客戶需求：

用戶是一家生產剎車盤實力雄厚的企業，日產量大，而且尺寸不一。為滿足高品質客戶對剎車盤固有頻率要求，組裝運行時，避免共振的產生。用戶針對該部分客戶提供的剎車盤需要抽檢，測試產品的固有頻率，以滿足用戶的需求。

解決方案：

剎車盤由于材質、材料屬性、形狀的不同會影響自身剛度和質量。它的固有頻率只受剛度分布和質量分布的影響，阻尼對固有頻率的影響有限。質量增大固有頻率必然降低，剛度增大固有頻率必然增大。

理論上講，剎車盤有多階固有頻率。在二維頻譜圖中，并不是所有的峰值對應的都是固有頻率，因為有可能是激勵頻率或是它的倍頻。因此通常通過測量頻響函數的方式來測量固有頻率，頻響函數對應的峰值都是系統的固有頻率。多數情況下，我們只關心低階或特定階固有頻率。

1、經濟型方案

圖一 設備鏈接示意圖

采用錘擊法進行FRF測量，計算固有頻率。錘擊法具有激勵設備要求簡單（力錘），響應傳感器最少一個就可以，試驗方法快捷，試驗總成本低的優點。理論上在一個位置安裝一個傳感器就能測量出剎車盤所有固有頻率。由于在實際布置時模態參考點時，要避開關心的所有模態節點，所以受到測量位置、激勵位置的影響，建議測量剎車盤固有頻率時，安裝兩個傳感器測量，對比兩個頻響函數的峰值。或者一個傳感器移動兩次位置，測量兩次結果比對。這樣更準確。如果想要得到剎車盤的振動形態與阻尼，更好的分析剎車盤性能建議再購買一套晶鉆自主研發的模態分析軟件EDM-Modal。

圖二 現場實驗示意圖

實驗設備：

• Spider-80X 8通道多通道數據采集系統
• 力錘
• 加速度傳感器 2個

用軟彈力繩或彈簧將剎車盤懸掛，使其處于自由狀態，可有增加測量有效性。

IEPE型PCB加速度傳感器352C03，底部平坦，配有磁座，可直接吸附在剎車盤上固定，通過線纜直接接到Spider-80X動態信號分析儀器的BNC接口上（Spider內置IEPE調理，無需供電）。將加速度傳感器吸附在剎車盤上。

將力錘通過BNC先接入儀器輸入通道。在剎車盤任意位置選擇激勵點，垂直方向，點擊敲擊一次，接收。同一位置，重復敲擊一次，接收（此處可簡化，EDM支持設置手動接收、自動接收）。

Spider-80X的最大采樣速率為102.4KHz/通道，保證對高頻信號的完整記錄。24位A/D和D/A轉換、150dB動態范圍、自動設置量程，確保了采集數據的準確性。
PC中的EDM -DSA軟件會實時顯示剎車盤頻響函數測量結果。首先查看相干性曲線，如果趨于1表示，表示頻響函數測量質量高，否則重新需要重新測量。最后查看頻響函數曲線，取其峰值。峰值1為一階，峰值2為二階，以此類推。增加游標和標記，確定其峰值，記錄。

該方案屬于經濟型，實驗環境簡單，測量方便，設備成本低，測量不同尺寸、形狀的剎車盤十分方便。缺點是人為操作比較多，測量結果受測試人員試驗技術水平影響較大，測量效率不高。適用于每日測量任務不多的情況。考慮工作量，可適當增加設備彌補。

2、精準型方案

圖三 設備鏈接示意圖

振動臺掃頻測試方法，將剎車盤通過夾具安裝在振動臺上進行掃頻激勵，然后分析響應信號獲得結構的固有頻率。

實驗設備：

• Spider-81B ??4通道振動測試系統
• 振動臺
• 加速度傳感器 2個

圖四?現場實驗示意圖

根據剎車盤的規格制定一個工裝安裝在振動臺上。測試時將剎車盤放置在振動臺上。兩個IEPE型加速度傳感器，一個吸附在剎車盤上用于監測，另一個吸附在振動臺上用于控制。通過BNC接口連接到Spider-81B上（Spider內置IEPE調理，無需供電）。

使用EDM VCS軟件正弦掃頻功能，從低頻到高頻掃頻一遍后，查看ASP譜和頻響函數峰值，并記錄生成報告。測量結束。

該方案屬于通過工裝安裝試件，人為操作少，測試效果一致性高，效率高，需要振動臺激勵。測試時只需要將剎車盤放到振動臺上，通過掃頻振動確定共振頻率。缺點設備價格成本相對高。

