001,機械振動基本概念講解

1、機械振動基本概念機械振動基本概念20160815機械設(shè)備出現(xiàn)的故障種類很多，很復(fù)雜，可用于測試與診斷的信息包括溫度、 聲響、變形、應(yīng)力及潤滑滑的物理化學(xué)參數(shù)等。機械設(shè)備的作用是傳遞力和運動, 其中任何一個運動部件或與之相關(guān)的零件出現(xiàn)故障，必然破壞機械運動的平穩(wěn) 性，在傳遞力的參與下，這種力和運動的非半穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)為振動。因而在眾多的 診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比振動信號分析更深刻地了解機械設(shè)備的狀況。另 外，由于機械設(shè)備在運行中易出現(xiàn)安裝質(zhì)量影響（如不對中）或受工藝外力作用 （如喘振）而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象，其大小與安裝質(zhì)最和使用中的故障直接關(guān)系。因 此，振動分析與測星在診斷機械故障中有著重要的地位。

2、當(dāng)然，振動分析對不影 響運動平穩(wěn)性的故障（如泄漏）是無能為力的。1. 振動的概念振動是物體運動的一種形式，指物體經(jīng)過平衡位置而往復(fù)運動的過程。機械 振動是物體（或其一部分）沿直線或曲線并經(jīng)過其平衡位置所作的往復(fù)運動。振動的參數(shù)：位移、速度和加速度三個參量表征。1. 位移是振動物體離開平衡位置的距離。常用微米（um）或毫米（mm）作單位。2. 振動速度是振動物休位移的快慢，即位移對時間的變化率。常用亳米/秒（mm/s）為單位。3. 振動加速度是振動物體速度的變化率，即位移的二階導(dǎo)數(shù)，一般用g （重力加速度）表示其大小。振動波形是將振動參數(shù)隨時間變化的狀態(tài)畫出來，可以得到的相應(yīng)曲線。簡 諧振動的波

3、形如圖1示，它是一條正弦曲線。linkim領(lǐng)杰機械振動基本概念每個振動參量都具有三個基本要素：振幅、頻率、相位:1 .振幅x簡諧振動位移的函數(shù)式表示為：x = X sin 1+It旳丿X-位移振幅(um/mm)； t一時間(s)： T周期(s)； <p 0初始相位(rad)；角頻率為3 3=善 與振幅有關(guān)的物理最：速度有效值Vrms；速度的最大幅值Vp：速度平均值VavJ =FfvFf-波形系數(shù)：Fc-波峰系數(shù)幅值反映振動的強度，振幅的平方與物質(zhì)振動的能星成正比，振動診斷標(biāo)準 都是用振幅來表示的。2瀕率f振動物體(或質(zhì)點)一秒鐘振動的次數(shù)，單位Hn。3= 2肚頻率是振動診斷中非常重要的參

4、數(shù)，在確定診斷方案，實施狀態(tài)識，選用診 斷標(biāo)準時都要用到振動頻率。對振動信號作頻率分析是振動診斷最重要的內(nèi)容,也是振動診斷的最大優(yōu)勢。3.相位相位由轉(zhuǎn)角out與初相角（P 0兩部分組成Cp = 6Z7t + 觀振動信號的相位，表示振動質(zhì)點的相對位置。不同振動源產(chǎn)生的振動信號都 有各H的相位。由兒個諧波分量蒂加而成的復(fù)雜波形，即使各諧波分量的振幅不 變，僅改變相位角，也會使波形發(fā)生很大變化，共至變得面目全非。相位測星分 析在故障診斷中亦有相當(dāng)覓要的地位，一般用于諧波分析，動平衡測最，識別振 動類型和共振點等許多方面。2. 振動的分類各種機器設(shè)備在運行中，都不同程度地存在振動，這是機械運行的共性。

