機(jī)械故障診斷第2章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)(2012-9-21)

機(jī)械故障診斷主講:劉貴杰2012年9月21日第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)

在冶金、化工、機(jī)械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備約占80％，這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、透平制氧機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、大型軋鋼機(jī)等，在眾多的診斷技術(shù)中，沒(méi)有任何技術(shù)能比振動(dòng)信號(hào)分析對(duì)機(jī)器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中易出現(xiàn)不對(duì)中或受外力作用而產(chǎn)生振動(dòng)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(jiàn)，振動(dòng)分析及測(cè)量在診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有著重要的地位。一般所進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)量大致有以下兩方面的內(nèi)容：

1．振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量振動(dòng)構(gòu)件上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位，用于識(shí)別該構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常。

2．結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量，這種測(cè)量方式以某種激振力作用在被測(cè)體上，使被測(cè)件產(chǎn)生受迫振動(dòng)，測(cè)量輸入(激振力)和輸出(被測(cè)體振動(dòng)響應(yīng))，從而確定被測(cè)體的固有頻率、振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)。

第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)按振動(dòng)規(guī)律分類(lèi)這種分類(lèi)，主要是根據(jù)振動(dòng)在時(shí)間歷程內(nèi)的變化特征來(lái)劃分的。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)（1）自由振動(dòng)與固有頻率這種振動(dòng)靠初始激勵(lì)一次性獲得振動(dòng)能量，歷程有限，一般不會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞，不是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備診斷所需考慮的目標(biāo)。描寫(xiě)單自由度線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：通過(guò)對(duì)自由振動(dòng)方程的求解，我們導(dǎo)出了一個(gè)很有用的關(guān)系式：無(wú)阻尼自由振動(dòng)的振動(dòng)頻率為:

式中：m—物體的質(zhì)量、k—物體的剛度這個(gè)振動(dòng)頻率與物體的初始情況無(wú)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(chēng)為固有頻率，這個(gè)結(jié)論對(duì)復(fù)雜振動(dòng)體系同樣成立。它揭示了振動(dòng)體的一個(gè)非常重要的特性。許多設(shè)備強(qiáng)振問(wèn)題，如強(qiáng)迫共振、失穩(wěn)自激、非線性諧波共振等均與此有關(guān)。

按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類(lèi)(2)強(qiáng)迫振動(dòng)和共振物體在持續(xù)的周期變化的外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)叫強(qiáng)迫振動(dòng)，如不平衡、不對(duì)中所引起的振動(dòng)。（慣性力）（阻尼力）（彈性力）（激振力）圖2－2強(qiáng)迫振動(dòng)力學(xué)模型圖2－3強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)過(guò)程a)強(qiáng)迫振動(dòng)b)衰減振動(dòng)c)合成振動(dòng)由圖2—3所見(jiàn)，衰減自由振動(dòng)隨時(shí)間推移迅速消失，而強(qiáng)迫振動(dòng)則不受阻尼影響，是一種振動(dòng)頻率和激振力同頻的振動(dòng)。從而可見(jiàn)，強(qiáng)迫振動(dòng)過(guò)程不僅與激振力的性質(zhì)（激勵(lì)頻率和幅值）有關(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)，這就是強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)。自激振動(dòng)是在沒(méi)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(lì)而引起的振動(dòng)，如油膜振蕩、喘振等。自激振動(dòng)是一種比較危險(xiǎn)的振動(dòng)。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動(dòng)，常常使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。比較規(guī)范的定義是：在非線性機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)，由非振蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幖?lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)稱(chēng)為自激振動(dòng)。

(3)自激振動(dòng)自激振動(dòng)有如下特點(diǎn)：1）隨機(jī)性。因?yàn)槟芤l(fā)自激振動(dòng)的激勵(lì)（大于阻尼力的失穩(wěn)力）一般都是偶然因素引起的，沒(méi)有一定規(guī)律可循。2）振動(dòng)系統(tǒng)非線性特征較強(qiáng)，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(dòng)等）才足以引發(fā)自激振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)所具有的非周期能量轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動(dòng)能量。3）自激振動(dòng)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(huì)有一些變化。4）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動(dòng)。5）振動(dòng)波形在暫態(tài)階段有較大的隨機(jī)振動(dòng)成分，而穩(wěn)態(tài)時(shí)，波形是規(guī)則的周期振動(dòng)，這是由于共振頻率的振值遠(yuǎn)大于非線性影響因素所致；與一般強(qiáng)迫振動(dòng)近似的正弦波（與強(qiáng)迫振動(dòng)激勵(lì)源的頻率相同）有區(qū)別。

