機械故障診斷技術(shù)2-機械振動及信號

第二章機械振動及信號

在冶金、化工、機械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備約占80％，這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機、電動機、透平制氧機、鼓風(fēng)機、大型軋鋼機等，在眾多的診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比振動信號分析對機器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外，由于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在運行中易出現(xiàn)不對中或受外力作用而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象，其大小與安裝質(zhì)量和使用中的故障有直接關(guān)系。由此可見，振動分析及測量在診斷旋轉(zhuǎn)機械中有著重要的地位。一般所進行的振動測量大致有以下兩方面的內(nèi)容：

1．振動基本參數(shù)的測量，測量振動構(gòu)件上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位，用于識別該構(gòu)件的運動狀態(tài)是否正常。

2．結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測量，這種測量方式以某種激振力作用在被測體上，使被測件產(chǎn)生受迫振動，測量輸入(激振力)和輸出(被測體振動響應(yīng))，從而確定被測體的固有頻率、振型等動態(tài)參數(shù)。

圖2-1按振動規(guī)律分類按振動規(guī)律分類這種分類，主要是根據(jù)振動在時間歷程內(nèi)的變化特征來劃分的。按振動的動力學(xué)特征分類（1）自由振動與固有頻率這種振動靠初始激勵一次性獲得振動能量，歷程有限，一般不會對設(shè)備造成破壞，不是現(xiàn)場設(shè)備診斷所需考慮的目標(biāo)。描寫單自由度線性系統(tǒng)的運動方程式為：通過對自由振動方程的求解，我們導(dǎo)出了一個很有用的關(guān)系式：無阻尼自由振動的振動頻率為:式中：m—物體的質(zhì)量、k—物體的剛度

這個振動頻率與物體的初始情況無關(guān)，完全由物體的力學(xué)性質(zhì)決定是物體自身固有的稱為固有頻率，這個結(jié)論對復(fù)雜振動體系同樣成立。它揭示了振動體的一個非常重要的特性。許多設(shè)備強振問題，如強迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。

(2)強迫振動和共振物體在持續(xù)的周期變化的外力作用下產(chǎn)生的振動叫強迫振動，如不平衡、不對中所引起的振動。（慣性力）（阻尼力）（彈性力）（激振力）圖2－2強迫振動力學(xué)模型圖2－3強迫振動響應(yīng)過程a)強迫振動b)衰減振動c)合成振動由圖2—3所見，衰減自由振動隨時間推移迅速消失，而強迫振動則不受阻尼影響，是一種振動頻率和激振力同頻的振動。從而可見，強迫振動過程不僅與激振力的性質(zhì)（激勵頻率和幅值）有關(guān)，而且，與物體自身固有的特性（質(zhì)量、彈性剛度、阻尼）有關(guān)，這就是強迫振動的特點。(3)自激振動自激振動是在沒有外力作用下，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。自激振動是一種比較危險的振動。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動，常常使設(shè)備運行失去穩(wěn)定性。比較規(guī)范的定義是：在非線性機械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖钏a(chǎn)生的振動稱為自激振動。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（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）才足以引發(fā)自激振動，使振動系統(tǒng)所具有的非周期能量轉(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。只是需要注意，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影響因素所致；與一般強迫振

動近似的正弦波（與強迫振動激勵源的頻率相同）有區(qū)別。自由振動、強迫振動、自激振動這三種振動在設(shè)備故障診斷中有各自的主要使用領(lǐng)域。對于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固松動等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的特性參數(shù)發(fā)生改變的故障，多利用脈沖力所激勵的自由振動來檢測，測定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。對于減速箱、電動機、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機械故障，主要以強迫振動為特征，通過對強迫振動的頻率成分、振幅變化等特征參數(shù)分析，來鑒別故障。對于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及能被工藝流體所激勵的設(shè)備，除了需要監(jiān)測強迫振動的特征參數(shù)外，還需監(jiān)測自激振動的特征參數(shù)。按振動頻率分類

