振動測量基礎(chǔ)知識

1、機(jī)器振動分析基礎(chǔ)知識基本概念和理論 振動及其根源 質(zhì)量、彈性和阻尼 正弦波 幅值、頻率和相位 隨機(jī)振動和沖擊 時(shí)域和頻域 位移、速度和加速度 固有頻率和共振 機(jī)械阻抗 臨界轉(zhuǎn)速什么是振動 振動系統(tǒng)對激勵(lì)的響應(yīng) 系統(tǒng)機(jī)器結(jié)構(gòu)管道流體，氣體以上的結(jié)合 激勵(lì)引起系統(tǒng)運(yùn)動的力作用或擾動 響應(yīng)所有力作用于系統(tǒng)上產(chǎn)生的運(yùn)動有的振動是有用的任何機(jī)器都產(chǎn)生振動SYSTEMFV兩種振動 整體振動 質(zhì)量剛體 壓力波 源于接觸點(diǎn)的力在材料中縱波傳遞 以聲音在介質(zhì)中的速度（鐵，5000m/s)加速度傳感器可測量兩者，速度傳感器只測量前者力和響應(yīng) 振動的根源是力，力激起和維持振動 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡-離心力-軸應(yīng)力-軸承和

2、機(jī)座 不平衡，不對中，轉(zhuǎn)子彎曲，齒輪偏心。當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，這些力導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定幅值振動 即使機(jī)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也不是完全重復(fù)性周期 其它力的響應(yīng) 共振，外界干擾，管道擾動等隨機(jī)因素旋轉(zhuǎn)機(jī)器可視為機(jī)械振蕩器所有機(jī)器的振動表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動隨機(jī)振動和沖擊脈沖 隨機(jī)振動不能重復(fù)自身，不能確定頻率 流體漩渦，紊流，摩擦，風(fēng)，輪胎噪聲，泵氣穴 真正的隨機(jī)振動在頻域表現(xiàn)為水平線，如果觀察時(shí)間足夠，如2分鐘，所有頻率將出現(xiàn)。 沖擊脈沖是單事件瞬態(tài)過程 振動重復(fù)，阻尼衰減機(jī)械系統(tǒng)：質(zhì)量、彈簧和阻尼 質(zhì)量：運(yùn)動的物體，產(chǎn)生慣性力，儲存動能 彈簧：抑制運(yùn)動的力，儲存系統(tǒng)勢能 阻尼：將能量損耗為熱 系統(tǒng)模型：單自由

3、度系統(tǒng)正弦波 金屬制造的機(jī)器可忽略阻尼-簡諧振動幅值、頻率和相位 頻率：Hz, CPM, orders 幅值： 位移 um 速度 mm/s 加速度 g P, P-P, RMS, AVG相位 相位：0-360。測量時(shí)間間隔 參考點(diǎn)：反光標(biāo)記 光電相位傳感器 高點(diǎn)。動平衡時(shí)，需確定高點(diǎn)相位差：機(jī)器某一位置相對于另一位置處的振動運(yùn)動關(guān)系時(shí)域和頻域頻譜分析是機(jī)器監(jiān)測最強(qiáng)的工具鋼琴C中音: 周期 3.9ms頻率256Hz諧頻：512Hz768Hz典型振動信號的頻譜 簡諧波形及其頻譜 脈沖波形及其頻譜 方波形及其頻譜 簡諧拍波及其頻譜名稱 波 形 頻 譜 名稱 波 形 頻 譜典型振動信號的頻譜位移、速度和

4、加速度 位移、速度和加速度都是對力的響應(yīng) 向量：表示振動幅值和相位vadvad=A sin tv=A sin( t+ /2)a=A sin( t+ )位移、速度和加速度 位移測量強(qiáng)調(diào)低頻 位移必須振動頻率做補(bǔ)充才能正確評估振動的嚴(yán)重程度例，60Hz下振動2mils P-P要比5Hz 下振動2mils P-P 對設(shè)備的損壞程度要大得多 推薦應(yīng)用10Hz以下水平安裝轉(zhuǎn)動機(jī)械振動位移/速度等級圖表 加速度強(qiáng)調(diào)的是高頻 評價(jià)機(jī)器振動狀態(tài)時(shí)也具有頻率依賴性。例如，在300Hz時(shí)2g要比在3000Hz時(shí)的2g振動程度要嚴(yán)重得多 推薦應(yīng)用在振源頻率超過5000Hz以上，如齒輪嚙合頻率、電機(jī)籠條通過頻率、葉片

