本書以機械振動分析為主線，介紹了機械故障診斷的基本原理、方法和應用。

原理與方法：

機械故障診斷的振動力學基礎、故障診斷信號的幅域與時域分析、故障診斷信號的頻域分析方法、故障診斷信號處理的特殊方法。

實例講解：

滾動軸承的故障診斷與實例解析、齒輪的故障診斷及實例解析、旋轉機械的故障診斷及實例解析、滑動軸承的故障診斷及實例解析。

本書可為從事機電設備運行、維護、設備點檢和運行狀態監測以及故障診斷與事故分析等相關工作的工程技術人員提供幫助，也可供高等院校機械專業師生學習參考。

第1章緒論001

1.1機械故障診斷技術的定義 / 001

1.2機械設備故障診斷的研究內容 / 002

1.3機械設備故障診斷方法的分類 / 003

1.4機械設備故障診斷技術的發展趨勢 / 005



第2章機械故障診斷的振動力學基礎006

2.1機械振動的概念及分類 / 006

2.1.1機械振動的基本概念 / 006

2.1.2機械振動的分類 / 006

2.1.3機械振動的描述 / 007

2.2機械繫統振動的動力學基礎 / 011

2.2.1無阻尼自由振動 / 011

2.2.2有阻尼自由衰減振動 / 012

2.2.3簡諧受迫振動 / 013

2.2.4單自由度繫統振動理論的應用 / 016

2.3機械振動測量與分析診斷繫統簡介 / 017

2.4機械振動故障信號測取傳感器 / 018

2.4.1電渦流位移傳感器 / 018

2.4.2速度傳感器 / 019

2.4.3加速度傳感器 / 020

2.5振動傳感器的選擇與安裝 / 022

2.5.1傳感器的選擇原則 / 022

2.5.2傳感器的安裝方式 / 022



第3章機械故障信號的幅域與時域分析 025

3.1隨機信號的幅值概率密度函數 / 025

3.2信號幅域分析 / 027

3.2.1有量綱幅域參數 / 027

3.2.2無量綱幅域參數 / 028

3.3信號的相關分析 / 031

3.3.1自相關函數 / 031

3.3.2互相關函數 / 034

3.3.3相關分析的應用 / 035



第4章 故障診斷信號的頻域分析方法038

4.1傅裡葉級數和傅裡葉積分 / 038

4.1.1傅裡葉級數 / 038

4.1.2傅裡葉積分 / 040

4.2傅裡葉變換的基本性質 / 042

4.3典型信號的傅裡葉變換 / 044

4.3.1單位脈衝信號（δ函數） / 044

4.3.2周期單位脈衝函數（梳狀δ函數） / 047

4.4信號的采樣 / 048

4.4.1連續信號的采樣 / 048

4.4.2采樣定理 / 049

4.4.3采樣點數與頻率分辨率 / 051

4.5離散傅裡葉變換（DFT） / 051

4.5.1DFT的理論公式 / 052

4.5.2DFT計算過程的圖解說明 / 052

4.6快速傅裡葉變換（FFT） / 054

4.6.1直接DFT計算的缺點 / 054

4.6.2快速傅裡葉變換（FFT）的方法 / 055

4.7提高頻譜分析精度的方法 / 058

4.7.1整周期采樣方法 / 058

4.7.2窗函數法 / 059

4.8傅裡葉頻譜信息的表示方法 / 061

4.8.1確定性信號的傅裡葉譜 / 061

4.8.2隨機信號的功率譜 / 062

4.9機械故障信息的其他表示方法 / 065



第5章故障診斷信號處理的特殊方法069

5.1時域平均方法 / 069

5.2倒譜技術 / 071

5.2.1倒譜的分類 / 072

5.2.2倒譜分析法應用 / 072

5.2.3倒譜分析法的MATLAB實現 / 074

5.3調制與解調分析方法 / 074

5.3.1幅值調制與頻率調制 / 074

5.3.2幅值及頻率解調分析 / 076

5.4細化頻譜分析方法 / 078

5.4.1復調制移頻ZFFT算法基本原理 / 078