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)。在中頻范圍，主要測量的振幅是速度量。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，主要測量的振幅是加速度。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)。低頻振動：f<10Hz中頻振動：f=10～1000Hz高頻振動：f>1000Hz機械振動（按頻率分類）機械系統(tǒng)力學(xué)模型

研究機械系統(tǒng)力學(xué)模型有助于獲得系統(tǒng)振動的基本規(guī)律,便于判斷振動原因,有效控制或利用振動。機械系統(tǒng)都是由若干裝置、構(gòu)件和零件組成的,是由具有確定的質(zhì)量、剛度和阻尼的物體所構(gòu)成,并能完成特定功能的一個系統(tǒng)。組成機械系統(tǒng)的裝置、構(gòu)件、零件都是影響機械系統(tǒng)的要素,它們按一定的結(jié)構(gòu)形式相互聯(lián)系和作用,而機械系統(tǒng)本身又是人-機-環(huán)境這個更大系統(tǒng)的組成部分。

機械系統(tǒng)的力學(xué)模型是由所研究對象本身和外界作用組成的簡化的力學(xué)模型,該力學(xué)模型在動態(tài)特性方面要與實際研究機械系統(tǒng)等效或接近。振動系統(tǒng)力學(xué)模型三要素及自由度

機械系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因是其本身具有質(zhì)量(或轉(zhuǎn)動慣量)和彈性,而阻尼會使系統(tǒng)振動受到抑制。彈性(剛度)、阻尼和質(zhì)量是振動系統(tǒng)力學(xué)模型的三要素。(1)彈性(剛度)(2)阻尼1)黏性阻尼。2)干摩擦阻尼。3)內(nèi)摩擦阻尼。(3)質(zhì)量(4)自由度振動信號的描述構(gòu)成一個確定性振動有3個基本要素，即振幅s，頻率f（或ω）和相位φ。即使在非確定性振動中，有時也包含有確定性振動。振幅、頻率、相位，這是振動診斷中經(jīng)常用到的三個最基本的概念。簡諧振動可以用下面函數(shù)式表示：

速度比位移的相位超前90o，加速度比位移的相位超前180o。比速度超前90o。

圖2—4

簡諧振動的時域圖像

必須特別說明一個與振動幅值有關(guān)的物理量即速度有效值Vrms，亦稱速度均方根值。這是一個經(jīng)常用到的振動測量參數(shù)。因為它最能反映振動的烈度，所以又稱振動烈度指標(biāo)。

頻率f：振動物體（或質(zhì)點）每秒鐘振動的次數(shù)稱為頻率，用f表示，單位為Hz。振動頻率在數(shù)值上等于周期T的倒數(shù)，即：式中T——周期，即質(zhì)點再現(xiàn)相同振動的最小時間間隔(s或ms)。頻率還可以用角頻率ω來表示，即：相位

：相位

由轉(zhuǎn)角ωt與初相角φ兩部分組成振動信號的相位，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自的相位。由幾個諧波分量疊加而成的復(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，甚至變得面目全非。

相位測量分析在故障診斷中亦有相當(dāng)重要的地位，一般用于諧波分析，動平衡測量，識別振動類型和共振點等許多方面。

單自由度系統(tǒng)的自由振動

實際的振動系統(tǒng)復(fù)雜而多樣，研究時必須建立其力學(xué)模型，以便利用數(shù)學(xué)工具進行分析，抓住基本的規(guī)律。單自由度系統(tǒng)的自由振動力學(xué)模型如圖所示。如圖所示為幾種常見的單自由度系統(tǒng)的分析案例。設(shè)備狀態(tài)信號的物理表現(xiàn)從根本上講，所有設(shè)備的作用都是能量轉(zhuǎn)換與傳遞，設(shè)備狀態(tài)愈好，轉(zhuǎn)換與傳遞過程中的附加能量損耗愈小。隨著設(shè)備的劣化，附加能量損耗快速地增大。附加能量損耗中包括的各種物