5、通過頻率等，這些振源在很多情況下會產(chǎn)生多階諧頻水平安裝轉(zhuǎn)動機(jī)械振動加速度/速度等級圖表振動速度幅值直接與機(jī)器的狀態(tài)有關(guān)振動速度在10-2000Hz頻率范圍內(nèi)不存在對頻率的依賴關(guān)系。振源頻率范圍5-5000Hz時(shí)，一般選擇測量振動速度一臺轉(zhuǎn)速為1800 RPM的機(jī)器，7.6mm/s的振動與另一臺轉(zhuǎn)速為10000 RPM，振動也為7.6mm/s的機(jī)器，具有同樣的振動損壞程度。（a）位移頻譜圖（b）速度譜（c）加速度譜能否在頻譜圖中看到極其重要的軸承故障頻率，取決于對測量幅值類型的選擇在一臺300RPM的風(fēng)機(jī)上測量振動位移、速度、加速度的比較固有頻率和共振 固有頻率取決于彈性（剛度）和質(zhì)量 簡諧系統(tǒng)

6、固有頻率 機(jī)械系統(tǒng)的振動響應(yīng)取決于激勵(lì)的頻率 在固有頻率以下，輸入的力主要克服系統(tǒng)彈性，系統(tǒng)剛性占主導(dǎo) 在固有頻率以上，系統(tǒng)質(zhì)量慣性占主導(dǎo)，輸入的力主要克服系統(tǒng)慣性 系統(tǒng)剛性力與慣性力總是180相位差 剛性力不隨頻率改變，慣性力與頻率的平方成正比 當(dāng)剛性力與慣性力相等抵消，系統(tǒng)沒有約束 共振：系統(tǒng)激勵(lì)頻率等于固有頻率共振 幅值響應(yīng)放大，對金屬部件很容易放大10-100倍 理論上幅值可放大的無限大，唯一制約是系統(tǒng)阻尼 “擴(kuò)音板”現(xiàn)象，可能是聲學(xué)問題而不是振動問題。但板也可能共振屬振動問題阻尼 所有材料具有內(nèi)部阻尼 金屬的阻尼非常小 塑料、橡膠、紙、土壤阻尼較高-用于控制振動 阻尼系數(shù)：阻尼/臨界

7、阻尼 臨界阻尼：系統(tǒng)沒有振蕩，小于一周回到零點(diǎn) 阻尼導(dǎo)致一些頻率移動，對鋼鐵結(jié)構(gòu)，頻移可以忽略。這意味著機(jī)器內(nèi)部軸承振動將傳遞到機(jī)殼，而頻率幾乎不變阻尼系數(shù) 0 0.2 0.4機(jī)械阻抗 力沿機(jī)器結(jié)構(gòu)部件傳遞，通過不同材料和界面 轉(zhuǎn)子-軸-軸承-機(jī)殼 鋼鐵結(jié)構(gòu)機(jī)器上，主要損失發(fā)生在界面 外部振動是振源和傳遞路徑的綜合影響 頻率幾乎不變，反映振源 振幅反映傳遞路徑 振動能量在結(jié)構(gòu)中取最小阻抗路徑機(jī)械阻抗 機(jī)械阻抗是機(jī)械系統(tǒng)阻止振蕩力傳遞的特性 理想機(jī)械部件： 阻尼器：阻抗對不同頻率阻抗恒定 質(zhì)量：阻抗隨頻率增加 彈簧：阻抗隨頻率減小。彈簧通過高頻振動，對高頻隔振效果差臨界轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進(jìn)入共振狀態(tài)

8、的轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子固有頻率不完全相等 轉(zhuǎn)子和軸承具有依賴轉(zhuǎn)速的動態(tài)特性 二階臨界轉(zhuǎn)速一般是一階的2.5-4倍 有時(shí)候是固定結(jié)構(gòu)共振，需要區(qū)分 機(jī)器運(yùn)行：離開20%，盡快通過臨界振動測量基礎(chǔ) 人的感官 傳感器 濾波器FFT分析儀 采樣、抗混淆 窗函數(shù) 平均 線性和對數(shù)坐標(biāo) 觸發(fā) 解調(diào)分析、軸承監(jiān)測 相位測量及應(yīng)用 預(yù)測維修程序人的感官人耳可感知空氣振動 20Hz-20kHz, 40Hz帶寬。是大部分機(jī)器振動的頻率范圍機(jī)器振動頻率范圍可到10kHz，大部分5kHz以下人手可感知100Hz以下的振動，更高頻率需聽聲音100Hz電氣嗡嗡聲軸承特征頻率（3/4個(gè)）50-500Hz金屬接觸沖擊產(chǎn)生10

