機械振動學理論、參數(shù)和選擇原則

1、機械振動學理論、參數(shù)和選擇原則振動診斷物體在平衡位置附近的重復往返運動叫機械振動。 （振動必然表現(xiàn)為某些物理量的周期變化）1、振動診斷應用廣泛 機器故障的70通過振動表現(xiàn)振動理論和測量方法技術成熟，相應的儀器裝置在國內(nèi)外市場可購買；2、振動信號靈敏 出現(xiàn)異常，出現(xiàn)振動的加大和變化；3、在線監(jiān)測 振動可實現(xiàn)在線監(jiān)測 涉及內(nèi)容：選擇診斷參數(shù)，選擇測點，選擇拾振器，選擇測振儀器，如何確定判別標準 。測振傳感器是用來測量振動參量的傳感器。根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同，測振傳感器分為三大類 ：振動位移傳感器振動速度傳感器振動加速度傳感器1 測振傳感器 加速度傳感器某些物質如石英晶體，在受到?jīng)_擊性外力

2、作用后，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部發(fā)生極化，相對的表面出現(xiàn)電荷，形成電場。外力消失后，又恢復原狀。這種現(xiàn)象叫做壓電效應。將這種物質置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，叫做電致伸縮效應。多數(shù)人工壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)百倍，也就是說靈敏度要高得多。利用壓電效應，制成壓電式加速度傳感器，可用于檢測機械運轉中的加速度振動信號；利用電致伸縮效應，制成超聲波探頭，可用于探測構件內(nèi)部缺陷。圖31 加速度計壓電式加速度傳感器的內(nèi)部結構圖32 壓電式加速度計a)中心壓縮型 b)環(huán)形剪切型 c)三角剪切型壓電式加速度傳感器的幅頻特性圖左邊是幅頻特性曲線，它反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段，加

3、速度計能比較好的復現(xiàn)信號的波形。幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測得的電信號波形能真實地復現(xiàn)振動波形，就必需使所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。壓電式加速度傳感器的安裝安裝牢固，保證安裝后的加速度計特性具有足夠高的共振頻率。速度傳感器速度傳感器又稱為磁電式變換器，有時也叫作“電動力式變換器”或“感應式變換器”，它利用電磁感應原理，將運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它的工作不需要電源，而是直接從被測物體吸取機械能量并轉換成電信號輸出，是一種典型的發(fā)生器型變換器。由于它的輸出功率較大，因而大大簡化了后續(xù)電路，且性能穩(wěn)定，又具有一定的工作帶

4、寬(一般為101000Hz)，所以獲得了較普遍的應用。磁電式速度傳感器有絕對式和相對式兩種，前者測量被測對象的絕對振動速度，后者測量兩個運動部件之間的相對振動速度。1彈簧片、2殼體、3阻尼環(huán)、4永磁鐵、5線圈、6心軸、7彈簧1.磁電式絕對速度傳感器工作原理 銅制的阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)的質量，降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場中運動時所產(chǎn)生的磁阻尼力，使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼，從而減小共振對測量精度的影響。 原理：E=Blv E-線圈輸出的感應電動勢；B-磁鐵在氣隙中的磁感應強度；l-線圈在氣隙中的導線長度； v-線圈和永磁鐵之間的相對速度。2磁電式相對速度傳感器圖37 磁電式絕對

5、速度傳感器1殼體、2心軸殼體、3彈簧片、4永磁鐵、5線圈、6彈簧片、7引出線磁電式速度傳感器的選用在選擇速度傳感器時首先要注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被測設備的頻譜圖中低于這個頻率的信號是失真的，可信度低。其次是傳感器的靈敏度，例如20mv/mm/s（美國本特利公司）、100 mv/mm/s（德國申克公司），這個參數(shù)用于將測得的電壓值換算成速度值，也是估計傳感器最大輸出電壓的重要參數(shù)。由于要克服自重的影響，速度傳感器分為水平安裝（H型）與垂直安裝（V型）兩種。垂直安裝的速度傳感器與水平安裝的速度傳感器內(nèi)部機械結構參數(shù)是不同的，在使用時必須注意，不能混用。位移傳感器電渦流傳感器能靜態(tài)和動

6、態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化測量傳感器。用于高速旋轉機械和往復式運動機械的狀態(tài)分析，電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點，在大型旋轉機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。渦流傳感器工作原理電渦流效應：根據(jù)法拉第電磁感應原理，金屬導體置于交變磁場中或時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流。振蕩器檢波電路放大器渦電流探頭線圈前置放大器電纜渦流傳感器工作原理圖圖310是目前工業(yè)上常見的渦流傳感器與前置放大器。由于前置放大器與探頭線圈分

