振動(dòng)的基本知識(shí)

1、Tel:+86-10-62049486 Fax:+86-10-62044543振動(dòng)分析基礎(chǔ) 簡(jiǎn)諧振動(dòng)三要素簡(jiǎn)諧振動(dòng)三要素 振動(dòng)的時(shí)域描述振動(dòng)的時(shí)域描述 振動(dòng)的頻域描述振動(dòng)的頻域描述 系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng) 單自由度系統(tǒng)單自由度系統(tǒng) 多自由度系統(tǒng)多自由度系統(tǒng) 自由振動(dòng)，模態(tài)自由振動(dòng)，模態(tài) 強(qiáng)迫振動(dòng)，共振強(qiáng)迫振動(dòng)，共振 幅頻響應(yīng)和相頻響幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)應(yīng)振動(dòng)測(cè)量框圖振動(dòng)測(cè)量框圖傳感器及其選用傳感器及其選用旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量的 幾個(gè)特殊問(wèn)題幾個(gè)特殊問(wèn)題 相位和基頻的測(cè)量相位和基頻的測(cè)量 波德圖和極坐標(biāo)圖波德圖和極坐標(biāo)圖 三維頻譜圖三維頻譜圖 軸心軌跡和軸心位置圖軸心軌跡和

2、軸心位置圖 擺振信號(hào)來(lái)源及其補(bǔ)償擺振信號(hào)來(lái)源及其補(bǔ)償本章內(nèi)容什么是振動(dòng)？ 沒(méi)有力的作用 = 沒(méi)有運(yùn)動(dòng) 三種基本型式的力 Impact loose parts, hammering in a piping system, rolling element in a bearing hitting a spall Periodic repetitive force such as unbalance or misalignment Random varies with time, for example, turbulence in piping, pump cavitation振動(dòng)源于力的作用簡(jiǎn)諧

3、振動(dòng)三要素振幅振幅 (Amplitude) 偏離平衡位置的最大值，記作A。描述振動(dòng)的規(guī)模。圓頻率圓頻率 (Angular frequency) 描述振動(dòng)的快慢，記作 ,單位為弧度/秒。 頻率頻率 f = /2 為每秒鐘的振動(dòng)次數(shù)，單位為次/秒(Hz)。 周期周期 T = 1/f = 2/ 為每振動(dòng)一次所需的時(shí)間，單位為秒。初相角初相角 (Initial phase) 描述振動(dòng)在起始瞬間的狀態(tài)，記作。dvadva振動(dòng)位移 (Displacement)d=A sint速度速度 (Velocity)v=A sin(t+/2)加速度加速度 (Acceleration) a=A sin(t+)位移、速度

4、、加速度都是同頻率的簡(jiǎn)諧波。三者的幅值依次為A、A、A 2。相位關(guān)系：加速度領(lǐng)先速度90; 速度領(lǐng)先位移90。振動(dòng)位移、速度、加速度之間的關(guān)系 簡(jiǎn)諧振動(dòng)為例 x=Asin( t+/2) 峰值峰值 xp=A; 峰峰值峰峰值 xp-p=2A 平均絕對(duì)值平均絕對(duì)值 xav=0.637A 有效值有效值 xrms=0.707A 平均值平均值對(duì)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，上述關(guān)系不成立。正峰值負(fù)峰值平均絕對(duì)值有效值平均值峰峰值振動(dòng)的時(shí)域參數(shù)振動(dòng)測(cè)量單位 Displacement (distance) mils or micrometers, m Velocity (speed - rate of change of di

5、splacement) in/sec or mm/sec Acceleration (rate of change of velocity) Gs or in/sec2 or mm/sec2 Frequency Hertz = Hz = Cycles per secondRPM = Revolutions per minuteCPM = Cycles per minuteCPM = RPM = Hz x 60 瞬時(shí)值瞬時(shí)值 (Instant value) 振動(dòng)的任一瞬時(shí)的數(shù)值。 峰值峰值 (Peak value) 振動(dòng)離平衡位置的最大偏離。 平均絕對(duì)值平均絕對(duì)值 (Aver. absolute

