機(jī)械故障診斷技術(shù)2_機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)

1、第二章 機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)在冶金、化工、機(jī)械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備約占80，這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、透平制氧機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、大型軋鋼機(jī)等，在眾多的診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比振動(dòng)信號(hào)分析對(duì)機(jī)器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中易出現(xiàn)不對(duì)中或受外力作用而產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象，其大小與安裝質(zhì)量和使用中的故障有直接關(guān)系。由此可見，振動(dòng)分析及測(cè)量在診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有著重要的地位。 振動(dòng)測(cè)量就是通過對(duì)機(jī)械設(shè)備所表現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析，用以判斷機(jī)械自身的劣化程度及預(yù)測(cè)其壽命。一般所進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)量大致有以下兩方面的內(nèi)容：1振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量。測(cè)量振動(dòng)構(gòu)件上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率

2、和相位，用于識(shí)別該構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常。2結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量。這種測(cè)量方式以某種激振力作用在被測(cè)體上，使被測(cè)件產(chǎn)生受迫振動(dòng)，測(cè)量輸入(激振力)和輸出(被測(cè)體振動(dòng)響應(yīng))，從而確定被測(cè)體的固有頻率、振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)。這類測(cè)量稱為“頻率響應(yīng)試驗(yàn)”或“機(jī)械阻抗試驗(yàn)”。2.1 機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)各種機(jī)器設(shè)備在運(yùn)行中，都不同程度地存在振動(dòng)，并且這些振動(dòng)往往與機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，為了能從不同角度來研究振動(dòng)問題，首先介紹機(jī)械振動(dòng)的3種分類方法：按振動(dòng)規(guī)律分類，按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類，按振動(dòng)頻率分類。1.按振動(dòng)規(guī)律分類這種分類，主要是根據(jù)振動(dòng)在時(shí)間歷程內(nèi)的變化特征來劃分的。 大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)是左圖所示幾種振

3、動(dòng)中的一種，或是某幾種振動(dòng)的組合。 設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，其表現(xiàn)的周期信號(hào)往往淹沒在隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)中，而當(dāng)設(shè)備故障程度加劇時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)中的周期成分加強(qiáng)。因此，從某種意義上講，設(shè)備振動(dòng)診斷過程，是從隨機(jī)信號(hào)中提取周期成分的過程。2. 按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類（1）自由振動(dòng)與固有頻率 這種振動(dòng)靠初始激勵(lì)（通常是一個(gè)脈沖力）一次性獲得振動(dòng)能量，歷程有限，一般不會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞，不是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備診斷所需考慮的目標(biāo)。描寫單自由度線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：式中x-振動(dòng)位移量 通過對(duì)自由振動(dòng)方程的求解，我們導(dǎo)出了一個(gè)很有用的關(guān)系式：無阻尼自由振動(dòng)的振動(dòng)頻率為: 式中：m物體的質(zhì)量、k物體的剛度 這個(gè)振動(dòng)頻率與物體的初始情

4、況無關(guān)，完全由物體的力學(xué)性質(zhì)決定是物體自身固有的稱為固有頻率固有頻率，這個(gè)結(jié)論對(duì)復(fù)雜振動(dòng)體系同樣成立。它揭示了振動(dòng)體的一個(gè)非常重要的特性。許多設(shè)備強(qiáng)振問題，如強(qiáng)迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。0)()(22tkxdttxdmmkn 阻尼 振動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中總是會(huì)受到某種阻尼作用，如空氣阻尼、材料內(nèi)摩擦損耗等，只有當(dāng)阻尼小于臨界值時(shí)才可激發(fā)起振動(dòng)。臨界阻尼Ce：振動(dòng)體的一種固有屬性。kmCe2eCC阻尼比：實(shí)際阻尼系數(shù)C與臨界阻尼Ce之比。 當(dāng)阻尼比1時(shí)，為一種振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與初始振動(dòng)無關(guān)，振動(dòng)頻率略小于固有頻率n； 當(dāng)1時(shí)，物體不會(huì)振動(dòng)，而是作非周期運(yùn)動(dòng)。n

