第七章 振動(dòng)的測(cè)量

1、安全檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)楊春海楊春海第第7章章 振動(dòng)的測(cè)量振動(dòng)的測(cè)量 Vibration Measurement7.0 關(guān)于振動(dòng)關(guān)于振動(dòng) Introduction7.1 振動(dòng)基礎(chǔ)振動(dòng)基礎(chǔ) Basic of Vibration7.2 振動(dòng)測(cè)量傳感器振動(dòng)測(cè)量傳感器 Sensors of Vibration Measurement7.3 傳感器的選擇傳感器的選擇 Sensor Selection7.4 振動(dòng)測(cè)量方法振動(dòng)測(cè)量方法 Methods of Vibration Measurement7.5 機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析 Machine Condition Monitoring and An

2、alysis7.6 振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) Standard of Vibration7.7位移的測(cè)量位移的測(cè)量(Displacement Measurement）振動(dòng)測(cè)量形式：振動(dòng)測(cè)量形式： 測(cè)量機(jī)器或結(jié)構(gòu)在測(cè)量機(jī)器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)工作狀態(tài)下的振動(dòng)，如振動(dòng)位移、，如振動(dòng)位移、速度、加速度等速度、加速度等掌握被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)掌握被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷環(huán)境控制、等級(jí)評(píng)定環(huán)境控制、等級(jí)評(píng)定 對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測(cè)量其對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)獲得被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能：固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等獲得被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能：固

3、有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等找出薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)提高其抗振能力找出薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)提高其抗振能力7.0 7.0 序序 (Introduction)機(jī)械振動(dòng)是普遍存在的物理現(xiàn)象機(jī)械振動(dòng)是普遍存在的物理現(xiàn)象 如：旋轉(zhuǎn)機(jī)器的如：旋轉(zhuǎn)機(jī)器的質(zhì)量不平衡質(zhì)量不平衡、負(fù)載不均勻負(fù)載不均勻、結(jié)構(gòu)剛度結(jié)構(gòu)剛度各向異性各向異性、對(duì)中不良對(duì)中不良、潤(rùn)滑不良潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)支撐松動(dòng)等等 振動(dòng)振動(dòng) 機(jī)械振動(dòng)大多數(shù)情況下機(jī)械振動(dòng)大多數(shù)情況下 有害有害：破壞機(jī)器正常工作，破壞機(jī)器正常工作，降低其性能，縮短其使用壽命，甚至機(jī)毀人亡降低其性能，縮短其使用壽命，甚至機(jī)毀人亡 機(jī)械振動(dòng)還伴隨著產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)還伴隨著產(chǎn)生同

4、頻率的噪聲同頻率的噪聲，惡化環(huán)境和勞動(dòng)，惡化環(huán)境和勞動(dòng)條件，危害人們的健康條件，危害人們的健康 振動(dòng)也能被利用來(lái)完成振動(dòng)也能被利用來(lái)完成有益有益的工作，如運(yùn)輸、夯實(shí)、清的工作，如運(yùn)輸、夯實(shí)、清洗、粉碎、脫水等洗、粉碎、脫水等7.1 7.1 振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí) (Basic of Vibration)振動(dòng)振動(dòng) ：在一定條件下，振動(dòng)體在其平衡位置附近隨時(shí)間：在一定條件下，振動(dòng)體在其平衡位置附近隨時(shí)間作來(lái)回往復(fù)變化的運(yùn)動(dòng)。作來(lái)回往復(fù)變化的運(yùn)動(dòng)。 xtATm mf fk kx x( (t t) )sin()(tAtx例：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)例：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)質(zhì)量質(zhì)量 彈簧系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)彈簧系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)vibrati

5、on of mass-spring systemvibration of mass-spring system振動(dòng)信號(hào)三要素：振動(dòng)信號(hào)三要素：1 1） 幅值幅值 amplitudeamplitude 振動(dòng)體離開(kāi)其平衡位置的最振動(dòng)體離開(kāi)其平衡位置的最大位移。大位移。2 2） 頻率頻率 frequencyfrequency 周期的倒數(shù)。周期的倒數(shù)。頻譜分析頻譜分析 頻率成分及其幅值大小頻率成分及其幅值大小 線性線性系統(tǒng)頻率保持特性尋找振源系統(tǒng)頻率保持特性尋找振源3 3） 相位相位 phasephase 確定共振頻率、振型、動(dòng)平衡、確定共振頻率、振型、動(dòng)平衡、有源振動(dòng)控制等有源振動(dòng)控制等周期振動(dòng)及其

