振動基礎(chǔ)知識（課件）

1、振動和振動測試的基 礎(chǔ) 知 識 內(nèi) 容 簡諧振動三要素 振動波形 頻率分析和頻譜圖 系統(tǒng)對激勵的響應(yīng) 單自由度系統(tǒng) 多自由度系統(tǒng) 自由振動，模態(tài) 強迫振動，共振 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng) 旋轉(zhuǎn)機械振動測量框圖 傳感器及其選用 基頻分量幅值和相位的測量 旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示 定轉(zhuǎn)速：波形圖、頻譜圖、 軸心軌跡 變轉(zhuǎn)速：波德圖和極坐標(biāo)圖、 三維頻譜圖、坎貝爾圖 軸心位置圖 振幅 A (Amplitude) 偏離平衡位置的最大值。描述振動的規(guī)模。頻率 f (Frequency) 描述振動的快慢。單位為次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 為每振動一次所需的時間，單位為秒。 圓頻率

2、 = 2 f 為每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度，單位為弧度/秒初相角 (Initial phase) 描述振動在起始瞬間的狀態(tài)。簡諧振動的三要素 振動位移、速度、加速度之間的關(guān)系 振動位移 (Displacement)速度 (Velocity)加速度 (Acceleration) 位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。三者的幅值相應(yīng)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。xvaxva振 動 的 時 域 波 形 名 稱 波 形 名 稱 波 形 若干幅值參數(shù)的定義 瞬時值 (Instant value) 振動的任一瞬時的數(shù)值。峰值 (Peak value) 振動離平衡位置的最大偏離。

3、平均絕對值 (Average absolute value)均值 (Mean value) 又稱平均值或直流分量。有效值 (Root mean square value) xpx = x(t)正峰值負峰值平均絕對值有效值平均值峰峰值各幅值參數(shù)是常數(shù)，彼此間有確定關(guān)系峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A平均絕對值 xav=0.637A有效值 xrms=0.707A平均值簡諧振動的幅值參數(shù)復(fù)雜振動的幅值參數(shù)各幅值參數(shù)隨時間變化，彼此間無明確定關(guān)系正峰值負峰值峰峰值xrms常用的幅值參數(shù)及其單位 位移 峰峰值。單位為微米（m） 速度 有效值。單位為毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值。單位為米/秒

4、平方（m/s2）振動信號的頻率分析把振動信號中所包含的各種頻率成分分別分解出來的方法。頻率分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是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來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成。頻率分析的結(jié)果得到各種頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。各種振動的頻譜圖名稱 波 形 頻 譜 名稱 波 形 頻 譜時間域 頻率域FFTIFFT系統(tǒng)對激勵的響應(yīng)自激振動(機械)系統(tǒng) 單自由度 多自由度 強迫振動自由振動反饋機制持續(xù)激勵初始激勵恒定能源激 勵響 應(yīng)單自由度振動系統(tǒng) 確定系統(tǒng)運動所需的獨立坐標(biāo)數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度多自由度振動系統(tǒng)圖中數(shù)字為系統(tǒng)的自由度數(shù)53226單自由度系統(tǒng)的自由振動系統(tǒng)在

5、沒有激勵下，由初始條件引起的振動，稱為自由振動。初始位移初始速度a 無阻尼b 小阻尼c 臨界阻尼d 大阻尼單自由度系統(tǒng)的自由振動自由振動的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。振幅大小決定于初始條件（初始位移和初始速度）。系統(tǒng)的阻尼大，振幅衰減快；阻尼小，振幅衰減慢。阻尼系數(shù) = 1 稱為臨界阻尼。由自由振動確定固有頻率和阻尼系統(tǒng)有多個固有頻率。從小到大，稱為第1階、第2階等等。每個頻率有一對應(yīng)的振型和阻尼值。同一階的固有頻率、振型 和阻尼值一起，稱為模態(tài)。兩自由度系統(tǒng)的模態(tài)舉例第二階模態(tài)第一階模態(tài)三自由度系統(tǒng)的模態(tài)舉例第二階模態(tài)第三階模態(tài)第一階模態(tài)振型是各自由度坐標(biāo)的比例值。振型具有正交性。系統(tǒng)的自由振動

6、為各階自由振動的疊加。振動一般不再是簡諧的。各階自由振動所占成分的大小，決定于初始條件。各階自由振動衰減的快慢，決定于該階的阻尼。阻尼大，衰減快；阻尼小，衰減慢。在衰減過程中，各階的振型保持不變，即節(jié)點位置不變。多自由度系統(tǒng)的自由振動單自由度系統(tǒng)的強迫振動振動的頻率等于激勵的頻率。振幅大小與激勵的大小成正比。激勵頻率接近固有頻率時，發(fā)生共振現(xiàn)象。阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。位相上說，振動落后于激勵。振幅和位相隨激勵頻率而變化，變化規(guī)律用系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性來表示。單自由度系統(tǒng)的強迫振動幅頻特性相頻特性 激勵頻率激勵頻率響應(yīng)幅值響應(yīng)位相由強迫振動確定固有頻率和阻尼振動的頻率等于外激勵