7、離，連接兩者之間的電纜構成振蕩電路的電容元件，電纜長度變化導致電氣參數(shù)的變化。因此，探頭電纜與前置放大器是配套的，沒有互換性。一旦電纜損壞，全套報廢，而電纜又是最易損壞的部件。圖311是新型的集成一體化渦流傳感器，它將前置放大電路集成到探頭內(nèi)部，這樣電纜的作用就僅僅是傳輸信號，損壞后可以重新接起來，繼續(xù)使用。所以這種新型的渦流傳感器是應用的方向。圖310 渦流傳感器與前置放大器圖311 集成一體化渦流傳感器渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線圖312 是某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線。因為供電電壓是24V，所以輸出電壓也是負電壓。這樣做的目的是抗干擾。從圖上看，是特性曲線的

8、直線段，也是使用的測量區(qū)間。這個特性曲線通常是生產(chǎn)廠提供。也可在現(xiàn)場用特制的標定器測出，特別是長期使用后的靈敏度此曲線的斜率，線性度及測量范圍的重新標定。圖312 某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線電渦流傳感器探頭的正確安裝電渦流傳感器探頭的正確安裝是保證傳感器系統(tǒng)可靠工作的先決條件，安裝時應該注意以下幾個環(huán)節(jié)。探頭的安裝間隙（探頭端面到被測端面的距離） 各探頭間的最小間距。 探頭頭部與安裝面的安全間距 探頭安裝支架的選擇（牢固性）電纜轉接頭的密封與絕緣。探頭所帶電纜、延伸電纜的安裝探頭抗腐蝕性 探頭的高溫、高壓環(huán)境此外，電渦流傳感器還可用于測厚、測表面粗糙度、無損探傷、測流體壓力、

9、轉速等一切可轉化為位移的物理參量，以及硬度、溫度等。4 振動傳感器的選用原則 在實際測試中，選用振動傳感器應本著可用和優(yōu)化的原則。具體要考慮以下問題1測量范圍測量范圍又稱量程，必須保證不超過 傳感器的測量量程。 2. 頻響范圍振動參量的最顯著特性就是其頻率構 成特性，即一個機械振動信號往往是 由許多頻率不同的信號疊加而成。 傳感器的頻響特性要好，也就是要求其幅頻特性的水平范圍盡可能寬 頻率下限盡可能地低，頻率上限盡可能地高。 3. 靈敏度 一般而言，總是希望傳感器的靈敏度盡量高， 以便檢測微小信號。 要求傳感器的信噪比(S/N)要高，有效地抑制 噪聲信號 4. 精度 5. 穩(wěn)定性 時間穩(wěn)定性和

10、環(huán)境穩(wěn)定性 此外，傳感器的工作方式、外形尺寸、重量等也是需要考慮的因素。一、診斷參數(shù)的選擇振動診斷參數(shù)主要包括振動的位移、速度或加速度例如需要關注的是設備零部件的位置精度或變形引起的破壞時，則應選擇振動位移的峰值（或峰一峰值），因峰值反映的是位置變化的極限值；如關注的是慣性力造成的影響時，則應選擇加速度，因為加速度與慣性力成正比；如關注的是零件的疲勞破壞，則應選擇振動速度的均方根值，因為疲勞壽命主要取決于零件的變形能量與載荷的循環(huán)速度，振動速度的均方根值正好是它們的反映。 1.監(jiān)測目的。傳感器拾取的信息最好就是所要的診斷信息，若通過微分器或積分器得到所要的診斷信息，精度就要差些，特別是微分器最

11、好避免使用。2、振動頻率 一般說應該用傳感器監(jiān)測振動量值大的參數(shù)，減小測量噪聲的干擾。由于加速度、速度和位移值與振動頻率有關，低頻振動（例如 以下）的位移值比速度值大，比加速度值更大，所以應該選用位移計監(jiān)測振動位移；高頻振動（例如 以上）的加速度值大于速度值，更大于位移值，所以應該選用加速度計監(jiān)測振動加速度；頻率在 之間的振動，中頻宜選用速度計監(jiān)測振動速度，也可用位移計或加速度計檢測設備的振動。但是，在考慮設備的振動頻率時，不可忽視傳感器的靈敏度，應該使選用的傳感器有較大的輸出。二、測點選擇(1)測點的振動應能準確、顯著地反映振源的振動狀況。(2)安裝維護傳感器力求方便。(3)測點環(huán)境條件適當

