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1、第六章第六章 机械的平衡61 机械平衡的目的及内容机械平衡的目的及内容62 刚性转子的平衡计算刚性转子的平衡计算 63 刚性转子的平衡实验刚性转子的平衡实验64 转子的许用不平衡量转子的许用不平衡量65 平面机构的平衡平面机构的平衡作者：潘存云教授回转件（或转子）回转件（或转子） - 绕定轴作回转运动的构件。绕定轴作回转运动的构件。F=mr2当质心离回转轴的距离为当质心离回转轴的距离为r 时，离心力为：时，离心力为：F=ma=Ge2/g举举例例：已已知知图图示示转转子子的的重重量量为为G=10 N，重重心心与与回回转转轴轴线线的的距距离离为为1 mm，转转速为速为n=3000 rpm, 求离心
2、力求离心力F F的大小。的大小。=1010-323000/602/9.8=100 N如果转速增加一倍如果转速增加一倍: n=6000 rpm F=400 N由由此此可可知知：不不平平衡衡所所产产生生的的惯惯性性力力对对机械运转有很大的影响。机械运转有很大的影响。 大小方向变化N21N21N21GGFFe61 机械平衡的目的及内容机械平衡的目的及内容一、平衡的目的一、平衡的目的增加运动副的摩擦，降低机械的使用寿命。增加运动副的摩擦，降低机械的使用寿命。产生有害的振动，使机械的工作性能恶化。产生有害的振动，使机械的工作性能恶化。降低机械效率。降低机械效率。平平衡衡的的目目的的：研研究究惯惯性性力力
3、分分布布及及其其变变化化规规律律，并并采采取取相相应应的的措措施施对对惯惯性性力力进进行行平平衡衡，从从而而减减小小或或消消除除所所产产生生的的附附加加动动压压力力、减减轻轻振振动动、改改善善机机械械的的工工作作性能和提高使用寿命。性能和提高使用寿命。本章重点介绍刚性转子的平衡问题。本章重点介绍刚性转子的平衡问题。附加动压力会产生一系列不良后果：附加动压力会产生一系列不良后果：离离心心力力F力力的的大大小小方方向向始始终终都都在在变变化化，将将对对运运动动副副产产生动压力。生动压力。所谓刚性转子的不平衡，是指由于结构不对称、材料缺陷以及制造误差等原因而使质量分布不均匀，致使中心惯性主轴与回转轴
4、线不重合，而产生离心惯性力系的不平衡。根据平衡条件的不同，又可分为静平衡和动平衡两种情况。作者：潘存云教授作者：潘存云教授二、平衡的内容二、平衡的内容1.回转件的平衡回转件的平衡a)刚性转子的平衡刚性转子的平衡工工作作转转速速n(0.60.75)ne1转转子子一一阶阶自自振振频频率率。可可忽忽略略运运动动时时的的轴轴线线变变形形。平平衡衡时时可可采采用用理理论力学力系平衡的原理。论力学力系平衡的原理。当当转转子子工工作作转转速速n(0.60.75)ne1，且且重重量量和和跨跨度度较较大大，运运转转时时会会产产生生较较大大的的变变形形，使使离离心心惯惯性性力力大大大大增增加加。此此类类问问题题复
5、复杂杂，有有专专门的学科论述。门的学科论述。b)挠性转子的平衡挠性转子的平衡根据构件运动特点形式的不同，平衡问题可归纳为如下两个方面：静止静止运动运动2)机构的平衡机构的平衡 对对平平面面连连杆杆机机构构，由由于于作作往往复复运运动动和和平平面面运运动动的的构构件件总总是是存存在在加加速速度度，就就单单个个构构件件而而言言，是是无无法法平平衡衡的的。但但可可以以将将整整个个机机构构一一并并考考虑虑，采采取取措措施施对对总总的的惯惯性力或惯性力矩进行平衡。性力或惯性力矩进行平衡。本章重点介绍本章重点介绍刚性转子的平衡刚性转子的平衡问题。问题。结构不对称结构不对称材材 料料 缺缺 陷陷制制 造造
6、误误 差差质量分布质量分布不均匀不均匀中心惯性主轴与中心惯性主轴与回转轴线不重合回转轴线不重合离心惯性力系的不平衡离心惯性力系的不平衡 静平衡静平衡分类分类 动平衡动平衡所谓刚性转子的不平衡，是指由于作者：潘存云教授特特点点：若若重重心心不不在在回回转转轴轴线线上上，则则在在静静止止状状态态下下，无无论论其其重重心心初初始始在在何何位位置置，最最终终都都会会落落在在轴轴线线的的铅铅垂垂线线的的下下方方这这种种不不平平衡衡现现象象在在静静止止状状态态下下就就能能表表现现出出来来，故故称称为为静平衡。静平衡。 如自行车轮一、质量分布在同一回转面内一、质量分布在同一回转面内( (静平衡静平衡) )平
