《設(shè)備故障診斷技術(shù)》003-設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)-第一部分

1、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)1由于共振所產(chǎn)生大橋坍塌事故2地震及其危害3設(shè)備的振動(dòng)4設(shè)備振動(dòng)出現(xiàn)異常5 振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí) 振動(dòng)傳感器 振動(dòng)信號(hào)的采集 振動(dòng)信號(hào)的分析主要內(nèi)容6振動(dòng)：在一定條件下，振動(dòng)體在其平衡位置附近隨時(shí)間作來(lái)回往復(fù)變化的運(yùn)動(dòng)。 xtATmfkx(t)什么是振動(dòng)？幅值：振動(dòng)能量大小頻率：故障定位相位7分類名 稱主要特征與說(shuō)明按系統(tǒng)的自由度單自由度系統(tǒng)振動(dòng)用一個(gè)獨(dú)立變量就能表示系統(tǒng)振動(dòng)多自由度系統(tǒng)振動(dòng)須用多個(gè)獨(dú)立變量表示系統(tǒng)振動(dòng)連續(xù)彈性體振動(dòng)須用無(wú)限多個(gè)獨(dú)立變量表示系統(tǒng)振動(dòng)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性線性振動(dòng)可以用常系數(shù)線性微分方程來(lái)描述，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力分別與振動(dòng)加速度、速度和位

2、移成正比非線性振動(dòng)要用非線性微分方程來(lái)描述，即微分方程中出現(xiàn)非線性項(xiàng)振動(dòng)的分類8分類名 稱主要特征與說(shuō)明 按 振 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 原 因自由振動(dòng)系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈性恢復(fù)力和慣性力來(lái)維持的振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)阻尼時(shí)，振動(dòng)頻率為系統(tǒng)的固有頻率；當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時(shí)，其振動(dòng)幅度將逐漸減弱受迫振動(dòng)由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動(dòng)，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為激振頻率自激振動(dòng)系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性時(shí)，在一定條件下，沒(méi)有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動(dòng)，其振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率振動(dòng)的分類9分類名 稱主要特征與說(shuō)明 按 振 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 方 向橫向振

3、動(dòng)振動(dòng)發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向xoy平面內(nèi)，大多數(shù)故障所激發(fā)的振動(dòng)為此類振動(dòng)軸向振動(dòng)振動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)軸軸線z方向上，某些故障如不對(duì)中將會(huì)激發(fā)軸向振動(dòng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振，多盤(pán)轉(zhuǎn)子的柔性軸將會(huì)產(chǎn)生扭振振動(dòng)的分類yxz0最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)10設(shè)計(jì)原因設(shè)計(jì)不當(dāng)，運(yùn)行時(shí)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)/自激振動(dòng)結(jié)構(gòu)不合理，應(yīng)力集中設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速接近或落入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)熱膨脹量計(jì)算不準(zhǔn)，導(dǎo)致熱態(tài)不對(duì)中制造原因零部件加工制造不良，精度不夠零件材質(zhì)不良，強(qiáng)度不夠，制造缺陷為什么會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)？11安裝/維修的原因機(jī)械安裝不當(dāng)，零部件錯(cuò)位，預(yù)負(fù)荷大軸系對(duì)中不良機(jī)器幾何參數(shù)(配合間隙、過(guò)盈量及相對(duì)位置)調(diào)整不當(dāng)操作運(yùn)行的原因工藝參數(shù)(介質(zhì)的溫

4、度、壓力、流量、負(fù)荷)偏離設(shè)計(jì)值轉(zhuǎn)速接近或落入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)潤(rùn)滑或冷卻不良啟停機(jī)或升降速過(guò)程操作不當(dāng)，暖機(jī)不夠，熱膨脹不均勻或在臨界區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)為什么會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)？12機(jī)器劣化的原因零部件磨損、點(diǎn)蝕、脫落、腐蝕、產(chǎn)生裂紋配合面受力劣化、產(chǎn)生過(guò)盈不足或松動(dòng)等，破壞了配合的性質(zhì)和精度機(jī)器基礎(chǔ)沉降不均勻，機(jī)器殼體變形為什么會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)？13測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故障監(jiān)控，以避免重大事故。為什么要研究振動(dòng)？14 振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí) 振動(dòng)傳感器 振動(dòng)信號(hào)的采集 振動(dòng)

