振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件.ppt

1、振動(dòng)和振動(dòng)測(cè)試的基 礎(chǔ) 知 識(shí),1,內(nèi) 容 提 要, 簡(jiǎn)諧振動(dòng)三要素 振動(dòng)波形 頻率分析和頻譜圖 振動(dòng)系統(tǒng) 單自由度與多自由度系統(tǒng) 振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài) 固有頻率、振型、阻尼比 自由振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng) 共振, 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量 傳感器及其選用 基頻分量的幅值和相位 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)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 軸心位置圖,2,振幅 A (Amplitude) 偏離平衡位置的最大值。描述振動(dòng)的規(guī)模。 頻率 f (Frequency) 描述振動(dòng)的快慢。單位為次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 為每振動(dòng)一次所需的時(shí)間，單位為秒。

2、圓頻率 = 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(dòng)在起始瞬間的狀態(tài)。,簡(jiǎn)諧振動(dòng)的三要素,3,振動(dòng)位移、速度、加速度之間的關(guān)系,振動(dòng)位移 (Displacement) 速度 (Velocity) 加速度 (Acceleration),位移、速度、加速度都是同頻率的簡(jiǎn)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。,x,v,a,x,v,a,4,振 動(dòng) 的 時(shí) 域 波 形,名 稱 波 形 名 稱 波 形,5,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(duì)值 xav

3、=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值,簡(jiǎn)諧振動(dòng)的幅值參數(shù),6,復(fù)雜振動(dòng)的幅值參數(shù),各幅值參數(shù)隨時(shí)間變化，彼此間無明確定關(guān)系,7,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，又稱烈度，單位為毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值，單位為米/秒2（m/s2）,8,振動(dòng)信號(hào)的頻率分析,把振動(dòng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)，也可在計(jì)算機(jī)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。,9,各種振動(dòng)的頻譜圖,名稱 波 形 頻 譜 名稱

4、波 形 頻 譜,10,時(shí)間域 頻率域,11,振動(dòng)系統(tǒng)及其自由度,能作振動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，在力學(xué)中稱為振動(dòng)系統(tǒng)。 振動(dòng)系統(tǒng)按復(fù)雜程度分為： 單自由度系統(tǒng) 多自由度系統(tǒng) 確定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度。,12,單自由度振動(dòng)系統(tǒng),確定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度,13,多自由度振動(dòng)系統(tǒng),圖中數(shù)字為系統(tǒng)的自由度數(shù),5,3,2,2,6,14,振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài),單自由度系統(tǒng)有一個(gè)模態(tài) 模態(tài)參數(shù)為： 固有頻率 （模態(tài)頻率） 阻尼比 （模態(tài)阻尼）,多自由度系統(tǒng)有多個(gè)模態(tài) 模態(tài)參數(shù)為： 固有頻率 n fn 阻尼比 n 振型各個(gè)坐標(biāo)在振動(dòng) 中的比例,15,模態(tài)參數(shù)包括：固有頻率、振型 和阻尼比

5、。 按固有頻率從小到大排列，稱為第1階、第2階模態(tài)。 兩自由度系統(tǒng)共有兩階模態(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),節(jié)點(diǎn),16,三自由度系統(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。,節(jié)點(diǎn),17,振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng),激 勵(lì),響 應(yīng),由初始激勵(lì)引起的響應(yīng)，稱為自由振動(dòng)。 由持續(xù)激勵(lì)引起的響應(yīng)，稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。 從響應(yīng)中能看出系統(tǒng)的模態(tài)特性。,18,單自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng),它是模態(tài)振動(dòng)。 振動(dòng)的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。 振幅大小決定于初始激勵(lì)（初始位移和初始速度）。 系統(tǒng)的阻尼比大，振幅衰減快； 阻尼比小，振幅衰減慢。,19,不同阻尼

6、比的自由振動(dòng),20,由自由振動(dòng)確定模態(tài)參數(shù),21,系統(tǒng)的自由振動(dòng)為各階模態(tài)振動(dòng)的疊加。它一般不再是簡(jiǎn)諧的。 各階模態(tài)振動(dòng)所占成分的大小，決定于初始條件。 各階模態(tài)振動(dòng)衰減的快慢，決定于該階的阻尼比。阻尼比大，衰減快；阻尼比小，衰減慢。 在衰減過程中，各階的振型保持不變，即節(jié)點(diǎn)位置不變。,多自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng),22,單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng),振動(dòng)的頻率等于激勵(lì)的頻率。 振幅與激勵(lì)的強(qiáng)弱成正比。 激勵(lì)頻率接近固有頻率時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象，呈現(xiàn)為模態(tài)振動(dòng)。 阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。 位相上說，振動(dòng)落后于激勵(lì)。 振幅和位相隨激勵(lì)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。,23,單自

7、由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng),24,由強(qiáng)迫振動(dòng)確定模態(tài)參數(shù),25,振動(dòng)的頻率等于外激勵(lì)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(lì)的頻率和作用點(diǎn)位置。 激勵(lì)頻率接近某階固有頻率時(shí)，該階振型增大而占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)為該階模態(tài)振動(dòng)。 共振峰大小決定于該階阻尼比和激勵(lì)的位置。 作用在某階節(jié)點(diǎn)上的激勵(lì)力，不能激起該階振動(dòng)。,多自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng),26,與多個(gè)固有頻率對(duì)應(yīng)，有多個(gè)共振峰。 某一階共振時(shí)，該階振型占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)為該階模態(tài)振動(dòng)。,多自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng),27,汽輪機(jī) 齒輪增速箱 壓縮機(jī) 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(jī)械振動(dòng)測(cè)量框圖,28,磁電速度傳感器