7、平衡衡原原理理：在在重重心心的的另另一一侧侧加加上上一一定定的的质质量量，或或在在重重心心同同侧侧去去掉掉一一些些质质量量，使使质质心心位位置置落落在在回回转转轴轴线线上上，而使离心惯性力达到平衡。而使离心惯性力达到平衡。适用范围：适用范围：轴向尺寸较小的盘形转子轴向尺寸较小的盘形转子（B/D0.2B/D= F Fi i= mi2ri作者：潘存云教授m1m2m3P3P1P2称称miri为为质径积质径积平衡配重所产生的离心惯性力为：平衡配重所产生的离心惯性力为： 总离心惯性力的合力为：总离心惯性力的合力为： PbrbFb=mb2rb ？ ？ 可用图解法求解此矢量方程可用图解法求解此矢量方程( (
8、选定比例选定比例w) )。 约掉公因式m3r3mbrbm2r2m1r1F F = Fb + +F Fi = 0m2e = mb2rb + m12r1 + m22r2+ m32r3 =0 me = mbrb + m1r1 + m2r2+ m3r3 = 0 r2r1r3作者：潘存云教授me = mbrb + m1r1 + m2r2+ m3r3 = 0 很显然，回转件平衡后：很显然，回转件平衡后：e=0回转件质量对轴线产生的静力矩：回转件质量对轴线产生的静力矩：mge = 0静平衡或单面平衡静平衡或单面平衡该回转件在任意位置将保持静止：该回转件在任意位置将保持静止：从理论上讲，对于偏心质量分布在多个
9、运动平面内的转子，对每一个运动按静平衡的方法来处理（加减质量），也是可以达到平衡的。问题是由于实际结构不允许在偏心质量所在平面内安装平衡配重，也不允许去掉不平衡重量(如凸轮轴、曲轴、电机转子等)。解决问题的唯一办法就是将平衡配重分配到另外两个平面I、II内。 IIIm1m2m 平平衡衡面面内内不不允允许许安安装装平平衡衡配配重重时时，可可分分解解到到任任意意两两个个平平衡衡面内进行平衡。面内进行平衡。作者：潘存云教授Ll1FbFbIFbIIm1m2m由由理理论论力力学学可可知知：一一个个力力可可以以分分解成两个与其解成两个与其平行平行的两个分力。的两个分力。两者等效的条件是：两者等效的条件是：
10、 IIImb若取：若取：r rbIbI= =r rbIIbII= =r rb b ，则有：则有： 消去公因子2，得：r rb br rbIbIr rbIIbII得：得：强调重要结论作者：潘存云教授作者：潘存云教授重要结论：重要结论： 某一回转平面内的不平衡质某一回转平面内的不平衡质量量m m，可以在两个任选的回转平可以在两个任选的回转平面内进行平衡。面内进行平衡。m1m2m二、质量分布不在同一回转面内（动平衡）二、质量分布不在同一回转面内（动平衡）mb IIILF1 F2 图图示示凸凸轮轮轴轴的的偏偏心心质质量量不不在在同同一一回回转转平平面面内内，但但质质心心在在回回转转轴轴上上，在在任任意
11、意静静止止位位置置，都都处处于于平衡状态。平衡状态。惯性力偶矩：惯性力偶矩： 运动时有：运动时有：F F1 1+F+F2 2 = 0 = 0 M=FM=F1 1L=FL=F1 1L L0 0这种在静止状态下处于平衡，而运动状态下呈现不平这种在静止状态下处于平衡，而运动状态下呈现不平衡，称为动不平衡。对此类转子的平衡，称为衡，称为动不平衡。对此类转子的平衡，称为动平衡。动平衡。适适用用对对象象：轴轴向向尺尺寸寸较较大大(B/D0.2)(B/D0.2)的的转转子子，如如内内燃燃机机中中的的曲曲轴轴和和凸凸轮轮轴轴、电电机机转转子子、机机床床主主轴轴等等都都必必须须按按动动平衡来处理。平衡来处理。理
12、理由由：此此类类转转子子由由于于质质量量分分布布不不在在同同一一个个平平面面内内，离离心心惯惯性性力力将将形形成成一一个个不不汇汇交交空空间间力力系系，故故不不能能按按静静平平衡处理。衡处理。任意空间力系的平衡条件为：任意空间力系的平衡条件为：F Fi i = 0, M = 0, Mi i=0=0作者：潘存云教授作者：潘存云教授IIIF2IF1IF3IF2IIF3IIF1IIm2m3m1Lr1F2r2F3r3F1首先在转子上选定两个回转平面和作为平衡基面，该平面用来加装或去掉平衡质量。将三个不同回转面内的离心惯性力往平面和上分解。l1l2动平衡的计算方法：动平衡的计算方法：l3直接引用前述结论