5、不同的機器，或同一臺機器的不同部位，以及機器在不同的時刻或不同的狀 態(tài)下，其產(chǎn)生的振動形式乂往往是有差別的，這乂體現(xiàn)了設(shè)備振動的特殊性。1 .按振動規(guī)律分類:丙刪繪議丿簡諧撮動確定性（規(guī)則）振動非周期振動周期振叫復(fù)雜周期振動 準周期振動 瞬態(tài)振動平穩(wěn)隨機振動'隨機振動窄頻帶隨機振動 寬頻帶隨機振動 非平穩(wěn)隨機撮動上述的分類方式，主要是根據(jù)振動在時間歷程內(nèi)的變化特征來劃分的。大多數(shù)機械設(shè)備的振動是幾種不同類型振動的組合。設(shè)備在實際運行中，其表現(xiàn)的周期信號往往淹沒在隨機振動信號之中。若設(shè) 備故障程度加劇，則隨機振動中的周期成分加強，從而整臺設(shè)備振動增大。因此，從某種意義上講，設(shè)備振動診斷的

6、過程，就是從隨機信號中提取周期 成分的過程。按產(chǎn)生振動的原因分類機械振動基本概念機器產(chǎn)生振動的根本原因，在于存在一個或幾個力的激勵。不同性質(zhì)的力激 起不同的振動類型：（1）白由振動：系統(tǒng)在初始干擾的作用后，僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動 形式。系統(tǒng)中不存在阻尼的叫無阻尼自由振動，而有阻尼的則稱之為有阻尼白由 振動。（2）受迫振動：元件或系統(tǒng)的振動是由周期變化的外力作用所引起的，如 不平衡、不對中所引起的振動。（3）自激振動：在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)自身的原因所產(chǎn)生的激 勵而引起的振動，如油膜振蕩、喘振等。由機械故障而產(chǎn)生的振動，多屬于受迫振動和自激振動。2. 按振動頻率分類按頻率的高低，通常

7、把振動分為3種類型。W 4 « B< » »莫M低巍集勸fVS倍軸喪轉(zhuǎn)豪車不平奇、不打中、絶青曲&勒堀CUE蕩中厠36功* lOlOOOHz離捷無戲/>1000目前，對劃分頻段的界限，尚無嚴格的規(guī)定和統(tǒng)一的標(biāo)準。不同的行業(yè)，或 同一行業(yè)中對不同的診斷對象，其劃分頻段的標(biāo)準都不盡一致，在冬類文獻中可 見到多種不同的劃分方法。在低頻范圍，主要測量的振幅是位移量。這是因為在低頻范圍造成破壞的主 要因素是應(yīng)力的強度，位移量是與應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。在屮頻范圉，主要測量的振幅是速度星。這是因為振動部件的疲勞進程與振 動速度成正比，振動能量與振動速度的

8、平方成正比。在這個范圍內(nèi)，零件的疲勞 破壞為主要表現(xiàn)，如點蝕、剝落等。在高頻范圍，主要測星的振幅是加速度。它表征振動部件所受沖擊力的強度。 沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。3. 機械振動系統(tǒng)的基本構(gòu)成元素1 質(zhì)量領(lǐng)杰機械振動基本概念linki質(zhì)量(mass)是慣性(inertia)元件，國際單位kg。根據(jù)牛頓第二運動定律(Newton* s second law of motion)F = mx質(zhì)最是振動的執(zhí)行元件。質(zhì)量在振動系統(tǒng)中常簡化為剛體(rigidbody)o具有速度的質(zhì)星具有動能(kinetics)T"11 2T = mx2質(zhì)量是振動系統(tǒng)中必需的元素，是承載運動的