5、信號(hào)的分析主要內(nèi)容15 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器的標(biāo)定振動(dòng)傳感器16振動(dòng)傳感器的分類類別具體說(shuō)明按測(cè)量原理分機(jī)械方法 、光學(xué)方法 、電測(cè)法按測(cè)振參數(shù)分位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器按轉(zhuǎn)換原理分磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、光學(xué)式按傳感器與被測(cè)物關(guān)系分接觸式傳感器、非接觸式傳感器17工作原理： 當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體置于一個(gè)由通有高頻電流的線圈所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)閉合的電流環(huán)，此即“電渦流”。電渦流將產(chǎn)生一個(gè)與交變磁場(chǎng)相反的渦流磁場(chǎng)的變化，從而使原線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因素都發(fā)生變化，且它們的變化量與

6、線圈到金屬導(dǎo)體之間的距離x的變化量有關(guān)，于是就把位移量變成了電量。電渦流位移傳感器 18電渦流位移傳感器 工作原理： 電渦流效應(yīng)。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 19電渦流位移傳感器 將高頻（100kHz左右）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加給電感線圈L時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H0被測(cè)導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生電渦流i1。電渦流產(chǎn)生與H0方向相反的磁場(chǎng)H1因渦流磁場(chǎng)的反作用，電感線圈的電流幅度、相位等（有效阻抗）發(fā)生

7、改變，經(jīng)檢測(cè)電路可轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化20電渦流位移傳感器 通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，電感線圈有效阻抗的變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的尺寸因子T、電流頻率、電流強(qiáng)度I以及線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離D等參數(shù)有關(guān)。 Z = f (, , T, , I, D )控制, , T, , I 在一定范圍內(nèi)不變，則線圈阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)雖然整個(gè)函數(shù)是非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可取近似線性的一段。（使用時(shí)應(yīng)注意線性范圍）21電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項(xiàng) （1）被測(cè)體材料對(duì)傳感器的影響傳感器特性與被測(cè)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)當(dāng)被測(cè)體為導(dǎo)磁材料（如

8、普通鋼、結(jié)構(gòu)鋼等）時(shí)，由于渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)同時(shí)存在，磁效應(yīng)反作用于渦流效應(yīng)，渦流效應(yīng)減弱，傳感器靈敏度降低。而當(dāng)被測(cè)體為弱導(dǎo)磁材料（如銅，鋁，合金鋼等）時(shí)，由于磁效應(yīng)弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)渦流效應(yīng)要強(qiáng)，因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高。 22電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項(xiàng) （2）被測(cè)體表面平整度對(duì)傳感器的影響不規(guī)則的被測(cè)體表面，會(huì)給實(shí)際的測(cè)量帶來(lái)附加誤差，因此對(duì)被測(cè)體表面應(yīng)該平整光滑，不應(yīng)存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，對(duì)于振動(dòng)測(cè)量的被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um0.8um之間；對(duì)于位移測(cè)量被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um1.6um之間。23電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注

9、意事項(xiàng) （3）被測(cè)體表面磁效應(yīng)對(duì)傳感器的影響渦流在金屬導(dǎo)體中的深度方向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的。電渦流效應(yīng)主要集中在導(dǎo)體表面。（集膚效應(yīng)）。加工過(guò)程中可能形成的殘磁效應(yīng)，以及淬火不均勻、硬度不均勻、金相組織不均勻、結(jié)晶結(jié)構(gòu)不均勻等都會(huì)影響傳感器特性。振動(dòng)測(cè)量時(shí)，若被測(cè)體表面殘磁效應(yīng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量波形畸變。 24電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項(xiàng) （4）被測(cè)體表面鍍層對(duì)傳感器的影響被測(cè)體表面的鍍層對(duì)傳感器的影響相當(dāng)于改變了被測(cè)體材料，視其鍍層的材質(zhì)、厚薄，傳感器的靈敏度會(huì)略有變化。25電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器的使用注意事項(xiàng) （5）被測(cè)體表面尺寸對(duì)傳感器的影響在線圈軸線附近