13、得：直接引用前述结论得：FFIFIIr rI I=r=r=r rIIIILl1作者：潘存云教授动平衡的计算方法：动平衡的计算方法：IIIm2m3m1Lr1F2IF2IIF2r2F3IF3IIF3r3F1IF1IIF1l1l2l3离心惯性力离心惯性力分解结果：分解结果：作者：潘存云教授IIILF2F3F1m1Im3Im2Im1IIm3IIm2IIm2m3m1l1l2l3r1r2r3不平衡质量不平衡质量分解结果：分解结果：作者：潘存云教授m3Ir3m1Ir1m2Ir2mbIrbIm3IIr3m1IIr1m2IIr2mbIIrbII mbIrbI + m1Ir1 + m2Ir2+ m3Ir3 = 0
14、 mbIIrbII + m1IIr1 + m2IIr2+ m3IIr3 = 0 FbImbIrbI作图法求解作图法求解空间力系的平衡空间力系的平衡两个平面汇交力系的平衡问题。两个平面汇交力系的平衡问题。FbIImbIIrbIIIIILF2F3F1F1IF3IF2Im1Im3Im2IF1IIF3IIF2IIm1IIm3IIm2IIm2m3m1l1l2l3r1r2r3结论：结论： 对对于于动动不不平平衡衡的的转转子子，无无论论其其具具有有多多少少个个偏偏心心质质量量以以及及分分布布在在多多少少个个回回转转平平面面内内，都都只只要要在在两两个个选选定定的的平平衡衡基基面面内内加加上上或或去去掉掉平平
15、衡衡质质量量，即即可可获获得得完完全全平平衡。故动平衡又称为衡。故动平衡又称为双面平衡。双面平衡。经过计算，在理论上是平衡的转子，由于制造误差、材质不均匀、安装误差等因素，使实际转子存在不平衡量。要彻底消除不平衡，只有通过实验方法测出其不平衡质量的大小和方向。然后通过增加或除去平衡质量的方法予以平衡。作者：潘存云教授作者：潘存云教授63 刚性转子的平衡实验刚性转子的平衡实验一、静平衡实验一、静平衡实验导轨导轨式平衡架式平衡架导轨式静平衡导轨式静平衡架架OOQSQS导轨式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQS导轨式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQS导轨式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQS导轨式静平衡
16、导轨式静平衡架架QSOOQS特点：特点：结构简单、精度高，但两刀口平行、调整困难，结构简单、精度高，但两刀口平行、调整困难，且要求两轴端直径相同。一般要经过多次实验才能找且要求两轴端直径相同。一般要经过多次实验才能找准，工作效率低，不适合批量生产准，工作效率低，不适合批量生产。作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授滚子式平衡架：滚子式平衡架：单摆式平衡架：单摆式平衡架：特点：特点：使用方便，使用方便，但精度较低。但精度较低。特点：特点：工作效率高。工作效率高。Q QQ QQ QQ Q作者：潘存云教授二、动平衡实验二、动平衡实验mmrrTTT”T”1 12 23 34 45 5根据强迫
17、振动理论有：根据强迫振动理论有：Z=mr Z=mr 成正比 用标准转子测得：用标准转子测得：ZZ0 0=m=m0 0rr0 0 = Z= Z0 0/m/m0 0rr0 0 不平衡质径积：不平衡质径积： mr= Z/mr= Z/m”m”r”r”3 34 4TTT”T”m”m”mmrr1 12 25 5r”r”3 34 4TTT”T”m”m”mmrr1 12 25 5r”r”TTT”T”m”m”mmrr1 12 23 34 45 5r”r”ZZ作者：潘存云教授作者：潘存云教授TTT”T”m”m”mmrr1 12 23 34 45 5r”r”确定相位差确定相位差TTOO1 1OO2 2TT1 1OO