7、的頻率。振型為各階振型的疊加。各階振型所占的比例，決定于外激勵的頻率和作用點位置。激勵頻率接近某階固有頻率時，該階振型增大而占主導(dǎo)地位，是為該階共振狀態(tài)。共振峰大小決定于該階阻尼值和激勵的位置。作用在某階節(jié)點上的激勵力，不能激起該階振動。多自由度系統(tǒng)的強迫振動振動危害、評價標(biāo)準(zhǔn)及測量振動控制的基本方法 隔振技術(shù) 阻尼減振振動危害及其控制物體的振動除了向周圍空氣傳播的聲波外，還通過其基礎(chǔ)或相連的固體結(jié)構(gòu)傳播聲波。機車可通過路基向周圍傳播；工人可直接感受到機床振動的影響。向空氣輻射空氣聲通過與其相連的固體結(jié)構(gòu)傳播固體聲物體的振動控制措施類別降 噪 原 理適 用 場 合減噪效果吸聲減噪利用吸聲材料或

8、結(jié)構(gòu)，降低廠房內(nèi)反射噪聲，如吊掛空間吸聲體車間設(shè)備噪聲大410dB隔 聲利用隔聲結(jié)構(gòu)，將噪聲源和接受點隔開，如隔聲罩、隔聲間和隔聲屏等車間工人多，噪聲設(shè)備少，用隔聲罩；反之用隔聲間；二者均不允許時用隔聲屏1040dB消聲器利用阻性、抗性和小孔噴注、多孔擴散等原理，減弱氣流噪聲氣動設(shè)備的空氣動力性噪聲1540dB隔 振將振動設(shè)備與地面的剛性連接該為彈性接觸，隔絕固體聲傳播設(shè)備振動嚴重525dB減 振利用內(nèi)摩擦損耗大的材料涂貼在振動表面上，減少金屬薄板的彎曲振動設(shè)備外殼、管道等振動噪聲嚴重515dB一、振動系統(tǒng)的危害、評價標(biāo)準(zhǔn)及測量 1、振動對機械設(shè)備的危害和對環(huán)境的污染（1）精密儀器、設(shè)備 影響

9、儀器儀表正常運行，影響讀數(shù)準(zhǔn)確性；影響儀表壽命（2）對建筑物 基礎(chǔ)、墻壁龜裂、墻皮剝落、石塊 滑動、地基變形、下沉（3）環(huán)境污染2、振動對人體的危害（1）振動傳至人體的幾種形式全身振動指人體直接位于振動物體上時所受到的振動；局部振動是指手持振動物體時引起的人體局部振動。間接振動：未直接作用于人體，人能通過視覺、聽覺等感覺到振動人體能感覺到的振動按頻率范圍分為：低頻振動（30Hz以下）、中頻振動（30100Hz）和高頻振動（100Hz以上）對于人體最有害的振動頻率是與人體某些器官固有頻率相吻合的頻率。人體在 6 Hz附近；內(nèi)臟器官 8 Hz；頭部 25 Hz；神經(jīng)中樞 250 Hz。（2）對操作

10、工人的危害 操作速度下降，生產(chǎn)效率降低，工人感到疲勞； 長期在相當(dāng)強度下的振動環(huán)境中工作，神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等方面造成危害或影響。（3）對居民：干擾睡眠、休息、讀書等日常活動，長期在振動環(huán)境中，造成身體健康的危害。3、振動的評價標(biāo)準(zhǔn)局部振動標(biāo)準(zhǔn)：評價手傳振動對人體的損傷整體振動標(biāo)準(zhǔn)：人體暴露在振動作業(yè)環(huán)境中的允許界限環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)：城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)（我國）機械設(shè)備振動的評價（略）適用地帶范圍晝間夜間適用地帶范圍晝間夜間特殊住宅區(qū)6562工業(yè)集中區(qū)7572居民、文教區(qū)7067交通干線道路兩側(cè)7572混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)7572鐵路干線兩側(cè)8080城市各類區(qū)域鉛垂

