機械故障診斷第2章機械振動及信號(2012-9-21)

1、機械故障診斷機械故障診斷主講主講: :劉貴杰劉貴杰20122012年年9 9月月2121日日第二章第二章 機械振動及信號機械振動及信號第二章第二章 機械振動及信號機械振動及信號在冶金、化工、機械等企業(yè)中在冶金、化工、機械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備約占約占8080，這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機、電動這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機、電動機、透平制氧機、鼓風(fēng)機、大型軋鋼機等，在眾機、透平制氧機、鼓風(fēng)機、大型軋鋼機等，在眾多的診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比多的診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比振動信號分振動信號分析對機器設(shè)備狀況提供更深刻的了解析對機器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外，由。另外，由于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備

2、在運行中易出現(xiàn)不對中或受外力于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在運行中易出現(xiàn)不對中或受外力作用而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象，其大小與安裝質(zhì)量和使作用而產(chǎn)生振動的現(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，振動分析及用中的故障有直接關(guān)系。由此可見，振動分析及測量在診斷旋轉(zhuǎn)機械中有著重要的地位。測量在診斷旋轉(zhuǎn)機械中有著重要的地位。一般所進行的振動測量大致有以下兩方面的內(nèi)容：一般所進行的振動測量大致有以下兩方面的內(nèi)容：1振動振動基本參數(shù)基本參數(shù)的測量，測量的測量，測量振動構(gòu)件振動構(gòu)件上某點的位移、上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位，用于識別該構(gòu)件的運動狀速度、加速度、頻率和相位，用于識別該構(gòu)件的運動狀態(tài)是否正常。

3、態(tài)是否正常。2結(jié)構(gòu)和部件的結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性動態(tài)特性測量，這種測量方式以某種測量，這種測量方式以某種激振力激振力作用在被測體上，使被測件產(chǎn)生作用在被測體上，使被測件產(chǎn)生受迫振動受迫振動，測量，測量輸入輸入(激振力激振力)和輸出和輸出(被測體振動響應(yīng)被測體振動響應(yīng))，從而確定被，從而確定被測體的固有測體的固有頻率、振型頻率、振型等動態(tài)參數(shù)。等動態(tài)參數(shù)。第二章第二章 機械振動及信號機械振動及信號按振動規(guī)律分類按振動規(guī)律分類這種分類，主要這種分類，主要是根據(jù)振動在是根據(jù)振動在時間時間歷程內(nèi)歷程內(nèi)的變化特征的變化特征來劃分的。來劃分的。第二章第二章 機械振動及信號機械振動及信號（1）自由振動與固有頻

4、率）自由振動與固有頻率 自由振動靠自由振動靠初始激勵一次性獲得振動能量初始激勵一次性獲得振動能量，歷程有限，一般不會，歷程有限，一般不會對設(shè)備造成破壞，不是現(xiàn)場設(shè)備診斷所需考慮的目標(biāo)。描寫單自由度對設(shè)備造成破壞，不是現(xiàn)場設(shè)備診斷所需考慮的目標(biāo)。描寫單自由度線性系統(tǒng)的運動方程式為：線性系統(tǒng)的運動方程式為： 通過對自由振動方程的求解，我們導(dǎo)出了一個很有用的關(guān)系式：通過對自由振動方程的求解，我們導(dǎo)出了一個很有用的關(guān)系式：無阻尼自由振動的振動頻率為無阻尼自由振動的振動頻率為: 式中：式中：m物體的質(zhì)量、物體的質(zhì)量、k物體的剛度物體的剛度 這個振動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)這個振動頻

