振動(dòng)測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

1、機(jī)器振動(dòng)分析基礎(chǔ)知識(shí)基本概念和理論 振動(dòng)及其根源 質(zhì)量、彈性和阻尼 正弦波 幅值、頻率和相位 隨機(jī)振動(dòng)和沖擊 時(shí)域和頻域 位移、速度和加速度 固有頻率和共振 機(jī)械阻抗 臨界轉(zhuǎn)速什么是振動(dòng) 振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng) 系統(tǒng)機(jī)器結(jié)構(gòu)管道流體，氣體以上的結(jié)合 激勵(lì)引起系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的力作用或擾動(dòng) 響應(yīng)所有力作用于系統(tǒng)上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)有的振動(dòng)是有用的任何機(jī)器都產(chǎn)生振動(dòng)SYSTEMFV兩種振動(dòng) 整體振動(dòng) 質(zhì)量剛體 壓力波 源于接觸點(diǎn)的力在材料中縱波傳遞 以聲音在介質(zhì)中的速度（鐵，5000m/s)加速度傳感器可測(cè)量?jī)烧?，速度傳感器只測(cè)量前者力和響應(yīng) 振動(dòng)的根源是力，力激起和維持振動(dòng) 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡-離心力-軸應(yīng)力-軸承和

2、機(jī)座 不平衡，不對(duì)中，轉(zhuǎn)子彎曲，齒輪偏心。當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，這些力導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定幅值振動(dòng) 即使機(jī)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也不是完全重復(fù)性周期 其它力的響應(yīng) 共振，外界干擾，管道擾動(dòng)等隨機(jī)因素旋轉(zhuǎn)機(jī)器可視為機(jī)械振蕩器所有機(jī)器的振動(dòng)表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)和沖擊脈沖 隨機(jī)振動(dòng)不能重復(fù)自身，不能確定頻率 流體漩渦，紊流，摩擦，風(fēng)，輪胎噪聲，泵氣穴 真正的隨機(jī)振動(dòng)在頻域表現(xiàn)為水平線，如果觀察時(shí)間足夠，如2分鐘，所有頻率將出現(xiàn)。 沖擊脈沖是單事件瞬態(tài)過(guò)程 振動(dòng)重復(fù)，阻尼衰減機(jī)械系統(tǒng)：質(zhì)量、彈簧和阻尼 質(zhì)量：運(yùn)動(dòng)的物體，產(chǎn)生慣性力，儲(chǔ)存動(dòng)能 彈簧：抑制運(yùn)動(dòng)的力，儲(chǔ)存系統(tǒng)勢(shì)能 阻尼：將能量損耗為熱 系統(tǒng)模型：?jiǎn)巫杂?/p>

3、度系統(tǒng)正弦波 金屬制造的機(jī)器可忽略阻尼-簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值、頻率和相位 頻率：Hz, CPM, orders 幅值： 位移 um 速度 mm/s 加速度 g P, P-P, RMS, AVG相位 相位：0-360。測(cè)量時(shí)間間隔 參考點(diǎn)：反光標(biāo)記 光電相位傳感器 高點(diǎn)。動(dòng)平衡時(shí)，需確定高點(diǎn)相位差：機(jī)器某一位置相對(duì)于另一位置處的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)域和頻域頻譜分析是機(jī)器監(jiān)測(cè)最強(qiáng)的工具鋼琴C中音: 周期 3.9ms頻率256Hz諧頻：512Hz768Hz典型振動(dòng)信號(hào)的頻譜 簡(jiǎn)諧波形及其頻譜 脈沖波形及其頻譜 方波形及其頻譜 簡(jiǎn)諧拍波及其頻譜名稱 波 形 頻 譜 名稱 波 形 頻 譜典型振動(dòng)信號(hào)的頻譜位移、速度和

