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ABSTRACTThe 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 domainof 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 monitoring1. 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（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 6070 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 试分析方法。输入装置主要有力锤和激振器，因此，实验模态分析又分为力锤激励 EMA 技 术和激振器激励 EMA 技术。（2）工作模态分析 10（Operational Modal Analysis ，OMA ），也称为只有输出的模态分 析，而在土木桥梁行业，工作模态分析又称为环境激励模态分析。这类分析最明显的特征是 对测量结构的输出响应， 不需要或者无法测量输入。 当受传感器数量和采集仪通道数限制时， 需要分批次进行测量。（3）工作变形分析（ Operational Deflection Shape ，ODS ），也称为运行响应模态。这类 分析方法也只测量响应，不需要测量输入。但是它跟 OMA 的区别在于， OMA 得到的是结构 的模态振型，而 ODS 得到的是结构在某一工作状态下的变形形式。此时分析出来的 ODS 振 型已不是我们常说的模态振型了，它实际是结构模态振型按某种线性方式叠加的结果。3.2 模态分析的发展过程目前，结构设计已经从过去传统的单纯静力强度设计转化为动力强度、动力稳定性及疲 劳设计。随着对结构动态特性的深入了解，逐渐掌握共振原理，使结构动态安全性得到了保 证，并大大减小了结构的重量和尺寸。但实践又证明，单单采用避开共振的办法亦不能完全 解决振动问题。由于影响结构振动的因素十分复杂，因此要解决振动问题必须对结构的载荷 特性、结构系统本身动态特性以及周围所处的环境及条件等因素进行全面的分析及了解。结 构系统本身的动态特性，通常是用结构动力系统的振动模态参数来描述的。结构动力学系统的振动模态参数识别，则是根据实验测到的有限信息，来近似地确定系 统的振动特性。所识别的动力参数，无论是对于修改有限元模型、振动控制的设计、结构优 化以及故障诊断等问题都有重要的意义。下面以实验模态分析（ EMA ）和工作模态分析（ OMA ）为例介绍模态分析的发展过程， 以及对在模态分析理论发展过程中对该技术的应用情况做一下综述。（1）实验模态分析（EMA）通过实验和数据处理识别实际结构的动力模型，是最近几十年来结构动力特性研究的一 个重要发展。实验模态分析方法与理论计算模态分析方法一起，成为解决复杂结构动态特性 设计的重要手段。采用模态分析方法，把复杂的实际结构简化为模态模型进行系统的响应计 算，大大简化了系统的数字运算。振动系统的模态参数是描述系统动态特性的参数，它包括 固有频率、固有阵型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比。实验模态分析就是通过实验的方 法获取这些参数。其基本内容是振动理论基础，振动试验数据的准确测量和有效的数据分析 等的全面综合。实验模态分析软件把这几方面内容成功综合在一起通过计算机和分析仪器实 现。比如，实验模态分析技术在桥梁动态特性分析和工作状态监测、故障诊断方面有比较好 的应用 11 。模态分析软件近年来在国内外发展很快，美国 Structural Measuremeat System ，Inc. 推出 的 MODAL 3.0 Modal Analysis System 是最成功的一套模态分析软件，很快地被全世界所采 用。此软件和有限元分析结合到一起可通过实验和分析的方法解决结构振动问题。分析仪采 用两通道或多通道 FFT 动态信号分析仪，例如美国施伦伯杰仪器公司生产的 SI1220 信号分 析仪，美国HP3562 , SD380，丹麦BK公司生产的2032，日本生产的920等等。也有专用于 模态分析的FFT分析仪，例如英国SI1202，美国HP5423等等。