第7章機(jī)械振動的測試

MeasurementandTestforMechanicalVibration第7章機(jī)械振動的測試

學(xué)習(xí)機(jī)械振動的基本知識，重點(diǎn)掌握機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型、單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動、慣性式測振傳感器（特別是壓電式加速度計）的原理與結(jié)構(gòu)。對振動的激勵、振動系統(tǒng)參數(shù)的測試有一般了解。重點(diǎn)單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動，慣性式測振傳感器原理，壓電式加速度計。學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)與難點(diǎn)難點(diǎn)慣性式測振傳感器原理。7.1概述7.2振動測試的理論基礎(chǔ)7.3測振傳感器7.4振動的激勵7.5機(jī)械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計7.6振動測試示例學(xué)習(xí)內(nèi)容機(jī)械振動是工程技術(shù)中常見的物理現(xiàn)象。除了利用振動原理進(jìn)行工作的機(jī)械以外，振動都是有害的。振動能破壞機(jī)械的正常工作，加快機(jī)械的失效，降低其壽命。振動本身以及由它引起的噪聲，對人體的健康也是有害的。通過對機(jī)械設(shè)備振動的測量，可以對其工作狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，進(jìn)行故障診斷，還可以為改進(jìn)其動態(tài)特性提供依據(jù)。

7.1概述Introduction機(jī)械振動（簡稱振動）：一種特殊的運(yùn)動形式，指的是機(jī)械系統(tǒng)的某些運(yùn)動學(xué)參數(shù)（如振幅、振動速度、振動加速度等）在一定數(shù)值附近隨時間變化的振蕩現(xiàn)象。7.1.1機(jī)械振動的概念7.1.2振動的分類1.按產(chǎn)生振動的原因分●

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(fù)力和慣性力來維持的振動●

受迫振動——由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動●

自激振動——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2.按振動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律分●

確定性振動●

非確定性振動（隨機(jī)振動）——振動參數(shù)隨時間的變化無確定規(guī)律的振動，需按概率數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理簡諧振動（正弦振動）非簡諧周期振動瞬態(tài)振動——振動參數(shù)隨時間按正弦或余弦規(guī)律變化的周期性振動，是最基本的振動形式——振動參數(shù)隨時間非按正弦或余弦規(guī)律變化的周期性振動——振動參數(shù)隨時間按非周期規(guī)律變化的振動3.按振動系統(tǒng)的自由度分●

單自由度振動——用一個廣義坐標(biāo)即可描述振動體位置的振動●

多自由度振動——需用兩個或兩個以上廣義坐標(biāo)才能描述振動體位置的振動●

連續(xù)彈性體振動——需用無限個廣義坐標(biāo)才能描述振動體位置的振動4.按振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特征分●

非線性振動——需用非線性微分方程描述的振動，不能運(yùn)用疊加原理——可用線性微分方程描述的振動，能運(yùn)用疊加原理●

線性振動7.1.3振動測試的主要工作內(nèi)容1.基本振動參數(shù)的測試

——產(chǎn)品質(zhì)量檢測、工況監(jiān)測、故障診斷液壓馬達(dá)、機(jī)車牽引電機(jī)振動的檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工況監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的故障診斷2.振動系統(tǒng)動態(tài)特性的測試、模態(tài)分析

——結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善抗振的動態(tài)特性模態(tài)分析模態(tài)分析

7.2振動測試的理論基礎(chǔ)TheoreticalFoundationforTestandMeasurementofVibration7.2.1簡諧振動簡諧振動是最簡單、最基本的機(jī)械振動形式，其振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）均為時間的正弦或余弦函數(shù)。其他復(fù)雜的振動都可以看成許多或無窮個簡諧振動的合成（疊加）。振幅振動速度振動加速度7.2.2單自由度振動系統(tǒng)的力學(xué)模型