4、加速度 位移、速度和加速度都是對(duì)力的響應(yīng) 向量：表示振動(dòng)幅值和相位vadvad=A sin tv=A sin( t+ /2)a=A sin( t+ )位移、速度和加速度 位移測(cè)量強(qiáng)調(diào)低頻 位移必須振動(dòng)頻率做補(bǔ)充才能正確評(píng)估振動(dòng)的嚴(yán)重程度例，60Hz下振動(dòng)2mils P-P要比5Hz 下振動(dòng)2mils P-P 對(duì)設(shè)備的損壞程度要大得多 推薦應(yīng)用10Hz以下水平安裝轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)位移/速度等級(jí)圖表 加速度強(qiáng)調(diào)的是高頻 評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng)狀態(tài)時(shí)也具有頻率依賴性。例如，在300Hz時(shí)2g要比在3000Hz時(shí)的2g振動(dòng)程度要嚴(yán)重得多 推薦應(yīng)用在振源頻率超過(guò)5000Hz以上，如齒輪嚙合頻率、電機(jī)籠條通過(guò)頻率、葉片

5、通過(guò)頻率等，這些振源在很多情況下會(huì)產(chǎn)生多階諧頻水平安裝轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)加速度/速度等級(jí)圖表振動(dòng)速度幅值直接與機(jī)器的狀態(tài)有關(guān)振動(dòng)速度在10-2000Hz頻率范圍內(nèi)不存在對(duì)頻率的依賴關(guān)系。振源頻率范圍5-5000Hz時(shí)，一般選擇測(cè)量振動(dòng)速度一臺(tái)轉(zhuǎn)速為1800 RPM的機(jī)器，7.6mm/s的振動(dòng)與另一臺(tái)轉(zhuǎn)速為10000 RPM，振動(dòng)也為7.6mm/s的機(jī)器，具有同樣的振動(dòng)損壞程度。（a）位移頻譜圖（b）速度譜（c）加速度譜能否在頻譜圖中看到極其重要的軸承故障頻率，取決于對(duì)測(cè)量幅值類型的選擇在一臺(tái)300RPM的風(fēng)機(jī)上測(cè)量振動(dòng)位移、速度、加速度的比較固有頻率和共振 固有頻率取決于彈性（剛度）和質(zhì)量 簡(jiǎn)諧系統(tǒng)

6、固有頻率 機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)取決于激勵(lì)的頻率 在固有頻率以下，輸入的力主要克服系統(tǒng)彈性，系統(tǒng)剛性占主導(dǎo) 在固有頻率以上，系統(tǒng)質(zhì)量慣性占主導(dǎo)，輸入的力主要克服系統(tǒng)慣性 系統(tǒng)剛性力與慣性力總是180相位差 剛性力不隨頻率改變，慣性力與頻率的平方成正比 當(dāng)剛性力與慣性力相等抵消，系統(tǒng)沒(méi)有約束 共振：系統(tǒng)激勵(lì)頻率等于固有頻率共振 幅值響應(yīng)放大，對(duì)金屬部件很容易放大10-100倍 理論上幅值可放大的無(wú)限大，唯一制約是系統(tǒng)阻尼 “擴(kuò)音板”現(xiàn)象，可能是聲學(xué)問(wèn)題而不是振動(dòng)問(wèn)題。但板也可能共振屬振動(dòng)問(wèn)題阻尼 所有材料具有內(nèi)部阻尼 金屬的阻尼非常小 塑料、橡膠、紙、土壤阻尼較高-用于控制振動(dòng) 阻尼系數(shù)：阻尼/臨界