8、,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(cè)量非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的絕對(duì)振動(dòng)的速度。 不適于測(cè)量瞬態(tài)振動(dòng)和很快的變速過程。 輸出阻抗低，抗干擾力強(qiáng)。 傳感器質(zhì)量較大，對(duì)小型對(duì)象有影響。,29,典型的磁電速度傳感器及其特性,30,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(hào)可在很大范圍內(nèi)變化。,測(cè)量非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的絕對(duì)振動(dòng)的加速度。 適應(yīng)高頻振動(dòng)和瞬態(tài)振動(dòng)的測(cè)量。 傳感器質(zhì)量小，可測(cè)很高振級(jí)。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要注意電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和接地回路的干擾。,3

9、1,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,32,壓電加速度傳感器的安裝頻率,33,渦流位移傳感器,不接觸測(cè)量，特別適合測(cè)量轉(zhuǎn)軸和其他小型對(duì)象的相對(duì)位移。 有零頻率響應(yīng)，可測(cè)靜態(tài)位移和軸承油膜厚度。 靈敏度與被測(cè)對(duì)象的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率有關(guān)。,接收形式：相對(duì)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(duì)象為鋼),34,渦流位移傳感器及其前置器,35,渦流傳感器的工作原理,輸出電壓 u 正比于間隙 d 且于測(cè)量對(duì)象的材質(zhì)有關(guān),36,渦流位移傳感器的典型特性

10、,傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的間隙,前置器輸出電壓（直流伏）,37,軸承振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)布置,38,軸振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)布置,39,軸承振動(dòng)與軸振動(dòng)的比較,40,基頻是轉(zhuǎn)速頻率，記作 1R。 基頻分量的幅值與轉(zhuǎn)子的不平衡大小有關(guān)。 基頻分量的相位與不平衡在轉(zhuǎn)子上的方位有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。 基頻大小和相位由基頻分析儀或頻率分析方法求得。,基頻分量的幅值和相位,41,鍵相與相位參考脈沖,在轉(zhuǎn)子上刻印鍵相標(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(cè)量相位的基準(zhǔn)。 參考脈沖也可用于測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。,K,K,1轉(zhuǎn),t,參考脈沖,42,振動(dòng)相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系,從參考脈沖到第一個(gè)正峰值

11、的轉(zhuǎn)角 定義振動(dòng)相位。 振動(dòng)相位與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一一對(duì)應(yīng)。這在平衡和故障診斷中有重要作用。,振動(dòng)信號(hào),參考脈沖,43,波形圖 (Wave) 時(shí)間域內(nèi)的振動(dòng)波形 頻譜圖 (Spectrum) 組成振動(dòng)的各諧波成分 軸心軌跡 (Orbit) 轉(zhuǎn)軸中心的振動(dòng)軌跡，由水平和鉛垂兩方向波形合成,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)圖示 (定轉(zhuǎn)速),44,波形圖、頻譜圖及軸心軌跡,45,軸心軌跡陣 各轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡的組合 波德圖與極坐標(biāo)圖 (Bode & Polar Plot) 升（降）速時(shí)，基頻幅值和相位的變化 三維頻譜圖 (Cascade) 各轉(zhuǎn)速下的頻譜圖的集合 軸心位置（Shaft Center Position）

12、判定軸頸靜態(tài)工作點(diǎn)和油膜厚度,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)圖示 (變轉(zhuǎn)速),46,軸心軌跡陣圖,汽輪發(fā)電機(jī)組一個(gè)軸承在不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡陣,47,波德圖和極坐標(biāo)圖,波德圖(Bode Plot)和極坐標(biāo)圖(Polar Plot)兩者所含信息相同，都表示基頻振動(dòng)的幅值和相位隨機(jī)器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。,48,三維頻譜圖是頻譜的集合。 它的第三個(gè)坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速。 它表明在升、降速過程中振動(dòng)頻譜的變化。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,49,第三個(gè)坐標(biāo)也可以是時(shí)間(日期)、工藝參數(shù)等。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,50,軸心位置的測(cè)定,軸心位置圖可以用x-y記錄儀或計(jì)算機(jī)來繪制。,51,從軸心位置的變化發(fā)現(xiàn)故障,汽輪發(fā)電機(jī)中壓缸軸承

13、升速時(shí)軸心位置逐漸升高。 到工作轉(zhuǎn)速時(shí)，偏心率為0.66；偏位角32。屬正常。 以后數(shù)月，軸承基礎(chǔ)下沉，導(dǎo)致軸心上浮，偏心率減少，偏位角接近90。 發(fā)生了油膜振蕩。 監(jiān)測(cè)軸心位置有助于發(fā)現(xiàn)機(jī)器的故障。,52,擺振信號(hào)及其來源,機(jī)械方面的原因： 不同心度 基頻型 永久性彎曲 基頻型 橢圓度 2X基頻型 不圓及其他缺陷 基頻及非基頻型,電磁方面的原因： 剩磁 基頻及非基頻型 軸材質(zhì)不均勻 基頻及非基頻型 殘余應(yīng)力： 基頻及非基頻型,擺振信號(hào)是周期信號(hào)，以軸的轉(zhuǎn)速頻率為基頻。在機(jī)器慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)得。,53,擺振信號(hào)的補(bǔ)償,經(jīng)補(bǔ)償后，壓縮機(jī)的波德圖才符合實(shí)際情況。 補(bǔ)償方法： 記下擺振信號(hào)的波形， 以轉(zhuǎn)速參考脈沖為基準(zhǔn)點(diǎn)， 從振動(dòng)信號(hào)中對(duì)應(yīng)減去擺振信號(hào)。,54,xrms