5.4.2實調制移頻ZFFT算法基本原理 / 079

5.4.3實調制移頻ZFFT算法計算流程 / 080

5.5細化包絡解調方法 / 081

5.6小波變換 / 081

5.6.1小波變換的基本原理 / 082

5.6.2小波變換時頻圖 / 083

5.6.3小波變換的MATLAB計算程序 / 084

5.6.4小波變換在故障診斷中的應用 / 085

5.7經驗模態分解方法 / 086

5.7.1EMD方法的基本原理 / 086

5.7.2Hilbert譜與Hilbert邊際譜 / 088

5.7.3EMD分析的MATLAB程序 / 090



第6章滾動軸承的故障診斷與實例分析092

6.1滾動軸承失效形式和振動信號特征 / 092

6.2滾動軸承振動信號的特征頻率分析 / 094

6.2.1滾動軸承運動產生的特征頻率 / 094

6.2.2滾動軸承剛度變化引起的振動 / 095

6.2.3滾件的固有頻率 / 095

6.3滾動軸承的典型故障特征 / 096

6.3.1疲勞剝落損傷 / 096

6.3.2均勻磨損的軸承振動信號 / 101

6.3.3與滾動軸承安裝有關的振動 / 101

6.4滾動軸承的振動監測與診斷方法 / 101

6.4.1幅域特征參數診斷法 / 101

6.4.2衝擊脈衝法 / 103

6.4.3低頻信號分析法 / 105

6.4.4共振解調法（包絡解調法） / 105

6.4.5加速度包絡譜和衝擊脈衝譜分析法 / 106

6.4.6倒譜分析法 / 107

6.4.7PeakVue峰值分析法 / 108

6.5滾動軸承的故障診斷實例分析 / 110

6.5.1衝擊脈衝法在滾動軸承故障診斷中的應用 / 110

6.5.2衝擊脈衝頻譜分析法在離心泵電機軸承故障診斷中的應用 / 111

6.5.3膠乳分離機滾動軸承故障的共振解調法分析與應用 / 112

6.5.4倒譜分析在鞍鋼線材廠設備滾動軸承故障診斷中的應用 / 113

6.5.5時域指標在滾動軸承故障診斷中的應用 / 114

6.5.6PeakVue技術在電機軸承故障診斷中的應用 / 115

6.5.7小波變換在滾動軸承故障分析中的應用 / 116



第7章齒輪的故障診斷及實例解析118

7.1齒輪的失效形式及產生原因 / 118

7.1.1齒輪的常見故障 / 118

7.1.2齒輪故障的產生原因 / 119

7.2齒輪副運動特點及振動機理分析 / 120

7.3齒輪故障的時域和頻譜特征信息 / 122

7.4齒輪故障的監測與診斷方法 / 128

7.4.1時域平均法 / 129

7.4.2邊帶及細化頻譜分析法 / 129

7.4.3倒譜分析法 / 130

7.4.4Hilbert解調法 / 130

7.5齒輪故障診斷實例解析 / 133

7.5.1邊帶分析在齒輪故障診斷中的應用 / 133

7.5.2大慶煉化增壓鼓風機增速箱振動故障的頻譜分析 / 133

7.5.3某海上采油平臺的原油外輸泵齒輪增速箱故障診斷 / 135

7.5.4基於Hilbert解調技術的重載汽車齒輪箱故障診斷 / 136

7.5.5小波降噪與倒譜相結合的齒輪箱故障診斷方法 / 137

7.5.6基於振動信號Hilbert邊際譜的齒輪斷齒故障診斷 / 138

7.5.7基於EMD的空分機齒輪箱故障診斷 / 139



第8章旋轉機械的故障診斷及實例解析141

8.1旋轉機械及其故障分類 / 141

8.1.1旋轉機械的分類 / 141

8.1.2旋轉機械的主要故障類型 / 141

8.2旋轉機械典型故障的振動機理解析 / 143

8.2.1轉子不平衡故障的振動機理分析 / 143

8.2.2轉子不對中故障振動機理分析 / 145

8.3旋轉機械的典型故障特征 / 148

8.3.1轉子不平衡時的故障特征 / 148

8.3.2轉子不對中時的故障特征 / 149

8.3.3轉子基礎松動時的故障特征 / 150