7、阻尼 臨界阻尼：系統(tǒng)沒(méi)有振蕩，小于一周回到零點(diǎn) 阻尼導(dǎo)致一些頻率移動(dòng)，對(duì)鋼鐵結(jié)構(gòu)，頻移可以忽略。這意味著機(jī)器內(nèi)部軸承振動(dòng)將傳遞到機(jī)殼，而頻率幾乎不變阻尼系數(shù) 0 0.2 0.4機(jī)械阻抗 力沿機(jī)器結(jié)構(gòu)部件傳遞，通過(guò)不同材料和界面 轉(zhuǎn)子-軸-軸承-機(jī)殼 鋼鐵結(jié)構(gòu)機(jī)器上，主要損失發(fā)生在界面 外部振動(dòng)是振源和傳遞路徑的綜合影響 頻率幾乎不變，反映振源 振幅反映傳遞路徑 振動(dòng)能量在結(jié)構(gòu)中取最小阻抗路徑機(jī)械阻抗 機(jī)械阻抗是機(jī)械系統(tǒng)阻止振蕩力傳遞的特性 理想機(jī)械部件： 阻尼器：阻抗對(duì)不同頻率阻抗恒定 質(zhì)量：阻抗隨頻率增加 彈簧：阻抗隨頻率減小。彈簧通過(guò)高頻振動(dòng)，對(duì)高頻隔振效果差臨界轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進(jìn)入共振狀態(tài)

8、的轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子固有頻率不完全相等 轉(zhuǎn)子和軸承具有依賴轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)特性 二階臨界轉(zhuǎn)速一般是一階的2.5-4倍 有時(shí)候是固定結(jié)構(gòu)共振，需要區(qū)分 機(jī)器運(yùn)行：離開(kāi)20%，盡快通過(guò)臨界振動(dòng)測(cè)量基礎(chǔ) 人的感官 傳感器 濾波器FFT分析儀 采樣、抗混淆 窗函數(shù) 平均 線性和對(duì)數(shù)坐標(biāo) 觸發(fā) 解調(diào)分析、軸承監(jiān)測(cè) 相位測(cè)量及應(yīng)用 預(yù)測(cè)維修程序人的感官人耳可感知空氣振動(dòng) 20Hz-20kHz, 40Hz帶寬。是大部分機(jī)器振動(dòng)的頻率范圍機(jī)器振動(dòng)頻率范圍可到10kHz，大部分5kHz以下人手可感知100Hz以下的振動(dòng)，更高頻率需聽(tīng)聲音100Hz電氣嗡嗡聲軸承特征頻率（3/4個(gè)）50-500Hz金屬接觸沖擊產(chǎn)生10

9、00-10000Hz，金屬撞擊聲大部分結(jié)構(gòu)共振發(fā)生在100-5000Hz流體氣穴 3000-5000Hz1800RPM 泵的典型振動(dòng)頻率機(jī)器頻譜位置振動(dòng)傳感器速度傳感器加速度傳感器加速度、速度、位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍和頻率響應(yīng)加速度傳感器安裝與頻率響應(yīng)濾波高通濾波低通濾波帶通濾波帶阻濾波頻譜分析儀頻譜參數(shù) 幅值參數(shù)： 加速度、速度、位移、解調(diào) 頻率范圍 Fmin - Fmax 譜線數(shù) 400，800，1600，3200 分辨率: (Fmax/譜線數(shù))*1.5 窗函數(shù) 譜平均 觸發(fā)，疊加定義：需要什么結(jié)果定義：如何獲得時(shí)間波形段 采樣點(diǎn)數(shù) N 1024，2048，4096，8192 時(shí)間段 D D

10、=N/(Fmax*2.56)平均觸發(fā)類型,疊加 信號(hào)被測(cè)量。信號(hào)被測(cè)量。Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.4個(gè)用于平均個(gè)用于平均的樣本的樣本怎樣選擇這些怎樣選擇這些點(diǎn)？點(diǎn)？觸發(fā)類型,疊加 沒(méi)有鍵相計(jì)，從一個(gè)任意點(diǎn)開(kāi)始記錄進(jìn)行平均沒(méi)有鍵相計(jì)，從一個(gè)任意點(diǎn)開(kāi)始記錄進(jìn)行平均數(shù)量足夠的數(shù)據(jù)。數(shù)量足夠的數(shù)據(jù)。窗將末尾的值置零，允許這個(gè)區(qū)域窗將末尾的值置零，允許這個(gè)區(qū)域的疊加會(huì)減少采樣時(shí)間。的疊加會(huì)減少采樣時(shí)間。觸發(fā)類型,無(wú)鍵相疊加 50%的疊加是最常用的。的疊加是最常用的