9、00-10000Hz，金屬撞擊聲大部分結(jié)構(gòu)共振發(fā)生在100-5000Hz流體氣穴 3000-5000Hz1800RPM 泵的典型振動頻率機(jī)器頻譜位置振動傳感器速度傳感器加速度傳感器加速度、速度、位移傳感器的動態(tài)范圍和頻率響應(yīng)加速度傳感器安裝與頻率響應(yīng)濾波高通濾波低通濾波帶通濾波帶阻濾波頻譜分析儀頻譜參數(shù) 幅值參數(shù)： 加速度、速度、位移、解調(diào) 頻率范圍 Fmin - Fmax 譜線數(shù) 400，800，1600，3200 分辨率: (Fmax/譜線數(shù))*1.5 窗函數(shù) 譜平均 觸發(fā)，疊加定義：需要什么結(jié)果定義：如何獲得時(shí)間波形段 采樣點(diǎn)數(shù) N 1024，2048，4096，8192 時(shí)間段 D D

10、=N/(Fmax*2.56)平均觸發(fā)類型,疊加 信號被測量。信號被測量。Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.4個(gè)用于平均個(gè)用于平均的樣本的樣本怎樣選擇這些怎樣選擇這些點(diǎn)？點(diǎn)？觸發(fā)類型,疊加 沒有鍵相計(jì)，從一個(gè)任意點(diǎn)開始記錄進(jìn)行平均沒有鍵相計(jì)，從一個(gè)任意點(diǎn)開始記錄進(jìn)行平均數(shù)量足夠的數(shù)據(jù)。數(shù)量足夠的數(shù)據(jù)。窗將末尾的值置零，允許這個(gè)區(qū)域窗將末尾的值置零，允許這個(gè)區(qū)域的疊加會減少采樣時(shí)間。的疊加會減少采樣時(shí)間。觸發(fā)類型,無鍵相疊加 50%的疊加是最常用的。的疊加是最常用的

11、。66.7%也是合適的值。也是合適的值。時(shí)間同步平均 帶有鍵相計(jì)，采樣開始在鍵相脈沖表明軸處于帶有鍵相計(jì)，采樣開始在鍵相脈沖表明軸處于參考位置時(shí)。參考位置時(shí)。tacho pulse采樣、抗混淆采樣定理抗混淆濾波FFT：采樣頻率=2.56Fmax1024-4002048-8004096-1600未加抗混淆濾波有抗混淆濾波窗函數(shù) 窗函數(shù)用來整理信號block的形狀使其邊緣光滑以防止頻譜泄漏。 通常使用漢寧窗，其他窗：漢明窗,平頂窗,矩形窗. 影響分辨率：窗口系數(shù)幅值精度 動態(tài)范圍20*log最小信號/最大信號 (dB) 在大的信號中區(qū)分出小信號的測量能力 取決于：AD位數(shù)，電子噪聲 自動量程刻度，

12、線性與對數(shù)坐標(biāo)通頻振動OAOARSS RSS = =通頻振動是所有振動成分的能量總和通頻振動是所有振動成分的能量總和N =N =譜線數(shù)譜線數(shù)Ai =Ai =每條譜線上的幅值每條譜線上的幅值N NBF BF = =加窗噪聲帶寬（漢寧窗為加窗噪聲帶寬（漢寧窗為1.51.5）問題：在頻譜的頻率范圍以外可能存在相當(dāng)大的振動成分問題：在頻譜的頻率范圍以外可能存在相當(dāng)大的振動成分解調(diào)分析高通濾波取包絡(luò)FFT2k-20kHz 帶通濾波的選擇軸承監(jiān)測 解調(diào)頻譜作為一個(gè)早期指示參數(shù) 檢查正常頻譜和解調(diào)頻譜： 都沒有故障頻率，狀態(tài)良好，作為基線繼續(xù)監(jiān)測 只在解調(diào)頻譜存在故障頻率，早期故障指示，或需要潤滑 在兩種頻