10、，渦流密度非常小，愈靠近線圈的外徑處，渦流的密度愈大，而在等于線圈外徑1.8倍處,渦流將衰減到最大值的5。被測(cè)體表面為平面時(shí)，被測(cè)面直徑應(yīng)大于線圈直徑的1.5倍；當(dāng)被測(cè)體為圓軸且軸線與線圈中心線正交，一般要求被測(cè)軸直徑為線圈直徑3倍以上，否則傳感器的靈敏度會(huì)下降，被測(cè)體表面越小，靈敏度下降越多。26優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量靈敏度高、頻響范圍寬、測(cè)量范圍大抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量缺點(diǎn)：對(duì)被測(cè)材料敏感對(duì)同一材料，若被測(cè)表面的材質(zhì)不均，或內(nèi)部有裂紋等缺陷，都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。（可用此進(jìn)行無(wú)損探傷）被測(cè)體的形狀對(duì)測(cè)量結(jié)果也有影響。電渦流位移傳感器 27磁電式速度傳感器 當(dāng)穿

11、過(guò)匝數(shù)為w 線圈的磁通 發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 置于永久磁鐵直流磁場(chǎng)內(nèi)的線圈作直線運(yùn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 磁電式絕對(duì)速度計(jì)1、9彈簧片；2磁靴；3阻尼環(huán)；4外殼；5鋁架；6磁鋼；7線圈；8線圈架；10導(dǎo)線；11接線座28磁電式速度傳感器 29磁電式速度傳感器 振動(dòng)監(jiān)測(cè)30優(yōu)點(diǎn)：輸出信號(hào)與振動(dòng)速度成正比，因此較好的兼顧了高頻與低頻振動(dòng)由永久磁鐵感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，傳感器本生不需要電源，使用方便磁鋼-線圈型結(jié)構(gòu)容易獲得高靈敏度，可測(cè)量微小振動(dòng)缺點(diǎn)：體積大，重量大，不適合狹小空間和輕小設(shè)備的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍有限，低頻線性差難以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)量對(duì)安裝角度要求較高，有的型號(hào)只適用于垂直安裝，而有的型號(hào)只適用于水平安

12、裝磁電式速度傳感器 31壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式傳感器壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘油饬Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地會(huì)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電式加速度傳感器：以壓電效應(yīng)作為機(jī)電變換器而制成的加速度傳感器。32石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 壓電式加速度傳感器 33壓電式加速度傳感器 34壓電式加速度傳感器信號(hào)需要經(jīng)過(guò)的后續(xù)的電荷放大器才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集器ICP型，放大電路內(nèi)置的壓電式傳感器，美國(guó)PCB公司第一次使用。壓電式加速度傳感器 35壓電

13、式加速度傳感器 思考：用壓電式傳感器能測(cè)量靜態(tài)或變化很緩慢的信號(hào)嗎？為什么？由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，電荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。36優(yōu)點(diǎn)：頻帶極寬（0.220kHz）；本身質(zhì)量小(250 g)；動(dòng)態(tài)范圍很大；缺點(diǎn)：會(huì)受電場(chǎng)的干擾，且有電荷泄露；某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。壓電式加速度傳感器 37 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器

14、的標(biāo)定振動(dòng)傳感器38傳感器的選擇靈敏度 從一定角度講，傳感器的靈敏度越高越好，靈敏度越高意味著傳感器能夠感知的變化量越小，被檢測(cè)的參數(shù)稍有微小變化就能被檢測(cè)出來(lái)。 但是，當(dāng)靈敏度很高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲容易混入，并且會(huì)被電子系統(tǒng)進(jìn)一步放大。這時(shí)就要求提高信噪比。 量程也是限制靈敏度的另一個(gè)因素。 當(dāng)被測(cè)量是一個(gè)單向向量時(shí)，要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，橫向靈敏度愈低愈好；如果被測(cè)量是二維或三維向量，對(duì)傳感器還應(yīng)要求交叉靈敏度愈低愈好。39精確度表示輸出與被測(cè)物理量的對(duì)應(yīng)程度。 與精確度相對(duì)應(yīng)的是誤差，在工程中常用誤差指標(biāo)來(lái)代替精確度指標(biāo)。精確度有絕對(duì)精確度和相對(duì)精確度兩個(gè)指標(biāo)。 精確度

15、越高，價(jià)格越貴，因此要從實(shí)際需要出發(fā)來(lái)選擇傳感器精度。在實(shí)際工程測(cè)試中，一般情況下要求精度達(dá)到1.5%左右即可，有時(shí)甚至3%5%也是可以接受的。傳感器的選擇40線性即傳感器輸出與輸入成比例關(guān)系，任何傳感器都有一定的線性工作范圍，線性范圍愈寬，表明傳感器的工作量程愈大。傳感器在線性區(qū)內(nèi)工作，是保證測(cè)量精度的基本條件，但保證絕對(duì)工作在線性范圍內(nèi)是不容易的，在某些情況下，在許可限度內(nèi)也可以取其近似線性區(qū)域。如電渦流傳感器，其工作區(qū)間選在初始間隙附近，選用時(shí)必須考慮被測(cè)量變化范圍，保證其非線性誤差在允許限度內(nèi)。傳感器的選擇線性范圍41穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳

16、感器穩(wěn)定性的因素主要有時(shí)間、環(huán)境等。 為保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮其使用環(huán)境，以選擇合適的傳感器類型。在工程實(shí)際應(yīng)用往往要求傳感器能長(zhǎng)期使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)，在這種情況下，對(duì)傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。傳感器的選擇穩(wěn)定性42頻率響應(yīng)特性是指在所測(cè)評(píng)論范圍內(nèi)，傳感器的輸出能夠真正反映被測(cè)參數(shù)而不失真，是傳感器的主要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)。任何傳感器的頻率范圍都有一定的限定范圍，如：位 移傳感器為010kHz，能給出準(zhǔn)確的低頻振幅及相位速 度傳感器為52kHz，能對(duì)中頻的振動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)加速度傳感器為520kHz，高頻范圍信號(hào)較強(qiáng)。 應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象及其可能發(fā)生故障的性質(zhì)選擇適用的傳感器。傳感器的選擇

17、頻率響應(yīng)特性43傳感器的測(cè)量方式也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。如接觸與非接觸，在線與離線測(cè)量，條件不同，對(duì)傳感器的要求亦不同 對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的測(cè)量一般應(yīng)采用非接觸測(cè)量方式。此時(shí)采用電容式、電渦流式等非接觸傳感器比較方便測(cè)量對(duì)象的不同與使用場(chǎng)合的不同，所采用的傳感器往往也不同。例如：對(duì)大型、高精度、價(jià)值高和關(guān)鍵的設(shè)備，測(cè)試時(shí)往往選用精度高，穩(wěn)定性好的傳感器；對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)考慮傳感器的穩(wěn)定性；高溫場(chǎng)合應(yīng)重點(diǎn)考慮傳感器的耐溫性能，強(qiáng)電干擾場(chǎng)合，不應(yīng)選用磁電式或霍爾元件傳感器。傳感器的選擇測(cè)量方式與使用場(chǎng)合44 傳感器類型及原理 傳感器的選擇 傳感器的安裝 傳感器的標(biāo)定振動(dòng)傳感器45

18、盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風(fēng)口和溫度變化劇烈的地方作為測(cè)量點(diǎn)，以保證測(cè)量結(jié)果的有效性對(duì)各測(cè)點(diǎn)做出標(biāo)記，以保證每次測(cè)量的部位不變測(cè)量部位的表面應(yīng)是光滑潔凈的，避免臟物對(duì)振動(dòng)傳遞造成衰減對(duì)于低頻振動(dòng)，應(yīng)在水平和垂直兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，必要時(shí)，還應(yīng)在軸向進(jìn)行測(cè)量；而對(duì)于高頻振動(dòng)，則只需在一個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量。HV傳感器安裝位置的選擇46 測(cè)量轉(zhuǎn)軸時(shí) 通常是在一個(gè)平面內(nèi)正交的兩個(gè)方向分別安裝一個(gè)探頭,即兩個(gè)測(cè)點(diǎn)相差90度。 軸頸的徑向振動(dòng)測(cè)量傳感器安裝位置的選擇47在測(cè)軸承的振動(dòng)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近軸承的承載區(qū)；與被監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件最好只有一個(gè)界面，測(cè)量點(diǎn)必須要有足夠的剛度。傳感器安裝位置的選擇1234測(cè)量徑向振動(dòng)，在承載區(qū)最合適測(cè)量軸向振動(dòng)，路徑最短最合適？482022/7/19加速度傳感器的安裝方式49暫時(shí)安裝：所使用的方法應(yīng)具有良好的可重復(fù)性振動(dòng)探針磁鐵快速連接裝置例如：振動(dòng)探針安裝僅用于難以接近的測(cè)點(diǎn)和鋁制表面，不能測(cè)量低于10HZ的振動(dòng)，共振頻率范圍800-1500HZ加速度傳感器的安裝方式50磁鐵固定可以在有微小曲面的機(jī)器表面安裝機(jī)器表面和磁性必須保持清潔和良