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某公司數控機床出廠測試，主軸出現故障，需要對機床主軸進行機械故障診斷分析。杭州銳達公司根據客戶需求提供解決方案，采用振動測試儀對機床主軸進行振動測試和故障診斷分析，找出故障原因。

測試設備：

Spider-81B 振動分析儀與4通道動態數據采集儀

非接觸式激光位移傳感器

測試內容：

在某型號故障機床主軸設置三個測點，分別是主軸、法蘭、電機，通過Spider81B及激光位移傳感器對機床進行監測和數據采集。動態采集得到多個轉速下的振動數據，實時通過EDM軟件做故障診斷分析，生成振動頻譜圖形報告，分析出機械故障原因，最終產生用戶報告。

現場圖片：

測試結果：

根據美國晶鉆儀器公司的EDM軟件導出的機械故障診斷報告，分析機床主軸故障特征頻率，結合相應的機械結構，基本上可以定位故障是主軸動不平衡引起的，為防止影響機床精度，威脅現場人員的安全與保障生產的正常運行，需進行動平衡校正。

下方為EDM故障診斷報告部分截圖：

故障診斷報告中數控機床主軸振動時域信號

機械故障診斷報告中故障數控機床主軸的振動頻譜圖

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常規圖譜（又稱穩態圖，不含開停車信息）。

1. 機組總貌圖

顯示機組總貌，查看探頭的位置及位號。

2. 單值棒圖

顯示實時振動值，并可知低報、高報警值及轉速。

3. 多值棒圖

顯示實時通頻值及各主要振動分量的振動值，可大致了解機組運行是否正常。

① 通頻值

通頻值即總振動值，為各頻率下振動分量相互迭加后的總和。

② 一倍頻

又稱基頻、工頻，為轉子實際工作轉速的頻率，f=n/60Hz；轉子動不平衡、軸承工作不良、熱態對中不良等均會引起一倍頻增大，發生概率依次降低。

③ 二倍頻

二倍工頻，轉子熱態對中不良、裂紋、松動等都會引起二倍頻增大，主要是對中不良。

④ 0.5倍頻

0.5倍工頻，油膜失穩會引起該頻率段增大，軸承工作不良（如間隙、緊力、接觸、搖擺、油檔等）也會引起該段頻率增大；旋轉失速（喘振的先兆）的頻率為(0.4~0.8)倍工頻，也有可能。

⑤ 可選頻段

用戶根據機組的特點，自己定義的頻段。

⑥ 殘余量

剩余頻率成分振動分量的總和。該部分振值高時，轉子有可能發生摩擦、氣流脈動等。

正常運轉狀態下的多值棒圖通常是，一倍頻最大，二倍頻小于一倍頻的一半，0.5倍頻微量或無，殘余量不大。

4. 波形圖

顯示通頻振動位移（總振值）與時間(周期)的關系，又稱幅值時域圖。在正常的狀態下，波形圖應為較平滑的正弦波，且重復性好。

• 動不平衡時，在一個周期內為典型的正弦波；
• 中不良時，在一個周期內為波峰翻倍，波形光滑、穩定、重復性好；
• 摩擦時，波峰多，波形毛糙、不穩定、或有削波；
• 自激振蕩（油膜渦動，旋轉脫離）時，波形雜亂、重復性差、波動性大。

5. 頻譜圖

顯示了在各振動分量的頻率及其振幅值。橫坐標可選擇“階比”或“頻率”，一般用階比。各種頻率所對應的故障可參照前面在多值棒圖中的介紹。

正常運轉狀態下的頻頻圖通常是，一倍頻最大，二倍頻次之、約小于一倍頻的一半，三倍頻、四倍頻…x倍頻逐步參差遞減，低頻（即小于一倍頻的成份）微量。看圖譜不能就圖看圖，一定要與歷史和正常運轉下的頻譜圖相比較，查找那些頻率成份發生了變化，變化的倍率有多大。

6. 軸心軌跡圖

顯示轉子軸心相對于軸承座渦動運動的軌跡。有原始、提純、平均、一倍頻、二倍頻等軸心軌跡，主要看提純。在正常的情況下，軸心軌跡為一橢圓形。若軸心軌跡的形狀、大小重復性好，則表明轉子是穩定的。

• 對中不良時，為香蕉狀，嚴重時為8字形；
• 摩擦時，多處出現鋸齒尖角或小環；
• 瓦塊安裝間隙相互偏差較大時，會出現明顯的凸起狀。
• 油膜渦動時，大圈套小圈。

