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1、振动和振动测试 的 基 础 知 识,内 容 提 要, 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 振动系统 单自由度与多自由度系统 振动系统的模态 固有频率、振型、阻尼比 自由振动与强迫振动 共振, 旋转机械振动的测量 传感器及其选用 基频分量的幅值和相位 旋转机械的振动图示 定转速：波形图、频谱图、 轴心轨迹 变转速：波德图和极坐标图 三维频谱图 轴心位置图,振幅 A (Amplitude) 偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。 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
2、率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 初相角 (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,振动位移 (Displacement) 速度 (Velocity) 加速度 (Acceleration),位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 三者的幅值相应为A、A、A 2。 相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。,x,v,a,x,v,a,振 动 的 时 域 波 形,名 称 波 形 名 称 波 形,各幅值参数是常数，彼此间有确定关系 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A
3、有效值 xrms=0.707A 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,常用的幅值参数及其单位,位移 峰峰值，单位为微米（m） 速度 有效值，又称烈度，单位为毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值，单位为米/秒2（m/s2）,振动信号的频率分析,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。 频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。 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。 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,
4、振动系统及其自由度,能作振动的机械系统，在力学中称为振动系统。 振动系统按复杂程度分为： 单自由度系统 多自由度系统 确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度。,单自由度振动系统,确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度,多自由度振动系统,图中数字为系统的自由度数,5,3,2,2,6,振动系统的模态,单自由度系统有一个模态 模态参数为： 固有频率 （模态频率） 阻尼比 （模态阻尼）,多自由度系统有多个模态 模态参数为： 固有频率 n fn 阻尼比 n 振型各个坐标在振动 中的比例,模态参数包括：固有频率、振型 和阻尼比。 按固有频率从小到大排列，称为第1阶、第2阶模态。 两自由度系统共
5、有两阶模态。,两自由度系统的模态举例,第二阶模态,第一阶模态,节点,三自由度系统的模态举例,第二阶模态,第三阶模态,第一阶模态,振型是各自由度坐标的比例值。振型具有正交性。,节点,振动系统对激励的响应,激 励,响 应,由初始激励引起的响应，称为自由振动。 由持续激励引起的响应，称为强迫振动。 从响应中能看出系统的模态特性。,单自由度系统的自由振动,它是模态振动。 振动的频率等于系统的固有频率。 振幅大小决定于初始激励（初始位移和初始速度）。 系统的阻尼比大，振幅衰减快； 阻尼比小，振幅衰减慢。,不同阻尼比的自由振动,由自由振动确定模态参数,系统的自由振动为各阶模态振动的叠加。它一般不再是简谐的
6、。 各阶模态振动所占成分的大小，决定于初始条件。 各阶模态振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼比。阻尼比大，衰减快；阻尼比小，衰减慢。 在衰减过程中，各阶的振型保持不变，即节点位置不变。,多自由度系统的自由振动,单自由度系统的强迫振动,振动的频率等于激励的频率。 振幅与激励的强弱成正比。 激励频率接近固有频率时，发生共振现象，呈现为模态振动。 阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。 位相上说，振动落后于激励。 振幅和位相随激励频率而变化，变化规律用系统的幅频特性和相频特性来表示。,单自由度系统的强迫振动,由强迫振动确定模态参数,振动的频率等于外激励的频率。 振型为各阶振型的叠加。 各阶振型所占的比例
7、，决定于外激励的频率和作用点位置。 激励频率接近某阶固有频率时，该阶振型增大而占主导地位，呈现为该阶模态振动。 共振峰大小决定于该阶阻尼比和激励的位置。 作用在某阶节点上的激励力，不能激起该阶振动。,多自由度系统的强迫振动,与多个固有频率对应，有多个共振峰。 某一阶共振时，该阶振型占主导地位，呈现为该阶模态振动。,多自由度系统的强迫振动,汽轮机 齿轮增速箱 压缩机 涡流传感器 速度传感器 加速度传感器 键相传感器,旋转机械振动测量框图,磁电速度传感器,接收形式：惯性式 变换形式：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/s,测量非转动部
8、件的绝对振动的速度。 不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。 输出阻抗低，抗干扰力强。 传感器质量较大，对小型对象有影响。,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。,测量非转动部件的绝对振动的加速度。 适应高频振动和瞬态振动的测量。 传感器质量小，可测很高振级。 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安装频率,涡流位移
9、传感器,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。 有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。,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 及其前置器,涡流传感器的工作原理,输出电压 u 正比于间隙 d 且于测量对象的材质有关,涡流位移传感器的典型特性,传感器与转轴之间的间隙,前置器输出电压（直流伏）,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,基频是转速频率，记作 1R。 基频分量的幅值与转子的不平衡大小有关。 基频分量
10、的相位与不平衡在转子上的方位有直接对应关系。 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,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。 参考脉冲是测量相位的基准。 参考脉冲也可用于测量转子的转速。,K,K,1转,t,参考脉冲,振动相位与转子转角的关系,从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位。 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,波形图 (Wave) 时间域内的振动波形 频谱图 (Spectrum) 组成振动的各谐波成分 轴心轨迹 (Orbit
11、) 转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两方向波形合成,旋转机械的振动图示 (定转速),波形图、频谱图及轴心轨迹,轴心轨迹阵 各转速下的轴心轨迹的组合 波德图与极坐标图 (Bode & Polar Plot) 升（降）速时，基频幅值和相位的变化 三维频谱图 (Cascade) 各转速下的频谱图的集合 轴心位置（Shaft Center Position） 判定轴颈静态工作点和油膜厚度,旋转机械的振动图示 (变转速),轴心轨迹阵图,汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵,波德图和极坐标图,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
12、随机器转速的变化规律。,三维频谱图是频谱的集合。 它的第三个坐标是转速。 它表明在升、降速过程中振动频谱的变化。,三维频谱图 （谱阵图）,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,轴心位置图可以用x-y记录仪或计算机来绘制。,从轴心位置的变化发现故障,汽轮发电机中压缸轴承 升速时轴心位置逐渐升高。 到工作转速时，偏心率为0.66；偏位角32。属正常。 以后数月，轴承基础下沉，导致轴心上浮，偏心率减少，偏位角接近90。 发生了油膜振荡。 监测轴心位置有助于发现机器的故障。,摆振信号及其来源,机械方面的原因： 不同心度 基频型 永久性弯曲 基频型 椭圆度
13、 2X基频型 不圆及其他缺陷 基频及非基频型,电磁方面的原因： 剩磁 基频及非基频型 轴材质不均匀 基频及非基频型 残余应力： 基频及非基频型,摆振信号是周期信号，以轴的转速频率为基频。在机器慢速转动时测得。,摆振信号的补偿,经补偿后，压缩机的波德图才符合实际情况。 补偿方法： 记下摆振信号的波形， 以转速参考脉冲为基准点， 从振动信号中对应减去摆振信号。,xrms 有效值 xp 峰值 xav 平均绝对值 平均值,无量纲时域参数,波形指标 (Shape factor) 波形与正弦波比较的偏移和歪斜。 峰值指标 (Peak factor) 波形是否有冲击。 脉冲指标 (Crest factor) 波形高度的指标。 歪度指标 (Skewness) 以平均值为中心，波形的对称性。 峭度指标 (Kurtosis) 波形的尖峭程度、有无冲击。,讲演到此结束 欢迎批评指正,