18、1 1TT1 1OO2 2TT1 1OO1 1mm 摆架位于最高点时，不平衡质量不在正上方，摆架位于最高点时，不平衡质量不在正上方，而是处在沿回转方向超前角而是处在沿回转方向超前角的位置。的位置。称为强迫振动相位差。称为强迫振动相位差。作者：潘存云教授作者：潘存云教授2 2(b)(b)(a)(a)1 11 12 2H H1 1H H2 2将将图（图（b b）转动转动 2-22-2后与后与图（图（a a）叠加，叠加，1 1(c)(c)H H1 1H H2 22 21 12 2不平衡质量位于不平衡质量位于H H1 1与与H H2 2连线的中垂线上。连线的中垂线上。笔尖会划出一小段圆弧,中点取为最高
19、点。 作者：潘存云教授64 转子的许用不平衡量转子的许用不平衡量由于实验设备本身精度的影响，经过实验平衡的转子，实际上不可避免还存在一些残余的不平衡量。要想进一步减小其不平衡量，就得使用更精密的平衡装置和更高的平衡技术。但这意味着要提高生产成本，从合理降低生产成本而言，在满足使用要求的前提下，使用的平衡设备越简单越好。因此，根据工作要求，对转子规定一个适用的许用不平衡量是完全有必要的。许用不平衡量的两种表示法：许用不平衡量的两种表示法：使使用用时时参参照照ISO标标准准P141表表61的推荐值。的推荐值。 1.)偏心距偏心距e;平衡精度：平衡精度：Ae/1000 e1000 A/mrImeb
20、/(a+b)不平衡质径积：不平衡质径积： mrme静静平平衡衡时时，可可直直接接采采用用以以上上值值。而而动动平平衡衡时时，应应将以上值分解到两个平衡基面上，即：将以上值分解到两个平衡基面上，即：abIII2.)质径积质径积mr 两者关系：两者关系： e mr/ mmrIImea /(a+b)作者：潘存云教授平衡等级平衡等级G平衡精度平衡精度表表6-1 各种典型转子的平衡等级和许用不平衡量各种典型转子的平衡等级和许用不平衡量典典 型型 转转 子子 举举 例例eA1000 (mm/s)G4000 4000G1600 1600刚刚性性安安装装的的具具有有奇奇数数汽汽缸缸的的低低速速船船用用柴柴油油
21、机机曲曲轴轴传动装置传动装置刚性安装的大型二冲程发动机曲轴传动装置刚性安装的大型二冲程发动机曲轴传动装置刚刚性性安安装装的的高高速速四四冲冲程程发发动动机机曲曲轴轴传传动动装装置置；弹弹性安装船用柴油机曲轴传动装置性安装船用柴油机曲轴传动装置G630 630 .G2.5 2.5燃燃气气轮轮机机和和汽汽轮轮机机、透透平平压压缩缩机机、机机床床传传动动装装置置、特殊要求的中、大型电机转子、小型电机转子等。特殊要求的中、大型电机转子、小型电机转子等。磁磁带带录录音音机机传传动动装装置置、磨磨床床传传动动装装置置、特特殊殊要要求求的小型电机转子。的小型电机转子。精密磨床的主轴、砂轮盘及电机转子陀螺仪。
22、精密磨床的主轴、砂轮盘及电机转子陀螺仪。G1 1G0.4 0.4对于作平面运动或往复移动的构件，不能通过加减质量的方法对单个构件的惯性力进行平衡，而应从整个机构来考虑平衡问题。65 平面机构的平衡平面机构的平衡所谓对机构的平衡，就是对所谓对机构的平衡，就是对总惯性力和总惯性力偶矩进总惯性力和总惯性力偶矩进行平衡行平衡, 即：即： 设设机机构构的的总总质质量量为为m，其其质质心心的的加加速速度度为为as，机机构总惯性力为：构总惯性力为：机构平衡的原理：机构平衡的原理： 通过添加平衡配重使机构的质心静止不动。通过添加平衡配重使机构的质心静止不动。要使要使P=0，必有必有: as 0机构的质心必须始
23、终静止不动。机构的质心必须始终静止不动。当机构运动时，各构件所产生的惯性力可以合成为一个通过质心的总惯性力和一个总惯性力偶矩，它们都全部由机座来承受。P =0 M=0有完全平衡和部分两种处理方法Pm as作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授AD123BC1. 完全平衡完全平衡1)利用对称机构平衡利用对称机构平衡应用实例：应用实例： ZG12-6型高速冷镦机型高速冷镦机 重心重心重心重心2)利用平衡质量平衡利用平衡质量平衡图示机构中，构件图示机构中，构件2的质量的质量m2可以可以用两个集中在用两个集中在B和和C两点的两个质两点的两个质量替换：量替换：m2S2m3S3m1S1m2B m
