振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

第3章故障診斷振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述3.3振動(dòng)信號(hào)予處理機(jī)械故障診斷學(xué)AnhuiUniversityofTechnology1振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)一、振動(dòng)基本概念１、振動(dòng)物體圍繞平衡位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)機(jī)器設(shè)備由零件和基礎(chǔ)組成一個(gè)彈性系統(tǒng)，某些原因或條件引起這些物體在其平衡位置附近做微小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種每隔一定時(shí)間的往復(fù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為機(jī)械振動(dòng)，固有頻率，阻尼系數(shù)，阻尼比分別為（c為比例系數(shù)）：

系統(tǒng)即研究對(duì)象，一部機(jī)器，或一種結(jié)構(gòu)激勵(lì)或輸入外界對(duì)系統(tǒng)的作用或機(jī)器自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力響應(yīng)或輸出機(jī)器在激勵(lì)下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)行為振動(dòng)診斷對(duì)正運(yùn)行或非工作狀態(tài)的系統(tǒng)給以激勵(lì)，測(cè)出響應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后，與事先制定的某些標(biāo)準(zhǔn)比較，進(jìn)而判斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞、裂紋、磨損、松脫、老化等各種影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。振動(dòng)是機(jī)器運(yùn)行伴生現(xiàn)象，它包含著豐富的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的信息。一般地，隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，機(jī)器的振動(dòng)都會(huì)發(fā)生明顯的變化。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，只有某種形式的較低量級(jí)的振動(dòng)的機(jī)器，當(dāng)其運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，必然會(huì)2振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)產(chǎn)生額外的振動(dòng)或使振動(dòng)加劇，振級(jí)增大，且各類(lèi)故障與振動(dòng)現(xiàn)象的變化之間常有比較明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其特征易于識(shí)別，因此大部分機(jī)械設(shè)備都可采用測(cè)量振動(dòng)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。振動(dòng)診斷的應(yīng)用大部分機(jī)器都適合于采用測(cè)量振動(dòng)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷，如軸承、齒輪、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、建筑等；振動(dòng)是隨著振動(dòng)的產(chǎn)生程度逐步升級(jí)，可根據(jù)振動(dòng)等級(jí)的變化曲線來(lái)判斷設(shè)備的趨勢(shì)，做出相應(yīng)決策。許多故障因振動(dòng)引起，可根據(jù)已知的輸出和系統(tǒng)參數(shù)（如剛度、質(zhì)量、阻尼等）確定輸入，判斷環(huán)境特性，尋找振源所在。振動(dòng)波形特征值：振幅、頻率、相位（三要素）研究對(duì)象：主要研究破壞性振動(dòng)，有用振動(dòng)像振動(dòng)篩、打樁機(jī)等不在研究范圍之內(nèi)。3振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)２、振動(dòng)的原因和危害（1）原因零件間的滾動(dòng)或摩擦；回轉(zhuǎn)往復(fù)件的不平衡力；旋轉(zhuǎn)機(jī)件或部件的不對(duì)中、不對(duì)稱(chēng)；其它如設(shè)備制造誤差、運(yùn)動(dòng)件間的間隙等；微小振動(dòng)與其它件產(chǎn)生共振也會(huì)成為主要振源。（2）危害加劇機(jī)件磨損；降低使用壽命和可靠度、如火車(chē)斷軸；給機(jī)器附加載荷及疲勞破壞，如地震倒屋，地基松動(dòng)；失去正常工作狀態(tài)，如機(jī)床喪失精度；部件未壞但出現(xiàn)次品，如軋鋼因輥振，張力波動(dòng)出廢品。4振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)二、振動(dòng)及其信號(hào)的分類(lèi)動(dòng)態(tài)信號(hào)可分為用確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)表達(dá)的確定性信號(hào)和不能用時(shí)間函數(shù)來(lái)描述的隨機(jī)信號(hào)。工程上所遇到的大多數(shù)是動(dòng)態(tài)信號(hào)，且同時(shí)含有各種信號(hào)成分，總體而言是一種隨機(jī)信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào)分為：1、確定性振動(dòng)可用函數(shù)表示，比較明確