6、 value) 均值均值 (Mean value) 又稱平均值或直流分量。 有效值有效值 (Root mean square value) TtxTx0avd 1TtxTx0d 1TtxTx02rmsd 1xpx = x(t)振動(dòng)的時(shí)域參數(shù)計(jì)算 即使是很簡(jiǎn)單的機(jī)器也會(huì)因?yàn)楦鞣N振源而產(chǎn)生振動(dòng)。 各振源的振動(dòng)不一定都是機(jī)器的轉(zhuǎn)速頻率，通常有些振源的振動(dòng)是在轉(zhuǎn)速頻率之上或之下。 有些振動(dòng)甚至與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。各種振源 每個(gè)振源都要產(chǎn)生自己獨(dú)特的振動(dòng)頻率成分或振動(dòng)形態(tài)。 對(duì)已知的設(shè)備，找到了它所產(chǎn)生的各振動(dòng)頻率成分，也就知道了振源所在。 對(duì)一臺(tái)機(jī)器所進(jìn)行的振動(dòng)分析1/3 是由其振動(dòng)頻率成分查找振源。 其余2

7、/3 的振動(dòng)分析是從已知機(jī)器的歷史中找到問(wèn)題所在。多頻率成分的產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的類型各振源間的組合 把振動(dòng)信號(hào)中所包含的各種頻率成分各種頻率成分分別分解出來(lái)的方法。 頻率分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅里葉變換傅里葉變換和快速傅里葉算法（FFT）。 頻率分析可用頻率分析儀頻率分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可在計(jì)算機(jī)上用軟件來(lái)完成。 頻率分析的結(jié)果得到各種頻譜圖頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。振動(dòng)信號(hào)的頻率分析頻率成分的提取名稱 波 形 頻 譜 名稱 波 形 頻 譜各種振動(dòng)波形的頻譜一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子One second of time風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子每秒鐘轉(zhuǎn)5轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子上施加一個(gè)重量，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡力，而引起振動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試

8、驗(yàn)頻率計(jì)算Hertz = Hz = Cycles per secondRPM = Revolutions per minuteCPM = Cycles per minuteCPM = RPM = Hz x 60風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 = 5 Hz or 300 RPM周期 = 1/頻率風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 = 5 Hz or 300 RPM風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高一倍波形圖中的波形靠得很近風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 = 10 Hz or 600 RPM一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)提高頻率一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)提高幅值位移: mils or micron速度: in/sec or mm/sec加速度: G由于加在風(fēng)機(jī)葉片上的不平衡重量，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，其振動(dòng)幅值增加

9、波形的高度是幅值.一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)增加另一個(gè)振源新的振動(dòng)成分 = 10 x 8 = 80 Hz摩擦不平衡一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)一個(gè)振源的頻譜分析FFT5 Hz5 Hz = 300 RPM10 Hz = 600 RPMFFT10 Hz一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)試驗(yàn)兩個(gè)振源的頻譜分析RubImbalanceFFT10 Hz80 Hz600 CPM單自由度振動(dòng)問(wèn)題注：確定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度注：確定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度簡(jiǎn)諧振動(dòng)有阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng) 振動(dòng)的頻率等于激勵(lì)激勵(lì)的頻率。 振幅大小與激勵(lì)力的大小成正比。 激勵(lì)頻率接近固有頻率時(shí)，振幅增大稱為共振共振。共振峰大小決定于阻

10、尼大小。 振幅和位相隨激勵(lì)頻率而變化，變化規(guī)律用系統(tǒng)的幅頻特性幅頻特性和相頻特性相頻特性來(lái)表示。單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)振動(dòng)參數(shù)的計(jì)算各振動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系干擾力引起的振動(dòng)波形振動(dòng)信號(hào)處理（1）振動(dòng)信號(hào)處理（2）典型振動(dòng)信號(hào)的FFT 簡(jiǎn)諧波形及其頻譜 脈沖波形及其頻譜 方波形及其頻譜 簡(jiǎn)諧拍波及其頻譜濾波問(wèn)題高通濾波低通濾波帶通濾波帶阻濾波時(shí) 域 波 形 的 截 取 與 復(fù) 制時(shí) 域 波 形 的 復(fù) 制 誤 差頻 域 波 形 的 泄 漏 問(wèn) 題加窗處理矩形窗漢寧窗(Hanning)海明窗(Hamming)凱莎窗(Kesha)三角窗 窗函數(shù)：減少混疊問(wèn)題的方法： 提高采樣頻率 對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行濾波 平均