由于大规模集成电路的发展和微型计算机的普及应用，结构分析软件已发展到采用IBMPC-AT 和 PS/2 等微型机，由结构测量系统 (SMS) 发展到 STAR 系统。 STAR 系统可以完 成从模态分析到声学分析及提供高质量的报告。(2) 工作模态分析( OMA ) 传统的实验模态分析方法是建立在系统输入输出数据均已知的基础上，利用激励和响应 的完整信息进行参数识别，然而这些方法在具体应用时还是存在局限性，因为对于某些实际 工程结构，要获得输入激励的完整信息是难以实现的，或者根本就没有获得任何输入信息。 针对传统的实验模态分析方法的局限性，发展仅基于响应数据的工作模态分析技术就显得尤 其重要。采用工作模态分析技术可以避免对输入信息的采集，这样也就解决了传统分析方法 中很多状况下输入不可测的问题。工作模态分析亦常称为环境激励下的模态分析， 只有输出或激励未知条件下的模态分析， 是近年来模态分析领域发展活跃、新理论新技术的应用层出不穷的一个研究方向，被视为对 传统试验模态分析方法的创新和扩展。工作模态分析的优点是：仅需测试振动响应数据，由 于这些数据直接来源于结构实际所经受的振动工作环境，因而识别结果更符合实际情况和边 界条件，无需对输入激励进行测试，节省了测试费用。利用实时响应数据进行模态参数识别， 其结果能够直接应用于结构的在线健康监测和损伤诊断。工作模态分析的理论和思想的提出早在 20 世纪 70 年代初期就开始了。 Ibrahim 时域法被 提出，极大推动了工作模态分析技术的发展。随后，多输人多输出(MIMO)参数辨识技术也被 相继推出，广泛运用的时域模态辨识方法有多参考点复指数法 (Polyreference Technique) ，特 征系统实现算法(ERA)等。目前，工作模态辨识的其他主要方法还有功率谱密度(PSD)函数的 峰值提取方法、建立自回归滑动平均(ARMA)模型的时间序列分析法、结合时域参数识别的 随机减量(RD)技术等。1965年Clarkson和Mercer提出使用互相关函数估计承受白噪声激励 下结构的频响特性，从而提出了当激励未知时使用相关函数替代脉冲响应函数的思想框架。20世纪90年代以来，美国Sandia国家实验室结合时域模态辨识方法，提出了 NExT技术13-14, 利用结构在环境激励下响应的相关函数进行工作模态识别。在国内，南京航空航天大学振动工程研究所也一直从事着模态分析的研究工作，从传统 的模态分析到工作模态分析，也包括只利用响应数据进行系统模态参数识别方法的研究，并 且发表了多篇关于环境激励下工作模态参数识别的文章。另外中国振动协会和上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室以及哈尔滨工业大学等也致力于研究工作模态参数识别方 法。4. 模态分析在故障诊断与状态监测中的应用在上面两节中主要讨论了故障诊断监测技术和模态分析技术的发展状况。由此，我们了 解了在上个世纪后半期时间中，故障诊断和监测技术的发展状况以及人们在该领域里所做出 的努力。同时我们也了解了模态分析技术作为一门新型的学科的发展历史，由理论研究到逐 步成熟再到逐渐应用到各个领域中去的历史。下面一节，将主要对模态分析技术在故障诊断 和状态监测领域的应用情况做一下综述，并讨论其发展前景以及所面临的问题。这将有助于 我们在这方面从事研究工作。4.1 故障诊断与状态监测中的模态分析技术模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。它最早应用于航空、航 天领域。据统计，在飞行器所发生的许多重大事故中，约有 40%与振动有关。利用模态参数 的改变诊断故障是一种有效的方法。模态分析方法应用于机械故障诊断中，主要是由于机械 设备在长时间的运行，设备的部件不可避免的磨损，成为整个机械设备的薄弱之处，不易察 觉，成为生产过程中的隐患，模态分析方法可以在不必停机的情况下，对设备状态进行监测， 找出设备零构件的缺陷，提高系统故障的早期发现能力，避免设备在故障状态下运行 15。对振动信号应用不同的信号处理方法，形成了以下几种振动诊断的基本方法：(1) 时域分析法直接对振动时域信号的时间历程进行分析和评估是状态检测和故障诊断最简单和最直 接的方法，在待测信号中含有简谐信号、周期信号或短脉冲信号的时候尤为有效。如幅值分 析法、时间序列分析法、相关函数法等。