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1、振动测试基础知识振动测试基础知识陶洛文陶洛文工学博士，高级工程师工学博士，高级工程师 北京森德格科技有限公司北京森德格科技有限公司 电话：电话：010-82895321010-82895321, 13801220615 , 13801220615 E-mail: E-mail: 振动测试基础知识振动测试基础知识n振幅 A (Amplitude)偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。n频率 f (Frequency)描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒n初相
2、角 (Initial phase)描述振动在起始瞬间的状态。简谐振动的三要素 振动位移、速度、加速度之间的关系 n振动位移 (Displacement)n速度 (Velocity)n加速度 (Acceleration) l位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。l三者的幅值相应为A、A、A 2。l相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。xvaxva振 动 的 时 域 波 形名 称 波 形 名 称 波 形 若干幅值参数的定义 n瞬时值 (Instant value)振动的任一瞬时的数值。n峰值 (Peak value)振动离平衡位置的最大偏离。n平均绝对值 (Average absolu
3、te value)n均值 (Mean value)又称平均值或直流分量。n有效值 (Root mean square value) xpx = x(t)正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系F峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2AF平均绝对值 xav=0.637AF有效值 xrms=0.707AF平均值简谐振动的幅值参数复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化， 彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms常用的幅值参数及其单位 n位移峰峰值。单位为微米（m） n速度有效值。单位为毫米/秒（mm/s） n加速度峰值。单位为米/秒平方（m/s2）练习一:n10
4、0 mil (Peak) = ? 微米(峰峰值)n2 G (Peak) = ? m/s-2 (RMS)n注: 1 Inch = 1000 mil = 25.4mm = 25,400 微米nG 为重力加速度 = 9.81 m/s-2振动信号的频率分析n把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。n频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。n频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。n频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。各种振动的频谱图名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱时间域 频率域FFTIFFT磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形
5、式：磁电效应典型频率范围：10Hz1000Hz典型线性范围：02mm典型灵敏度 ：20mV/mm/sn测量非转动部件的绝对 振动的速度。n不适于测量瞬态振动和 很快的变速过程。n输出阻抗低，抗干扰力强。n传感器质量较大，对小 型对象有影响。n在传感器固有频率附近 有较大的相移。典型的磁电速度传感器及其特性压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号 可在很大范围内变化。n测量非转动部件的绝对振动的加速度。n适应高频振动和瞬态振动的测量。n传感器质量小，可测很高振级。n现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。压电加速度传感
6、器的典型结构晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型 中心压缩型预压簧片三角柱压电加速度传感器的典型特性预紧环底座质量块出线口晶体片涡流位移传感器n不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。n有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。n灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。n相移很小。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：020kHz典型线性范围：02mm典型灵敏度 ：8.0V/mm (对象为钢)涡流位移传感器及前置器轴承振动的测点布置轴振动的测点布置轴承振动与轴振动的比较n基频是转速频率，记作 1R。n基频分量的幅值与转子的不平衡大小有关。n基频分量的相位与不平
7、衡在转子上的方位有直接对应关系。n基频大小和相位由基频分析仪或频率分析方法求得。基频分量的幅值和相位键相与相位参考脉冲n在转子上刻印键相标记K ，在轴承座上布置键相传感器K（光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。n参考脉冲是测量相位的基准。n参考脉冲也可用于测量转子的转速。KK1转t参考脉冲振动相位与转子转角的关系n从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位。n振动相位与转子的转动角度一一对应。这在平衡和故 障诊断中有重要作用。振动信号参考脉冲n波形图 (Wave)时间域内的振动波形n频谱图 (Spectrum)组成振动的各谐波成分n轴心轨迹 (Orbit)转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂
