《設備故障診斷技術》003-設備振動狀態(tài)監(jiān)測技術-第一部分

1、機械設備振動狀態(tài)監(jiān)測技術1由于共振所產(chǎn)生大橋坍塌事故2地震及其危害3設備的振動4設備振動出現(xiàn)異常5 振動的基礎知識 振動傳感器 振動信號的采集 振動信號的分析主要內(nèi)容6振動：在一定條件下，振動體在其平衡位置附近隨時間作來回往復變化的運動。 xtATmfkx(t)什么是振動？幅值：振動能量大小頻率：故障定位相位7分類名 稱主要特征與說明按系統(tǒng)的自由度單自由度系統(tǒng)振動用一個獨立變量就能表示系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動須用多個獨立變量表示系統(tǒng)振動連續(xù)彈性體振動須用無限多個獨立變量表示系統(tǒng)振動按系統(tǒng)結(jié)構參數(shù)的特性線性振動可以用常系數(shù)線性微分方程來描述，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力分別與振動加速度、速度和位

2、移成正比非線性振動要用非線性微分方程來描述，即微分方程中出現(xiàn)非線性項振動的分類8分類名 稱主要特征與說明 按 振 動 產(chǎn) 生 的 原 因自由振動系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈性恢復力和慣性力來維持的振動。當系統(tǒng)無阻尼時，振動頻率為系統(tǒng)的固有頻率；當系統(tǒng)存在阻尼時，其振動幅度將逐漸減弱受迫振動由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動，系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率自激振動系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性時，在一定條件下，沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，其振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率振動的分類9分類名 稱主要特征與說明 按 振 動 產(chǎn) 生 的 方 向橫向振

3、動振動發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向xoy平面內(nèi)，大多數(shù)故障所激發(fā)的振動為此類振動軸向振動振動發(fā)生在轉(zhuǎn)軸軸線z方向上，某些故障如不對中將會激發(fā)軸向振動扭轉(zhuǎn)振動沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振，多盤轉(zhuǎn)子的柔性軸將會產(chǎn)生扭振振動的分類yxz0最簡單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)10設計原因設計不當，運行時發(fā)生強迫振動/自激振動結(jié)構不合理，應力集中設計工作轉(zhuǎn)速接近或落入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)熱膨脹量計算不準，導致熱態(tài)不對中制造原因零部件加工制造不良，精度不夠零件材質(zhì)不良，強度不夠，制造缺陷為什么會產(chǎn)生振動？11安裝/維修的原因機械安裝不當，零部件錯位，預負荷大軸系對中不良機器幾何參數(shù)(配合間隙、過盈量及相對位置)調(diào)整不當操作運行的原因工藝參數(shù)(介質(zhì)的溫

4、度、壓力、流量、負荷)偏離設計值轉(zhuǎn)速接近或落入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)潤滑或冷卻不良啟停機或升降速過程操作不當，暖機不夠，熱膨脹不均勻或在臨界區(qū)停留時間過長為什么會產(chǎn)生振動？12機器劣化的原因零部件磨損、點蝕、脫落、腐蝕、產(chǎn)生裂紋配合面受力劣化、產(chǎn)生過盈不足或松動等，破壞了配合的性質(zhì)和精度機器基礎沉降不均勻，機器殼體變形為什么會產(chǎn)生振動？13測定機械系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，以便確定機器設備承受振動和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進設計提供依據(jù)；分析振動產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；對運動中的機器進行故障監(jiān)控，以避免重大事故。為什么要研究振動？14 振動的基礎知識 振動傳感器 振動信號的采集 振動

5、信號的分析主要內(nèi)容15 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器的標定振動傳感器16振動傳感器的分類類別具體說明按測量原理分機械方法 、光學方法 、電測法按測振參數(shù)分位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器按轉(zhuǎn)換原理分磁電式、壓電式、電阻應變式、電感式、電容式、光學式按傳感器與被測物關系分接觸式傳感器、非接觸式傳感器17工作原理： 當一塊金屬導體置于一個由通有高頻電流的線圈所產(chǎn)生的交變磁場中或在磁場中運動時，由于電磁感應的作用，金屬導體內(nèi)將產(chǎn)生一個閉合的電流環(huán)，此即“電渦流”。電渦流將產(chǎn)生一個與交變磁場相反的渦流磁場的變化，從而使原線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因素都發(fā)生變化，且它們的變化量與

6、線圈到金屬導體之間的距離x的變化量有關，于是就把位移量變成了電量。電渦流位移傳感器 18電渦流位移傳感器 工作原理： 電渦流效應。 根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 19電渦流位移傳感器 將高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加給電感線圈L時，將產(chǎn)生高頻磁場H0被測導體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時，被測導體內(nèi)就產(chǎn)生電渦流i1。電渦流產(chǎn)生與H0方向相反的磁場H1因渦流磁場的反作用，電感線圈的電流幅度、相位等（有效阻抗）發(fā)生

