機(jī)械振動(dòng)的測(cè)試

MeasurementandTestforMechanicalVibration第7章機(jī)械振動(dòng)的測(cè)試

學(xué)習(xí)機(jī)械振動(dòng)的基本知識(shí)，重點(diǎn)掌握機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型、單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)、慣性式測(cè)振傳感器（特別是壓電式加速度計(jì)）的原理與結(jié)構(gòu)。對(duì)振動(dòng)的激勵(lì)、振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)試有一般了解。重點(diǎn)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，慣性式測(cè)振傳感器原理，壓電式加速度計(jì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)與難點(diǎn)難點(diǎn)慣性式測(cè)振傳感器原理。7.1概述7.2振動(dòng)測(cè)試的理論基礎(chǔ)7.3測(cè)振傳感器7.4振動(dòng)的激勵(lì)7.5機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)的估計(jì)7.6振動(dòng)測(cè)試示例學(xué)習(xí)內(nèi)容機(jī)械振動(dòng)是工程技術(shù)中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。除了利用振動(dòng)原理進(jìn)行工作的機(jī)械以外，振動(dòng)都是有害的。振動(dòng)能破壞機(jī)械的正常工作，加快機(jī)械的失效，降低其壽命。振動(dòng)本身以及由它引起的噪聲，對(duì)人體的健康也是有害的。通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的測(cè)量，可以對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行故障診斷，還可以為改進(jìn)其動(dòng)態(tài)特性提供依據(jù)。

7.1概述Introduction機(jī)械振動(dòng)（簡(jiǎn)稱振動(dòng)）：一種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，指的是機(jī)械系統(tǒng)的某些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（如振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等）在一定數(shù)值附近隨時(shí)間變化的振蕩現(xiàn)象。7.1.1機(jī)械振動(dòng)的概念7.1.2振動(dòng)的分類1.按產(chǎn)生振動(dòng)的原因分●

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)●

受迫振動(dòng)——由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動(dòng)●

自激振動(dòng)——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)2.按振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律分●

確定性振動(dòng)●

非確定性振動(dòng)（隨機(jī)振動(dòng)）——振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化無(wú)確定規(guī)律的振動(dòng)，需按概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理簡(jiǎn)諧振動(dòng)（正弦振動(dòng)）非簡(jiǎn)諧周期振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)——振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間按正弦或余弦規(guī)律變化的周期性振動(dòng)，是最基本的振動(dòng)形式——振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間非按正弦或余弦規(guī)律變化的周期性振動(dòng)——振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間按非周期規(guī)律變化的振動(dòng)3.按振動(dòng)系統(tǒng)的自由度分●

單自由度振動(dòng)——用一個(gè)廣義坐標(biāo)即可描述振動(dòng)體位置的振動(dòng)●

多自由度振動(dòng)——需用兩個(gè)或兩個(gè)以上廣義坐標(biāo)才能描述振動(dòng)體位置的振動(dòng)●

連續(xù)彈性體振動(dòng)——需用無(wú)限個(gè)廣義坐標(biāo)才能描述振動(dòng)體位置的振動(dòng)4.按振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特征分●

非線性振動(dòng)——需用非線性微分方程描述的振動(dòng)，不能運(yùn)用疊加原理——可用線性微分方程描述的振動(dòng)，能運(yùn)用疊加原理●

線性振動(dòng)7.1.3振動(dòng)測(cè)試的主要工作內(nèi)容1.基本振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試

——產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、工況監(jiān)測(cè)、故障診斷液壓馬達(dá)、機(jī)車牽引電機(jī)振動(dòng)的檢測(cè)

7.2振動(dòng)測(cè)試的理論基礎(chǔ)TheoreticalFoundationforTestandMeasurementofVibration7.2.1簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最簡(jiǎn)單、最基本的機(jī)械振動(dòng)形式，其振動(dòng)參數(shù)（振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度）均為時(shí)間的正弦或余弦函數(shù)。其他復(fù)雜的振動(dòng)都可以看成許多或無(wú)窮個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成（疊加）。振幅振動(dòng)速度振動(dòng)加速度7.2.2單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型

對(duì)于一般的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其力學(xué)模型通常可簡(jiǎn)化為一個(gè)二階的“質(zhì)量-彈簧-阻尼”單自由度振動(dòng)系統(tǒng)?！百|(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)阻尼比固有頻率1.由作用在質(zhì)量上的力所引起的受迫振動(dòng)振動(dòng)方程為振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的理論基礎(chǔ)！——振動(dòng)加速度——振動(dòng)速度——振幅7.2.3單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)傳遞函數(shù)頻響函數(shù)其中，。幅頻特性相頻特性二階低通幅值（位移）共振：當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于某一頻率幅頻特性值出現(xiàn)最大峰值的現(xiàn)象。幅值（位移）共振頻率當(dāng)很小時(shí)，，據(jù)此可估計(jì)固有頻率。相位共振：當(dāng)時(shí)，必有，位移響應(yīng)的相位一定落后于激振力90°，稱為相位共振。通過(guò)測(cè)定位移響應(yīng)的相位落后于激振力90°所對(duì)應(yīng)的頻率（相位共振頻率），也可估計(jì)固有頻率。2.由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)振動(dòng)方程為——基礎(chǔ)相對(duì)大地（慣性參照系）的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)——質(zhì)量塊相對(duì)大地的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)——質(zhì)量塊相對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)慣性式測(cè)振傳感器測(cè)振的理論基礎(chǔ)！幅頻特性相頻特性二階高通7.2.4機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納