8、两方向波形合成旋转机械的振动图示 (定转速)波形图、频谱图及轴心轨迹波德图和极坐标图n波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同， 都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。第三个坐标也可以是时间(日期)、工艺参数等。三维频谱图 （谱阵图）轴心位置的测定n轴心位置图可以用x-y记录仪或计算机来绘制。涡流传感器 的输出信号动态 部分静态 部分轴心 轨迹轴心 位置间隙 变化平均 间隙状态监测状态监测和和故障诊断故障诊断的的 仪仪 器器 和和 方方 法法n在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，n通过各种手段，掌握设备运行状态，n判定产生故障的部位和原因，n并预
9、测、预报设备未来的状态。什么是状态监测和故障诊断？_是防止事故和计划外停机的有效手段。_是预知维修的基础，是设备维修的发展方向。监测和诊断的各种手段 振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。 温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等 。 声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。 油液（铁谱） ：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器 等。 无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。 压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。 工况参数：适用于流程
10、工业和生产线上的主要设备等。 电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。仪器分类：n离线测量仪表便携式测振表 数据采集器n在线测量系统表盘式的 计算机化的监测和诊断仪器的分类和选用仪器选用原则： 被监测对象在生产中的地位 生产的规模和产量 预计的投资 设备管理人员的水平和素质监测和诊断仪器的分类和功能监测和诊断仪器选用在线监测数据自动采 集离线监测数据周期采 集25重要机器5关键机器30一般重要机器20次要机器 20普通机器不监测 用坏为止透平机 压缩机 汽轮发电机组 燃气轮机大电机 大、中型泵 风机 齿轮箱小电机 小型泵 通风机频谱分析法n频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。n每
11、种故障有其对应的特征频率。n根据特征频率及其变化确定机器的故障性质和严重程度。转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障自激振动类故障R: 转动频率转子不平衡故障的频谱n波形为简谐波，少毛刺 。n轴心轨迹为圆或椭圆。n1X频率为主。n轴向振动不大。n振幅随转速升高而增大 。n过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮 箱 1X频率(水平 )1X频率(水平 )1X频率(铅垂 )1X频率(铅垂 )轴向很小轴向很小转子不平衡的类型转子不对中的类型正确对中 e = 0, = 0平行不对中 e 0, = 0角度不对中 e = 0, 0综合不对中 e 0, 0转子不对中故障的频谱 n出现 2X 频率成分。n轴
12、心轨迹成香蕉形或 8字形。n轴向振动一般较大。n本例中，出现叶片通 过频率。电机水泵POPIMOMI1X 频率2X 频率叶片通 过频率转子系统松动故障的频谱n波形出现许多毛刺。n谱图中噪声水平高。n出现精确的倍频2X， 3X等成分。n松动结合面两边，振 幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确 倍频成分本例中最高 出现16X成分噪声水平高松动故障引起的间入谐量n未松动时的 频谱n松动时的频 谱出现0.5X，1.5X，2.5X， 3.5X.等频率 成分松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动 ！松动 ！不松 动不松 动齿轮故障的频谱n齿轮啮合频率GMF等于齿 数乘以齿
13、轮转速频率。n齿轮啮合频率两边有边 频，间距为1X。n随着齿轮故障发展，边 频越来越丰富，幅值增 加。n可用倒频谱作进一步分 析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率 GMF上边频下边频2X带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14 16 Frequency in orderDisplacement in m pk to pk12.510.07.55.02.50从油膜涡动发展到油膜振荡涡动频率 c/min转子转速r/min油膜振荡的防治措施临时措施 增加油温。 更换粘度较低的油。 减小轴承的宽度，以增 加比压。 抬高失稳轴承的
14、标高，增加轴承的负载。 减小轴承的间隙。根本措施 改变轴瓦的结构。增加预负荷，开油槽，改变 供油方式等 改用稳定性较好的轴承。圆瓦椭圆瓦多油叶瓦 多油楔瓦可倾瓦 改变转子结构，将其临 界转速提高到工作转速的 一半以上。n轴承的故障诊断与状态监测是机械 设备故障诊断技术的重要内容。n旋转机械的故障中轴承的损坏故障 约占30%。n轴承的运行质量除轴承元件本身的 加工质量外，轴承的安装及装配质 量影响很大。滚动轴承的振动滚动轴承的失效形式n疲劳点蚀 : 因受滚动压应力n磨损: 因受压力又有与内外座圈的相 对滑动 n腐蚀: 润滑油中的水分几其它化学 物质产生锈蚀n裂纹: 由于磨削或淬火时作用而产 生n
15、磨粒磨损: 由于磨屑作用而磨损D 节圆直径 d 滚珠直径 接触角 z 滚珠数 R 轴的转速频 率滚动轴承故障的特征频率 dD外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环滚动轴承故障的频谱 n轴承每一种零件有 其特殊的故障频率 。n随着故障发展，它 的幅值增加，并有 谐波；谐波两边产 生边频。n还可用非频率域的 诊断方法，如共振 解调。电机离心泵PIPO1X 2X 频率故障基本 频率6.71X基本频率的 四个谐波带滚动轴承的机械的频谱特点 不平衡不对中松动滚动轴承故障频率0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50R Frequency in order3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk倒频谱分析诊断法n倒频谱分析用于识别频谱图中的周期结构n倒频谱的定义和有关的术语n倒频谱分析主要