13、譜中都存在譜峰值，計(jì)劃下一次維修更換 只在正常頻譜中存在峰值，同時(shí)在解調(diào)頻譜中噪聲水平升高，立即更換振動相位及其應(yīng)用相位反映機(jī)器某一部分的振動與另一部位振動的相互關(guān)系。相位分析是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，可用于協(xié)助查找故障源。許多設(shè)備問題都會引起1X較大振動（如，不平衡、不對中、偏心、軸彎曲、軟地腳、齒輪斷齒、共振、緊固螺栓松動等），也有些問題可以在2X或3X RPM處產(chǎn)生較大的振動。面對這些問題及可能產(chǎn)生的頻率成分，很難確定振動的原因。在每個(gè)軸承座上測量振動相位，能使問題的確定容易些。振動相位測量使用頻閃燈測量振動相位通過參考標(biāo)記來讀取相位角，誤差較大在轉(zhuǎn)子上設(shè)參考標(biāo)記，在靜子上設(shè)置角度盤在靜子上設(shè)

14、參考標(biāo)記，在轉(zhuǎn)子上設(shè)置角度盤振動相位測量光電傳感器測量相位，靜止的光電頭對準(zhǔn)安裝在轉(zhuǎn)動部件的反光帶。振動診斷中利用相位分析軸承座是做前后振動，還是做扭轉(zhuǎn)振動：測量軸向1、2、3、4點(diǎn)上的振動相位相位顯示軸承座是在做平面運(yùn)動如果，1、3兩測點(diǎn)相位相差180度，說明軸承存在上、下翅起，如果在測點(diǎn)2、和測點(diǎn)4之間的相位相差180度，說明軸承座左右扭曲振動，可能是由于軸彎曲或軸承翅起引起。不平衡的相位表現(xiàn)在相鄰且位置相差90度的測點(diǎn)上，測得的振動相位相差約90度。如果此相位角較大地偏離90度，意味著存在著一個(gè)除不平衡以外的其它問題。徑向振動相位測量，分析不平衡問題不平衡的相位表現(xiàn)比較轉(zhuǎn)子兩端軸承座上水

15、平和垂直相位差，確認(rèn)不平衡1XRPM振動幅值肯定是較高的，并且在兩個(gè)軸承座上水平方向的振動相位差等于垂直方向的振動相位差（30）。這說明，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動狀態(tài)在水平方向和垂直方向是相同的，否則，其主要問題可能就不會是不平衡問題了。松動問題的相位表現(xiàn) 有些機(jī)械松動問題，通過振動相位測量是可以發(fā)現(xiàn)的，已經(jīng)可靠緊固的機(jī)械部件應(yīng)該是與其它部件間同步運(yùn)動，在各個(gè)零部件之間不應(yīng)該存在顯著的幅值和相位的變化，如果在相互配合的零部件之間存在振動幅值和相位的變化，那么機(jī)械松動問題的存在是值得懷疑的。 在墊板（BASE PLATE)和支承混凝土基礎(chǔ)（CONCRETE BASE)之間存在著顯著的振動幅值和相位的變化，這說

16、明，很可能是由于在兩部件間的水泥灌漿不充分所引起的。不對中問題的相位表現(xiàn) 聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸承的振動相位差接近180。振動幅值和相位角的測量應(yīng)該在聯(lián)軸節(jié)相鄰的兩個(gè)軸承座的4個(gè)象限位置進(jìn)行。 四個(gè)測量象限的位置要從同一個(gè)參考方向觀察確定，避免相位數(shù)據(jù)的混亂。在軸承座A位置2處所進(jìn)行的相位測量必須與軸承座B位置2處所進(jìn)行的相位測量相比較徑向振動相位對軸平行不對中問題比較敏感，而軸向振動相位對軸角不對中問題比較敏感。不對中問題的相位表現(xiàn)電機(jī)軸承1和軸承2振動方向相互之間一致，軸承3和軸承4也是同相振動，這說明電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在內(nèi)部不對中、軸彎曲和軸承翅起等問題。在聯(lián)軸節(jié)兩端存在180的相位變化，這說明在軸承2和軸承3之間存在不對中問題。 大多數(shù)的不對中問題是平行不對中和角不對中同時(shí)存在的，單純的角不對中或平行不對中是很少見的。 測量的相差越是接近180，不對中的可能性就越大，不管這個(gè)相位差是軸向測量的還是徑向測量的。有效的預(yù)測維修的工作程序