6、性質(zhì)周期振動(dòng)及其性質(zhì) , 2, 1, 0),()(nnTtyty周期振動(dòng)的定義：周期振動(dòng)的定義：周期函數(shù)可以展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)：周期函數(shù)可以展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)： yaantbntnnn( )cossint01y tAAtAtAn tnn( )sin()sin()sin()011222第一項(xiàng)為均值或直流分量，第二項(xiàng)為基本振動(dòng)或基波，第三第一項(xiàng)為均值或直流分量，第二項(xiàng)為基本振動(dòng)或基波，第三項(xiàng)以下總稱為高次諧波振動(dòng)。項(xiàng)以下總稱為高次諧波振動(dòng)。兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成 合成振動(dòng)為周期性非簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成振動(dòng)為周期性非簡(jiǎn)諧振動(dòng)振幅變化的頻率等于振幅變化的頻率等于振幅的數(shù)值在振幅的數(shù)值在 A A1 1

7、 + + A A2 2 到到A A1 1 - - A A2 2 間變化間變化 tAtAx2211sinsin)(21A1A2A1+A21342A1-A22121,AAA 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，合成振動(dòng)為拍振時(shí)，合成振動(dòng)為拍振 振幅變化的頻率等于振幅變化的頻率等于ttAx)2sin()2cos(22121A2A221214 簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最基本的周期運(yùn)動(dòng)，各種不同的周期運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最基本的周期運(yùn)動(dòng)，各種不同的周期運(yùn)動(dòng)都可以用無(wú)窮個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的組合來(lái)表示。其運(yùn)都可以用無(wú)窮個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的組合來(lái)表示。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用簡(jiǎn)諧函數(shù)表示為動(dòng)規(guī)律可用簡(jiǎn)諧函數(shù)表示為)2sin(tTAy)2(sint fAAtsi

8、n()2cos(ddt fAtyvyt fAtva22)2sin(dd位移位移速度速度加速度加速度單自由度系統(tǒng)在單自由度系統(tǒng)在基礎(chǔ)受力基礎(chǔ)受力所產(chǎn)生的受迫振動(dòng)所產(chǎn)生的受迫振動(dòng) 0)()()()(ddd)(d1010202tytyktytytcttym21201012012d)(d)(d)(dd)(dttymtkyttycttym)()()(1001tytyty令令f (t) mkcy0(t) )()(dd10tytytcy1(t)202ddtymm)()(10tytyk廣義振動(dòng)：廣義振動(dòng)：任一物理量任一物理量( (如位移、電流等如位移、電流等) )在某一數(shù)值附近反在某一數(shù)值附近反復(fù)變化。復(fù)變化

9、。振動(dòng)有各種不同的形式：振動(dòng)有各種不同的形式：機(jī)械振動(dòng)電磁振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)電磁振動(dòng) 7.2.1 7.2.1 振動(dòng)測(cè)量分類(lèi)振動(dòng)測(cè)量分類(lèi) 按測(cè)量原理分：按測(cè)量原理分： 機(jī)械方法機(jī)械方法 常用于振動(dòng)頻率低、振幅大、精度要求低的常用于振動(dòng)頻率低、振幅大、精度要求低的場(chǎng)合。場(chǎng)合。 光學(xué)方法光學(xué)方法 主要用于精密測(cè)量和振動(dòng)傳感器的標(biāo)定。主要用于精密測(cè)量和振動(dòng)傳感器的標(biāo)定。 電測(cè)法電測(cè)法 應(yīng)用范圍廣，在工業(yè)界被廣泛采用。應(yīng)用范圍廣，在工業(yè)界被廣泛采用。 按測(cè)振參數(shù)分：按測(cè)振參數(shù)分： 位移傳感器位移傳感器 displacement sensordisplacement sensor 速度傳感器速度傳感器 velo

10、city sensorvelocity sensor 加速度傳感器加速度傳感器 acceleration sensoracceleration sensor7.2 7.2 振動(dòng)測(cè)量傳感器振動(dòng)測(cè)量傳感器 （Sensor of Vibration Measurement） 按變換原理分：按變換原理分： 磁電式磁電式 magnetoelectricmagnetoelectric 壓電式壓電式 piezoelectricpiezoelectric 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式 resistance strain gaugeresistance strain gauge 電感式電感式 inductanceind