5、n,12(2) 強(qiáng)迫振動(dòng)和共振物體在持續(xù)的周期變化的外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)叫強(qiáng)迫振動(dòng)，如由不平衡、不對(duì)中所引起的振動(dòng)。圖2為強(qiáng)迫振動(dòng)的力學(xué)模型。（慣性力）（阻尼力）（彈性力）（激振力）tFkxdtdxcdtxdmosin22圖22強(qiáng)迫振動(dòng)力學(xué)模型圖23 強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)過程a)強(qiáng)迫振動(dòng) b)衰減振動(dòng) c)合成振動(dòng) 由圖23所見，衰減自由振動(dòng)隨時(shí)間推移迅速消失，而強(qiáng)迫振動(dòng)則不受阻尼影響，是一種振動(dòng)頻率和激振力同頻的振動(dòng)。從而可見，強(qiáng)迫振動(dòng)過程不僅與激振力的性質(zhì)（激勵(lì)頻率和幅值）有關(guān)，而且，與物體自身固有的特性（質(zhì)量、彈性剛度、阻尼）有關(guān)，這就是強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)。強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)：1）物體在簡(jiǎn)諧力作用下產(chǎn)生

6、的強(qiáng)迫振動(dòng)也是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)頻率與激勵(lì)頻率相等。)sin()1sin()(2tBtAetxntn由強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式知，其解由通解和特解組成，即 通解部分為衰減自由振動(dòng)，特解部分為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)。式中 A-自由振動(dòng)的振幅， B-強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅。-阻尼比，,-初相角。2）振幅B的大小除與激勵(lì)力大小寫成正比、與剛度成反比外，還與頻率比、阻尼比有關(guān)。 （a）當(dāng)激勵(lì)力的頻率很低時(shí)，即/n很小時(shí)：強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅接近于靜態(tài)位移（力的頻率低，相當(dāng)于靜力），即振幅B與靜力作用下的位移比值=1。 （b）當(dāng)激勵(lì)力的頻率很高時(shí)：0，即物體由于慣性原因跟不上力的變化而幾乎停止不動(dòng)。 （c）當(dāng)激勵(lì)力的頻率與固有頻

7、率相近時(shí)：若阻尼很小，則振幅很大，為共振現(xiàn)象。共振頻率為nnr21此時(shí)共振振幅為：212urB共振區(qū)角頻率：一般為(0.71.4)n3) 物體位移達(dá)到最大值的時(shí)間與激振力達(dá)到最大值的時(shí)間是不同的，兩者之間存在有一個(gè)相位差，這個(gè)相位差同和頻率比與阻尼比有關(guān)。當(dāng)=r時(shí)，即共振時(shí)，相位差等于90。 當(dāng)r時(shí)，相位差180。(3) 自激振動(dòng)自激振動(dòng)是在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)自身的原因所產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng)，如油膜振蕩、喘振等。自激振動(dòng)是一種比較危險(xiǎn)的振動(dòng)。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動(dòng)，常常使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。 比較規(guī)范的定義定義是：在非線性機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖?lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)稱為自激振動(dòng)

8、。自激振動(dòng)的特點(diǎn)：自激振動(dòng)的特點(diǎn)： 1）隨機(jī)性隨機(jī)性。因?yàn)槟芤l(fā)自激振動(dòng)的激勵(lì)（大于阻尼力的失穩(wěn)力）一般都是偶然因素引起的，沒有一定規(guī)律可循。 2）振動(dòng)系統(tǒng)非線性非線性特征較強(qiáng)，即系統(tǒng)存在非線性阻尼存在非線性阻尼、元件（如油膜的粘溫特性，材料內(nèi)摩擦）、非線性剛度元件非線性剛度元件（柔性轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等）才足以引發(fā)自激振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)所具有的非周期能量非周期能量轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動(dòng)能量。 3）自激振動(dòng)頻率頻率與轉(zhuǎn)速不成比例，一般低于轉(zhuǎn)子工作頻率，與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速相符合。只是需要注意，由于系統(tǒng)的非線性，系統(tǒng)固有頻率會(huì)有一些變化。 4）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動(dòng)異步渦動(dòng)。 5）振動(dòng)波形在暫態(tài)階段暫態(tài)階段有較大的隨機(jī)