5、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稱為固有頻率，這個結(jié)論對復(fù)雜振動體系同樣決定是物體自身固有的稱為固有頻率，這個結(jié)論對復(fù)雜振動體系同樣成立。它揭示了振動體的一個非常重要的特性。許多設(shè)備強振問題，成立。它揭示了振動體的一個非常重要的特性。許多設(shè)備強振問題，如強迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。如強迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。0)()(22tkxdttxdmmkn 按振動的動力學(xué)特征分類按振動的動力學(xué)特征分類(2) 強迫振動和共振強迫振動和共振物體在物體在持續(xù)的周期變化的外力作用下產(chǎn)生持續(xù)的周期變化的外力作用下產(chǎn)生的振動叫強迫振動，的振動

6、叫強迫振動，如不平衡、不對中所引起的振動。如不平衡、不對中所引起的振動。（慣性力）（阻尼力）（彈性力）（激振力）tFkxdtdxcdtxdmosin22圖22強迫振動力學(xué)模型圖23 強迫振動響應(yīng)過程a)強迫振動 b)衰減振動 c)合成振動由圖由圖2 23 3所見，衰減自由振動隨時間推移迅所見，衰減自由振動隨時間推移迅速消失，而強迫振動則不受阻尼影響，是一速消失，而強迫振動則不受阻尼影響，是一種振動頻率和激振力同頻的振動。從而可見，種振動頻率和激振力同頻的振動。從而可見，強迫振動過程不僅與激振力的性質(zhì)（激勵頻強迫振動過程不僅與激振力的性質(zhì)（激勵頻率和幅值）有關(guān)，而且，與物體自身固有的率和幅值）有

7、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)，這就特性（質(zhì)量、彈性剛度、阻尼）有關(guān)，這就是強迫振動的特點。是強迫振動的特點。 自激振動是在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)自身的自激振動是在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)自身的原因所產(chǎn)生的激勵而引起的振動，如油膜振蕩、喘振等。原因所產(chǎn)生的激勵而引起的振動，如油膜振蕩、喘振等。自激振動是一種比較危險的振動。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動，自激振動是一種比較危險的振動。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動，常常使設(shè)備運行失去穩(wěn)定性。常常使設(shè)備運行失去穩(wěn)定性。比較規(guī)范的定義是：在非線性機械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩比較規(guī)范的定義是：在非線性機械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖钏?/p>

8、產(chǎn)生的振動稱為自激振動。能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖钏a(chǎn)生的振動稱為自激振動。 (3) 自激振動自激振動 自激振動有如下特點：自激振動有如下特點：1）隨機性。因為能引發(fā)自激振動的激勵（大于阻尼力的失穩(wěn)力）一般都）隨機性。因為能引發(fā)自激振動的激勵（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。是偶然因素引起的，沒有一定規(guī)律可循。2）振動系統(tǒng)非線性特征較強，即系統(tǒng)存在非線性阻尼、元件（如油膜的）振動系統(tǒng)非線性特征較強，即系統(tǒng)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（柔性轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)松動等）才粘溫特性，材料內(nèi)摩擦）、非線性剛度元件（柔性轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)松動等）才足以引發(fā)自激

9、振動，使振動系統(tǒng)所具有的非周期能量轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動能量。足以引發(fā)自激振動，使振動系統(tǒng)所具有的非周期能量轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動能量。3）自激振動頻率與轉(zhuǎn)速不成比例，一般低于轉(zhuǎn)子工作頻率，與轉(zhuǎn)子第一）自激振動頻率與轉(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)固有頻率會有轉(zhuǎn)速相符合。只是需要注意，由于系統(tǒng)的非線性，系統(tǒng)固有頻率會有一些變化。一些變化。4）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動。）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動。5）振動波形在暫態(tài)階段有較大的隨機振動成分，而穩(wěn)態(tài)時，波形是規(guī)則）振動波形在暫態(tài)階段有較大的隨機振動成分，而穩(wěn)態(tài)時，波形是規(guī)則的周期振動，這是由于共振頻率的振值遠大于