11、uctance 電容式電容式 capacitancecapacitance 光學(xué)式光學(xué)式 opticaloptical 按按傳感器與被測(cè)物關(guān)系分傳感器與被測(cè)物關(guān)系分： 接觸式接觸式傳感器有磁電式、壓電式及電阻應(yīng)變式等。傳感器有磁電式、壓電式及電阻應(yīng)變式等。 非接觸式非接觸式傳感器有電渦流式和光學(xué)式等。傳感器有電渦流式和光學(xué)式等。 按參考坐標(biāo)分：按參考坐標(biāo)分： 相對(duì)式相對(duì)式傳感器：以空間某一固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)，測(cè)量物傳感器：以空間某一固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)，測(cè)量物體上的某點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)的相對(duì)振動(dòng)。體上的某點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)的相對(duì)振動(dòng)。 絕對(duì)式絕對(duì)式傳感器：以大地為參考基準(zhǔn)，即以慣性空間為基傳感器：以大地為參考基準(zhǔn)，

12、即以慣性空間為基準(zhǔn)，測(cè)量振動(dòng)物體相對(duì)于大地的絕對(duì)振動(dòng)，又稱慣性式準(zhǔn)，測(cè)量振動(dòng)物體相對(duì)于大地的絕對(duì)振動(dòng)，又稱慣性式傳感器。傳感器。 電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)和靜位移。體）間的間隙變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)和靜位移。工作原理工作原理U Usr sr 高頻交變電壓高頻交變電壓i i 傳感器電流傳感器電流F F 傳感器磁通量傳感器磁通量i i1 1 感應(yīng)電流感應(yīng)電流F F1 1 感應(yīng)磁通鏈感應(yīng)磁通鏈- 互感互感耦合系數(shù)的大小與二者之間耦合系數(shù)的大小與二者之間的距離及導(dǎo)體的材料有關(guān)。的距離及導(dǎo)體的材料有關(guān)。

13、 7.2.2 渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器 (eddy-current displacement sensor)8 mm25 mm11 mm 渦流位移傳感器特點(diǎn)：渦流位移傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單非接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量線性度好線性度好頻率響應(yīng)范圍較寬頻率響應(yīng)范圍較寬具有較強(qiáng)的抗干擾能力具有較強(qiáng)的抗干擾能力在生產(chǎn)條件下安裝方便在生產(chǎn)條件下安裝方便 在監(jiān)視診斷尤其是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸振動(dòng)檢測(cè)中應(yīng)用十分普遍在監(jiān)視診斷尤其是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸振動(dòng)檢測(cè)中應(yīng)用十分普遍 不同材質(zhì)對(duì)靈敏度的影響不同材質(zhì)對(duì)靈敏度的影響 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 d /mmU /-v2018161412108642銅鋁

14、鋼渦流傳感器檢測(cè)透平葉片根裂紋示意圖渦流傳感器檢測(cè)透平葉片根裂紋示意圖磁電式絕對(duì)速度計(jì)磁電式絕對(duì)速度計(jì)1、9彈簧片；彈簧片；2磁靴；磁靴；3阻尼環(huán)；阻尼環(huán)；4外殼；外殼；5鋁架；鋁架；6磁鋼；磁鋼；7線圈；線圈；8線圈架；線圈架；10導(dǎo)線；導(dǎo)線；11接線座接線座7.2.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器 (Magnetoelectric Velocity Sensor)當(dāng)穿過(guò)匝數(shù)為當(dāng)穿過(guò)匝數(shù)為w w線圈的磁通線圈的磁通 發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 置于永久磁鐵直流磁場(chǎng)內(nèi)的線圈作直線運(yùn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為置于永久磁鐵直流磁場(chǎng)內(nèi)的線圈作直線運(yùn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 sinwB

15、lve twedd 式中：式中：BB磁場(chǎng)的感應(yīng)電勢(shì)強(qiáng)度；磁場(chǎng)的感應(yīng)電勢(shì)強(qiáng)度；ll單匝線圈有效長(zhǎng)度；單匝線圈有效長(zhǎng)度； ww線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；v v線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度； 線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。 此即一般慣性速度計(jì)的原理。此即一般慣性速度計(jì)的原理。 7.2.4 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器(Piezoelectric acceleration sensor)利用某些晶體材料（如壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等）的利用某些晶體材料（如壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等）的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)作為機(jī)電變換器而制成的加速度傳感器作為機(jī)電變換器而制成的加速度傳