7、改變，經(jīng)檢測電路可轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化20電渦流位移傳感器 通常假定金屬導體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，電感線圈有效阻抗的變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的尺寸因子T、電流頻率、電流強度I以及線圈到金屬導體表面的距離D等參數(shù)有關。 Z = f (, , T, , I, D )控制, , T, , I 在一定范圍內(nèi)不變，則線圈阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)雖然整個函數(shù)是非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可取近似線性的一段。（使用時應注意線性范圍）21電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項 （1）被測體材料對傳感器的影響傳感器特性與被測體的電導率、磁導率有關當被測體為導磁材料（如

8、普通鋼、結(jié)構鋼等）時，由于渦流效應和磁效應同時存在，磁效應反作用于渦流效應，渦流效應減弱，傳感器靈敏度降低。而當被測體為弱導磁材料（如銅，鋁，合金鋼等）時，由于磁效應弱，相對來說渦流效應要強，因此傳感器感應靈敏度要高。 22電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項 （2）被測體表面平整度對傳感器的影響不規(guī)則的被測體表面，會給實際的測量帶來附加誤差，因此對被測體表面應該平整光滑，不應存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，對于振動測量的被測表面粗糙度要求在0.4um0.8um之間；對于位移測量被測表面粗糙度要求在0.4um1.6um之間。23電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注

9、意事項 （3）被測體表面磁效應對傳感器的影響渦流在金屬導體中的深度方向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的。電渦流效應主要集中在導體表面。（集膚效應）。加工過程中可能形成的殘磁效應，以及淬火不均勻、硬度不均勻、金相組織不均勻、結(jié)晶結(jié)構不均勻等都會影響傳感器特性。振動測量時，若被測體表面殘磁效應過大，會導致測量波形畸變。 24電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項 （4）被測體表面鍍層對傳感器的影響被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當于改變了被測體材料，視其鍍層的材質(zhì)、厚薄，傳感器的靈敏度會略有變化。25電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項 （5）被測體表面尺寸對傳感器的影響在線圈軸線附近

10、，渦流密度非常小，愈靠近線圈的外徑處，渦流的密度愈大，而在等于線圈外徑1.8倍處,渦流將衰減到最大值的5。被測體表面為平面時，被測面直徑應大于線圈直徑的1.5倍；當被測體為圓軸且軸線與線圈中心線正交，一般要求被測軸直徑為線圈直徑3倍以上，否則傳感器的靈敏度會下降，被測體表面越小，靈敏度下降越多。26優(yōu)點：能實現(xiàn)非接觸式測量靈敏度高、頻響范圍寬、測量范圍大抗干擾能力強、結(jié)構簡單、容易標定可以實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)測量缺點：對被測材料敏感對同一材料，若被測表面的材質(zhì)不均，或內(nèi)部有裂紋等缺陷，都會影響測量結(jié)果。（可用此進行無損探傷）被測體的形狀對測量結(jié)果也有影響。電渦流位移傳感器 27磁電式速度傳感器 當穿

11、過匝數(shù)為w 線圈的磁通 發(fā)生變化時，其感應電動勢為 置于永久磁鐵直流磁場內(nèi)的線圈作直線運產(chǎn)生的感應電動勢為 磁電式絕對速度計1、9彈簧片；2磁靴；3阻尼環(huán)；4外殼；5鋁架；6磁鋼；7線圈；8線圈架；10導線；11接線座28磁電式速度傳感器 29磁電式速度傳感器 振動監(jiān)測30優(yōu)點：輸出信號與振動速度成正比，因此較好的兼顧了高頻與低頻振動由永久磁鐵感應出電動勢，傳感器本生不需要電源，使用方便磁鋼-線圈型結(jié)構容易獲得高靈敏度，可測量微小振動缺點：體積大，重量大，不適合狹小空間和輕小設備的測量動態(tài)范圍有限，低頻線性差難以實現(xiàn)靜態(tài)測量對安裝角度要求較高，有的型號只適用于垂直安裝，而有的型號只適用于水平安

12、裝磁電式速度傳感器 31壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器結(jié)構圖壓電式傳感器壓電效應：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┘油饬Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應地會在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電式加速度傳感器：以壓電效應作為機電變換器而制成的加速度傳感器。32石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 壓電式加速度傳感器 33壓電式加速度傳感器 34壓電式加速度傳感器信號需要經(jīng)過的后續(xù)的電荷放大器才能進入數(shù)據(jù)采集器ICP型，放大電路內(nèi)置的壓電式傳感器，美國PCB公司第一次使用。壓電式加速度傳感器 35壓電

13、式加速度傳感器 思考：用壓電式傳感器能測量靜態(tài)或變化很緩慢的信號嗎？為什么？由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態(tài)測量時，電荷可以不斷補充，從而供給測量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。36優(yōu)點：頻帶極寬（0.220kHz）；本身質(zhì)量小(250 g)；動態(tài)范圍很大；缺點：會受電場的干擾，且有電荷泄露；某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。壓電式加速度傳感器 37 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器

