【国家标准(GB)】 机器状态监测与诊断 振动状态监测 第2部分：振动数据处理、分析与描述

ICS17.160
中华人民共和国国家标准
GB/T19873.2—2009/ISO13373-2:2005机器状态监测与诊断
振动状态监测
第2部分：振动数据处理、分析与描述Condition monitoring and diagnostics of machines-Vibration condition monitoring-Part2 : Processing,analysis and presentation of vibration data(ISO13373-2:2005,IDT)
2009-04-24发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
数码防伪
2009-12-01实施
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规范性引用文件
信号调理
模拟系统和数字系统
信号调理器
数据处理和分析
时域分析
频域分析·
运行变化的结果显示，
实时分析和实时带宽
阶比跟踪(模拟和数字)
倍频程和分数倍频程分析
倒频谱分析
其他技术
参考文献
GB/T19873.2—2009/ISO13373-2:2005TV
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GB/T19873.2—2009/ISO13373-2:2005GB/T19873《机器状态监测与诊断振动状态监测》由以下部分组成：一第1部分：总则；
一第2部分：振动数据处理、分析与描述；一第3部分：诊断基本技术，
本部分是GB/T19873的第2部分。本部分等同采用ISO13373-2:2005《机器状态监测与诊断第2部分：振动数据
振动状态蓝测
的处理、分析与描述》(英文版)。本部分等同翻译ISO13373-2：2005。为了便于使用，本部分做了下列编辑性修改：一用“本部分”代替“ISO13373的本部分”；一删除了国际标准前言，重新编写了本部分的前言；-对ISO13373-2：2005引用的其他国际标准，有被等同采用为我国标准的，用我国标准代替对应的国际标准，未被等同采用为我国标准的直接引用国际标准。本部分由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53)提出并归口。本部分起草单位：郑州机械研究所、西安热工研究院有限公司、东南大学、中国石油化工股份有限公司九江分公司。
本部分主要起草人：韩国明、张学延、傅行军、李海英、张刚、王义翠。Ⅲ
GB/T19873.2—2009/IS013373-2:2005引言
本部分涵盖机器振动状态监测领域，其目的是为得到监测机器的动态性能，对安装在选定位置上的振动传感器获得信号和数据，进行处理和分析时提供推荐的方法和程序。宽带振动测量提供机器振动烈度的概况，当机器出现反常时能被观察到并预替使用机器的用户。按照本部分规定的程序进一步处理和分析振动信号，为用户提供诊断机器问题的一个或多个原因的途径，它可用于更集中的连续的状态监测。这一监测程序的优点是：不但使机器操作人员认识到机器在某一时刻可能失效，并能在失效之前安排维修计划，而且提供关于如何安排维修计划和执行的有价值的信息。振动是诸如不对中、不平衡、磨损加速、流体和润滑等问题的现象或症状。GB/T19873.1包含了机器振动状态监测的指南。本部分包含了对测得的振动数据处理、分析和描述的指南，这些采集的数据可以用于诊断确定问题内在原因或根本原因。用于振动状态监测的信号处理、分析与诊断程序可能会随着监测的过程、期望的准确度和可用资源等而变化。一个完善而有效的状态监测程序应考虑多种因素，如系统的过程优先次序、关键性和复杂性、成本效益、各种失效机理的可能性和初期失效指示的识别。一个正确的过程分析需要指定用于监测机器状态期望的数据类型。振动分析师需要积累尽可能多的关于被监测机器的相关信息。比如，从设计和分析的信息中得知共振频率和激振频率，将提供有关预期振动频率和随后的被监测的频率范围。同样，了解机器的初始状态、机器的运行历史和运行状态也能为分析师提供其他附加的信息。这种预试验计划过程的其他优点是：能够就选择需要什么类型的传感器、最优的安装位置、需要哪种信号调理设备、可能最适宜的分析类型和相关的准则提供指南。更多的关于机器状态监测与诊断的标准正在起草中。这些标准旨在通过包括振动、油纯度、热成像和性能参数等要察的监测，为机器“健康”的综合监测提供指南。一些基础的诊断技术将在GB/T19873的其余部分描述，这些标目前正在制定中。I