16、感器maF 特點(diǎn)特點(diǎn) 頻帶極寬頻帶極寬(0.220 KHz) (0.220 KHz) 。 本身質(zhì)量小本身質(zhì)量小(250 g)(250 g)。 動(dòng)態(tài)范圍很大。動(dòng)態(tài)范圍很大。工作原理工作原理慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生相應(yīng)大小電荷。晶體產(chǎn)生相應(yīng)大小電荷。(a)(b)量程靈敏度分辨率重量/g應(yīng)用及特點(diǎn)5000g0.5mV/g0.02g4.5適用于爆破、撞擊等100000g0.05mV/g0.3g4.4適用于爆破、撞擊、爆炸分離等150g10mV/g0.003g10.5可在-196的低溫環(huán)境下工作5g1000mV/g0.000

17、 04g35高分辨率型500g10mV/g0.001 5g0.5微型，適用于小型結(jié)構(gòu)50g100mV/g0.000 16g2小型、高靈敏度、高分辨率，各種用途500g10mV/g0.005g2高頻、小型、石英剪切，各種用途50g100mV/g0.000 5g27三角剪切結(jié)構(gòu)，石英通用加速度傳感器2000g2.5mV/g 0.04g17.9沖擊傳感器、內(nèi)置濾波器，樁基檢測(cè)500g10mV/g0.000 5g10環(huán)型 50g100mV/g0.000 2g203軸、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)5g1000mV/g0.000 06g243軸、高靈敏度10g100mV/g0.000 2g180/片狀3軸坐墊傳感器，汽車(chē)實(shí)驗(yàn)

18、500g10mV/g0.001g4/方形3軸、小型，模態(tài)、振動(dòng)、噪聲實(shí)驗(yàn)5g1103mV/g0.0001g1 000超低頻地震傳感器，長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好0.5g1104mV/g0.000 001g635超低頻地震傳感器，高靈敏度某系列加速度傳感器特性表某系列加速度傳感器特性表鋼桿螺栓絕緣螺栓云母墊圈磁 鐵探針薄臘層膠合劑膠合螺栓12453631 kHz28 kHz7 kHz2 kHz傳感器固定方式及其共振頻率傳感器固定方式及其共振頻率(a)(b)(c)(d)(e)(f)7.3.1 7.3.1 直接測(cè)量參數(shù)的選擇直接測(cè)量參數(shù)的選擇 幅值頻率等幅值頻率等7.3 7.3 傳感器的選擇傳感器的選擇 (Se

19、nsor Selection)7.3.2 7.3.2 應(yīng)使最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測(cè)得應(yīng)使最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測(cè)得考察考察慣性力慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)宜做加速度測(cè)量?？赡軐?dǎo)致的破壞或故障時(shí)宜做加速度測(cè)量?？疾炜疾煺駝?dòng)環(huán)境振動(dòng)環(huán)境（采用振動(dòng)烈度）宜做振動(dòng)速度的測(cè)量。（采用振動(dòng)烈度）宜做振動(dòng)速度的測(cè)量。要監(jiān)測(cè)機(jī)器的要監(jiān)測(cè)機(jī)器的位置位置變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感器做位移的測(cè)量。器做位移的測(cè)量。選擇時(shí)還需要注意能在實(shí)際機(jī)器設(shè)備選擇時(shí)還需要注意能在實(shí)際機(jī)器設(shè)備安裝安裝的可行性。的可行性。7.3.3 傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo)傳

20、感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo) 各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的范圍各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的范圍 拾振器質(zhì)量大，其上限頻率就低、靈敏度高。拾振器質(zhì)量大，其上限頻率就低、靈敏度高。質(zhì)量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。質(zhì)量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計(jì)為例以壓電加速度計(jì)為例: : 超低振級(jí)測(cè)量的都是質(zhì)量超過(guò)超低振級(jí)測(cè)量的都是質(zhì)量超過(guò)100g100g靈敏度很高的加靈敏度很高的加速度計(jì)。速度計(jì)。 高振級(jí)（如沖擊）測(cè)量的都是小到幾克或零點(diǎn)幾克高振級(jí)（如沖擊）測(cè)量的都是小到幾克或零點(diǎn)幾克的加速度計(jì)。的加速度計(jì)。 7.3.4 使用環(huán)境、價(jià)格、壽命、可靠

21、性、維修、校準(zhǔn)使用環(huán)境、價(jià)格、壽命、可靠性、維修、校準(zhǔn)激光測(cè)振有很高的分辨力和測(cè)量精確度。激光測(cè)振有很高的分辨力和測(cè)量精確度。 對(duì)環(huán)境對(duì)環(huán)境（隔振）要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴。（隔振）要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴。 只適用于特只適用于特殊環(huán)境下測(cè)量，如實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、校準(zhǔn)等。殊環(huán)境下測(cè)量，如實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、校準(zhǔn)等。電渦流傳感器對(duì)環(huán)境要求低而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電渦流傳感器對(duì)環(huán)境要求低而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)器振動(dòng)的測(cè)量中，且能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)對(duì)機(jī)器振動(dòng)的測(cè)量中，且能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作。環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作。 比較比較電容、激光傳感器電容、激光傳感器對(duì)相位有嚴(yán)格要求時(shí)，除了應(yīng)注意對(duì)

