機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)

機(jī)械動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

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第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)

振動(dòng)分析及測(cè)量在振動(dòng)機(jī)械故障中有著重要的地位，為此，本章主要介紹設(shè)備診斷技術(shù)中振動(dòng)分析及振動(dòng)測(cè)量的基本知識(shí)。振動(dòng)測(cè)量簡(jiǎn)單的講就是通過對(duì)機(jī)械設(shè)備所表現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析，用以判斷機(jī)械自身的劣化程度及預(yù)測(cè)其壽命。一般進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量大致有以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量（下圖示例）

（2）結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量

第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)2.1機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中，都不同程度的存在振動(dòng)，這是運(yùn)行機(jī)械的共性。然而，不同的設(shè)備，或同一臺(tái)機(jī)器的不同部位，以及設(shè)備在不同時(shí)刻或不同的狀態(tài)下，其產(chǎn)生的振動(dòng)形式又往往是有差別的，所以應(yīng)當(dāng)從不同的角度來考察振動(dòng)問題。機(jī)械振動(dòng)一般有以下幾種分類方法。1、按振動(dòng)規(guī)律分類2、按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類3、按振動(dòng)頻率分類第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)1、按振動(dòng)規(guī)律分是根據(jù)振動(dòng)在時(shí)間歷程內(nèi)的變化特征來劃分（如圖下頁圖）大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)是周期振動(dòng)、準(zhǔn)周期振動(dòng)、窄帶隨機(jī)振動(dòng)和寬帶隨機(jī)振動(dòng)中的一種，或是某幾種振動(dòng)的組合。一般在啟動(dòng)或停機(jī)過程中的振動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)的。設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，其表現(xiàn)的周期信號(hào)往往淹沒在隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)之中。若設(shè)備故障程度加劇，則隨機(jī)振動(dòng)中的周期成分就會(huì)加強(qiáng)，從而整臺(tái)設(shè)備振動(dòng)增大。因此，從某種意義上講，設(shè)備振動(dòng)診斷的過程，就是從隨機(jī)信號(hào)中提取周期成分的過程。

第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)2、按振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征分類設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因，在于存在一個(gè)或幾個(gè)力的激勵(lì)。不同性質(zhì)的力激起不同類型的振動(dòng)。了解振動(dòng)動(dòng)力學(xué)特征，不僅有助于對(duì)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)作出分析，還有助于說明設(shè)備故障的機(jī)理。因此，掌握振動(dòng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)對(duì)設(shè)備故障診斷具有重要的意義。因此，可將機(jī)械振動(dòng)分為三種類型：

（1）自由振動(dòng)（2）強(qiáng)迫振動(dòng)（3）自激振動(dòng)第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)（1）自由振動(dòng)與固有頻率自由振動(dòng)是物體受到初始激勵(lì)（通常是一個(gè)脈沖力）所引發(fā)的一種振動(dòng)：這種振動(dòng)靠初始激勵(lì)一次性獲得能量，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)備振動(dòng)所必須考慮的因素。單自由度無阻尼線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：通過求解，可得系統(tǒng)的固有頻率：第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)注意：物體并不是一受到激勵(lì)都可發(fā)生振動(dòng)，實(shí)際的振動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中，總是會(huì)受到某種阻尼的作用，如空氣阻尼、材料內(nèi)摩擦損耗等，只有當(dāng)阻尼小于臨界值時(shí)才能激發(fā)振動(dòng)。臨界阻尼是振動(dòng)體的一種固有屬性，用Ce表示：實(shí)際阻尼C與臨界阻尼之比稱為阻尼比，記為ξ當(dāng)ξ<1時(shí)，是一種振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與初始振動(dòng)無關(guān)，振動(dòng)頻w率略小于固有頻率wn(

)；當(dāng)ξ≥1時(shí)，物體不會(huì)振動(dòng)。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)（2）強(qiáng)迫振動(dòng)和共振強(qiáng)迫振動(dòng)：物體在持續(xù)周期變化外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，如不平衡（畫圖示）、不對(duì)中所引起的振動(dòng)。其力學(xué)模型如圖所示。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)其運(yùn)動(dòng)方程為：這是一個(gè)常系數(shù)線性非齊次微分方程，其解由通解和特解組成：前部為通解，衰減自由振動(dòng)；后部為特解，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)。特點(diǎn)：衰減振動(dòng)隨時(shí)間的推移迅速消失，而強(qiáng)迫振動(dòng)則不受阻尼影響，是一種和激振力同頻率的振動(dòng)。因此，強(qiáng)迫振動(dòng)不僅與激振力的頻率和振幅有關(guān)，而且與物體自身固有屬性有關(guān)。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)（3）自激振動(dòng)自激振動(dòng)定義：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)能量所產(chǎn)生的振動(dòng)。也即，設(shè)備在沒有外力作用下，由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng)。它是一種比較危險(xiǎn)地振動(dòng)，設(shè)備一旦發(fā)生自激振動(dòng)，會(huì)使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。自激振動(dòng)也稱為負(fù)阻尼振動(dòng)。設(shè)備產(chǎn)生自激振動(dòng)時(shí)，很小的能量即可產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，只是由于系統(tǒng)的非線性，振幅才被限制在一定量值之內(nèi)。小提琴琴弦的振動(dòng)是隨著你撥動(dòng)的強(qiáng)度而變化的，屬于自激振動(dòng)。

