機(jī)械故障診斷第2章機(jī)械振動及信號(2012-9-21)

機(jī)械故障診斷主講:劉貴杰2012年9月21日第二章機(jī)械振動及信號第二章機(jī)械振動及信號

在冶金、化工、機(jī)械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備約占80％，這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、透平制氧機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、大型軋鋼機(jī)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(jī)器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)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(jī)械中有著重要的地位。一般所進(jìn)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(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位，用于識別該構(gòu)件的運(yùn)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)。

第二章機(jī)械振動及信號按振動規(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。第二章機(jī)械振動及信號（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(yùn)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(qiáng)振問題，如強(qiáng)迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。

按振動的動力學(xué)特征分類(2)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)迫振動力學(xué)模型圖2－3強(qiáng)迫振動響應(yīng)過程a)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)迫振動的特點(diǎn)。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(yùn)行失去穩(wěn)定性。比較規(guī)范的定義是：在非線性機(jī)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。

(3)自激振動自激振動有如下特點(diǎn)：1）隨機(jī)性。因?yàn)槟芤l(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(qiáng)，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(jī)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(yuǎn)大于非線性影響因素所致；與一般強(qiáng)迫振動近似的正弦波（與強(qiáng)迫振動激勵源的頻率相同）有區(qū)別。

自由振動、強(qiáng)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(jī)、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械故障，主要以強(qiáng)迫振動為特征，通過對強(qiáng)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)備和能被工藝流體所激勵的設(shè)備，除了需要監(jiān)測強(qiáng)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)。按振動的動力學(xué)特征分類

在低頻范圍，主要測量的振幅是位移量。這是因?yàn)樵诘皖l范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強(qiáng)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?yàn)檎駝硬考钠谶M(jìn)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(diǎn)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(qiáng)度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。按振動頻率分類低頻振動：f<10Hz中頻振動：f=10～1000Hz高頻振動：f>1000Hz機(jī)械振動（按頻率分類）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

速度有效值Vrms：亦稱速度均方根值，經(jīng)常用到的振動測量參數(shù)。它最能反映振動的烈度，所以又稱振動烈度指標(biāo)。

頻率f：振動物體每秒鐘振動的次數(shù)，單位Hz。振動頻率在數(shù)值上等于周期T的倒數(shù)，即質(zhì)點(diǎn)再現(xiàn)相同振動的最小時間間隔。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(diǎn)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(diǎn)等許多方面。

振動信號的描述設(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理量構(gòu)成設(shè)備的狀態(tài)信息中的重要部分。

傳遞力和運(yùn)動的設(shè)備，如齒輪箱、軋鋼機(jī)、切削、擠壓設(shè)備等，附加能量損耗的初始形式也以力和運(yùn)動表現(xiàn)出來，這就是振動、摩擦。附加能量損耗的二次形式是發(fā)熱，由此將損耗的能量散發(fā)出去。設(shè)備狀態(tài)信息中主要的物理量是力和運(yùn)動，它也有多種形式，包含作功的力、作功的運(yùn)動（位移、速度等）、損耗的力和運(yùn)動，以振動及摩擦熱的形式表現(xiàn)?；谡駝?噪聲)測量與分析振動是自然界中的一種很普遍的運(yùn)動。機(jī)械振動信號中包含了豐富的機(jī)器狀態(tài)信息，它是機(jī)械設(shè)備故障特征信息的良好載體。利用振動信號來獲取機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷具有如下優(yōu)點(diǎn)：方便性：利用各種振動傳感器及分析儀器，可以很方便地獲得振動信號。在線性：振動監(jiān)測可在現(xiàn)場不停機(jī)的情況下進(jìn)行。無損性：在振