機(jī)械阻抗是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理論分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析方法。定義為線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵(lì)（激振力）下，在頻域內(nèi)激勵(lì)與響應(yīng)之比，即機(jī)械阻抗即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。當(dāng)激勵(lì)為正弦激振力時(shí)，機(jī)械阻抗為系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù)。機(jī)械阻抗的倒數(shù)即為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納。1.機(jī)械阻抗■位移阻抗（動(dòng)剛度）■速度阻抗（機(jī)械阻抗）■加速度阻抗（表觀質(zhì)量）2.機(jī)械導(dǎo)納■位移導(dǎo)納（動(dòng)柔度）■速度導(dǎo)納（機(jī)械導(dǎo)納）■加速度導(dǎo)納（慣性率）

7.3測(cè)振傳感器SensorsforTestandMeasurementofVibration測(cè)振傳感器也稱為拾振器（pickup），是將被測(cè)振動(dòng)參數(shù)（振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度）轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的參量（如電荷、電壓、電流、電阻、電容等）的傳感裝置?？煞譃椋骸?/p>

慣性式（絕對(duì)式）●

相對(duì)式●

接觸式●

非接觸式——被測(cè)振動(dòng)位移（輸入）——質(zhì)量塊相對(duì)殼體的位移響應(yīng)（輸出）——質(zhì)量塊相對(duì)大地（慣性坐標(biāo)系）的位移響應(yīng)7.3.1慣性式測(cè)振傳感器原理■速度計(jì)

——當(dāng)時(shí)，與被測(cè)振動(dòng)的速度成正比；■加速度計(jì)——當(dāng)時(shí)，與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比。■振幅計(jì)

——當(dāng)時(shí)，與被測(cè)振動(dòng)的振幅成正比；慣性式測(cè)振傳感器測(cè)量各振動(dòng)參數(shù)的工作條件：z1.壓電式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)形式B——基座P——壓電片M——質(zhì)量塊S——彈簧7.3.2常用測(cè)振傳感器壓電式加速度計(jì)常用的固定方式

壓電式加速度計(jì)的幅頻特性曲線

7.4振動(dòng)的激勵(lì)ExcitationforVibration在很多場(chǎng)合下，需要按一定的方法通過(guò)激振設(shè)備使特定的機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)起來(lái)，然后通過(guò)振動(dòng)測(cè)量獲取該系統(tǒng)的有關(guān)信息。例如：●

研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、振型、動(dòng)剛度、阻尼等）；●

產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)，即一些機(jī)電產(chǎn)品在一定振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行的耐振試驗(yàn)，以便檢驗(yàn)產(chǎn)品性能及壽命情況等；●

拾振器及測(cè)振系統(tǒng)的校準(zhǔn)試驗(yàn)。7.4.1常用激振方法屬于窄帶激振，應(yīng)用普遍。分點(diǎn)頻激振和掃頻激振，常用磁電式激振器、電液式激振器實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：激振功率大、信噪比高、能保證響應(yīng)測(cè)試的精度。缺點(diǎn)：需要較長(zhǎng)的測(cè)定時(shí)間。1.穩(wěn)態(tài)正弦激振（簡(jiǎn)諧激振）屬于寬帶激振，用白噪聲信號(hào)、偽隨機(jī)信號(hào)或在實(shí)際工況記錄下來(lái)的隨機(jī)信號(hào)作為激振的信號(hào)源。該方法具有快速實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。2.隨機(jī)激振屬于寬帶激振，其測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。3.瞬態(tài)激振■脈沖激振（最常用）■階躍激振■快速正弦掃描激振3.阻抗頭

阻抗頭內(nèi)有兩個(gè)傳感器——一個(gè)是力傳感器，用來(lái)測(cè)量施加在被測(cè)物體上的激振力；另一個(gè)是加速度計(jì)，用來(lái)測(cè)量激振點(diǎn)處的響應(yīng)。

測(cè)定機(jī)械點(diǎn)阻抗。激振器通過(guò)它對(duì)被測(cè)物體施加激振力，同時(shí)也用它測(cè)量激振力和被測(cè)物體在激振點(diǎn)處的響應(yīng)?！鲎饔谩鼋M成阻抗頭7.5.1自由振動(dòng)法給單自由度系統(tǒng)一個(gè)初始振動(dòng)（初始速度或初始位移），系統(tǒng)將作衰減的自由振動(dòng)。振動(dòng)方程為——有阻尼自由振動(dòng)的圓頻率。測(cè)量出、、的大小，則其中當(dāng)阻尼較?。ɡ纾r(shí)，。7.5.2共振法

單自由度系統(tǒng)在受迫振動(dòng)中，當(dāng)激振頻率接近固有頻率時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)就顯著增大。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激振實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的測(cè)試記錄結(jié)果，可以用下述方法進(jìn)行系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)估計(jì)。1.由振幅響應(yīng)的幅頻特性曲線估計(jì)不斷改變激振頻率，可測(cè)得振幅的響應(yīng)曲線。幅值最大處所對(duì)應(yīng)的頻率為振幅共振頻率小阻尼時(shí)，。小阻尼時(shí)阻尼比的估計(jì)：其中、滿足：2.由振幅響應(yīng)的相頻特性曲線估計(jì)不論阻尼比如何，當(dāng)激振頻率等于固有頻率時(shí)，都有（相位共振）。據(jù)此可估計(jì)出固有頻率。設(shè)則即阻尼比可根據(jù)相頻特性曲線在處的斜率估計(jì)出來(lái)。3.由振幅響應(yīng)的實(shí)、虛頻特性曲線估計(jì)對(duì)于7.2.3中的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其實(shí)、虛頻特性為在r=1處，實(shí)部為零，虛部接近最小值。據(jù)此可估計(jì)固有頻率。確定出實(shí)頻特性曲線上兩個(gè)峰