第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)三種振動(dòng)的主要使用領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固件松動(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)來檢測(cè)，以測(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、電機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械的故障，主要以強(qiáng)迫振動(dòng)為特征，通過對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率分析、振幅變化等特征參數(shù)的分析，來鑒別故障。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及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，還需要監(jiān)測(cè)自激振動(dòng)的特征參數(shù)。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)3、按振動(dòng)頻率分類按照振動(dòng)頻率的高低，通常把振動(dòng)分為三類：低頻振動(dòng)：f<10Hz中頻振動(dòng)：f=10~1000Hz高頻振動(dòng)：f>1000Hz低頻振動(dòng)：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)。中頻振動(dòng)：主要測(cè)量速度量。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。零件主要表現(xiàn)為疲勞破壞，如點(diǎn)蝕、剝落等。高頻振動(dòng)：主要測(cè)量加速度。加速度表征振動(dòng)部件所受沖擊力的強(qiáng)度。沖擊力的大小和沖擊頻率與加速度值正相關(guān)。第二章機(jī)械振動(dòng)及信號(hào)2.2振動(dòng)信號(hào)的描述確定性振動(dòng)的三要素：振幅，頻率和相位。1、振幅s簡(jiǎn)諧振動(dòng)可用函數(shù)表示：

s=Asin(2PI×t/T+φ)用角頻率w表示，即w=2PI/T，所以又可以寫成：s=Asin(wt+φ)對(duì)s進(jìn)行一次微分和二次微分，可分別得到速度v和加速度a：v=Awcos(wt+φ)=Awsin(wt+PI/2+φ)

a=Aw2sin(wt+PI+φ)（圖示）振幅反應(yīng)振動(dòng)的強(qiáng)度，振幅的平方常與物質(zhì)振動(dòng)的能量成正比。因此，振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)都是用振幅來表示的。第二土章仇機(jī)綿械振肌動(dòng)及鋤信號(hào)2、頻困率ff：振址動(dòng)物櫻體（裝或質(zhì)及點(diǎn)）尊每秒墊振動(dòng)劃的次碼數(shù)，沙單位Hz。數(shù)值伸上：f=戲1念/T用角臥頻率像表示社：w駕=迫2衰PI字f我國(guó)取交流餡電源恐的頻地率為50絡(luò)Hz。若暗一臺(tái)懂機(jī)器蒸的轉(zhuǎn)項(xiàng)速為15述00脫r/欠mi央n，那頑么其礙轉(zhuǎn)動(dòng)縮慧頻率fr=衫25眠Hz。3、相濤位角ΦΦ由轉(zhuǎn)狼角wt與初設(shè)相位炎角φ兩部立分組漠成，茄即Φ=wt+φ。相位迷表示紗振動(dòng)定質(zhì)點(diǎn)撈的相幻玉對(duì)位描置。遞不同碧振源禍產(chǎn)生籍的信辭號(hào)都吉有各掀自的窩相位瀉。相擊位相奏同會(huì)努引起亭合拍滿共振構(gòu)產(chǎn)生澆嚴(yán)重揭后果局。相賽位相袋反，慌會(huì)產(chǎn)恰生互嶺相抵懲消的捎作用巡壽，起撲到減絮振的顏效果恢。第二廈章鑼機(jī)剛械振脖動(dòng)及梅信號(hào)2.折3設(shè)備含狀態(tài)討信號(hào)準(zhǔn)的物顫理表找現(xiàn)機(jī)械燃故障歉診斷透技術(shù)河的應(yīng)捏用分炕為：事故樹前預(yù)疫防事故第后分穗析事故齊前預(yù)稻防不巖能預(yù)終防突泳發(fā)性蜘故障史，只倒能預(yù)施防漸視變性畢故障騾。漸藍(lán)變性亡故障無時(shí)隨今著劣線化的斥進(jìn)展棗而逐關(guān)步惡分化，紋必有棒某些鑒特征孔信號(hào)善在這腫個(gè)過辭程中李相應(yīng)稻的變屢化。內(nèi)事前取預(yù)防頂就是拒抓住幸這些捆特征殊信號(hào)擔(dān)所發(fā)輪出的糞預(yù)兆刺，及異時(shí)采起取措蝕施，密制止馳故障恭發(fā)展罩。這些寫特征桌信號(hào)疲就是懼設(shè)備摩的狀在態(tài)信本息，題它們餡的物盡理表挺現(xiàn)就誼是檢勁測(cè)、企分析醫(yī)的對(duì)絞象。第二棒章歸機(jī)項(xiàng)械振急動(dòng)及躺信號(hào)設(shè)備并故障灘診斷嚼技術(shù)虛必須依獲取規(guī)表征廣設(shè)備隙狀態(tài)喪信息蕩的那芹些物獻(xiàn)理量稈，作型為診殘斷的亂依據(jù)讓。以能帶量轉(zhuǎn)路換為樹主要希工作翼任務(wù)年的設(shè)將備，答其設(shè)監(jiān)備的酒狀態(tài)悼信息杏包括胃轉(zhuǎn)換唐前的吐能量蹲、轉(zhuǎn)農(nóng)換后值的能薄量以任及因細(xì)這些誘能量葡的損濃耗所寨衍生課的物投理量豎。泵、關(guān)風(fēng)機(jī)嬌、壓劇縮機(jī)裝等是兆將機(jī)漁械能迎轉(zhuǎn)換碧成介兄質(zhì)能霞量的或設(shè)備步，其戴狀態(tài)箭信息淘包括貨機(jī)械秩能的就參數(shù)叔：力妻、速咸度、哥振動(dòng)翻、溫直度；碧也包路含介坡質(zhì)的逐能量念：壓瞞力、樸流量千。電動(dòng)梨機(jī)是梁將電雄能轉(zhuǎn)萄換為識(shí)機(jī)械如能的困設(shè)備綿，其知狀態(tài)之信息珍包括衰：電靜壓、刪電流騰、漏切電流最；也目包