22、相位有嚴(yán)格要求時(shí)，除了應(yīng)注意拾振器拾振器的相頻特性的相頻特性外，還要注意外，還要注意放大器放大器的相頻特性和測(cè)試系統(tǒng)中所有其的相頻特性和測(cè)試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性。他儀器的相頻特性。7.3.5 傳感器對(duì)被測(cè)構(gòu)件附加質(zhì)量的影響傳感器對(duì)被測(cè)構(gòu)件附加質(zhì)量的影響 傳感器固定在被測(cè)物體上，對(duì)被測(cè)量有影響。修正為傳感器固定在被測(cè)物體上，對(duì)被測(cè)量有影響。修正為asssrmmmaa信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)分析系統(tǒng)工況狀態(tài)辯識(shí)傳感器 B傳感器 A切削動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)圖切削動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)圖7.4.1 7.4.1 相對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法相對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法 使用非接觸式傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用非接觸式傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 7

23、.4 7.4 振動(dòng)測(cè)量方法振動(dòng)測(cè)量方法 （Methods of Vibration Measurement）前置器遠(yuǎn)距離指示儀表機(jī)器結(jié)構(gòu)用于報(bào)警停機(jī)記錄和分析儀表得任選輸出非接觸式傳感器軸前置器7.4.2 絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法 使用非接觸式傳感器和慣性傳感器的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用非接觸式傳感器和慣性傳感器的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 前置器遠(yuǎn)距離指示儀表機(jī)器結(jié)構(gòu)非接觸式傳感器軸用于報(bào)警停機(jī)記錄和分析儀表得任選輸出前置器7.4.3 一般測(cè)試方法一般測(cè)試方法 信號(hào)拾取信號(hào)拾取信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)記錄信號(hào)記錄信號(hào)分析處理信號(hào)分析處理結(jié)果輸出結(jié)果輸出7.5 機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析 （M

24、achine Condition Monitoring and Analysis）目的目的： 保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行 提高設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益提高設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益 科學(xué)管理與決策，革新設(shè)備維修體制科學(xué)管理與決策，革新設(shè)備維修體制由由事后維修事后維修、計(jì)劃維修計(jì)劃維修向向預(yù)知維修（視情維修）預(yù)知維修（視情維修）轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變分析方法分析方法： 時(shí)域：波形分析、統(tǒng)計(jì)相關(guān)等時(shí)域：波形分析、統(tǒng)計(jì)相關(guān)等 頻域：頻譜分析頻域：頻譜分析信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)分析系統(tǒng)工況狀態(tài)辯識(shí)傳感器 B傳感器 A選擇刀桿垂直方向的振動(dòng)加速度作為原始特征信號(hào)，用加選擇刀桿垂直方向的振動(dòng)加速度作為原始特征信號(hào)，用

25、加速度傳感器拾取。檢測(cè)和分析系統(tǒng)如圖所示。切削條件是速度傳感器拾取。檢測(cè)和分析系統(tǒng)如圖所示。切削條件是刀具角度為刀具角度為 ；工件材料為；工件材料為4545鋼；切削用量為鋼；切削用量為 度度度0 ,7 ,12s00min/m125 ,/mm301. 0 ,mm2vrfap7.5.1 制造過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析制造過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析切削過(guò)程刀具磨切削過(guò)程刀具磨損的狀態(tài)識(shí)別損的狀態(tài)識(shí)別BA頻譜分析低通濾波器頻譜分析低通濾波器1 000 Hz417.9未切削時(shí)的頻譜未切削時(shí)的頻譜開(kāi)始切削后的頻譜開(kāi)始切削后的頻譜切削時(shí)間增加，刀具有磨損切削時(shí)間增加，刀具有磨損刀具有磨損更多刀具有磨損更多010020030

26、0400500600700800900 1 000051015202530417.9f /HzS ( f )0100200300400500600700800051015202530398.4S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.9328.1S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.978.1S ( f )f /Hz切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇刀具磨損特征頻