9、實體。在振動系統(tǒng)中，質(zhì)量的速度是變化的，其動能也隨之變化。2彈簧彈贊(spring)是具有彈性的元件，彈性的大小用剛度表示。彈贊的變形產(chǎn)生彈性力：F = kxk為彈贊剛度(spring stiffness)*其單位為N/m。彈簧是儲能元件，對彈贊做功(work),彈賈發(fā)生變形將功轉(zhuǎn)化為勢能(potential energy )ou =丄曲23阻尼振動中把振動系統(tǒng)中的動能利勢能轉(zhuǎn)化為熱能、噪聲等其他形式的能量的元件為阻尼(damp)。振動系統(tǒng)中的阻尼一般認為是粘性阻尼(viscous damping)F = exc為粘性阻尼系數(shù)，其單位為N s/m。機械振動基本概念系統(tǒng)屮任意兩點x1和x2間由粘

10、性阻尼力所做的功為:W =廣 cxdx4. 振動類型4.1.單自由度無阻尼線性系統(tǒng)的振動L一彈贊的原長；6 st彈賞在重物作用下的靜伸長量;X-彈贊的伸長量（平 衡位置處x的取值為0）： K系統(tǒng)彈性系數(shù)：m重物質(zhì)量當(dāng)系統(tǒng)受到外界的某種初始擾動時，系統(tǒng)的靜半衡條件受到破壞，彈性力不 再與重力平衡，而產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，系統(tǒng)將圍繞其靜平衡位置作往復(fù)運動，亦即 自由振動。響應(yīng)的一般形式為：x = Asin（馬 t+0o）單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動是一簡諧振動。振動的固有頻率，僅與系統(tǒng)的質(zhì)量m和剛度K來決定，而與初始條件無關(guān), 是系統(tǒng)所固有的。常力只改變系統(tǒng)的靜平衡位置，而不彫響系統(tǒng)的固有頻率、振幅和初

11、相位, 即不影響系統(tǒng)的振動。4.2.單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動實際的結(jié)構(gòu)在振動時，會受到種種阻尼力的作用。如材料內(nèi)部由于材質(zhì)不均機械振動基本概念而發(fā)生的微塑變形產(chǎn)生的阻力，或由于存大量細小的裂縫而產(chǎn)生摩擦力，以及外 部空氣阻力，元件接點摩擦等。1 .弱阻尼狀態(tài)(1) 系統(tǒng)的振動不再是等幅的簡諧振動，而是振動按規(guī)律衰減的振動。2.強阻尼狀態(tài)：系統(tǒng)不再具有振動特性，其位移按指數(shù)規(guī)律衰減。3.臨界阻尼狀態(tài)系統(tǒng)不再具有振動特性。linkim領(lǐng)杰機械振動基本概念4.3.強迫振動簡諧力作用下單自由度系統(tǒng)的強迫振動1. 強迫振動的響應(yīng)當(dāng)質(zhì)量塊m上作用簡諧力F后，可得強迫振動響應(yīng)方程為：o）= B一 姓）2

12、. 強迫振動的一些普遍性結(jié)論：（1）振動頻率:系統(tǒng)在簡諧激振力作用下的強迫振動是與激振力同頻率的簡諧振 動。（2）激振力幅值的影響:當(dāng)其他條件不變時，強迫振動的振幅與激振力的幅值成 正比。（3）頻率比的影響:頻率比對振幅的影響關(guān)系復(fù)雜，為此 需引入一個新的變量 一振幅的放大因子卩左1Bo J（l 才）'+（2/尸（4）阻尼的影響:阻尼對振幅的影響只在共振區(qū)附近起作用，當(dāng)0.7入B.25時, 阻尼比§越大，共振振幅越??；當(dāng)偏離共振區(qū)較遠時，阻尼的影響不大。此外， 阻尼的存在還使共振峰向左移動，即最大振幅不是發(fā)生在入=1處，而是發(fā)生在 入1的位置。(5) 相頻特性:強迫振動的位移