24、2 lCS2 / lBCm2B m2 lBS2 / lBC作者：潘存云教授作者：潘存云教授mB 添加添加平衡质量平衡质量m、m”之后，之后，使机构的质量中心落在使机构的质量中心落在AD连线上连线上固定点固定点S处。使机构达到平衡。处。使机构达到平衡。AD123BCm2S2m3S3m1S1Smm”s2s3s1 图示曲柄滑块机构添加两图示曲柄滑块机构添加两个平衡配重之后，可达到平衡。个平衡配重之后，可达到平衡。从理论上讲，用这种方法可使机构的总惯性力得到了完全平衡，缺点是由于加装了几个配重，使机构的质量大大增加。Amm”添加平衡质量m后，则替换质量为mB，在添加平衡质量m”，可使机构的质心落在A点
25、。作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授mB2. 部分平衡部分平衡1)利用非对称机构平衡利用非对称机构平衡 利利用用两两组组非非对对称称机机构构，运运动动过过程程所所产产生生的的惯惯性性力力方方向向相相反反，互互相相抵消一部分。抵消一部分。2)利用平衡质量平衡利用平衡质量平衡ms2s1 加加装装平平衡衡配配重重，可可以以平平衡衡由由mB所所产产生生的的离离心心惯惯性性力力和和滑滑块的一部分往复移动惯性力。块的一部分往复移动惯性力。mcs3Pt3)利用弹簧平衡利用弹簧平衡本章重点：本章重点：掌握静平衡和动平衡的计算方法。掌握静平衡和动平衡的计算方法。熟悉静平衡和动平衡的
26、实验方法。熟悉静平衡和动平衡的实验方法。3.1.3 转子不平衡振动的故障特征转子的不平衡振动是在离心惯性力干扰下产生的强迫振动，振动频率就是转子的转速频率。故障特征：3.1.4 不平衡振动故障原因和防治措施固固有有质质量量不不平平衡衡3.1.4 不平衡振动故障原因和防治措施实例3-1 气压机的不平衡振动3.1.4.2 转子运行中的不平衡转转子子运运行行中中的的不不平平衡衡无弹性件挠性联轴器联轴器 无弹性元件挠性联轴器十字滑块联轴器滑块联轴器万向联轴器齿式联轴器滚子链联轴器 有弹性件挠性联轴器联轴器 有弹性元件挠性联轴器弹性套柱销联轴器弹性柱销联轴器梅花形弹性联轴器轮胎联轴器膜片联轴器星形弹性联
27、轴器 转子的不对中对中不良引起的故障：不对中的形式： 角度不对中 平行不对中 轴承不对中转子的不对中对中不良引起的故障：不对中的形式： 角度不对中 平行不对中 轴承不对中转子的不对中的主要特征表现 改变了轴承中的油膜压力 轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高 平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差不同类型转子和不同形式不对中引起的振动频率是不相同的不对中引起转子不平衡角度不对中轴向振动大如2x或3x超过1x的30%到50%，则可认为是存在角度不对中联轴器两侧轴向振动相位差180平行不对中振动特性类似于角度不对中，径向振动大2x较大，常常
28、超过1x，与联轴器结构有关角度不对中、平行不对中严重时，在较高谐波频率处出现大的振动，甚至出现松动时的完整系列高频谐波。联轴器两侧径向振动相位差180轴承不对中轴承不对中或卡死将产生1x、2x轴向振动较大同一轴承座顶部与底部轴向振动相位差180，左侧与右侧轴向振动相位差约180通过找对中无法消除机械松动松动方向的振动较大；振动不稳定，转速达到临界值时，振幅会突然变化振动频率除fr外，还有高次谐波如2x、3x等及分数谐波1/2x、1/3x等松动零部件对转子动态力产生非线性响应油膜涡动、油膜振荡轴在轴颈中作偏心旋转时，轴颈从油楔中间隙大的地方带人的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压