對于一般的機(jī)械系統(tǒng)來說，其力學(xué)模型通?？珊喕癁橐粋€二階的“質(zhì)量-彈簧-阻尼”單自由度振動系統(tǒng)。“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)阻尼比固有頻率1.由作用在質(zhì)量上的力所引起的受迫振動振動方程為振動系統(tǒng)動態(tài)特性測試的理論基礎(chǔ)！——振動加速度——振動速度——振幅7.2.3單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動傳遞函數(shù)頻響函數(shù)其中，。幅頻特性相頻特性二階低通幅值（位移）共振：當(dāng)時，對應(yīng)于某一頻率幅頻特性值出現(xiàn)最大峰值的現(xiàn)象。幅值（位移）共振頻率當(dāng)很小時，，據(jù)此可估計固有頻率。相位共振：當(dāng)時，必有，位移響應(yīng)的相位一定落后于激振力90°，稱為相位共振。通過測定位移響應(yīng)的相位落后于激振力90°所對應(yīng)的頻率（相位共振頻率），也可估計固有頻率。2.由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動振動方程為——基礎(chǔ)相對大地（慣性參照系）的絕對運(yùn)動——質(zhì)量塊相對大地的絕對運(yùn)動——質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)的相對運(yùn)動慣性式測振傳感器測振的理論基礎(chǔ)！幅頻特性相頻特性二階高通7.2.4機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納

機(jī)械阻抗是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理論分析與試驗測試相結(jié)合的動態(tài)分析方法。定義為線性動力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵（激振力）下，在頻域內(nèi)激勵與響應(yīng)之比，即機(jī)械阻抗即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。當(dāng)激勵為正弦激振力時，機(jī)械阻抗為系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù)。機(jī)械阻抗的倒數(shù)即為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納。1.機(jī)械阻抗■位移阻抗（動剛度）■速度阻抗（機(jī)械阻抗）■加速度阻抗（表觀質(zhì)量）2.機(jī)械導(dǎo)納■位移導(dǎo)納（動柔度）■速度導(dǎo)納（機(jī)械導(dǎo)納）■加速度導(dǎo)納（慣性率）

7.3測振傳感器SensorsforTestandMeasurementofVibration測振傳感器也稱為拾振器（pickup），是將被測振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）轉(zhuǎn)換為與之有對應(yīng)關(guān)系的參量（如電荷、電壓、電流、電阻、電容等）的傳感裝置?？煞譃椋骸?/p>

慣性式（絕對式）●

相對式●

接觸式●

非接觸式——被測振動位移（輸入）——質(zhì)量塊相對殼體的位移響應(yīng)（輸出）——質(zhì)量塊相對大地（慣性坐標(biāo)系）的位移響應(yīng)7.3.1慣性式測振傳感器原理■速度計

——當(dāng)時，與被測振動的速度成正比；■加速度計——當(dāng)時，與被測振動的加速度成正比。■振幅計

——當(dāng)時，與被測振動的振幅成正比；慣性式測振傳感器測量各振動參數(shù)的工作條件：z1.壓電式加速度計結(jié)構(gòu)形式B——基座P——壓電片M——質(zhì)量塊S——彈簧7.3.2常用測振傳感器壓電式加速度計常用的固定方式

壓電式加速度計的幅頻特性曲線

壓電式加速度計壓電式加速度計2.磁電式速度計磁電式振動速度傳感器3.應(yīng)變式加速度計

7.3.3其它測振傳感器1.力平衡伺服式加速度傳感器2.電容式加速度傳感器（MEMS）3.壓阻式加速度傳感器（MEMS）4.三向（軸）加速度傳感器

7.4振動的激勵ExcitationforVibration在很多場合下，需要按一定的方法通過激振設(shè)備使特定的機(jī)械系統(tǒng)振動起來，然后通過振動測量獲取該系統(tǒng)的有關(guān)信息。例如：●

研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、振型、動剛度、阻尼等）；●

產(chǎn)品環(huán)境試驗，即一些機(jī)電產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下進(jìn)行的耐振試驗，以便檢驗產(chǎn)品性能及壽命情況等；●