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1范围
GB/T19873.2—2009/ISO13373-2:2005机器状态监测与诊断振动状态监测第2部分：振动数据处理、分析与描述GB/T19873的本部分为正确监测旋转机械振动状态和实施诊断，推荐了处理和描述振动数据以及分析振动信号的方法。描述了不同应用场合的不同技术。包括研究个别机器动态现象的信号增强技术和分析方法。这些技术中的许多方法也可以应用到其他的机器类型，包括往复式机器。本部分提供了为评价和诊断机器状态绘制的通用参数的格式。当分析振动信号时，本部分主要分为两个基本方法：时域法和频域法。本部分也包含了通过改变运行工况细化诊断结果的一些方法。本部分仅包括了用于机器振动状态监测、分析和诊断的最通用的技术。有许多其他技术用深人的振动分析和诊断研究来确定机器的状态，这些技术超出了机器状态正常的连续监测范围。这些技术详细的描述不属于本部分的范围。但是这些更加先进的用于特定目的的技术在第5章作为补充信息列出。
对于特定的机器类型和尺寸，GB/T11348和GB/T6075系列标准为应用宽带振动幅值进行状态监测提供了指南。其他的文件，如VDI3839和VDI3841，提供了指导振动诊断时能被探测到的有关具体机器的问题的附加信息。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过GB/T19873的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。
ISO1683声学声级的首选参考量
3信号调理
3.1总则
所有的振动测量都是通过测量传感器产生一个与振动加速度、速度和位移的瞬时值成比例的模拟电信号得到的。这个信号可以被记录在动态分析仪上，供后来分析或显示，比如在示波器上显示。为了得到实际的振动幅值，输出电压乘上一个校准系数，它由传感器的灵敏度以及放大器和记录仪的增益决定。大部分振动分析在频域进行，但也有一些包括振动时间历程的有用的工具。图1表示了在时域和频域中振动信号之间的关系。在图中，四个重叠的信号组合成了分析仪显示器中显示的复合轨迹（黑色轨迹）。通过傅里叶处理，分析仪将这个合成信号转换为四个离散的频率分量。
图2是在分析仪屏幕上看到的单一的传感器信号的复合轨迹的比较简单的示例。在这个例子中，仅有三个重叠的信号，如图3所示，它的离散的频率示于图4中。1
GB/T19873.2—2009/IS013373-2:2005X—时间；
一振幅/幅度；
一额率；
时域振动图；
一额域频谱。
X-—时间；
Y—幅值。
图1时域和频域
图2基本的谱线合成信号
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X-时间；
Y——幅值。
X-频率；
Y-幅值.
图3重叠信号
图4离散的频率
GB/T19873.2—2009/IS013373-2:2005X
对许多研究而言，结构上不同点处的振动或不同振动方向之间的关系与单独的振动数据本身一样重要。基于这个原因，带内置两通道分析特征的多通道信号分析仪是适用的。当用这一技术检查信号时，振动信号的幅值和相位关系都很重要。3.2模拟系统和数字系统
3.2.1总则
来自传感器的模拟信号可以用模拟或数字系统处理。传统上，模拟系统包括滤波器、放大器、记录仪、积分器和其他可以改进但不改变模拟特性的元件。最近，数字化信号的优点越来越明显。个模数转换器重复地采集模拟信号并将之转换为数值序列。计算机的数学程序可以用来滤波、积分、求频谱（见4.3.2）、建直方图或任何要求的工作。当然，数字化的信号也可以被描绘成时间的函数。在正确选择采样频率的前提下，模拟信号和数字信号包含有相同的信息。当使用模拟方法或数字方法时，知道被测信号的灵敏度是很重要的。灵敏度是信号实际输出电压值与实际测量的参数大小的比率。为了得到足够的精确度，所关注的信号应该显著地大于环境噪声，但不能大到使信号失真(如致使信号峰值被前平)。3.2.2数字化技术
在数字化处理中最重要的参数是采样率和分辨率。确保分析的频率不大于采样率的一半是很重要3
