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1、机械动态监测与故障诊断 第二章 机械振动及信号,幻灯片下载地址： 密码：123456,第二章 机械振动及信号,振动分析及测量在振动机械故障中有着重要的地位，为此，本章主要介绍设备诊断技术中振动分析及振动测量的基本知识。,振动测量简单的讲就是通过对机械设备所表现的振动信号进行检测、分析，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命。一般进行振动测量大致有以下两个方面的内容： （1）振动基本参数的测量（下图示例） （2）结构和部件的动态特性测量,第二章 机械振动及信号,2.1机械振动基础 各种机械设备在运行中，都不同程度的存在振动，这是运行机械的共性。然而，不同的设备，或同一台机器的不同部位，以及设备在
2、不同时刻或不同的状态下，其产生的振动形式又往往是有差别的，所以应当从不同的角度来考察振动问题。机械振动一般有以下几种分类方法。 1、按振动规律分类 2、按振动的动力学特征分类 3、按振动频率分类,第二章 机械振动及信号,1、按振动规律分 是根据振动在时间历程内的变化特征来划分（如图下页图） 大多数机械设备的振动是周期振动、准周期振动、窄带随机振动和宽带随机振动中的一种，或是某几种振动的组合。 一般在启动或停机过程中的振动信号是非平稳的。 设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号之中。若设备故障程度加剧，则随机振动中的周期成分就会加强，从而整台设备振动增大。 因此，从某种意义上讲
3、，设备振动诊断的过程，就是从随机信号中提取周期成分的过程。,第二章 机械振动及信号,2、按振动的动力学特征分类 设备产生振动的根本原因，在于存在一个或几个力的激励。不同性质的力激起不同类型的振动。 了解振动动力学特征，不仅有助于对振动动力学性质作出分析，还有助于说明设备故障的机理。因此，掌握振动动力学知识对设备故障诊断具有重要的意义。因此，可将机械振动分为三种类型： （1）自由振动 （2）强迫振动 （3）自激振动,第二章 机械振动及信号,（1）自由振动与固有频率 自由振动是物体受到初始激励（通常是一个脉冲力）所引发的一种振动：这种振动靠初始激励一次性获得能量，历程有限，一般不会对设备造成破坏，
4、不是现场设备振动所必须考虑的因素。单自由度无阻尼线性系统的运动方程为： 通过求解，可得系统的固有频率：,第二章 机械振动及信号,注意：物体并不是一受到激励都可发生振动，实际的振动体在运动过程中，总是会受到某种阻尼的作用，如空气阻尼、材料内摩擦损耗等，只有当阻尼小于临界值时才能激发振动。临界阻尼是振动体的一种固有属性，用Ce表示： 实际阻尼C与临界阻尼之比称为阻尼比，记为 当1时，是一种振幅按指数规律衰减的振动，其振动频率与初始振动无关，振动频w率略小于固有频率wn( )；当1时，物体不会振动。,第二章 机械振动及信号,（2）强迫振动和共振 强迫振动：物体在持续周期变化外力作用下产生的振动，如不
5、平衡（画图示）、不对中所引起的振动。其力学模型如图所示。,第二章 机械振动及信号,其运动方程为： 这是一个常系数线性非齐次微分方程，其解由通解和特解组成： 前部为通解，衰减自由振动；后部为特解，稳态强迫振动。 特点：衰减振动随时间的推移迅速消失，而强迫振动则不受阻尼影响，是一种和激振力同频率的振动。因此，强迫振动不仅与激振力的频率和振幅有关，而且与物体自身固有属性有关。,第二章 机械振动及信号,（3）自激振动 自激振动定义：在非线性机械系统内，由非振荡能量转变为振荡激励能量所产生的振动。也即，设备在没有外力作用下，由系统自身原因所产生的激励而引起的振动。它是一种比较危险地振动，设备一旦发生自激
