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1、振动测试基础知识,陶洛文 工学博士，高级工程师 北京森德格科技有限公司 电话：010-82895321, 13801220615 E-mail: ,振动测试基础知识,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 (Displa
2、cement) 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,若干幅值参数的定义,瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。 峰值 (Peak value) 振动离平衡位置的最大偏离。 平均绝对值 (Average absolute value) 均值 (Mean value) 又称平均值或直流分量。 有效值 (Root mean square v
3、alue),xp,x = x(t),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 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。单位为毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值。单位为米/秒平方（m/s2）,练习一:,100 mil (Peak) = ? 微米(峰峰值) 2 G (Peak) = ? m/s-2 (RMS) 注: 1 Inch = 1000 mil = 25.4mm = 25
4、,400 微米 G 为重力加速度 = 9.81 m/s-2,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,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,测量非转动部件的绝对振动的速度。 不适于测量瞬态振动和很快的变速
5、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。 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。,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,压电加速度传感器的典型特性,涡流位移传感器,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
6、度与被测对象的电导率和导磁率有关。 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,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
7、准。 参考脉冲也可用于测量转子的转速。,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) 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,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随机器转速的变化规律。,第三
8、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。,状态监测和故障诊断 的 仪 器 和 方 法,,在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， 通过各种手段，掌握设备运行状态， 判定产生故障的部位和原因， 并预测、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）
9、 ：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： 离线测量仪表 便携式测振表 数据采集器 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
10、,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,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,频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。 每种故障有其对应的特征频率。 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,波形为简谐波，少毛刺。 轴心轨迹为圆或椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。 过临界转速有共振峰。,转子不平衡的类型,转子不对中的类型,正确对中 e =
11、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,出现 2X 频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8字形。 轴向振动一般较大。 本例中，出现叶片通过频率。,转子系统松动故障的频谱,波形出现许多毛刺。 谱图中噪声水平高。 出现精确的倍频2X，3X等成分。 松动结合面两边，振幅有明显差别。,松动故障引起的间入谐量,未松动时的频谱 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,齿轮故障的频谱,齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。 齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。 随着齿轮故
12、障发展，边频越来越丰富，幅值增加。 可用倒频谱作进一步分析。,齿轮箱,上辊,下辊,输入轴,带滑动轴承的机械的频谱特点,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。,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。 旋转机械的故障中轴承的损坏
13、故障约占30%。 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,疲劳点蚀 : 因受滚动压应力 磨损: 因受压力又有与内外座圈的相对滑动 腐蚀: 润滑油中的水分几其它化学物质产生锈蚀 裂纹: 由于磨削或淬火时作用而产生 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,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,轴承每一种零件有其特殊的故障频率。 随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。 还可用非频率
14、域的诊断方法，如共振解调。,电机,离心泵,带滚动轴承的机械的频谱特点,倒频谱分析诊断法,倒频谱分析用于识别频谱图中的周期结构 倒频谱的定义和有关的术语 倒频谱分析主要应用于滚动轴承和齿轮的故障诊断,倒频谱是对数功率谱的频谱。 通俗地说，倒频谱是频谱图的频谱。 它突出了频谱图中的周期成分。 倒频谱图的横坐标为倒频率（时间）。,倒频谱的定义,log (Fxx( f ) c( ),FFT,倒频谱分析的特点,能显示频谱图中不明显（被淹没）的复杂的周期频谱结构，并精确地确定其倒频率（振动周期）。 倒频谱的主要峰值是大量周期分量的平均值，数值较稳定，它可作为评定机械状态的一个指标。 对从振源到测点之间信号
15、传递路径的变化不大敏感。,倒频谱分析的应用 齿轮信号中确定周期成分(一),电机轴50Hz，63个齿 水泵轴121Hz，26个齿 频谱图中看到啮合频率3.15kHz 看不清周期结构,倒频谱图中清晰可见若干尖峰，显示频谱图的周期结构 8.2ms(121Hz)及谐波为出轴齿轮转频 20ms(50Hz)为入轴齿轮的转频,倒频谱分析的应用 齿轮信号中确定周期成分(二),频谱图仅看出啮合频率(4.3kHz)及其谐波 即使经高倍细化，也难以确定频谱图中的周期成分,倒频谱分析的应用 齿轮信号中确定周期成分(三),倒频谱图中清晰显示两组周期频谱族结构 Ai为11.9ms(84.3Hz)及谐波；Bi为20ms(50Hz)及谐波 这是输入轴A和输出轴B的转速频率,倒频谱分析的应用 齿轮信号中确定周期成分(四),11.9ms （84.3Hz）,20ms （50Hz）,倒频谱分析的应用 对传递路径不敏感,齿轮箱上两个不同的测点得到的频谱图差别很大 但两个倒频谱图差别很少，高倒频率区基本一样,正常状态：频谱无周期结构；倒频谱无明显峰。 故障状态： 倒频谱出现10.4Hz、35.6Hz及其倒谐波。 10.4Hz最大为一惰轮的转频，表明它有故障， 并可与输出轴频5.4Hz的两倍区别开来。,故障状态 正常状态,频谱图,倒频谱图,倒频谱分析的应用 卡车齿轮箱的诊断,相关产品 - 振通9