7. 振動趨勢圖

顯示振幅及相位與時間的關系。從振動趨勢圖可以看到異常振動的起始時間、持續時間、終止時間，依此查看DCS，查找機組的運行參數有無發生重大變化，從而確定故障的真偽。還可以通過選擇框，看到各探頭的間隙電壓趨勢，從而確定一次儀表本身有無故障。并且可以更清晰地看到工頻、二倍頻、0.5倍頻等主要頻率成份幅值變化的形態，從而進行故障類型、程度、趨勢的診斷。

依次看各振動分量的趨勢圖，查找變化量最大的頻率成分，從而確定故障類型。例如，看一倍頻有無變化，能否回到原正常值，是否發生突變（含相位）。若不能回到原正常值，則為動不平衡；若突變，則為轉子損傷；若變化緩慢，則為轉子結垢（如催化劑粘結）。

看異常振動分量的變化倍率，從而確定故障的程度，進而確定是否停機。例如，對動不平衡，若超出正常值的一倍，應引起重視，但仍可監視運行；若超出2.5倍，或為繼續上升的趨勢，則應盡快組織停機搶修。對伴有低頻分量引起的軸承工作不良，則應根據波動的間隔時間、波動量的大小、能否回到原正常值作出判斷。

8. 過程振動趨勢圖

顯示轉子軸位移及機組的過程參數與時間的關系。機組的過程參數，如進出口壓力、溫度及流量、油溫、瓦溫等，對故障診斷是有幫助的。軸位移發生變化時應該與轉子的軸向力（由進、出口壓差、流量、分子量、是否帶液等決定）及推力軸承瓦溫綜合判斷。

9. 極坐標圖

各振動分量的幅值及相位隨時間變化的統計結果，亦稱可接受區域圖。散布集中、相位穩定時，好；散布區域增大、相位改變時，應引起重視。

10. 軸心位置圖

在忽略振動的情況下，顯示軸心相對與軸承中心的穩態位置。可以看出軸承的偏位角、偏心距、最小油膜的厚度，從而判斷轉子運行是否平穩。

11. 全息譜圖

全面反映轉子在同一軸承處主要振動分量的振幅、相位、頻率信息。全息譜圖實際上是將兩個相互垂直的同一階次頻率諧波合成后的軌跡圖集合在一起，對分析較疑難的故障作用更加明顯。

正常運轉狀態下，全息譜圖中的軌跡為橢圓。若軌跡為正圓或接近為正圓，則表明兩個相互垂直方向上的振動幅值相同、相位差為90°或幅值相近、相位差很接近90°；若軌跡為斜直線或接近為斜直線，則表明兩方向振動相位相同或非常接近；若軌跡為水平線或垂直線，則表明水平或垂直方向上的振動分量要比另一方向大得多。

啟停機圖譜

啟停機圖譜又稱瞬態圖，僅分析啟停機過程中的狀況。

1. 轉速時間圖

顯示開停機過程中，轉速變化與時間的關系。

2. Nyquist圖

把開停機過程中振幅與相位隨轉速變化關系用極坐標的形式表示出來，又稱極坐標圖，或奈奎斯特圖。通過最大振幅，可以看見轉子的實際臨界轉速，通過有無小圈，可以看到轉子以外的元件振動，如管道、聯軸節、機殼、基礎等對轉子產生的諧振作用。

3. 波德圖

顯示轉子振幅和相位隨轉速變化的關系曲線。可以看出臨界轉速，計算出動態放大倍數，估算出系統阻尼。

4. 頻譜瀑布圖(級聯圖)

顯示轉子在各種轉速（或時間）下的頻譜變化。通常表示：X軸——頻率；Y軸——振幅；Z軸——時間或轉速間隔。

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圖3.1（a）第一組測量CH1

圖3.1（c）第一組測量CH3

圖3.1（b）第一組測量CH2

圖3.1（d）第一組測量CH4

圖3.2 第一組測量總體傳感器測量點示意圖

圖3.3（a）第二組測量CH1

圖3.3（b）第二組測量CH2

圖3.3（c）第二組測量CH3

圖3.3（d）第二組測量CH4

圖3.3（e）第二組測量CH5

圖3.4 第二組測量總體傳感器測量點示意圖

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模態分析基礎知識

什么是模態分析？

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。

這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模記分析；如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，稱為試驗模態分析。通常，模態分析都是指試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。

如果通過模態分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法。

模態分析基礎知識

模態參數

模態參數有：模態頻率、模態質量、模態向量、模態剛度和模態阻尼等。

?模態分析的經典定義

將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。坐標變換的變換矩陣為模態矩陣，其每列為模態振型。

模態分析

模態分析的基本過程

1、動態數據的采集及頻響函數或脈沖響應函數分析

激勵方法。試驗模態分析是人為地對結構物施加一定動態激勵，采集各點的振動響應信號及激振力信號，根據力及響應信號，用各種參數識別方法獲取模態參數。激勵方法不同，相應識別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）多輸入多輸出（MIMO）三種方法。以輸入力的信號特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩態隨機（包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機）、瞬態激勵（包括隨機脈沖激勵）等。