6、振动，会使设备运行失去稳定性。 自激振动也称为负阻尼振动。 设备产生自激振动时，很小的能量即可产生强烈振动，只是由于系统的非线性，振幅才被限制在一定量值之内。 小提琴琴弦的振动是随着你拨动的强度而变化的，属于自激振动。,第二章 机械振动及信号,三种振动的主要使用领域 对于结构件，因局部裂纹、紧固件松动等原因导致结构件的特性参数发生改变的故障，多利用脉冲力所激励的自由振动来检测，以测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的变化。 对于减速箱、电机、低速旋转设备等机械的故障，主要以强迫振动为特征，通过对强迫振动的频率分析、振幅变化等特征参数的分析，来鉴别故障。 对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设
7、备，除了需要监测强迫振动的特征参数外，还需要监测自激振动的特征参数。,第二章 机械振动及信号,3、按振动频率分类 按照振动频率的高低，通常把振动分为三类： 低频振动： f 1000Hz,低频振动：主要测量的振幅是位移量。这是因为在低频范围造成破坏的主要因素是应力的强度，位移量是与应变、应力直接相关的参数。,中频振动：主要测量速度量。这是因为振动部件的疲劳进程与振动速度成正比，振动能量与振动速度的平方成正比。零件主要表现为疲劳破坏，如点蚀、剥落等。,高频振动：主要测量加速度。加速度表征振动部件所受冲击力的强度。冲击力的大小和冲击频率与加速度值正相关。,第二章 机械振动及信号,2.2振动信号的描述
8、 确定性振动的三要素：振幅，频率和相位。 1、振幅 s 简谐振动可用函数表示： s= A sin(2 PI t / T + ) 用角频率w表示，即w = 2 PI / T ，所以又可以写成： s= A sin(wt + ) 对s进行一次微分和二次微分，可分别得到速度v和加速度a： v = Awcos(wt + )=Awsin(wt +PI/2+ ) a = Aw2sin(wt +PI+ ) （图示） 振幅反应振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正比。因此，振动诊断标准都是用振幅来表示的。,第二章 机械振动及信号,2、频率 f f ：振动物体（或质点）每秒振动的次数，单位Hz。 数值上：
9、f = 1 / T 用角频率表示： w = 2 PI f 我国交流电源的频率为50Hz。若一台机器的转速为1500r/min，那么其转动频率 fr = 25Hz。,3、相位角 由转角wt与初相位角 两部分组成， 即 = wt + 。 相位表示振动质点的相对位置。不同振源产生的信号都有各自的相位。相位相同会引起合拍共振产生严重后果。相位相反，会产生互相抵消的作用，起到减振的效果。,第二章 机械振动及信号,2.3设备状态信号的物理表现 机械故障诊断技术的应用分为： 事故前预防 事故后分析 事故前预防不能预防突发性故障，只能预防渐变性故障。渐变性故障时随着劣化的进展而逐步恶化，必有某些特征信号在这个
10、过程中相应的变化。事前预防就是抓住这些特征信号所发出的预兆，及时采取措施，制止故障发展。 这些特征信号就是设备的状态信息，它们的物理表现就是检测、分析的对象。,第二章 机械振动及信号,设备故障诊断技术必须获取表征设备状态信息的那些物理量，作为诊断的依据。 以能量转换为主要工作任务的设备，其设备的状态信息包括转换前的能量、转换后的能量以及因这些能量的损耗所衍生的物理量。 泵、风机、压缩机等是将机械能转换成介质能量的设备，其状态信息包括机械能的参数：力、速度、振动、温度；也包含介质的能量：压力、流量。 电动机是将电能转换为机械能的设备，其状态信息包括：电压、电流、漏电流；也包括机械能的参数：力、速度、振动、温度。 内燃机类的设备是将燃料中的能量转换为机械能，其状态信息以机械能的参数为主。 热工设备的状态信息主要为温度场分布，如工业炉、窑、化工反应塔等。,