27、率與切削時(shí)間關(guān)系刀具磨損特征頻率與切削時(shí)間關(guān)系刀具磨損量與切削時(shí)間關(guān)系刀具磨損量與切削時(shí)間關(guān)系0100200300400500600700800900 1 000051015202530417.958.5S ( f )f /Hz0510152025303540455055050100150200250300350特征頻率 f /Hzf /Hzt /min01002003004005006007008009001000051015202530417.939.0S ( f )051015202530354045505500.10.20.30.40.5t /min刀具磨損量 /mm高頻頻譜分析高頻頻

28、譜分析-無(wú)低通濾波器無(wú)低通濾波器418418未切削時(shí)的頻譜未切削時(shí)的頻譜開(kāi)始切削后的頻譜開(kāi)始切削后的頻譜切削時(shí)間增加，刀具有磨損切削時(shí)間增加，刀具有磨損刀具有磨損加劇刀具有磨損加劇05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 00001020304050S ( f )f /Hzf /Hzf /Hzf /Hzf /Hz05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040504188362 680S ( f )05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040504188362 22

29、0S ( f )05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040501 620S ( f )特征頻率、特征頻率峰值、自相關(guān)函數(shù)、樣本方差與切削時(shí)間的關(guān)系特征頻率、特征頻率峰值、自相關(guān)函數(shù)、樣本方差與切削時(shí)間的關(guān)系t /min051015202530354045505511.251.51.7522.252.52.753特征頻率 f /kHz051015202530354045505500.10.20.30.40.50.60.7t /min一步自相關(guān)函數(shù) r1051015202530354045505505101520253035404550S (

30、f )t /mint /min特征頻率譜峰05101520253035404550550123456x1000樣本方差 s 金屬切削顫振金屬切削顫振(chattering)顫振發(fā)生前后振動(dòng)波形圖顫振發(fā)生前后振動(dòng)波形圖05010015020025030035040045050055060000.511.522.533.544.555.5x10t /min振動(dòng)幅值 /mm振動(dòng)幅值 /mm頻譜分析頻譜分析顫振未發(fā)生顫振未發(fā)生顫振已發(fā)生顫振已發(fā)生顫振劇烈顫振劇烈01002003004005006007008009001 000012345 S (f ) 300f /Hzf /Hzf /Hz功率譜010

31、02003004005006007008009001 000012345S(f )180功率譜01002003004005006007008009001000012345180300S(f )功率譜統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)分析0102030405060012345x1000t /mint /min樣本方差 s 05101520253035404550556000.250.50.751-0.25-0.5-0.75-1一步自相關(guān)函數(shù) r17.5.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷振動(dòng)測(cè)試的重要性振動(dòng)測(cè)試的重要性常見(jiàn)故障：常見(jiàn)故障： 質(zhì)量不平衡質(zhì)量不平衡 軸彎曲軸彎曲 不對(duì)中不對(duì)中 摩

32、擦摩擦 油膜渦動(dòng)油膜渦動(dòng) 松動(dòng)松動(dòng) 裂紋裂紋 點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕 斷齒斷齒裂紋轉(zhuǎn)子裂紋轉(zhuǎn)子思考：思考：軸的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)傳感器安裝方向傳感器安裝方向軸心軌跡右圖軸心軌跡右圖軸心位置下頁(yè)軸心位置下頁(yè)振動(dòng)信號(hào)的表示及其軸心軌跡振動(dòng)信號(hào)的表示及其軸心軌跡yStKSSSoPytA(p-p)xA11B1maxSB(p-p)傳感器B由傳感器A測(cè)得的波形傳感器A由傳感器B測(cè)锝的波形(p-p)maxSS軸心位置圖軸在軸承中懸浮的位置軸心位置圖軸在軸承中懸浮的位置左圖是一臺(tái)水泵的譜圖，圖中左圖是一臺(tái)水泵的譜圖，圖中2 處有峰值，存在某種程度的處有峰值，存在某種程度的不對(duì)中不對(duì)中。檢。檢查發(fā)現(xiàn)不對(duì)中量達(dá)查發(fā)現(xiàn)不對(duì)

33、中量達(dá)0.254 mm。找正后譜圖（右圖）。找正后譜圖（右圖）2 處的幅值已明顯變小，處的幅值已明顯變小，機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)。機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)。說(shuō)明說(shuō)明：（：（1）兩次測(cè)量結(jié)果，兩次測(cè)量結(jié)果，1 處的幅值無(wú)明顯變化，而處的幅值無(wú)明顯變化，而2 處幅值變化很處幅值變化很大，這正是不對(duì)中故障的典型頻譜特征。（大，這正是不對(duì)中故障的典型頻譜特征。（2）在）在2 附近有兩個(gè)譜峰，一附近有兩個(gè)譜峰，一個(gè)在個(gè)在7 100 rmin處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個(gè)在處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個(gè)在7 200 rmin處，它處，它是電動(dòng)機(jī)定子繞組中電氣故障引起的。是電動(dòng)機(jī)定子繞組中電氣故障引起的。 1X2X1X2