29、缩性，多余的油就推动轴颈前进，形成与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度即为油楔本身的前进速度。设轴颈中心处于平衡状态的某一偏心位置，转轴以角速度田在旋转，转轴又以角速度n绕轴承几何中心旋转。根据流体润滑理论，油膜靠近轴颈处的速度等于轴颈圆周速度，靠近轴瓦处的油层速度为零，中间油层的速度假定是按直线分布的。因此，通过间隙的任何断面的平均油膜速度应为轴颈周速的一半。理论上可以证明”，涡动速度n为转轴角速度。的一半。实际上，由于轴承两侧泄漏带走轴承工作产生的热量等原因，实际产生涡动的频率约为转速频率的。.42。.48倍。油膜涡动、油膜振荡起始失稳转速与转子的相对偏心率有关:轻载转子在第一临界转速之前
30、就发生了不稳定的半速涡动，但不产生大幅度的振动;当转速到达第一临界转速 时，转子由于共振而有较大的振幅;越过 ；后，振幅再次减少;当转速达到两倍 时，振幅增大并且不随转速的增加而改变，即油膜振荡。对于重载转子，因为轴颈在轴承中相对偏心率较大，转子的稳定性好，低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到2 ，一时还不会发生很大的振动;当转速达到2 ，后的某一转速时，才突然发生油膜振荡。中载转子在过了一阶临界转速。 后，会出现半速涡动，而油膜振荡则在2 后出现。油膜涡动、油膜振荡消除油膜振荡的措施有:(l) 增加转子系统的刚度。转子固有频率越高，产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳转速应在工作转速
31、的125%以上。(2) 选择合适的轴承形式和轴承参数。圆柱轴承制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油楔和多油楔轴承次之。可倾瓦轴承最好。(3) 增加外阻尼。(4) 增加轴承比压，改变进油温度或粘度。如切短轴承长度，在下瓦中部开环形槽等。(5) 减小轴承间隙。(6)改变进油压力。滚动轴承的故障诊断滚动轴承的故障诊断 滚动轴承的故障诊断常滚动轴承的故障诊断常采用振动诊断采用振动诊断法法 优点：不仅能检测运转中轴承的异常优点：不仅能检测运转中轴承的异常,而且具有检测轴承而且具有检测轴承早期异常的能力。早期异常的能力。诊断过程通常分为诊断过程通常分为: 一一 振动监测频带振动监测频带 二二 振动信号采
32、集振动信号采集 三三 振动原因识别振动原因识别振动监测频带振动监测频带滚动轴承的振动诊断是利用各种异常状态下所特有的振动滚动轴承的振动诊断是利用各种异常状态下所特有的振动频率来查明异常原因。频率来查明异常原因。轴承异常引起的振动：包括轴承异常引起的振动：包括1KHZ以下的低频振动和数十以下的低频振动和数十KHZ高频振动，或同时包含这两类频率成分的振动。高频振动，或同时包含这两类频率成分的振动。低频振动诊断程序低频振动诊断程序:由加速度振动传感器测取振动加速度的由加速度振动传感器测取振动加速度的电信号，经电荷放大器后，再通过积分器获得振动速度信电信号，经电荷放大器后，再通过积分器获得振动速度信号
33、，然后经过号，然后经过1KHZ的低通滤波器，对除去高频成分的信号的低通滤波器，对除去高频成分的信号进行频率分析；轴承构造异常、加工面形状误差所引起的进行频率分析；轴承构造异常、加工面形状误差所引起的振动，可利用低频振动诊断。振动，可利用低频振动诊断。高频振动诊断程序是高频振动诊断程序是: 由振动加速度传感器测取电信号，经由振动加速度传感器测取电信号，经电荷放大器后，再通过电荷放大器后，再通过1KHZ低通滤波器获取其高频成分，低通滤波器获取其高频成分，然后再将这种滤波后的加速度信号进行频率分析；对轴承然后再将这种滤波后的加速度信号进行频率分析；对轴承损伤引起的异常振动可利用高频振动进行诊断。损伤
34、引起的异常振动可利用高频振动进行诊断。轴承振动信号采集 一般滚动轴承振动诊断系统常采用瞬态信号采集、定一般滚动轴承振动诊断系统常采用瞬态信号采集、定时信号采集、峰值信号采集法。时信号采集、峰值信号采集法。瞬态信号采集法：瞬态信号采集法： 是利用信号本身的特性进行采样的一种方法，当滚是利用信号本身的特性进行采样的一种方法，当滚动轴承在运转中发生故障时，会使原来平稳的随机动轴承在运转中发生故障时，会使原来平稳的随机信号或周期信号发生突变，出现瞬态冲击。瞬态信信号或周期信号发生突变，出现瞬态冲击。瞬态信号的采集正是利用其振动信号波形突变的特性来完号的采集正是利用其振动信号波形突变的特性来完成的；在瞬