11、。66.7%也是合適的值。也是合適的值。時(shí)間同步平均 帶有鍵相計(jì)，采樣開(kāi)始在鍵相脈沖表明軸處于帶有鍵相計(jì)，采樣開(kāi)始在鍵相脈沖表明軸處于參考位置時(shí)。參考位置時(shí)。tacho pulse采樣、抗混淆采樣定理抗混淆濾波FFT：采樣頻率=2.56Fmax1024-4002048-8004096-1600未加抗混淆濾波有抗混淆濾波窗函數(shù) 窗函數(shù)用來(lái)整理信號(hào)block的形狀使其邊緣光滑以防止頻譜泄漏。 通常使用漢寧窗，其他窗：漢明窗,平頂窗,矩形窗. 影響分辨率：窗口系數(shù)幅值精度 動(dòng)態(tài)范圍20*log最小信號(hào)/最大信號(hào) (dB) 在大的信號(hào)中區(qū)分出小信號(hào)的測(cè)量能力 取決于：AD位數(shù)，電子噪聲 自動(dòng)量程刻度，

12、線性與對(duì)數(shù)坐標(biāo)通頻振動(dòng)OAOARSS RSS = =通頻振動(dòng)是所有振動(dòng)成分的能量總和通頻振動(dòng)是所有振動(dòng)成分的能量總和N =N =譜線數(shù)譜線數(shù)Ai =Ai =每條譜線上的幅值每條譜線上的幅值N NBF BF = =加窗噪聲帶寬（漢寧窗為加窗噪聲帶寬（漢寧窗為1.51.5）問(wèn)題：在頻譜的頻率范圍以外可能存在相當(dāng)大的振動(dòng)成分問(wèn)題：在頻譜的頻率范圍以外可能存在相當(dāng)大的振動(dòng)成分解調(diào)分析高通濾波取包絡(luò)FFT2k-20kHz 帶通濾波的選擇軸承監(jiān)測(cè) 解調(diào)頻譜作為一個(gè)早期指示參數(shù) 檢查正常頻譜和解調(diào)頻譜： 都沒(méi)有故障頻率，狀態(tài)良好，作為基線繼續(xù)監(jiān)測(cè) 只在解調(diào)頻譜存在故障頻率，早期故障指示，或需要潤(rùn)滑 在兩種頻

13、譜中都存在譜峰值，計(jì)劃下一次維修更換 只在正常頻譜中存在峰值，同時(shí)在解調(diào)頻譜中噪聲水平升高，立即更換振動(dòng)相位及其應(yīng)用相位反映機(jī)器某一部分的振動(dòng)與另一部位振動(dòng)的相互關(guān)系。相位分析是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，可用于協(xié)助查找故障源。許多設(shè)備問(wèn)題都會(huì)引起1X較大振動(dòng)（如，不平衡、不對(duì)中、偏心、軸彎曲、軟地腳、齒輪斷齒、共振、緊固螺栓松動(dòng)等），也有些問(wèn)題可以在2X或3X RPM處產(chǎn)生較大的振動(dòng)。面對(duì)這些問(wèn)題及可能產(chǎn)生的頻率成分，很難確定振動(dòng)的原因。在每個(gè)軸承座上測(cè)量振動(dòng)相位，能使問(wèn)題的確定容易些。振動(dòng)相位測(cè)量使用頻閃燈測(cè)量振動(dòng)相位通過(guò)參考標(biāo)記來(lái)讀取相位角，誤差較大在轉(zhuǎn)子上設(shè)參考標(biāo)記，在靜子上設(shè)置角度盤在靜子上設(shè)