8.3.4轉子磨踫故障振動特征 / 151

8.3.5基礎共振時的振動特征 / 151

8.3.6旋轉機械振動特征總結 / 151

8.4轉子不平衡故障診斷實例解析 / 152

8.4.1通風電動機組不平衡故障分析研究 / 152

8.4.2某鋼廠轉爐煤氣引風機設備狀態檢測 / 153

8.4.3催化軸流風機葉片斷裂不平衡故障診斷 / 154

8.4.4基於EMD的轉子不平衡振動分析 / 155

8.5轉子不對中故障診斷實例分析 / 156

8.5.1離心風機不對中的故障分析 / 156

8.5.2汽輪發電機不對中故障探討及案例分析 / 157

8.5.3汽油加氫泵不對中故障診斷 / 157

8.5.4汽輪發電機組基礎下沉引起的不對中故障分析 / 158

8.5.5基於小波的汽輪發電機組振動故障診斷方法研究 / 158

8.5.6基於小波消噪的汽輪發電機組不對中故障檢測 / 159

8.5.7基於EMD的模擬不對中振動信號時頻譜分析 / 160

8.6轉子的其他故障診斷實例分析 / 161

8.6.1引風機地腳螺栓松動故障及其診斷 / 161

8.6.2某化工廠一催裝置中鍋給水泵轉子磨踫故障診斷 / 162

8.6.3基於EMD的煙氣輪機動靜摩擦故障診斷 / 163



第9章滾動軸承的故障診斷及實例解析164

9.1滑動軸承工作原理 / 164

9.2滑動軸承常見故障及原因 / 166

9.3滑動軸承的故障診斷及其對策 / 167

9.3.1油膜失穩故障的機理 / 167

9.3.2油膜振蕩的故障特征及診斷 / 170

9.3.3油膜振蕩的防治措施 / 172

9.4滑動軸承故障診斷實例 / 173

9.4.1油膜振蕩發展過程的試驗分析 / 173

9.4.2滑動軸承存在衝擊信號故障診斷案例 / 174

9.4.3汽動給水泵油膜振蕩故障分析與治理 / 175

9.4.4超超臨界1000MW機組油膜渦動故障分析和處理 / 176

9.4.5離心壓縮機油膜振蕩的診斷 / 178

9.4.6基於EMD和HT的旋轉機械油膜渦動信號分析 / 179



參考文獻181

本書以機械振動分析為主線，主要介紹機械故障診斷的基本原理、方法和應用。在掌握機械振動、信號基本時-頻域分析及特殊信號處理技術的基礎上，著重介紹了滾動軸承、齒輪、旋轉機械、滑動軸承等典型零部件的故障監測和診斷方法，並介紹了大量相關診斷實例。另外對現代診斷方法如小波分析和EMD方法等也從實用角度進行了簡單介紹，並介紹相關應用實例。

為了順應現代機械故障診斷技術的發展與需要，本書在內容與順序安排上體現以下特點：

（1）以機械振動分析為基礎，在深入研究機械設備振動故障機理的基礎上，介紹典型零部件的故障特征及診斷方法，有一定的通用性，有助於各行業讀者或初學者理解與掌握。

（2）信號處理部分附有必要的MATLAB計算程序，充分利用MATLAB提供的函數或工具包，使復雜的信號處理過程簡易化，解決一般讀者信號處理入門困難的問題。

（3）診斷實例豐富，很多診斷方法及過程融入到診斷實例中，便於讀者對診斷方法的理解和掌握。

本書主要針對從事機電設備運行、維護、設備點檢和運行狀態監測以及故障診斷與事故分析方面的人員編寫的。本書可供從事機械設備故障診斷工作的工程技術人員參考，也可作為高等院校機械類專業本科生、研究生教材使用。

本次修訂主要對第1版存在的一些錯誤進行了糾正，並對某些章節的知識介紹順序進行了一些調整，適當地增加了一些MATLAB程序及計算結果；對一些章節的故障診斷方法及實例進行了更新及精煉，特別是滾動軸承部分給出了一些現場常用的新診斷方法及技術，以適應故障診斷技術的發展與要求。

本書由時獻江、王桂榮和司俊山編著。其中，時獻江編寫第1、4、5章和第8章，司俊山編寫第2章，王桂榮編寫第3、6、7、9章，時獻江負責全書的統稿工作。

由於編者水平所限，書中難免存在疏漏和欠妥之處，敬請讀者批評指正。



編著者