9、振動(dòng)成分，而穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)，波形是規(guī)則的周期振動(dòng)，這是由于共振頻率的振值遠(yuǎn)大于非線性影響因素所致；與一般強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)近似的正弦波（與強(qiáng)迫振動(dòng)激勵(lì)源的頻率相同）有區(qū)別。自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)這三種振動(dòng)在設(shè)備故障診斷中有各自的主要使用領(lǐng)域。對(duì)于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固松動(dòng)等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的特性參數(shù)發(fā)生改變的故障，多利用脈沖力所激勵(lì)的自由振動(dòng)來檢測(cè)，測(cè)定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。對(duì)于減速箱、電動(dòng)機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械故障，主要以強(qiáng)迫振動(dòng)為特征，通過對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率成分、振幅變化等特征參數(shù)分析，來鑒別故障。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及能被工藝流體所激勵(lì)的設(shè)備，除了需要監(jiān)測(cè)強(qiáng)迫振動(dòng)的特征參數(shù)外

10、，還需監(jiān)測(cè)自激振動(dòng)的特征參數(shù)。3. 按振動(dòng)頻率分類 在低頻范圍，主要測(cè)量的振幅是位移量位移量。這是因?yàn)樵诘皖l范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強(qiáng)度應(yīng)力的強(qiáng)度。位移量是與應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。 在中頻范圍，主要測(cè)量的振幅是速度量速度量。這是因?yàn)檎駝?dòng)部件的疲勞進(jìn)程與振動(dòng)速度成正比，振動(dòng)能量與振動(dòng)速度的平方成正比。在這個(gè)范圍內(nèi)，零件的疲勞破壞疲勞破壞為主要表現(xiàn)，如點(diǎn)蝕、剝落等。 在高頻范圍，主要測(cè)量的振幅是加速度加速度。它表征振動(dòng)部件所受沖擊力的強(qiáng)度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。低頻振動(dòng)：f1000Hz機(jī)械振動(dòng)（按頻率分類）2.2 振動(dòng)信號(hào)的描述構(gòu)成一個(gè)確定性振動(dòng)有3個(gè)基本要素，即振幅

11、s，頻率f（或）和相位。即使在非確定性振動(dòng)中，有時(shí)也包含有確定性振動(dòng)。振幅、頻率、振幅、頻率、相位相位，這是振動(dòng)診斷中經(jīng)常用到的三個(gè)最基本的概念三個(gè)最基本的概念。1. 1. 振幅振幅S:S: 簡(jiǎn)諧振動(dòng)可以用下面函數(shù)式表示：特點(diǎn)：速度比位移的相位超前90，加速度比位移的相位超前180。比速度超前90。 )sin(tAS圖24 簡(jiǎn)諧振動(dòng)的時(shí)域圖像式中A為最大振幅（m或mm），指振動(dòng)物體（或質(zhì)點(diǎn)）在振動(dòng)過程中偏離平衡位置的最大距離）。峰值（單峰值）：A峰峰值（雙峰值，雙幅）：2A 振幅與速度以及加速度的關(guān)系（微分）：速度：)2sin()cos(tVtVv式中：V-速度最大值(mm/s), V=A加速

12、度：)sin(tKa式中 K-加速度最大幅值(m/s2)， K=A2。 必須特別說明一個(gè)與振動(dòng)幅值有關(guān)的物理量即速度有速度有效值效值Vrms，亦稱速度均方根值速度均方根值。這是一個(gè)經(jīng)常用到的振動(dòng)測(cè)量參數(shù)。因?yàn)樗钅芊从痴駝?dòng)的烈度，所以又稱振動(dòng)烈振動(dòng)烈度指標(biāo)度指標(biāo)。 振幅反映振動(dòng)的強(qiáng)度，振幅的平方常與物質(zhì)振動(dòng)的能量成正比。因此，振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)都是用振幅來表示的。速度有效值Vrms、速度最大值Vp（峰值）、速度平均值Vav之間的關(guān)系如下式。速度有效值介于速度最大值和速度平均值之間。ppavrmsVVVV707. 02242頻率頻率f：振動(dòng)物體（或質(zhì)點(diǎn)）每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，用f表示，單位為Hz。