10、非線性影響因素所致；與一的周期振動，這是由于共振頻率的振值遠大于非線性影響因素所致；與一般強迫振動近似的正弦波（與強迫振動激勵源的頻率相同）有區(qū)別。般強迫振動近似的正弦波（與強迫振動激勵源的頻率相同）有區(qū)別。自由振動、強迫振動、自激振動這三種振動在設(shè)備故障自由振動、強迫振動、自激振動這三種振動在設(shè)備故障診斷中有各自的主要診斷中有各自的主要使用領(lǐng)域使用領(lǐng)域。p對于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固松動等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的特對于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固松動等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的特性參數(shù)發(fā)生改變的故障，多利用性參數(shù)發(fā)生改變的故障，多利用脈沖力脈沖力所激勵的所激勵的自由振動自由振動來來檢測，測定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系

11、數(shù)等參數(shù)的變化。檢測，測定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。p對于減速箱、電動機、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機械故障，主要以對于減速箱、電動機、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機械故障，主要以強強迫振動迫振動為特征，通過對強迫振動的頻率成分、振幅變化等特為特征，通過對強迫振動的頻率成分、振幅變化等特征參數(shù)分析，來鑒別故障。征參數(shù)分析，來鑒別故障。p對于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備和能被工藝流體所激勵的設(shè)備，除了需要對于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備和能被工藝流體所激勵的設(shè)備，除了需要監(jiān)測監(jiān)測強迫振動強迫振動的特征參數(shù)外，還需監(jiān)測的特征參數(shù)外，還需監(jiān)測自激振動自激振動的特征參數(shù)。的特征參數(shù)。按振動的動力學(xué)特征分類按振動的動力學(xué)特征分類 在在低頻范圍低頻范

12、圍，主要測量的，主要測量的振幅是位移量振幅是位移量。這是因為在。這是因為在低頻范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強度，位移量是與低頻范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強度，位移量是與應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。 在在中頻范圍中頻范圍，主要測量的，主要測量的振幅是速度量振幅是速度量。這是因為振。這是因為振動部件的疲勞進程與振動速度成正比，振動能量與振動速動部件的疲勞進程與振動速度成正比，振動能量與振動速度的平方成正比。在這個范圍內(nèi)，零件的疲勞破壞為主要度的平方成正比。在這個范圍內(nèi)，零件的疲勞破壞為主要表現(xiàn)，如點蝕、剝落等。表現(xiàn)，如點蝕、剝落等。 在在高頻范圍高頻范圍，主要測量的振

13、，主要測量的振幅是加速度幅是加速度。它表征振動。它表征振動部件所受沖擊力的強度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加部件所受沖擊力的強度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。速度值正相關(guān)。按振動頻率分類按振動頻率分類低頻振動：f1000Hz機械振動（按頻率分類）振動信號的描述振動信號的描述構(gòu)成一個確定性振動有構(gòu)成一個確定性振動有3 3個基本要素，即個基本要素，即振幅振幅s s，頻率，頻率f f（或（或）和相位）和相位。即使在非確定性振動中，有時也包含有確定性振動。振幅、頻率、相位，即使在非確定性振動中，有時也包含有確定性振動。振幅、頻率、相位，這是振動診斷中經(jīng)常用到的三個最基本的概念。簡諧振動可

14、以用下面函數(shù)這是振動診斷中經(jīng)常用到的三個最基本的概念。簡諧振動可以用下面函數(shù)式表示：式表示：速度比位移的相位超前速度比位移的相位超前9090，加速度比位移的相位超前，加速度比位移的相位超前180180。比速度超前比速度超前9090。 )sin(tAS圖24 簡諧振動的時域圖像p速度有效值速度有效值Vrms：亦稱速度均方根值，經(jīng)常用到的振動測量參數(shù)。：亦稱速度均方根值，經(jīng)常用到的振動測量參數(shù)。 它最能反映振動的烈度，所以又稱振動烈度指標(biāo)。它最能反映振動的烈度，所以又稱振動烈度指標(biāo)。p 頻率頻率f：振動物體每秒鐘振動的次數(shù)，單位：振動物體每秒鐘振動的次數(shù)，單位Hz。 振動頻率在數(shù)值振動頻率在數(shù)值