35、态信号采样前需先输入几个参数：触发成的；在瞬态信号采样前需先输入几个参数：触发前预存点数、采样频率和点数、触发电平及触发频前预存点数、采样频率和点数、触发电平及触发频率，然后计算机边进入信号采集状态，当触发条件率，然后计算机边进入信号采集状态，当触发条件满足时就保存现行地址，并将指针指向数据区某一满足时就保存现行地址，并将指针指向数据区某一位置，开始瞬态信号采集的全过程，并实现自动报位置，开始瞬态信号采集的全过程，并实现自动报警。该采样方法适用与监测滚动轴承的偶然性故障。警。该采样方法适用与监测滚动轴承的偶然性故障。轴承振动信号采集( (二二) ) 定时信号采集法定时信号采集法定时信号采集可按
36、照预先设定的时间间隔进行采样，定时信号采集可按照预先设定的时间间隔进行采样，当定时信号采集系统进入该采样模式时，便按预先当定时信号采集系统进入该采样模式时，便按预先设置的参数采集信号，采样后可自动对所采集的信设置的参数采集信号，采样后可自动对所采集的信号按预定方案进行计算机诊断结论；若诊断参数值号按预定方案进行计算机诊断结论；若诊断参数值超过预置指标时系统将自动报警并进行下一次采集；超过预置指标时系统将自动报警并进行下一次采集；该法适用对连续运行机械的滚动轴承的定时检测该法适用对连续运行机械的滚动轴承的定时检测. .( (三三) ) 峰值信号采集法峰值信号采集法当滚动轴承零件损伤部位进入承载区
37、时当滚动轴承零件损伤部位进入承载区时, ,因该零件突因该零件突然卸载而引起一次冲击然卸载而引起一次冲击, ,紧接着发生一个衰减震荡过紧接着发生一个衰减震荡过程程, ,震荡频率有结构的共振频率所决定震荡频率有结构的共振频率所决定, ,可达数可达数KHzKHz或或数十数十KHZ.KHZ.滚动轴承振动信号的频率特征 1.随机超声频率 250KHz 350KHz 20KHz 60KHz 2. 轴承零部件的固有频率 500 Hz 20KHz 与转速无关3. 旋转的故障频率 转动频率fr 滚动体自转频率fb 滚动体公转频率fc 滚动体通过内圈一个缺陷时的冲击振动频率fi 滚动体通过外圈一个缺陷时的冲击振动
38、频率fi4. 和频、差频滚动轴承故障的特征频率 内圈：fe=fr(1+d/Dcos)z/2 外圈：fo=fr(1-d/Dcos)z/2滚动体： fg=fr(1-d2/D2 cos2)D/d/2假设：滚动体为纯滚动 f1：滚动体公转频率 2V1=V2 (1) V1=2f1*D/2 (2) V2= 2fr*(D-dcos)/2 (3) (2),(3)代入(1)式： 2f1D=fr(D-dcos) (4) 当外圈有缺陷时： fo=f1z= fr(1-d/Dcos)z/2 当内圈有缺陷时： fe=(fr-f1)z = fr(1+d/Dcos)z/2V1V2dDfr滚动轴承振动信号的频率特征 1.随机超
39、声频率 250KHz 350KHz 20KHz 60KHz 2. 轴承零部件的固有频率 500 Hz 20KHz 与转速无关3. 旋转的故障频率 轴承振动原因识别滚动轴承振动原因的识别，立足于寻滚动轴承振动原因的识别，立足于寻“状态模式状态模式”的变化。的变化。其一般方法是根据测取的振动信号，除去其中的剩余信息，其一般方法是根据测取的振动信号，除去其中的剩余信息，提取信号特征向量，识别模式与已定的样板模式做对比，提取信号特征向量，识别模式与已定的样板模式做对比，由此判别轴承所处的状态。由此判别轴承所处的状态。 (一一) 冲击脉冲和冲击能量分析法冲击脉冲和冲击能量分析法 (二二) 频率分析和频率