34、X不對(duì)中不對(duì)中2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min四輥軋機(jī)垂直振動(dòng)速度檢測(cè)與顫振四輥軋機(jī)垂直振動(dòng)速度檢測(cè)與顫振出現(xiàn)出現(xiàn)120250Hz顫振的振動(dòng)頻譜圖顫振的振動(dòng)頻譜圖旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 目前最常采用的是通頻振幅來(lái)衡量機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的，根據(jù)所目前最常采用的是通頻振幅來(lái)衡量機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的，根據(jù)所使用傳感器的種類(lèi)分為：使用傳感器的種類(lèi)分為： 1) 軸承振動(dòng)軸承振動(dòng)評(píng)定，用接觸式傳感器評(píng)定，用接觸式傳感器(例如磁電式振動(dòng)速度例如磁電式振動(dòng)速度傳感器或壓電式振動(dòng)加速度傳感器傳感器或

35、壓電式振動(dòng)加速度傳感器)放置在軸承座上進(jìn)行測(cè)量放置在軸承座上進(jìn)行測(cè)量 2) 軸振動(dòng)軸振動(dòng)評(píng)定，用非接觸式傳感器評(píng)定，用非接觸式傳感器(例如電渦流式傳感器例如電渦流式傳感器)測(cè)量軸相對(duì)于機(jī)殼的振動(dòng)值或軸的絕對(duì)振動(dòng)值。測(cè)量軸相對(duì)于機(jī)殼的振動(dòng)值或軸的絕對(duì)振動(dòng)值。 評(píng)定參數(shù)可用振動(dòng)位移峰峰值和振動(dòng)烈度評(píng)定參數(shù)可用振動(dòng)位移峰峰值和振動(dòng)烈度(即均方根值，它即均方根值，它代表了振動(dòng)能量的大小代表了振動(dòng)能量的大小)來(lái)表示。來(lái)表示。7.6 振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) (Standard of Vibration)轉(zhuǎn)速/(r/min) 標(biāo)準(zhǔn)/mm優(yōu)良合格15003050 7030002030 水電部汽輪機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

36、水電部汽輪機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(雙振峰雙振峰) 離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)/(min)r標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速 /300065001000010000-16000主軸軸承/mm50403020齒輪軸承/mm 404030在制定上述振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，假設(shè)：在制定上述振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，假設(shè)：機(jī)組振動(dòng)為機(jī)組振動(dòng)為單一頻率單一頻率的弦波振動(dòng)；的弦波振動(dòng)；軸承振動(dòng)和轉(zhuǎn)子振動(dòng)基本上有一軸承振動(dòng)和轉(zhuǎn)子振動(dòng)基本上有一固定比值固定比值，因此可利，因此可利用軸承振動(dòng)代表轉(zhuǎn)子振動(dòng)；用軸承振動(dòng)代表轉(zhuǎn)子振動(dòng)； 軸承座在垂直、水平方向上的軸承座在垂直、水平方向上的剛度剛度基本上基本上相等相等，即認(rèn)，即認(rèn)為是各向同性的。為是各向同

37、性的。實(shí)際證明上述假設(shè)與事實(shí)不盡相符實(shí)際證明上述假設(shè)與事實(shí)不盡相符:所測(cè)得的振動(dòng)多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動(dòng)合成的；所測(cè)得的振動(dòng)多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動(dòng)合成的；軸承組水平剛度明顯低于垂直剛度；軸承組水平剛度明顯低于垂直剛度；轉(zhuǎn)子振動(dòng)和軸承座振動(dòng)的比值，可以達(dá)轉(zhuǎn)子振動(dòng)和軸承座振動(dòng)的比值，可以達(dá)250倍，它與倍，它與軸承形式、間隙、軸承座剛度、油膜特性等有關(guān)，且軸承形式、間隙、軸承座剛度、油膜特性等有關(guān)，且同類(lèi)機(jī)組亦不盡相同。同類(lèi)機(jī)組亦不盡相同。為了較全面的反映機(jī)組的振動(dòng)情況，必須制定其他的振動(dòng)為了較全面的反映機(jī)組的振動(dòng)情況，必須制定其他的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 振動(dòng)烈度振動(dòng)烈度。 )(21d)(12222102r