15、上等于周期上等于周期T的倒數(shù)，即質(zhì)點再現(xiàn)相同振動的最小時間間隔。的倒數(shù)，即質(zhì)點再現(xiàn)相同振動的最小時間間隔。 頻率還可以用角頻率頻率還可以用角頻率來表示，即：來表示，即：p 相位相位： 相位相位由轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)角t與初相角與初相角兩部分組成兩部分組成振動信號的相位，表示振動質(zhì)點的相對位置。不同振動源產(chǎn)生的振動信號的相位，表示振動質(zhì)點的相對位置。不同振動源產(chǎn)生的振動信號都有各自的相位。由幾個諧波分量疊加而成的復(fù)雜波形，振動信號都有各自的相位。由幾個諧波分量疊加而成的復(fù)雜波形，即使各諧波分量的振幅不變，僅改變相位角，也會使波形發(fā)生很大即使各諧波分量的振幅不變，僅改變相位角，也會使波形發(fā)生很大變化，甚至變得

16、面目全非。變化，甚至變得面目全非。相位測量相位測量分析在故障診斷中亦有相當(dāng)重要的地位，一般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，動平衡測量，識別振動類型和共振點等許多用于諧波分析，動平衡測量，識別振動類型和共振點等許多方面。方面。 f2t振動信號的描述振動信號的描述設(shè)備狀態(tài)信號的物理表現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信號的物理表現(xiàn)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)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。備的劣化，附加能量損耗快速地增大。附

17、加能量損耗中包括附加能量損耗中包括的各種物理量構(gòu)成設(shè)備的狀態(tài)信息中的重要部分。的各種物理量構(gòu)成設(shè)備的狀態(tài)信息中的重要部分。傳遞力和運動的設(shè)備傳遞力和運動的設(shè)備，如齒輪箱、軋鋼機、切削、擠壓設(shè)，如齒輪箱、軋鋼機、切削、擠壓設(shè)備等，附加能量損耗的備等，附加能量損耗的初始形式初始形式也以力和運動表現(xiàn)出來，這也以力和運動表現(xiàn)出來，這就是就是振動振動、摩擦摩擦。附加能量損耗的。附加能量損耗的二次形式二次形式是發(fā)熱，由此將是發(fā)熱，由此將損耗的能量散發(fā)出去。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動，它也有多種形設(shè)備狀態(tài)信息中主要的物理量是力和運動，它也有多種形式，包含作功的力、作功的運動（位

18、移、速度等）、損耗的式，包含作功的力、作功的運動（位移、速度等）、損耗的力和運動，以振動及摩擦熱的形式表現(xiàn)。力和運動，以振動及摩擦熱的形式表現(xiàn)?；谡駝踊谡駝?噪聲噪聲)測量與分析測量與分析o 振動是自然界中的一種很普遍的運動。振動是自然界中的一種很普遍的運動。o 機械振動信號中包含了豐富的機器狀態(tài)信息，它機械振動信號中包含了豐富的機器狀態(tài)信息，它是機械設(shè)備故障特征信息的良好載體。是機械設(shè)備故障特征信息的良好載體。o 利用振動信號來獲取機械設(shè)備的運行狀態(tài)并進行利用振動信號來獲取機械設(shè)備的運行狀態(tài)并進行故障診斷具有如下優(yōu)點：故障診斷具有如下優(yōu)點：n 方便性：利用各種振動傳感器及分析儀器，可以很方方便性：利用各種振動傳感器及分析儀器，可以很方便地獲得振動信號。便地獲得振動信號。n 在線性：振動監(jiān)測可在現(xiàn)場不停機的情況下進行。在線性：振動監(jiān)測可在現(xiàn)場不停機的情況下進行。n 無損性：在振動監(jiān)測過程中，不會對被測對象造成損無損性：在振動監(jiān)測過