GB/T19873.2-2009/IS013373-2:2005的。否则，时间历程将失真，或者快速傅里叶变换（FFT）出现实际并不存在的迭混成分（关于迭混的更多的信息见4.3.7）。采样率取决于将要完成的分析类型和期望的信号频率范围。如果需要振动时域图，建议采样率应是关注的信号中最高频率的10倍左右。然而，如果要求频谱，FFT计算要求采样率要大于被测量的关注的信号的最高频率的2倍。抗混滤波器用于去除任何高频噪声或其他超过1/2采样率的高频成分。数字化时，每一个样本的长度应当满足要求的精度。3.3信号调理器
3.3.1总则
为了得到适合记录的电压等级或去除噪声或其他不需要的分量，来自传感器的振动信号一般在记录前要进行某种信号调理。信号调理设备包括传感器电源、前置放大器、放大器、积分器和多种滤波器等。滤波器将在3.4中进一步讨论。3.3.2积分和微分
振动记录数据可以是位移、速度或加速度。通常由关注的频率范围（当用位移时，低频信号比较敏感，用加速度时，高频信号比较敏感）或适用准则选用这些参数之一。振动信号可以通过积分或微分转换为不同量。加速度对时间积分转换为速度，速度对时间积分转换为位移，加速度两次积分直接转换为位移。微分是积分的逆运算。
对简谐运动，数学上有如下的关系式：[(ad)de =-
位移 =[udt=
速度=wwW.bzxz.Net
式中：
加速度
一简谐振动的角频率，@=2元f。注：见4.3.12。
.（1）
（2）
（3）
一般的振动传感器是加速度计，所以积分比微分更加常用。因为信号的微分比积分困难得多，但当在低频时积分应特别小心。在积分前，宜用高通滤波器去除比关注的频率低的频率信号。3.3.3均方根振动值
振动信号的均方根值（r.m.s.）通常用于振动评价标准中。准则通常应用在一定频率范围内的均方根值。这是在给定的时间周期内使用最多的振动量。当有许多频率分量或有调制情况时，振动信号的其他测量可能会造成混乱。可是均方根值是任何信号都可以建立的数学量，而且大部分仪器都可测量该量（见图5）。也可以用频谱分析仪在关注的高低频段内积分得到均方根值。E
a）正弦信号的均方根值等于峰值的0.707倍图5均方根值
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1—峰值；
2—均方根值。
b）非正弦信号
图5（续）
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如果在一个短周期内，读数变化不显著的话，振动信号可以按照要求滤波并显示在均方根值标尺上。如果读数变化明显，则应取某一较长时间周期内的平均值。这时，可能需要用有较长时间常数的仪器。3.3.4动态范围
动态范围是分析仪能容纳的最大信号和最小信号的比。信号的大小与传感器的输出电压成比例，通常是毫伏级。
模拟系统中的动态范围通常受电噪声限制。一般关注的不是传感器本身，而是滤波器、放大器、记录仪等的动态范围。所有这些均会增加噪声级别，并且结果可能会高得惊人。数字系统的动态范围依赖于采样精度，采样率相对关注的信号频率应该足够高。用于采集模拟信号的位数N和动态范围D(如果用位数表示符号)的关系如下：6(N-1)=D(dB)
...（4）
因此，有16位分辨率的动态信号分析仪(DSA)将有90dB的动态范围，但任何不准确性将减小动态范围。
3.3.5校准
在参考文献（例如ISO16063-21)中包含有单个传感器的校准，一般在现场应用之前在实验室内进行传感器的校准。推荐在任何现场安装时都要进行现场校准检验。现场校准检验不包括传感器的校准，但包括其他的测量和记录系统，如放大器、积分器、记录仪等。最常用的方法是将一个已知信号输入到系统中测量输出结果。根据测量的类型，这个信号可以是直流阶跃信号、正弦信号或随机噪声。有些传感器，如位移传感器、接近式探头等是提前安装的，校准应在现场与被测量的表面一起进行。因为接近式探头对转轴材料和表面状态比较敏感，这些探头的校准应在距轴毫米级的地方进行，并且注意每个输出。
当在现场校准惯性式传感器时，需要一个振动台。应变计在现场安装后通常也需要校准。最理想的校准是用一个已知的载荷施加在被测部件上。如果这样做不实际，可以做并联校准。把一个校准电阻与应变计平行连接，这样，用一个已知量改变应变计的视在电阻，该量等于用应变计因子确定的某个应变量。3.4滤波
有三种基本的滤波用于信号调理与分析：低通；
—高通；
带通。
低通滤波器，顾名思义是只对信号中的低频成分是导通的，而阻断高于滤波器限制频率（截止频率）的高频成分。一个应用实例是抗选混滤波器（见4.3.7)或某些特殊研究时排除不希望的高频分量（如动平衡时齿轮的啮合频率分量)的滤波器。S
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