14、的標定振動傳感器38傳感器的選擇靈敏度 從一定角度講，傳感器的靈敏度越高越好，靈敏度越高意味著傳感器能夠感知的變化量越小，被檢測的參數(shù)稍有微小變化就能被檢測出來。 但是，當靈敏度很高時，與測量信號無關的外界噪聲容易混入，并且會被電子系統(tǒng)進一步放大。這時就要求提高信噪比。 量程也是限制靈敏度的另一個因素。 當被測量是一個單向向量時，要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，橫向靈敏度愈低愈好；如果被測量是二維或三維向量，對傳感器還應要求交叉靈敏度愈低愈好。39精確度表示輸出與被測物理量的對應程度。 與精確度相對應的是誤差，在工程中常用誤差指標來代替精確度指標。精確度有絕對精確度和相對精確度兩個指標。 精確度

15、越高，價格越貴，因此要從實際需要出發(fā)來選擇傳感器精度。在實際工程測試中，一般情況下要求精度達到1.5%左右即可，有時甚至3%5%也是可以接受的。傳感器的選擇40線性即傳感器輸出與輸入成比例關系，任何傳感器都有一定的線性工作范圍，線性范圍愈寬，表明傳感器的工作量程愈大。傳感器在線性區(qū)內(nèi)工作，是保證測量精度的基本條件，但保證絕對工作在線性范圍內(nèi)是不容易的，在某些情況下，在許可限度內(nèi)也可以取其近似線性區(qū)域。如電渦流傳感器，其工作區(qū)間選在初始間隙附近，選用時必須考慮被測量變化范圍，保證其非線性誤差在允許限度內(nèi)。傳感器的選擇線性范圍41穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳

16、感器穩(wěn)定性的因素主要有時間、環(huán)境等。 為保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時應考慮其使用環(huán)境，以選擇合適的傳感器類型。在工程實際應用往往要求傳感器能長期使用而不需經(jīng)常更換或校準，在這種情況下，對傳感器的穩(wěn)定性有嚴格的要求。傳感器的選擇穩(wěn)定性42頻率響應特性是指在所測評論范圍內(nèi)，傳感器的輸出能夠真正反映被測參數(shù)而不失真，是傳感器的主要動態(tài)指標。任何傳感器的頻率范圍都有一定的限定范圍，如：位 移傳感器為010kHz，能給出準確的低頻振幅及相位速 度傳感器為52kHz，能對中頻的振動產(chǎn)生較強的信號加速度傳感器為520kHz，高頻范圍信號較強。 應根據(jù)被測對象及其可能發(fā)生故障的性質(zhì)選擇適用的傳感器。傳感器的選擇

17、頻率響應特性43傳感器的測量方式也是選用傳感器時應考慮的重要因素。如接觸與非接觸，在線與離線測量，條件不同，對傳感器的要求亦不同 對運動部件的測量一般應采用非接觸測量方式。此時采用電容式、電渦流式等非接觸傳感器比較方便測量對象的不同與使用場合的不同，所采用的傳感器往往也不同。例如：對大型、高精度、價值高和關鍵的設備，測試時往往選用精度高，穩(wěn)定性好的傳感器；對長期連續(xù)工作的監(jiān)測系統(tǒng)，應重點考慮傳感器的穩(wěn)定性；高溫場合應重點考慮傳感器的耐溫性能，強電干擾場合，不應選用磁電式或霍爾元件傳感器。傳感器的選擇測量方式與使用場合44 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器的標定振動傳感器45

18、盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風口和溫度變化劇烈的地方作為測量點，以保證測量結(jié)果的有效性對各測點做出標記，以保證每次測量的部位不變測量部位的表面應是光滑潔凈的，避免臟物對振動傳遞造成衰減對于低頻振動，應在水平和垂直兩個方向同時進行測量，必要時，還應在軸向進行測量；而對于高頻振動，則只需在一個方向進行測量。HV傳感器安裝位置的選擇46 測量轉(zhuǎn)軸時 通常是在一個平面內(nèi)正交的兩個方向分別安裝一個探頭,即兩個測點相差90度。 軸頸的徑向振動測量傳感器安裝位置的選擇47在測軸承的振動時，測量點應盡量靠近軸承的承載區(qū)；與被監(jiān)測的轉(zhuǎn)動部件最好只有一個界面，測量點必須要有足夠的剛度。傳感器安裝位置的選擇1234測量徑向振動，在承載區(qū)最合適測量軸向振動，路徑最短最合適？482022/7/19加速度傳感器的安裝方式49暫時安裝：所使用的方法應具有良好的可重復性振動探針磁鐵快速連接裝置例如：振動探針安裝僅用于難以接近的測點和鋁制表面，不能測量低于10HZ的振動，共振頻率范圍800-1500HZ加速度傳感器的安裝方式50磁鐵固定可以在有微小曲面的機器表面安裝機器表面和磁性必須保持清潔和良