拾振器及測振系統(tǒng)的校準(zhǔn)試驗。7.4.1常用激振方法屬于窄帶激振，應(yīng)用普遍。分點(diǎn)頻激振和掃頻激振，常用磁電式激振器、電液式激振器實現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：激振功率大、信噪比高、能保證響應(yīng)測試的精度。缺點(diǎn)：需要較長的測定時間。1.穩(wěn)態(tài)正弦激振（簡諧激振）屬于寬帶激振，用白噪聲信號、偽隨機(jī)信號或在實際工況記錄下來的隨機(jī)信號作為激振的信號源。該方法具有快速實時的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價格昂貴。2.隨機(jī)激振屬于寬帶激振，其測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。3.瞬態(tài)激振■脈沖激振（最常用）■階躍激振■快速正弦掃描激振7.4.2常用激振設(shè)備1.脈沖錘2.激振器電動激振器電磁激振器電液激振器3.阻抗頭

阻抗頭內(nèi)有兩個傳感器——一個是力傳感器，用來測量施加在被測物體上的激振力；另一個是加速度計，用來測量激振點(diǎn)處的響應(yīng)。

測定機(jī)械點(diǎn)阻抗。激振器通過它對被測物體施加激振力，同時也用它測量激振力和被測物體在激振點(diǎn)處的響應(yīng)。■作用■組成阻抗頭

7.5機(jī)械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計EstimationforVibratingParametersofMechanicalSystem機(jī)械系統(tǒng)振動的主要參數(shù)是其固有頻率、阻尼比、振型等。實際上，任何機(jī)械系統(tǒng)的振動都是多自由度的，具有多個固有頻率，任何一點(diǎn)處的振動響應(yīng)都可以看成是多個單自由度振動響應(yīng)的疊加。對于小阻尼系統(tǒng)，在某個固有頻率附近對應(yīng)的響應(yīng)特別大，以致于可以忽略其他各階的振動響應(yīng)。因此，本節(jié)僅介紹單自由度振動參數(shù)（固有頻率、阻尼比）的估計，它們可近似作為多自由度振動系統(tǒng)的參數(shù)。7.5.1自由振動法給單自由度系統(tǒng)一個初始振動（初始速度或初始位移），系統(tǒng)將作衰減的自由振動。振動方程為——有阻尼自由振動的圓頻率。測量出、、的大小，則其中當(dāng)阻尼較?。ɡ纾r，。7.5.2共振法

單自由度系統(tǒng)在受迫振動中，當(dāng)激振頻率接近固有頻率時，振動響應(yīng)就顯著增大。對系統(tǒng)進(jìn)行激振實驗，根據(jù)實驗所得到的測試記錄結(jié)果，可以用下述方法進(jìn)行系統(tǒng)的振動參數(shù)估計。1.由振幅響應(yīng)的幅頻特性曲線估計不斷改變激振頻率，可測得振幅的響應(yīng)曲線。幅值最大處所對應(yīng)的頻率為振幅共振頻率小阻尼時，。小阻尼時阻尼比的估計：其中、滿足：2.由振幅響應(yīng)的相頻特性曲線估計不論阻尼比如何，當(dāng)激振頻率等于固有頻率時，都有（相位共振）。據(jù)此可估計出固有頻率。設(shè)則即阻尼比可根據(jù)相頻特性曲線在處的斜率估計出來。3.由振幅響應(yīng)的實、虛頻特性曲線估計對于7.2.3中的單自由度振動系統(tǒng)，其實、虛頻特性為在r=1處，實部為零，虛部接近最小值。據(jù)此可估計固有頻率。確定出實頻特性曲線上兩個峰所對應(yīng)的頻率、，或確定出虛頻特性為峰值一半所對應(yīng)頻率、，可估計出阻尼比。由實、虛頻特性曲線都可估計固有頻率和阻尼比。由于虛頻特性曲線很陡、很窄，因此常用實頻特性曲線進(jìn)行估計。1.轎車的乘坐舒適性試驗

7.6振動測試示例ExamplesofVibrationMeasurement2.機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷車床主軸箱實時振動監(jiān)測系統(tǒng)減速機(jī)實時振動監(jiān)測系統(tǒng)及振動測點(diǎn)布置圖3.激振實驗（動