12、。測點選擇在振源，可以直接獲取所需的振動信息，準確性最好。例如，監(jiān)測軸的振動時，選軸頸為測點，用渦電流位移傳感器測軸對殼體的相對振動就是符合準確性要求的選擇。測點選擇在安裝、維護傳感器方便的地方也不可忽視。例如監(jiān)測軸的振動，測點選擇軸頸雖滿足了準確性要求，但把傳感器裝在機器內(nèi)部，一般來說，困難較多，不易實現(xiàn)，也不易維護，不如把測點選擇在外部機殼上方便。測點選擇還應避開高溫、高濕度和溫度變化劇烈以及有磁場干擾的部位，使測量精度不受惡劣環(huán)境的影響。在不可避免的條件下則應選擇抗腐蝕、耐高溫、抗干擾的傳感器。最終權衡利弊，認真選擇一般來說，對普通機械設備，如水泵、鼓風機、電機等裝在滾動軸承上的轉軸，轉

13、速不高、軸承剛性好，轉子與機座相比，機座輕、剛性差，轉軸振動在殼體上反映比較明顯，測點可以選擇在殼體上，當然要盡量靠近軸承的承載區(qū)，以減少信息能量的傳遞損失；對于高速壓縮機等設備，殼體的重量比轉軸大，轉軸的振動在殼體上的反映十分微弱，測點就應選在軸頸處。測點的數(shù)量與機械設備的尺寸，結構和在監(jiān)測范圍內(nèi)可能發(fā)生故障的部位有關，凡是與故障有關的關鍵部位都應配置測點，不應遺漏。例：不同的故障造成的振動在不同方向有不同的反映，旋轉質量不平衡引起的振動主要在水平方向；聯(lián)軸器不同軸線誤差引起的振動主要在軸向；設備與基礎聯(lián)結松動引起的振動主要在垂直方向，由于這些振動的頻率都較低所以監(jiān)測低頻振動時必須在互相垂直

14、的 個方向上都安置傳感器，如果忽略了某個方向的振動監(jiān)測，很可能遺漏掉部分故障信息而得不到正確的診斷結論。軸向垂直水平三、傳感器（拾振器）選擇選不好傳感器，對振動信息進行準確、全面的捕獲與轉換就不可能得到符合實際的診斷結論。1、傳感器的分類目前普遍使用的傳感器有以下幾種：A、壓電式加速度計它主要用于軸承座和殼體振動的絕對 測量有優(yōu)良的頻率特性：0.3_50KHz,很寬的頻率范圍：10000g_+10000g,靈敏度高，重量輕，體積小，壽命長，安裝方便，可遠距離傳輸，（與放大器間可以有幾百米低噪聲電纜）、不需微分電路，故應用廣，優(yōu)先使用。2)B、渦電流位移傳感器實現(xiàn)非接觸相對測量寬的頻率范圍（直流

15、_10KHz),測量范圍大（ ),靈敏度高（80mV/um),結構簡單，不怕油污、耐高溫、抗干擾、定標容易、輸出阻抗低、安裝方便。特別適合旋轉零部件相對軸承的振動測量相對式和絕對式拾振器簡介絕對式拾振器如壓電式加速度計，安裝在被測對象上，捕獲的信息是被測對象相對靜參考系的振動量，適合測量船舶、火箭和設備殼體上某處的絕對振動。相對式拾振器捕獲的信息是被測對象相對動參考系的振動量。傳感器安裝在動參考系上，適合測量旋轉零部件相對機殼的振動。相對式拾振器有接觸式如應變式位移傳感器和非接觸式如渦電流位移傳感器2種。非接觸式拾振器對被測對象的振動沒有任何影響，特別適合小型輕量和低剛度對象。渦電流傳感器原理

16、利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應 復合式傳感器市場有售。用相對式拾振器（非接觸式）測量軸對軸承座的相對振動；用絕對式拾振器測量軸承座的絕對振動。 所測信號經(jīng)電路合成就可直接得到轉軸絕對振動的位移峰一峰值。C、磁電式速度計_測量軸承座和殼體的振動速度優(yōu)點：本身不需要電源、輸出信號大、輸出阻抗低、不易受干擾、測量電路簡單、適用于直接監(jiān)測轉子不平衡不對中引起的軸承座和殼體的振動速度。缺點：但傳感器結構較大,不便使用。頻率范圍較窄（10_20KHz),四、測振儀器選擇信息工程領域軟硬件的飛速發(fā)展，使得監(jiān)測儀器和診斷系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代?？煞謨纱箢悾涸囼炇覂x器和系統(tǒng)、工業(yè)環(huán)境儀器和系統(tǒng)1、試驗室儀器和系統(tǒng)