13、 振動(dòng)頻率在數(shù)值上等于周期T的倒數(shù)，即：f=1/T 式中 T周期，即質(zhì)點(diǎn)再現(xiàn)相同振動(dòng)的最小時(shí)間間隔(s或ms)。頻率還可以用角頻率角頻率來表示，即：2f 頻率是振動(dòng)診斷中一個(gè)最重要的參數(shù)，振動(dòng)頻率與診斷方案的確定、狀態(tài)識(shí)外、診斷標(biāo)準(zhǔn)的選用有關(guān)。 2. 頻率頻率f f 3. 相位相位相位由轉(zhuǎn)角t與初相角兩部分組成: t振動(dòng)信號(hào)的相位，表示振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置。振動(dòng)信號(hào)的相位，表示振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置。不同振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)都有各自的相位。* 相位相同的振動(dòng)會(huì)引起合拍共振，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。* 相位相反的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生互相抵消的作用，起到減振的效果。* 由幾個(gè)諧波分量疊加而成的復(fù)雜波形，即使各諧波分量的振

14、幅不變，僅改變相位角，也會(huì)使波形發(fā)生很大變化，甚至變得面目全非。相位測(cè)量分析在故障診斷中亦有相當(dāng)重要的地位，一般用于諧波分析，動(dòng)平衡測(cè)量，識(shí)別振動(dòng)類型和共振點(diǎn)等許多方面。2.3 設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的物理表現(xiàn)機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用分為1）事故前預(yù)防。不能預(yù)防突發(fā)性故障，只能預(yù)防漸變性故障。2）事故后分析。漸變性故障是隨著劣化的進(jìn)展而逐步惡化，在此過程中存在著某些特征信號(hào)與之相應(yīng)地變化，這些特征信號(hào)，就是設(shè)備的狀態(tài)信息，其物理表現(xiàn)就是檢測(cè)、分析的對(duì)象。從根本上講，所有設(shè)備的作用都是能量轉(zhuǎn)換與傳遞，設(shè)備狀態(tài)愈好，轉(zhuǎn)換與傳遞過程中的附加能量損耗愈小。隨著設(shè)備的劣化，附加能量損耗快速地增大。附加能量損耗中包括

15、的各種物理量構(gòu)成設(shè)備的狀態(tài)信息中的重要部分。 以傳遞力和運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，如齒輪箱、軋鋼機(jī)、切削、擠壓設(shè)備等，附加能量損耗的初始形式也以力和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來，這就是振動(dòng)、摩擦。附加能量損耗的二次形式是發(fā)熱，由此將損耗的能量散發(fā)出去。設(shè)備狀態(tài)信息中主要的物理量是力和運(yùn)動(dòng)，它也有多種形式，包含作功的力、作功的運(yùn)動(dòng)（位移、速度等）、損耗的力和運(yùn)動(dòng)，以振動(dòng)及摩擦熱的形式表現(xiàn)。 因此設(shè)備狀態(tài)信息的獲?。簻囟葴y(cè)量應(yīng)盡可能靠近熱源點(diǎn)；測(cè)振的探頭也應(yīng)盡可能地靠近振動(dòng)源，以期獲得盡量強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)。以能量轉(zhuǎn)換為主要工作任務(wù)的設(shè)備，其設(shè)備的狀態(tài)信息包括轉(zhuǎn)換前的能量、轉(zhuǎn)換后的能量以及因這些能量的損耗所衍生的物理量。分述如下：泵

16、、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成介質(zhì)能量的設(shè)備，設(shè)備的狀態(tài)信息包括機(jī)械能的參數(shù)力、速度、振動(dòng)、溫度； 也包含介質(zhì)的能量壓力、流量。電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，設(shè)備的狀態(tài)信息包括：電壓、電流、漏電流；也包括機(jī)械能的參數(shù)力、速度、振動(dòng)（頻率、振幅）、溫度。內(nèi)燃機(jī)類的設(shè)備是將燃料中的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，設(shè)備的狀態(tài)信息以機(jī)械能的參數(shù)力、速度、振動(dòng)、溫度等為主。熱工設(shè)備（工業(yè)爐、窯、化工反應(yīng)塔等）的狀態(tài)信息主要為設(shè)備的溫度場(chǎng)分布。第2章 思考題2-22-2_頻率與物體的初始情況無關(guān)，完全由物體的力學(xué)頻率與物體的初始情況無關(guān)，完全由物體的力學(xué)性質(zhì)決定，是物體自身固有的。性質(zhì)決定，是物體自身固有的。2-32-3在非線性機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖?lì)所產(chǎn)在非線性機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖?lì)所產(chǎn)生生的振動(dòng)稱為的振動(dòng)稱為_。2-52-5機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用分為機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用