（2）频域分析法 通过振动信号的频谱分析来解释振动过程的频率结构是进行故障诊断的重要途径。（3）时频域分析法 机械振动信号，特别是设备有故障时的振动信号具有非平稳的特性。时频域分析法能够 捕捉由设备故障引起的短时瞬变，从而更加准确有效地对故障进行诊断。它克服了傅里叶变 换不能同时进行时间频率局域性分析的缺点，在机械故障诊断与状态监测中具有明显的优 势件。4.2 利用模态参数识别进行故障诊断的过程利用无故障设备的数学模型连同无故障的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息， 与故障设备的振动响应进行比较，从而判断设备故障的位置和程度。众所周知，设备结构一 旦出现故障或损伤， 结构参数随之发生改变， 从而导致系统的频率响应函数和模态参数 （频率 和振型等 ）的改变，所以，模态参数的改变可以视为设备发生早期故障的标志16。识别过程如下17：首先，对被测设备进行在线实验并进行数据采集；其次，依据所采集的实验数据进行动 态响应测量与模态参数识；再次，找到系统的各阶模态以及各阶振动频率；然后依据测得的 模态及振动频率对被测设备故障前后进行模态比较并进行模态分析；最后通过比较以确定故 障位置和程度。这就是利用模态参数识别的方法进行故障诊断监测的基本思路。环境激励下 的模态参数辨识的方法主要有：峰值法（PP）、频域分解法（FDD）、复模态指示函数法（CMIF）、 随机减量法（RD）、ITD法、最小二乘复指数法（LSCE）、多参考点复指数法（PRCE）、NExT、 随机子空间法（SSI）、时间序列分析、经验模式分解法（EMD ）、小波分析法，Hilbert-Huang 变换法等 18。4.3 故障诊断与状态监测中模态分析技术的发展趋势与展望了解到故障诊断与状态监测的基本发展和模态分析的发展情况之后，我们又弄清了模态 分析技术在故障诊断与状态监测应用中的基本过程。我们了解到这个过程是一个比较复杂的 过程，尤其是在模态参数识别的过程中，国内外的学者们研究开发了多种实用方法，使得我 们在研究问题的过程中有了更多的解决方案可以采用。现在我们可以关注一下利用模态分析 技术进行故障诊断与状态监测的实际案例。例如，500Kv蚌埠-淮河大跨越输电塔工程，设计开发了输电塔振动在线监测与模态分析 系统，该系统实现不间断采集输电塔振动、 气象环境数据，通过 CDMA 移动通信网络和 Internet 远程传输至输电线路运营单位，实现监测数据实时显示、信号分析、在线模态参数识别等功 能，为输电塔设计、运营维护、抗灾减灾研究提供依据，对开展输电塔的健康监测、安全评 估具有一定参考价值 19 。太原理工大学机械电子研究所的程珩、赵远 20等人对工作模态在减速器监测和诊断中的 应用做了一定的研究， 并提出了基于工作模态的减速器故障诊断和检测方法。他们用 PolyMAX 模态识别方法，在强阻尼、密集模态或者 FRF 数据受到严重噪声污染的情况下仍 可得出非常清晰的稳态图，再由稳态图得到模态定阶，实现模态识别。尽管应用模态分析的方法进行故障诊断和状态监测在近年来得到了很大的发展，并应用 于诸多领域，比如航空发动机故障诊断、桩基工程质量检测以及机床加工过程中的颤振的研 究等。通过模态分析的方法测得结构物理参数的变化，并根据这些参数的变化情况判断出故 障类型或者是故障位置。 然而，应用模态分析进行故障诊断和状态监测的方法有自身的特点， 因而也有局限性，并非所有故障都可以由这种方法判断。一般来讲，应用模态分析方法对动 态故障诊断效果优于对静态故障的诊断，对大型复杂结构故障诊断的效果优于对简单小型结 构的故障诊断，这也是模态分析用于故障诊断和状态监测的优势所在21 。因此，模态分析的方法在故障诊断和状态监测的应用还有很长的路要走，这是需要人们 不断去努力研究的。经过人们的不断研究，模态分析的方法将在故障诊断和状态监测中发挥 更大的作用。参考文献1 陆春月，王俊元 . 机械故障诊断的现状与发展 . 机械管理开发， 2004.2 张雨，徐小林，张建华 . 设备状态监测与故障诊断的理论与实践 M. 北京 : 国防科技大学出版社 .2004.43 Doebling, S.W, Farrar, C, Prime, M.B, and D.W. 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