11、10次后的頻譜未進(jìn)行平均處理的頻譜未進(jìn)行平均處理的波形與頻譜已進(jìn)行平均處理的波形與頻譜磁帶記錄儀頻譜分析儀打印機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備繪圖儀測(cè)量電路基頻檢測(cè)儀記錄儀數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)汽輪機(jī)齒輪增速箱壓縮機(jī)渦流傳感器速度傳感器加速度傳感器鍵相傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量框圖 Vibration frequency indicates the potential source of the problem also “how often” a problem repeats itself Vibration amplitude indicates the severity of the problem. Phase

12、indicates how a machine is moving與振動(dòng)相關(guān)聯(lián)的量相位 在轉(zhuǎn)子上布置鍵相標(biāo)記K，在軸承座上布置鍵相傳感器K （光電或渦流式），其輸出的參考脈沖為相位的基準(zhǔn)。 以參考脈沖后到第一個(gè)正峰值的轉(zhuǎn)角定義振動(dòng)相位，即a。 振動(dòng)相位直接和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有關(guān)，在平衡和故障診斷中有重要作用。 參考脈沖也用于測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)相位的測(cè)量 The relationship of the movement of part of a machine to a reference for example the position of the shaft as it rotat

13、es The relationship of the movement between one or more points on a machine同相位振動(dòng)反相位振動(dòng)振動(dòng)相位 Once we know “how” a machine is moving, we know WHY Amplitude and frequency provide 80% accuracy when performing a diagnosis or analysis adding phase increases accuracy to better than 95%相位的作用振動(dòng)位移振動(dòng)加速度振動(dòng)速度力的指示疲

14、勞的指示應(yīng)力的指示對(duì)數(shù)幅值對(duì)數(shù)頻率當(dāng)量烈度等值線實(shí)例1：600RPM 風(fēng)機(jī)振動(dòng)位移振動(dòng)速度振動(dòng)加速度實(shí)例2：15K赫茲 齒輪嚙合測(cè)量單位及檢測(cè)類型各種振動(dòng)傳感器各種振動(dòng)傳感器 結(jié)構(gòu)與原理 特性曲線 標(biāo)定及其標(biāo) 定系數(shù)非接觸式位移傳感器磁電式振動(dòng)速度傳感器壓電式振動(dòng)加速度計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)及原理接收形式：慣性式變換形式：磁電效應(yīng)典型頻率范圍：10Hz1000Hz典型線性范圍：02mm典型靈敏度 ：20mV/mm/s 測(cè)量非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的絕絕對(duì)振動(dòng)對(duì)振動(dòng)的速度。 不適于測(cè)量瞬態(tài)振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)和很快的變速過(guò)程很快的變速過(guò)程。 低輸出阻抗，抗干擾抗干擾力強(qiáng)。力強(qiáng)。 傳感器質(zhì)量較大質(zhì)量較大，對(duì)小型對(duì)象有影響。 在傳

15、感器固有頻率附近有較大的相移較大的相移。磁電速度傳感器接收形式：慣性式變換形式：壓電效應(yīng)典型頻率范圍：0.2Hz10kHz線性范圍和靈敏度隨各種不同型號(hào)可在很大范圍內(nèi)變化。 測(cè)量非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的絕對(duì)振動(dòng)絕對(duì)振動(dòng)的加速度。 適應(yīng)高頻振動(dòng)高頻振動(dòng)和瞬態(tài)振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)的測(cè)量。 傳感器質(zhì)量小，可測(cè)很高振級(jí)高振級(jí)。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要注意電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和接地回路的干擾干擾。壓電加速度傳感器非接觸式位移傳感器加速度傳感器的頻響特性波德圖和極坐標(biāo)圖波德圖(Bode Plot)和極坐標(biāo)圖(Polar Plot)兩者所含信息相同，都表示基頻振動(dòng)的幅值和相位隨機(jī)器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。三維頻譜圖 三維頻譜圖是頻頻譜的集合譜的集合。第三個(gè)坐標(biāo)可以是轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、時(shí)間時(shí)間(日期)、其他工藝參其他工藝參數(shù)數(shù)等。本圖第三坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速，機(jī)器升速過(guò)程中發(fā)生了油膜渦動(dòng)和油膜振蕩。軸心軌跡 Orbit 的測(cè)定軸心軌跡(Orbit)是診斷