數據采集。SISO方法要求同時高速采集輸入與輸出兩個點的信號，用不斷移動激勵點位置或響應點位置的辦法取得振形數據。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數據的高速并行采集，因此要求大量的振動測量傳感器或激振器，試驗成本較高。

時域或頻域信號處理。例如譜分析、傳遞函數估計、脈沖響應測量以及濾波、相關分析等。

2、建立結構數學模型根據已知條件，建立一種描述結構狀態及特性的模型，作為計算及識別參數依據。目前一般假定系統為線性的。由于采用的識別方法不同，也分為頻域建模和時域建模。根據阻尼特性及頻率耦合程度分為實模態或復模態模型等。

3、參數識別按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法，后者是指在時域識別復特征值，再回到頻域中識別振型，激勵方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相應的參數識別方法也不盡相同。并非越復雜的方法識別的結果越可靠。對于目前能夠進行的大多數不是十分復雜的結構，只要取得了可靠的頻響數據，即使用較簡單的識別方法也可能獲得良好的模態參數；反之，即使用最復雜的數學模型、最高級的擬合方法，如果頻響測量數據不可靠，則識別的結果一定不會理想。

4、振形動畫參數識別的結果得到了結構的模態參數模型，即一組固有頻率、模態阻尼以及相應各階模態的振形。由于結構復雜，由許多自由度組成的振形也相當復雜，必須采用動畫的方法，將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。

以上四個步驟是模態試驗及分析的主要過程。

模態分析的基本過程

模態分析的用處

模態分析所的最終目標在是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析技術的應用可歸結為一下幾個方面：

1、評價現有結構系統的動態特性；

2、?在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計；

3、診斷及預報結構系統的故障；

4、?控制結構的輻射噪聲。

資料來源于互聯網，僅供學習參考…

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附上PSS測試儀現場試驗解決方案：

電力系統勵磁穩定性PSS測試儀CoCo-80解決方案（一）

電力系統勵磁穩定性PSS測試儀CoCo-80解決方案（二）

電力系統勵磁穩定性PSS測試儀CoCo-80解決方案（三）

電力系統勵磁穩定性PSS測試儀

2015中國（國際）電力設備狀態監測與故障診斷技術高峰論壇

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CoCo-90配有16個輸入通道，可以精確地測量和記錄動態及靜態的信號。內置大容量閃存能夠同時記錄16個通道連續數據，每通道采樣率可高達51.2 kHz，并且可以同時進行時域和頻域的實時信號分析功能。一個內置的信號源通道可提供多種頻率與輸入采樣率同步的信號輸出波形。

該手持式系統配有兩個USB接口、100 BaseT以太網接口、SD卡接口、音頻輸入/輸出口、5.7英寸彩色液晶顯示器和按鍵面板。用戶可以把CoCo-90連接到PC上，通過網絡聯接下載文件并升級軟件。

CoCo-90動態信號分析儀采用了一種新的信號處理技術——可配置的信號分析（CSA）。可配置的信號分析技術為包括濾波和頻譜分析在內的實時信號分析提供了與眾不同的靈活性從而使一臺手持式儀器具有不斷擴展的多樣的功能。已存儲的數據可以利用Crystal Instruments公司的EDM軟件下載到PC上進行管理、分析，并可輸出給其他應用軟件使用。

硬件結構

CoCo-90硬件采用雙中央處理器結構。一個Xscale中央處理器處理用戶界面、參數設置、電源管理、網絡通訊以及所有外圍設備連接的功能。一個高速浮點DSP控制著數據輸入/輸出和實時的處理。CoCo-90還配置了大容量的RAM和閃存以供存儲大量的數據。專門設計的散熱功能和低功耗設計使其工作時不需要冷卻風扇，并延長了電池的供電時間。一項獨特的硬件技術提供了超過130分貝的動態測試范圍。該極高的動態范圍使其不再需要為前端處理設置多個量程。解決了最讓數據采集操作者頭疼的量程設置問題。

技術指標

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機械設備狀態監測和故障診斷的過程如上圖所示，從簡單的診斷到精密的診斷，最后做出趨勢分析，維修完成檢測工作。

狀態監測和故障診斷的作用主要有以下三個方面。

1、監測與保護

監測機器工作狀態。發現故障及時報警，并隔離故障。

2、分析與診斷

判斷故障性質、程度和部位。分析故障原因。

3、處理與預防

給出消除故障的措施。防止發生同類故障。

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