17、用于大專院校、研究所以及大型企業(yè)的研究中心和診斷中心，分為：A、磁帶FFT分析儀系統(tǒng)磁帶FFT分析儀系統(tǒng)組成 磁帶記錄儀的基本組成部分 結構和原理 磁帶記錄儀由磁頭、磁帶和傳動機構組成。磁頭由帶有氣隙的環(huán)形軟磁鐵心和繞于其上的線圈組成。磁帶表面涂有一層均勻的磁粉。當磁帶記錄信號時，傳動機構使磁帶按一定的線速度在記錄磁頭上平移。當記錄磁頭線圈中有電流通過時，鐵心中產(chǎn)生與電流成比例的磁通，而在鐵心空隙端通過的磁帶上的磁粉被磁化。磁帶離開磁頭后，磁帶上即留有與信號成比例的剩余磁化強度，從而使記錄的信號能長久保存在磁帶上。重放時，磁帶上的磁信號通過重放磁頭還原成電信號。磁帶上的信號可用高頻去磁法抹去，

18、使磁帶能多次使用。 B、虛擬儀器系統(tǒng)在特定軟件平臺上編制特點軟件和顯示界面，可驅動硬件采集；同樣的硬件由于軟件不同可承擔不同任務。開發(fā)平臺主要有NI的LabView和艾捷倫的VEE系統(tǒng)。2、工業(yè)環(huán)境儀器和系統(tǒng)按采集形式分：離線儀器（簡易振動測試儀器、數(shù)據(jù)采集儀）和在線監(jiān)測儀器A、簡易振動測試儀最常用的手持式振動筆高級的可外接傳感器，并有插口可外接設備（示波器、FFT分析儀、磁帶記錄儀等）B、便攜式數(shù)據(jù)采集器-離線式監(jiān)測與診斷系統(tǒng)可完成進行數(shù)據(jù)采集、存儲、FFT頻譜分析，有接口與計算機相連，用軟件完成功能全面的精密診斷。C、在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)針對大型機組和關鍵設備優(yōu)點：隨時獲得目前設備狀況，信息全

19、面。缺點：投資和規(guī)模較大。包括：前端信號采集（傳感器、導線、集線箱等）數(shù)據(jù)采集工作站（對數(shù)據(jù)進行適當分析處理，決定是否上傳，可直接驅動繼電器）系統(tǒng)服務器（控制整個系統(tǒng)工作的中樞，對數(shù)據(jù)存儲、分析，對數(shù)據(jù)根源分析，給出診斷結論）客戶端（及時觀測在線診斷設備的運行情況，安裝在企業(yè)網(wǎng)絡計算機上）儀器選擇原則：數(shù)據(jù)采集儀占主導地位，應用最為廣泛。（基本功能，價格低，實施方便）10%-20%要害設備考慮采用在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)；50-60的設備采用離線或半在線的監(jiān)測診斷；余下的20-30%次要設備，考慮事后維修方式。五、振動標準與診斷標準的建立可分為兩大類,即運行管理標準和生產(chǎn)廠商出廠標準。前者用于評定設備

20、運行狀態(tài)(健康情況) ,對設備的故障進行診斷,確定設備的維修計劃等;后者是用來控制產(chǎn)品的質量、性能和可靠性,因此后者比前者要嚴格。組織：前2個最權威我國的CSBTS/TC53也相應地在分技術委員會中增加了制定設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷標準工作,并已列入國家標準體系。China State Bureau of Technical Supervision 中國國家技術監(jiān)督局TC-Technical Committee標準化組織：人們制訂標準達成一致意見提供一種機制的組織 1、振動絕對標準下圖是國際標準組織頒發(fā)的兩種判別振動強度的標準。ISO39451985是現(xiàn)場評價標準，適用于轉速為6001200r/min的大型旋轉機械，劃分強度的根據(jù)是軸承殼體的振動烈度，即頻率在101000HZ范圍內(nèi)振動速度的均方根值。ISO23721974是車間試驗和驗收的通用標準，適用的轉速為6001200r/min。我國的國家標準GB607585等效采用國際標準ISO2372。 ISO2372-1974;ISO3945-1985它將機器分成四類：類為固定的小機