自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)這三種振動(dòng)在設(shè)備故障診斷中有各自的主要使用領(lǐng)域。對(duì)于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固松動(dòng)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，多利用脈沖力所激勵(lì)的自由振動(dòng)來(lái)檢測(cè)，測(cè)定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。對(duì)于減速箱、電動(dòng)機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械故障，主要以強(qiáng)迫振動(dòng)為特征，通過(guò)對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率成分、振幅變化等特征參數(shù)分析，來(lái)鑒別故障。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備和能被工藝流體所激勵(lì)的設(shè)備，除了需要監(jiān)測(cè)強(qiáng)迫振動(dòng)的特征參數(shù)外，還需監(jiān)測(cè)自激振動(dòng)的特征參數(shù)。按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類(lèi)

在低頻范圍，主要測(cè)量的振幅是位移量。這是因?yàn)樵诘皖l范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強(qiáng)度，位移量是與應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。在中頻范圍，主要測(cè)量的振幅是速度量。這是因?yàn)檎駝?dòng)部件的疲勞進(jìn)程與振動(dòng)速度成正比，振動(dòng)能量與振動(dòng)速度的平方成正比。在這個(gè)范圍內(nèi)，零件的疲勞破壞為主要表現(xiàn)，如點(diǎn)蝕、剝落等。在高頻范圍，主要測(cè)量的振幅是加速度。它表征振動(dòng)部件所受沖擊力的強(qiáng)度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。按振動(dòng)頻率分類(lèi)低頻振動(dòng)：f<10Hz中頻振動(dòng)：f=10～1000Hz高頻振動(dòng)：f>1000Hz機(jī)械振動(dòng)（按頻率分類(lèi)）振動(dòng)信號(hào)的描述構(gòu)成一個(gè)確定性振動(dòng)有3個(gè)基本要素，即振幅s，頻率f（或ω）和相位φ。即使在非確定性振動(dòng)中，有時(shí)也包含有確定性振動(dòng)。振幅、頻率、相位，這是振動(dòng)診斷中經(jīng)常用到的三個(gè)最基本的概念。簡(jiǎn)諧振動(dòng)可以用下面函數(shù)式表示：速度比位移的相位超前90o，加速度比位移的相位超前180o。比速度超前90o。

圖2—4

簡(jiǎn)諧振動(dòng)的時(shí)域圖像

速度有效值Vrms：亦稱(chēng)速度均方根值，經(jīng)常用到的振動(dòng)測(cè)量參數(shù)。它最能反映振動(dòng)的烈度，所以又稱(chēng)振動(dòng)烈度指標(biāo)。

頻率f：振動(dòng)物體每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，單位Hz。振動(dòng)頻率在數(shù)值上等于周期T的倒數(shù)，即質(zhì)點(diǎn)再現(xiàn)相同振動(dòng)的最小時(shí)間間隔。頻率還可以用角頻率ω來(lái)表示，即：相位

：相位

由轉(zhuǎn)角ωt與初相角φ兩部分組成振動(dòng)信號(hào)的相位，表示振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置。不同振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)都有各自的相位。由幾個(gè)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(huì)使波形發(fā)生很大變化，甚至變得面目全非。

相位測(cè)量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(dòng)平衡測(cè)量，識(shí)別振動(dòng)類(lèi)型和共振點(diǎn)等許多方面。

振動(dòng)信號(hào)的描述設(shè)備狀態(tài)信號(hào)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)備狀態(tài)愈好，轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)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。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。

傳遞力和運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，如齒輪箱、軋鋼機(jī)、切削、擠壓設(shè)備等，附加能量損耗的初始形式也以力和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)，這就是振動(dòng)、摩擦。附加能量損耗的二次形式是發(fā)熱，由此將損耗的能量散發(fā)出去。設(shè)備狀態(tài)信息中主要的物理量是力和運(yùn)動(dòng)，它也有多種形式，包含作功的力、作功的運(yùn)動(dòng)（位移、速度等）、損耗的力和運(yùn)動(dòng)，以振動(dòng)及摩擦熱的形式表現(xiàn)?；谡駝?dòng)(噪聲)測(cè)量與分析振動(dòng)是自然界中的一種很普遍的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)信號(hào)中包含了豐富的機(jī)器狀態(tài)信息，它是機(jī)械設(shè)備故障特征信息的良好載體。利用振動(dòng)信號(hào)來(lái)獲取機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷具有如下優(yōu)點(diǎn)：方便性：利用各種振動(dòng)傳感器及分析儀器，可以很方便地獲得振動(dòng)信號(hào)。在線性：振動(dòng)監(jiān)測(cè)可在現(xiàn)場(chǎng)不停機(jī)的情況下進(jìn)行。無(wú)損性：在振