40、调制分析法频率分析和频率调制分析法 (三三) 包络线和包络能量分析法包络线和包络能量分析法 (四四) 峰态值偏度系数分析法峰态值偏度系数分析法 (五五) 倒频谱和平均响应分析法倒频谱和平均响应分析法轴承故障发展的四个阶段 5.1 齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断齿轮的故障特征齿轮的故障特征齿轮的振动特性齿轮的振动特性齿轮故障的振动诊断齿轮故障的振动诊断齿轮的故障特征齿轮的故障特征齿轮的损伤形式齿轮的损伤形式(一一)齿面损伤齿面损伤齿轮表面和次表面发生的各种损伤统称为齿面损伤，齿轮表面和次表面发生的各种损伤统称为齿面损伤，严重的齿面损伤严重的齿面损伤,将引起故障或造成齿轮失效将引起故障或造成齿轮失效
41、.齿面磨损齿面磨损 齿面粘着撕伤齿面粘着撕伤 齿面疲劳齿面疲劳 齿面塑性变形齿面塑性变形 齿面烧伤齿面烧伤二二) 轮齿折断轮齿折断局部齿局部齿,单个齿单个齿,多个齿发生折断的损伤形式多个齿发生折断的损伤形式.根据折根据折断产生的机理断产生的机理,分为疲劳折断和过载折断分为疲劳折断和过载折断,而轮齿上而轮齿上由于各种原因造成的裂纹是折断损伤的前兆由于各种原因造成的裂纹是折断损伤的前兆.(三三) 组合损伤组合损伤造成轮齿损伤的原因错综复杂造成轮齿损伤的原因错综复杂,一种损伤是另一种损一种损伤是另一种损伤的先兆或继续发展的结果伤的先兆或继续发展的结果.使用中轮齿损伤往往使用中轮齿损伤往往不是单一的基
42、本损伤形式不是单一的基本损伤形式,而是两种或多种损伤形而是两种或多种损伤形式的组合式的组合,并且呈现各种复杂的情况并且呈现各种复杂的情况 齿轮的振动特性齿轮的振动机理齿轮的振动机理齿轮可以看成是以轮齿为弹簧齿轮可以看成是以轮齿为弹簧,以齿轮本体为质量的振动系以齿轮本体为质量的振动系统统,由于齿轮刚度周期性变化由于齿轮刚度周期性变化,齿轮装配误差或扭矩变化等齿轮装配误差或扭矩变化等外因引起的激振力作用外因引起的激振力作用,齿轮将会产生圆周方向的扭转振动齿轮将会产生圆周方向的扭转振动.又由于轴又由于轴,轴承轴承,轴承座的变形或齿向误差等原因轴承座的变形或齿向误差等原因,圆周方向圆周方向的扭转振动变
43、会导致径向和轴向振动的扭转振动变会导致径向和轴向振动,从而形成轴承座的扭从而形成轴承座的扭曲振动曲振动.对于闭式传动对于闭式传动,振动可通过轴承和轴承座传到齿轮振动可通过轴承和轴承座传到齿轮箱体箱体,使箱体侧壁产生振动使箱体侧壁产生振动,并激发周围的空气振动而产生并激发周围的空气振动而产生噪声噪声,对于开式传动对于开式传动,则三个方向的齿轮振动直接激发空气则三个方向的齿轮振动直接激发空气振动而产生噪声振动而产生噪声.齿轮的异常振动齿轮的异常振动齿轮磨损引起的振动齿轮磨损引起的振动齿轮制造缺陷引起的振动齿轮制造缺陷引起的振动齿轮不同轴引起的振动齿轮不同轴引起的振动齿轮局部异常引起的振动齿轮局部异
44、常引起的振动齿轮故障诊断齿轮故障诊断检测参数与检测周期检测参数与检测周期检测部位与检测方向检测部位与检测方向诊断程序和检测类型诊断程序和检测类型振动信号特征分析振动信号特征分析齿轮振动故障判断齿轮振动故障判断齿轮故障诊断齿轮故障诊断-频率特征频率特征一。振动信号频率特征一。振动信号频率特征1、啮合过程、啮合过程 单双齿啮合交变、单双齿啮合交变、 齿根到齿顶，啮合刚度变化，变刚度弹簧齿根到齿顶，啮合刚度变化，变刚度弹簧 受载基节发生变化受载基节发生变化2. 齿轮振动信号的调制齿轮振动信号的调制3. 其他成分其他成分齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断1.正常齿轮的频谱正常齿轮的频谱齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断2. 齿轮的齿磨损频谱齿轮的齿磨损频谱齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断3. 齿轮的负载变化齿轮的负载变化齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断4. 齿轮不对中齿轮不对中齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断4. 齿断、齿裂齿断、齿裂齿轮故障诊断齿轮故障诊断-精密诊断精密诊断4. 轴承配合松动轴承配合松动