周期振動(dòng)可分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)（單一正弦波）和復(fù)雜周期振動(dòng)（正弦波疊加）非周期振動(dòng)可分為準(zhǔn)周期振動(dòng)（經(jīng)處理可轉(zhuǎn)為周期振動(dòng)）和瞬態(tài)振動(dòng)（單發(fā)的一次性）2、隨機(jī)振動(dòng)不確定性但有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。波形在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)重復(fù)的信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)是大量脈沖信號(hào)的集合，其幅值、波形、峰值出現(xiàn)的時(shí)刻均是隨機(jī)的。隨機(jī)信號(hào)又分為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)（各態(tài)歷經(jīng)及非各態(tài)歷經(jīng)）和非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)（瞬時(shí)信號(hào)等）。對(duì)時(shí)間恒定

平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性(如均方值等）不隨時(shí)間變化。窄頻帶～（受頻帶限制的隨機(jī)振動(dòng)）寬頻帶～（白噪聲）

非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)特殊振動(dòng)，統(tǒng)計(jì)特性(如均方值等）隨時(shí)間變化。幅值不隨時(shí)間變化（或變化很緩慢）的信號(hào)稱(chēng)為（準(zhǔn)）靜態(tài)信號(hào)。5振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.1振動(dòng)理論基礎(chǔ)三、振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型分析振動(dòng)特性的步驟：將實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)化為力學(xué)模型計(jì)算或測(cè)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)根據(jù)力學(xué)模型查表或建立系統(tǒng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，求出所需振動(dòng)特性及有關(guān)參數(shù)。機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)量（x、v、a）、頻率、相位及頻譜等基本參數(shù)有主要影響因素：（1）系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性----質(zhì)量、慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、剛度、阻尼；（2）系統(tǒng)工作條件及外部激勵(lì)。對(duì)于簡(jiǎn)化，指機(jī)器或系統(tǒng)不可能完全按實(shí)際情況來(lái)研究，所以略去次要因素、次要矛盾，但動(dòng)態(tài)特性要求原狀等效。機(jī)器或系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，有質(zhì)量和彈性決定，而阻尼會(huì)使振動(dòng)得到抑制，沒(méi)有阻尼，振動(dòng)會(huì)越來(lái)越大，馬上破壞。如果沒(méi)有能量輸入，因?yàn)樽枘?，振?dòng)會(huì)逐漸停息，所以質(zhì)量、剛性、阻尼為力學(xué)模型三大因素。機(jī)器的質(zhì)量是分布的，要將連續(xù)系統(tǒng)離散化，如把彈性小、質(zhì)量大的構(gòu)件

不計(jì)質(zhì)量的集中質(zhì)量；把質(zhì)量小、彈性大的構(gòu)件

不計(jì)質(zhì)量的彈性元件；阻尼大的部分

不計(jì)質(zhì)量和彈性的阻尼元件。具體的系統(tǒng)簡(jiǎn)化方法要專(zhuān)門(mén)研究。雖然這是振動(dòng)分析的首要問(wèn)題，但以后各章主要學(xué)習(xí)振動(dòng)分析方法是在已知力學(xué)模型的條件下進(jìn)行。6振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述一、測(cè)量分析系統(tǒng)由四部分組成：傳感器、測(cè)量?jī)x器、記錄儀器、分析儀器這里主要回顧傳感器和測(cè)量?jī)x器１、傳感器振動(dòng)量

相應(yīng)的電信號(hào)基本要求：（1）較寬的動(dòng)態(tài)范圍，強(qiáng)弱信號(hào)都能測(cè)到；（2）寬的頻率響應(yīng)范圍；（3）在其頻率響應(yīng)范圍內(nèi)有良好的線性；（4）對(duì)環(huán)境靈敏度低；（5）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、工作可靠、能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性。