14、參考標(biāo)記，在轉(zhuǎn)子上設(shè)置角度盤振動(dòng)相位測(cè)量光電傳感器測(cè)量相位，靜止的光電頭對(duì)準(zhǔn)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)部件的反光帶。振動(dòng)診斷中利用相位分析軸承座是做前后振動(dòng)，還是做扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：測(cè)量軸向1、2、3、4點(diǎn)上的振動(dòng)相位相位顯示軸承座是在做平面運(yùn)動(dòng)如果，1、3兩測(cè)點(diǎn)相位相差180度，說(shuō)明軸承存在上、下翅起，如果在測(cè)點(diǎn)2、和測(cè)點(diǎn)4之間的相位相差180度，說(shuō)明軸承座左右扭曲振動(dòng)，可能是由于軸彎曲或軸承翅起引起。不平衡的相位表現(xiàn)在相鄰且位置相差90度的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)得的振動(dòng)相位相差約90度。如果此相位角較大地偏離90度，意味著存在著一個(gè)除不平衡以外的其它問(wèn)題。徑向振動(dòng)相位測(cè)量，分析不平衡問(wèn)題不平衡的相位表現(xiàn)比較轉(zhuǎn)子兩端軸承座上水

15、平和垂直相位差，確認(rèn)不平衡1XRPM振動(dòng)幅值肯定是較高的，并且在兩個(gè)軸承座上水平方向的振動(dòng)相位差等于垂直方向的振動(dòng)相位差（30）。這說(shuō)明，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在水平方向和垂直方向是相同的，否則，其主要問(wèn)題可能就不會(huì)是不平衡問(wèn)題了。松動(dòng)問(wèn)題的相位表現(xiàn) 有些機(jī)械松動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)振動(dòng)相位測(cè)量是可以發(fā)現(xiàn)的，已經(jīng)可靠緊固的機(jī)械部件應(yīng)該是與其它部件間同步運(yùn)動(dòng)，在各個(gè)零部件之間不應(yīng)該存在顯著的幅值和相位的變化，如果在相互配合的零部件之間存在振動(dòng)幅值和相位的變化，那么機(jī)械松動(dòng)問(wèn)題的存在是值得懷疑的。 在墊板（BASE PLATE)和支承混凝土基礎(chǔ)（CONCRETE BASE)之間存在著顯著的振動(dòng)幅值和相位的變化，這說(shuō)

16、明，很可能是由于在兩部件間的水泥灌漿不充分所引起的。不對(duì)中問(wèn)題的相位表現(xiàn) 聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸承的振動(dòng)相位差接近180。振動(dòng)幅值和相位角的測(cè)量應(yīng)該在聯(lián)軸節(jié)相鄰的兩個(gè)軸承座的4個(gè)象限位置進(jìn)行。 四個(gè)測(cè)量象限的位置要從同一個(gè)參考方向觀察確定，避免相位數(shù)據(jù)的混亂。在軸承座A位置2處所進(jìn)行的相位測(cè)量必須與軸承座B位置2處所進(jìn)行的相位測(cè)量相比較徑向振動(dòng)相位對(duì)軸平行不對(duì)中問(wèn)題比較敏感，而軸向振動(dòng)相位對(duì)軸角不對(duì)中問(wèn)題比較敏感。不對(duì)中問(wèn)題的相位表現(xiàn)電機(jī)軸承1和軸承2振動(dòng)方向相互之間一致，軸承3和軸承4也是同相振動(dòng)，這說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在內(nèi)部不對(duì)中、軸彎曲和軸承翅起等問(wèn)題。在聯(lián)軸節(jié)兩端存在180的相位變化，這說(shuō)明在軸承2和軸承3之間存在不對(duì)中問(wèn)題。 大多數(shù)的不對(duì)中問(wèn)題是平行不對(duì)中和角不對(duì)中同時(shí)存在的，單純的角不對(duì)中或平行不對(duì)中是很少見(jiàn)的。 測(cè)量的相差越是接近180，不對(duì)中的可能性就越大，不管這個(gè)相位差是軸向測(cè)量的還是徑向測(cè)量的。有效的預(yù)測(cè)維修的工作程序