13、響應(yīng)落后于激振力F,它們Z間有一個相位差?0,可用相頻特性曲線描述。4.4.自激振動門激振動(self excited vibration)指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到門身控制的激勵作用時所 引起的振動。自激振動與周期激勵的響應(yīng)相比，仍然是一種周期振動，它也是靠外界能源 的呃動形成的，不同的是其能源是一個能量不變的能源，能源本身不直接給系統(tǒng) 提供周期性變化的能最，系統(tǒng)振動能量的周期性變化是靠系統(tǒng)固有的某種動調(diào) 節(jié)機制、周期性地向能源和環(huán)境吞吐能量形成的。振動系統(tǒng)周期性地向能源吸收能最而能源的能最保持不變，這只能在能源的 能量大大超過振動能量的前提下才能近似實現(xiàn)，這是白激振動系統(tǒng)的另一個特 征。圖1的電鈴系統(tǒng)

14、是一個口振系統(tǒng)的實例。對電鈴而言，能量為直流電源，在 一定時期內(nèi)，能量近似恒定，接通電源后，鈴錘在電磁力作用下，彎曲敲擊銅鈴, 同時電路觸點斷開，電磁吸力消失：在這個過程中，振系從能源吸收電能，一部 分轉(zhuǎn)化為鈴錘的動能和彈性勢能，另一部分由于材料阻尼、敲擊等因素而耗散。接下來的過程是，彈性勢能使鈴錘恢復(fù)形狀，使電源再次接通，完成一次振 動，并開始下一次振動。門激振動的形成過程和機理是：振系在某些初始激勵下能件往復(fù)運動，同時 振系內(nèi)有一個固有的白動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)起作用，它能白動感知振系狀態(tài)，根據(jù)振系狀機械振動基本概念態(tài)F1動調(diào)節(jié)能量的吸收，并能使振系在每個往復(fù)運動中吸收的能最逐漸等于耗散 的能量，從而

15、使振系的能最和狀態(tài)周期性變化，即形成自激振動。門激振動形成的機理：圖中的調(diào)節(jié)器是前述的白動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，對于某些振系，調(diào)節(jié)器是一個實際存 在的裝置，如電鈴，其調(diào)節(jié)器為電磁斷續(xù)器，而對很多振系，調(diào)節(jié)器并不是一個 明確的裝置，而是系統(tǒng)自身的特征和參數(shù)綜合形成的一個白動控制環(huán)節(jié)。 在非線性機械系統(tǒng)內(nèi)，由非振動性能星轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝蛹钏a(chǎn)生的振動稱為1'1激振 動。自激振動也稱為負阻尼振動，這是因為這種振動在振動體運動時非但不產(chǎn)生 阻尼力來阻止振動，反而按振動體運動周期持續(xù)不斷地輸入激勵能量來維持物體 的振動動。物體產(chǎn)生自激振動時，很小的能最即可產(chǎn)生強烈振動。只是由于系統(tǒng) 的非線性，振幅才被限制在一定

16、值Z內(nèi)。常見的1'1激振動如油膜振蕩、喘振等。 自激振動，常使設(shè)備運行失去穩(wěn)定性，因此必須引起注意。自激振動有如下特點：1）隨機性。因為能引發(fā)自激振動的激勵力（大于阻尼力的失穩(wěn)力）一般都是偶 然因素引起的，沒有一定規(guī)律可循。2）振動系統(tǒng)非線性特征較強，即系統(tǒng)存在非線性阻尼元件（如油膜的粘溫特性, 材料內(nèi)摩擦）、非線性剛度元件（柔性轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)松動等）時才足以引發(fā)自 激振動，使振動系統(tǒng)所具有的非周期能星轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動能量。3）自激振動頻率與轉(zhuǎn)速不成比例，一般低于轉(zhuǎn)子工作頻率，與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn) 速相符合。但由于系統(tǒng)的非線性，系統(tǒng)固有頻率會有一些變化。4）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動。5）振動波形在暫態(tài)階段有較大的隨機振動成分，而穩(wěn)態(tài)時，波形是規(guī)則的周期 振動，這是由于共振頻率的振值遠大于非線性彫響因素所致；與