分類(lèi)：①位移傳感器接觸式--------電阻式、應(yīng)變式非接觸式------電容式、電渦流式②速度傳感器接觸式-------動(dòng)圈式、動(dòng)磁式非接觸式------變間隙式③加速度傳感器----------壓電式與應(yīng)變式對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，最常用的是相對(duì)位移傳感器，如電渦流式傳感器，對(duì)一般通用機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，多采用測(cè)量絕對(duì)振動(dòng)的壓電式加速度傳感器。7振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述加速度計(jì)

核心是一片壓電晶體材料，通常為人工極化的鐵電陶瓷，受到應(yīng)力作用時(shí)，無(wú)論是拉伸、壓縮還是剪切，在它的兩個(gè)極板上均出現(xiàn)與所加應(yīng)力成比例的電荷。加速度傳感器用得最廣，不僅具有上述優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需電源，自身會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)件，不致被磨損，它體積小、質(zhì)量輕、精度高、適應(yīng)溫度范圍廣，便宜，通過(guò)積分電路可方便地獲得速度和位移信號(hào)。加速度計(jì)有通用型、微型、特殊型、微振級(jí)型，在選擇時(shí)要注意兩點(diǎn)：①靈敏度

高靈敏度需較大壓電材料，體積大，重量重，在較輕的物體上測(cè)量時(shí)輸出特性被重量改變了，故加速度計(jì)重量不大于被測(cè)物體的十分之一。②頻率范圍

加速度計(jì)要保證它的頻響范圍包含了所有感興趣的頻率成分。實(shí)測(cè)時(shí)振動(dòng)范圍往往較寬，從幾HZ到10KHZ。8振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述２、測(cè)量?jī)x器對(duì)信號(hào)放大、處理、顯示。（1）電荷前置放大器

通常放在測(cè)振儀前，將高阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩剐盘?hào)，電纜長(zhǎng)幾十米信號(hào)也不會(huì)衰弱，以滿(mǎn)足其他儀器的需要，放大到信號(hào)合適的電平，以輸給其它儀器?？蓭Хe分電路、帶可調(diào)濾波器。（壓電式傳感器信號(hào)比較弱）（2）濾波器選取感興趣的頻率，去除噪聲。（3）積分電路加速度信號(hào)速度信號(hào)位移信號(hào)（4）激振器對(duì)于靜止的設(shè)備或非工作狀態(tài)下的設(shè)備。（脈沖錘）（4）測(cè)振儀（便攜式測(cè)振儀）

有的測(cè)振儀帶有電荷放大器，測(cè)量參數(shù)可調(diào)節(jié)，量程可調(diào)節(jié)，靈敏度可調(diào)節(jié)，具有自校準(zhǔn)功能，電路過(guò)載報(bào)警，后板可接外部濾波器，及其它接口等特點(diǎn)。9振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述二、測(cè)量參數(shù)的選擇振動(dòng)測(cè)量參數(shù)有位移、速度、加速度。實(shí)際進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)振動(dòng)特點(diǎn)合理地選定測(cè)量參數(shù)。該參數(shù)應(yīng)最能直接反映故障的嚴(yán)重性。從測(cè)量精度的角度，低頻時(shí)宜測(cè)量位移，中頻時(shí)測(cè)量速度，高頻時(shí)測(cè)量加速度。相應(yīng)地所用傳感器有位移、速度、加速度傳感器及力傳感器、阻抗傳感器（即阻抗頭，由一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)力傳感器組合而成）等。各類(lèi)傳感器分別又有多種形式。目前應(yīng)用最廣泛的是壓電式加速度計(jì)。對(duì)大多數(shù)機(jī)器來(lái)說(shuō)，最佳參數(shù)是速度，因其兼顧高、低頻信號(hào)，信號(hào)較平坦，而加速度適用于測(cè)高頻，信號(hào)弱，需放大等，位移適合于測(cè)低頻、振動(dòng)量大的信號(hào)，但受噪聲干擾嚴(yán)重，需濾波器等。所以許多標(biāo)準(zhǔn)采用速度參數(shù)。對(duì)于一個(gè)新的測(cè)點(diǎn)，往往先測(cè)出a、v、x信號(hào)，然后在感興趣的頻率范圍內(nèi)找出最平坦的參數(shù)作為以后測(cè)量的參數(shù)。如無(wú)頻譜分析儀則選速度參數(shù)。10振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述三、測(cè)試實(shí)施1、適用范圍頻率在10～1000HZ的機(jī)械振動(dòng)2、測(cè)點(diǎn)選擇對(duì)尺寸小的設(shè)備允許只測(cè)一點(diǎn)（一點(diǎn)三個(gè)方向），對(duì)于外形較大的設(shè)備一般應(yīng)環(huán)繞機(jī)器外部，在一些有代表性的分散點(diǎn)，測(cè)量其在相互垂直的三個(gè)方向上振動(dòng)量值。測(cè)振傳感器應(yīng)盡可能地布置在最敏感的位置，示例：機(jī)器類(lèi)型傳感器安裝位置使用油膜軸承的電機(jī)位移或速度在每一個(gè)軸承端徑向安裝，用一個(gè)軸位移傳感器來(lái)檢測(cè)軸向壓力磨損使用滾動(dòng)軸承的電機(jī)、泵或壓縮機(jī)速度或加速度在每一個(gè)軸承端徑向安裝，通常在一臺(tái)電機(jī)上用一個(gè)速度/加速度傳感器來(lái)檢測(cè)軸向壓力磨損使用滾動(dòng)軸承的齒輪箱加速度傳感器的安裝盡可能地接近每一個(gè)軸承使用油膜軸承的齒輪箱位移在每一個(gè)軸承上徑向水平和垂直安裝11振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述

