qiáng)。振動傳感器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛基本每個行業(yè)都可以用到例如造紙業(yè)，煤炭行業(yè)，建筑行業(yè)。

設(shè)備的振動信號通過加速度采集而后傳感器將設(shè)備的實(shí)時振動數(shù)據(jù)傳輸給采集終端。而后采集終端將數(shù)據(jù)傳輸給我們的數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)預(yù)處理

振動采集過程中，往往存在多種干擾，導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，將偏離真實(shí)數(shù)值。因此在完成振動信號采集之后，應(yīng)當(dāng)對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可用性，并分析振動信號的隨機(jī)性，從而確定具體的處理手段。設(shè)備的振動信號往往是一雜亂無章的信號，要直接通過振動原始數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷有一定的難度。所以應(yīng)當(dāng)對采集到的振動信號進(jìn)行預(yù)處理。常用的振動信號預(yù)處理算法包括算術(shù)平均值法、加權(quán)平均值法、五點(diǎn)三次平滑法、滑動平均值法、中值法、模糊控制法等。

數(shù)據(jù)分析

對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的主要用途是判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及利用振動數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備故障診斷。振動數(shù)據(jù)分析主要有時域分析和頻域分析。

時域分析

振動時域參數(shù)分析是對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障檢測和診斷的簡易方法，時域波形是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器去噪處理后的信號，包含較多的信息量。在時域診斷中，常常采用的特征參數(shù)有:均值、均方根值、峰值、峭度指標(biāo)，波形指標(biāo)，脈沖因子、裕度系數(shù)……通過監(jiān)測這些特征參數(shù)是否超過設(shè)定的閾值來診斷傳動部件是否發(fā)生機(jī)械故障。幅域參數(shù)一般分為有量綱和無量綱2種類型的指標(biāo)。

除去常用的時域特征參數(shù)之外，時域波形也是判斷設(shè)備故障的一種主要方法。下圖電機(jī)實(shí)時振動波形圖，橫坐標(biāo)是時間單位秒（S），縱坐標(biāo)是加速度幅值單位是（m/s2）。

a、均值:平均值又可稱為直流分量，是用來評價信號是否穩(wěn)定。表征了振動信號變化的中心波動，是信號的常量分量。

b、均方根值:均方根值，也叫方均根值，它是對信號先平方，再求取平均值后開方得到的，是對沒有規(guī)律的信號比較有用。

c、峭度指標(biāo)：峭度指標(biāo)反映振動信號中的沖擊特征。峭度指標(biāo)對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下應(yīng)該其值在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機(jī)械的運(yùn)動狀況中存在沖擊性振動。

頻域分析

時域振動信號的頻譜分析是目前所知的研究故障特征方法中基礎(chǔ)的方法之一，可以在頻譜中，獲得比較全面的故障信息。在頻域中，主要從幅值頻譜、功率頻譜、倒頻譜、包絡(luò)譜等頻譜中分析。頻譜圖橫坐標(biāo)代表振動信號的頻率單位赫茲（Hz），縱坐標(biāo)代表頻率幅值。

幅值頻譜就是對傳感器釆樣所得的原始信號經(jīng)處理后的振動信號進(jìn)行一次傅立葉變換(FFT)，計算并畫出該時域振動信號的頻率圖譜如下圖所示。

功率譜，就是在頻域中表現(xiàn)對信號功率的分布，即體現(xiàn)出振動信號能量的大小情況。功率譜包括互功率譜和自功率譜2種頻譜，它的頻譜包含的信息和幅值譜是一樣的，因為它是幅值的平方，所以比幅值譜的突出頻率更加清晰。

倒頻譜，又叫二次頻譜。它可以有效地檢測出復(fù)雜頻譜中的周期成分。倒頻譜通常用在機(jī)械振動中，為了對故障進(jìn)行檢測和診斷，所以它在振動信號分析方面應(yīng)用的較多。倒頻譜有以下特點(diǎn)：通過倒頻譜分析，能夠識別出信號中不同頻率分量，找到對診斷來說比較重要的周期成分；倒譜能分離諧波和邊頻帶分量。

倒譜實(shí)現(xiàn)流程圖

綜上，利用振動信號對故障進(jìn)行診斷，是設(shè)備故障診斷方法中有效、常用的方法，機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的振動及其特征信息是反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要信號，因此通過各種動態(tài)測試儀器拾取、記錄和分析動態(tài)信號，是進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要途徑。