38、msnTvvvttvTv)(212222222121nnAAA振動(dòng)位移峰峰值式中pppprms22AAv：振動(dòng)烈度與振動(dòng)位移的關(guān)系振動(dòng)烈度與振動(dòng)位移的關(guān)系 T:所測(cè)信號(hào)的長(zhǎng)度，s; vt:物體的振動(dòng)速度，mm/sGB11347.1-89 區(qū)域區(qū)域A新投產(chǎn)機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)新投產(chǎn)機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)區(qū)域區(qū)域B機(jī)組可以長(zhǎng)期運(yùn)行機(jī)組可以長(zhǎng)期運(yùn)行區(qū)域區(qū)域C機(jī)組不允許長(zhǎng)期運(yùn)行，利用機(jī)會(huì)進(jìn)行處理機(jī)組不允許長(zhǎng)期運(yùn)行，利用機(jī)會(huì)進(jìn)行處理區(qū)域區(qū)域D運(yùn)行有危險(xiǎn)，可能引起機(jī)組事故運(yùn)行有危險(xiǎn)，可能引起機(jī)組事故大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí) 軸承振動(dòng)烈度 支承分類(lèi) 1.smmvrms 剛性支承 柔性支承 0.460.

39、711.121.82.84.67.111.218.028.046.071.0 C B B C A A D D GB /T 11347.1 - 89 按被測(cè)量，位移的測(cè)量分為線位移測(cè)量和角位移測(cè)量。 按測(cè)量參數(shù)的特性，位移測(cè)量分為靜態(tài)位移測(cè)量和動(dòng)態(tài)位移測(cè)量。（1）位移測(cè)量的分類(lèi)（2）位移測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 測(cè)量方向與位移方向重合位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動(dòng)，是矢量。如果測(cè)量方向與位移方向不重合，則測(cè)量結(jié)果僅僅反映該測(cè)量方向上的分量，而不能真實(shí)反映需測(cè)位移的大小。位移測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn)、測(cè)量方向和測(cè)量系統(tǒng)。7.7 7.7 位移的測(cè)量位移的測(cè)量(Displ

40、acement Measurement)7.7.1 常用位移傳感器常用位移傳感器(displacement sensor)形 式測(cè)量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電阻式 滑線式 線位移 角位移 變阻器 線位移 角位移1300 mm0360 11000 mm060 rad0.1%0.1%0.5%0.5%0.1%0.1%0.5%0.5% 分辨率較好，可用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量。機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固 結(jié)構(gòu)牢固，壽命長(zhǎng)，但分辨率差，電噪聲大應(yīng)變式 非粘貼式的 粘貼的 半導(dǎo)體的0.5%應(yīng)變0.3%應(yīng)變0.25%應(yīng)變0.1%2%3%2%3%1%滿刻度20% 不牢固 牢固，使用方便，需溫度補(bǔ)償和高絕緣電阻輸出幅值大，溫度靈敏性

41、高形 式測(cè)量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電感式 自感式變氣隙型 螺管型 特大型差動(dòng)變壓器渦電流式同步機(jī)微動(dòng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器0.2 mm1.52 mm3002000 mm0.08 75 mm2.5 250 mm360 10601%0.5%1%3%0.10.7 1%3%0.15%0.1%0.5%3%0.5%0.05%0.1% 只宜用于微小位移測(cè)量 測(cè)量范圍較前者寬，使用方便可靠，動(dòng)態(tài)性能較差 分辨率好，受到磁場(chǎng)干擾時(shí)需屏蔽 分辨率好，受被測(cè)物體材料、形狀、加工質(zhì)量影響 可在1200 r/min 的轉(zhuǎn)速下工作，堅(jiān)固、對(duì)溫度和濕度不敏感 非線性誤差與變壓比和測(cè)量范圍有關(guān)形 式測(cè)量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電容式 變面積 變間距10-3100 mm10-310 mm0.005%0.1%1% 介電常數(shù)受環(huán)境溫度、濕度變化的影響 分辨率很好，但測(cè)量范圍很小，只能在小范圍內(nèi)近似地保持線性霍爾元件1.5 mm0.5% 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)特性好感應(yīng)同步器 直線式 旋轉(zhuǎn)式10-3100 mm03602.5m/250 mm0.5 模擬和數(shù)字混合測(cè)量 系統(tǒng)，數(shù)字顯示 (直線 式感應(yīng)同步器的分析率 可達(dá)1 m)形 式測(cè)量范圍精確度直線性特 點(diǎn)計(jì)量光柵 長(zhǎng)光柵 圓光柵10-31