傳感器絕不允許安裝在設(shè)備的薄殼、薄蓋等地方。傳感器的安裝必須嚴(yán)格按要求進(jìn)行，安裝時(shí)的微小偏差都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)明顯的影響。傳感器與被測(cè)對(duì)象間必須絕緣。3、標(biāo)準(zhǔn)使用根據(jù)信號(hào)分析確定機(jī)械狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)是很難確定和統(tǒng)一的。衡量機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，國(guó)際上通常利用ISODR2372、ISODR3945《轉(zhuǎn)速為600～1200rpm的機(jī)械振動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)》，我國(guó)目前正逐步制定有關(guān)行業(yè)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，其基本內(nèi)容與ISO標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

4、機(jī)械分類(lèi)為了使各種各樣的精度不一的機(jī)械設(shè)備適用同一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)把機(jī)械分類(lèi)。各種振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)方法略有差異，ISO分成六類(lèi)。根據(jù)VDI2056（加拿大），振動(dòng)值增加2.5倍，即8分貝，就至關(guān)重要了，如果增加10倍，即20分貝，相當(dāng)嚴(yán)重了，機(jī)器已進(jìn)入不允許運(yùn)行狀態(tài)，這種倍數(shù)是相對(duì)于新機(jī)器某點(diǎn)的初始值作為比較標(biāo)準(zhǔn)。12振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024AnhuiUniversityofTechnology3.2振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概述如同一天制造的同一種機(jī)器轉(zhuǎn)子被平衡到同一精度等級(jí)，但幅值有時(shí)相差十倍（尺寸誤差、裝配誤差等引起）。系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)很復(fù)雜，即使同一機(jī)器相鄰測(cè)點(diǎn)，測(cè)量值也會(huì)相差很大。所以在簡(jiǎn)單機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，通過(guò)同一點(diǎn)的振動(dòng)值比較來(lái)確定狀態(tài)。系統(tǒng)地收集數(shù)據(jù)、分析狀態(tài)趨勢(shì)在故障發(fā)生前組織檢修，通過(guò)頻率分析，確定故障部位。特別注意標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)，前提一致性，即只能用同一點(diǎn)的振動(dòng)值進(jìn)行比較。13振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)5/8/2024作業(yè)分四組，每組選一個(gè)題目：1.傳感器結(jié)構(gòu)和原理。2.傳感器的安裝。3.測(cè)量?jī)x器現(xiàn)狀（介紹幾個(gè)比較先進(jìn)的