11、向z振級標(biāo)準(zhǔn)/dB特殊住宅區(qū)：需要特別安靜的住宅區(qū)；居民、文教區(qū)：純居民和文教、機關(guān)區(qū)；混合區(qū)：一般居民與商業(yè)混合區(qū)，以及工業(yè)、商業(yè)、少量交通與居民混合區(qū)；商業(yè)中心區(qū)：商業(yè)集中的繁華地段；工業(yè)集中區(qū)：城市中明確規(guī)劃出來的工業(yè)區(qū)交通干線道路兩側(cè)：每小時車流量大于100輛的道路兩側(cè)；鐵路干線兩側(cè)：每日車流量不少于20列的鐵道外軌30m外兩側(cè)的住宅區(qū)。 振動加速度級（VAL）：與噪聲類似，振動的位移、速度、加速度等也可用分貝數(shù)表示它們的相對大小。式中：a指振動加速度有效值，m/s2 a0指基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2幾個概念 振動級(VL)：按全身振動不同頻率計權(quán)因子修正后得到的振動加速度級。

12、 z振級(VLz)：全身振動z計權(quán)因子修正后得到的振動加速度級。4、振動的測量（1）振動計：測量大型機器的振動或地震（位移儀）（2）加速度計：被測物體的振動加速度（3）利用聲級計測量振動：適用于聲頻范圍內(nèi)的振動測量磁帶記錄儀頻譜分析儀打印機存儲設(shè)備繪圖儀測量電路基頻檢測儀記錄儀數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)汽輪機齒輪增速箱壓縮機渦流傳感器速度傳感器加速度傳感器鍵相傳感器旋轉(zhuǎn)機械振動測量框圖磁電速度傳感器接收形式：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測量非轉(zhuǎn)動部件的絕對振動的速度。不適于測量瞬態(tài)振動和很快的變速過程。輸出阻抗低，抗干

13、擾力強。傳感器質(zhì)量較大，對小型對象有影響。在傳感器固有頻率附近有較大的相移。典型的磁電速度傳感器及其特性壓電加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可在很大范圍內(nèi)變化。測量非轉(zhuǎn)動部件的絕對振動的加速度。適應(yīng)高頻振動和瞬態(tài)振動的測量。傳感器質(zhì)量小，可測很高振級?，F(xiàn)場測量要注意電磁場、聲場和接地回路的干擾。壓電加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)晶體片晶體片質(zhì)量塊預(yù)緊環(huán)出線口底座出線口三角剪切型 中心壓縮型預(yù)壓簧片三角柱壓電加速度傳感器的典型特性預(yù)緊環(huán)底座質(zhì)量塊出線口晶體片渦流位移傳感器不接觸測量，特別適合測量轉(zhuǎn)軸和其他小型對象的相對位移。有

14、零頻率響應(yīng)，可測靜態(tài)位移和軸承油膜厚度。靈敏度與被測對象的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率有關(guān)。相移很小。接收形式：相對式變換形式：電渦流典型頻率范圍：020kHz典型線性范圍：02mm典型靈敏度 ：8.0V/mm (對象為鋼)渦流位移傳感器及前置器渦流傳感器的工作原理輸出電壓 u 正比于間隙 d且于測量對象的材質(zhì)有關(guān)渦流位移傳感器的典型特性傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的間隙前置器輸出電壓（直流伏）軸承振動的測點布置軸振動的測點布置軸承振動與軸振動的比較基頻是轉(zhuǎn)速頻率?；l分量的幅值和轉(zhuǎn)子的不平衡大小有關(guān)?；l分量的相位和不平衡在轉(zhuǎn)子上的方位有直接對應(yīng)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)機械振動的基頻分量的幅值和相位的測量鍵相與相位參考脈沖在轉(zhuǎn)子上

15、布置鍵相標(biāo)記K ，在軸承座上布置鍵相傳感器K（光電式或渦流式），其輸出為相位參考脈沖。參考脈沖是測量相位的基準(zhǔn)。參考脈沖也可用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。KK1轉(zhuǎn)t參考脈沖振動相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系從參考脈沖到第一個正峰值的轉(zhuǎn)角 定義振動相位。振動相位與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度一一對應(yīng)。在平衡和故障診斷中有重要作用。振動信號參考脈沖波形圖 (Wave) 時間域內(nèi)的振動波形頻譜圖 (Spectrum) 組成振動的各諧波成分軸心軌跡 (Orbit) 轉(zhuǎn)軸中心的振動軌跡，由水平和鉛垂兩方向波形合成旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示 (定轉(zhuǎn)速)波形圖、頻譜圖及軸心軌跡軸心軌跡的測定軸心軌跡(Orbit)是診斷旋轉(zhuǎn)機械故障的有力工具。軸心軌跡可用基頻檢測儀和示波器得到，也可以用計算機完成。軸心軌跡陣波德圖與極坐標(biāo)圖 (Bode & Polar Plot) 升（降）速時，基頻幅值和相位的變化三維頻譜圖 (Cascade)坎貝爾圖 (Campber) 各轉(zhuǎn)速下的頻譜圖的另一種表示軸心位置 判定軸頸靜態(tài)工作點和油膜厚度旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示 (變轉(zhuǎn)速)軸心軌跡陣圖汽輪發(fā)電機組一個軸承在不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