第3章机械装备动态性能1-3节.

第3章机械装备动态性能测试与实验HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院在振动力分析基础学习中，着重论述了振动的基本概念，提出了解决工程振动的一种方法，即理论分析计算法。利用振动系统的质量、阻尼、刚度等物理量描述了系统的物理特性，从而构成系统的力学模型。通过数学分析，求出在自由振动情况下的模态特性（固有频率、模态质量、模态阻尼、模态刚度和振型等），并在激振力的作用下求出相应的受迫振动响应特性。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院上述问题被称为解决振动问题的正过程，如图所示。但对于较复杂结构的物理参数往往并不十分清楚，有些因素更难以确定，例如系统的阻尼、部件的连接刚度、边界条件等等。因此，对于在实际工程中遇到的问题很难得心应手地建立一个符合实际的力学模型，对于初学者来说，会遇到更大的困难。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院解决振动的另一种方法是实验方法，它是第一种方法的逆过程，如图所所示。它主要是通过某种激励方法，使实验对象产生一定的振动响应，继而通过测振仪器直接测量出激励力与系统振动的响应特性，例如：位移、速度、加速度等函数的时间历程。然后通过模拟信号分析或数字信号分析得到系统的模态特性。若利用模态坐标的逆变换，便可获得系统的物理特性。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院用实验方法解决振动问题经历了半个世纪的发展过程，直到70年代以后，振动测试技术才进人一个重要的发展时期。在这一时期，由于计算机的快速发展以及快速傅里叶变换的普遍应用，各种基于数字信号处理原理的频率分析仪以及以计算机为核心的多功能信号分析软件大量涌现，从而大大加强了对工程振动信号的时域及频域分析功能。由于有关软件功能的不断完善，在测试过程中只要掌握振动理论，并熟悉有关仪器、设备的工作原理以及操作步骤和要求，根据激励和响应的关系，就能很容易地通过计算机软件进行模态分析而得到各阶振动模态特性。因此它是一种解决工程振动问题的好方法。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院通用的机械振动测试系统框图HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院第1节振动测试的基本知识一、工程振动中的被测参数工程振动测试的主要参数有：位移、速度、加速度、激振力、振动频率和振幅等。按照描述振动规律的特点，可将振动分为确定性振动和随机振动两大类，其中确定性振动又分为简谐振动、复杂周期振动和准周期振动。1、简谐振动中的测试参数位移、速度和加速度为时间谐和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简单最基本的振动。其函数表达式为：HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院在测量中，振动测试参数的大小常用其峰值、绝对值和有效值来表示。峰值是指振动量在给定区间内的最大值均值是振动量在一个周期内的平均值有效值即均方根值它们从不同的角度反映了振动信号的强度和能量。在测量仪表上，峰值一般用Peak-peak（峰一峰）表示，而有效值则用RMS（Rootmeansquare）表示。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院位移绝对平均值表达式位移有效值表达式它反映了振动的能量或功率的大小HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院对于简谐振动，其位移峰值就是它的幅值A峰值与有效值之比，称为波峰系数或波峰指标。简谐振动的波峰系数位移的有效值HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院有效值与均值之比，称为波形系数。对于简谐振动，其波形系数波峰系数和波形系数反映了振动波形的特征，是机械故障诊断中常用来作为判据的两个重要指标。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院在振动测试过程中，除了振幅、振动频率、振动周期之外，衰减系数或阻尼系数。也是一个重要的特征量，且只能通过振动测试求出HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院2、复杂周期振动中的测试参数复杂周期振动是由一系列频比为有理数的简谐振动叠加而成。当自变量增加到某一定值时，其函数值又恢复到同一个值的振动，所以又简称为周期振动，用周期性函数表示为式中，T为周期，．f1称为基频HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院复杂周期振动可以按如下公式展开为傅里叶级数HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院两个或两个以上的无关联的周期性振动的混合，称为准周期性振动其特点是各频率之比不为有理数。其表达式为：3、准周期振动中的测试参数该式虽由三个简谐振动叠加而成，但不是周期性函数（基本周期无限长）；但经测试而得到的频谱仍然为离散谱。例如：HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院4、非周期振动中的测试参数若描写机械振动量随时间变化的曲线是非周期的，就称这种振动为非周期振动。为了进一步分析非周期振动，频谱分析法仍是十分有效的方法。非周期振动的频谱分析法与周期振动的频谱分析法基本思想类似，不同之点是周期振动的频谱分析法是基于傅里叶级数展开，而非周期振动的频谱分析法则基于傅里叶积分。两种方法统称为频谱分析法。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院二、工程振动测试及信号分析的任务1、对振动参数很清楚的系统，若已知激振力列阵及被测试系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，便可求出振动的位移列阵、速度列阵及加速度列阵。这就是用测量的方法求系统的响应。这是振动力学中的正问题。对工程振动测试的主要要求是，在已知激振力的作用下，通过振动测试求出振动的位移列阵、速度列阵和加速度列阵。如果激振力列阵与系统实际工作时的情况一致或十分近似，通过测试即可弄清机器在实际工作时的振动水平与振动发生时的振动模态。因此，它也被称为实验验证或工程振动测试中的正问题。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院2、对于还不清楚的系统，若已知激振力列阵，并可测知系统的振动位移列阵、速度列阵和加速度列阵，从而通过模态参数（模态频率、振型、阻尼等）来求系统的物理特性参数质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。这是“参数识别”和“系统识别”的问题。通常称这一类问题为振动力学的第一类反问题。这类反问题对振动测试的要求，除了要精确测定振动位移列阵、速度列阵和加速度列阵，还要应用模态分析的方法来识别参数，以便正确地建立系统的力学模型，并完成从模态参数到物理参数的转换，这样就能弄清结构的薄弱环节，为改进结构优化设计提供充分的实验依据。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院3、在已知系统物理参数质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的情况下，测量出振动系统的位移列阵、速度列阵和加速度列阵，即可求出输入的激振力列阵。这是“载荷识别”问题，以寻找引起结构系统振动的振源。这是动力学的第二类逆问题。这类问题对振动测试的要求，除了精确测出系统振动位移列阵、速度列阵和加速度列阵外，往往还要先在已知激振力列阵的情况下进行第一类逆问题的计算与测试，以求得振动结构的系统参数，然后再进行载荷识别。通过这类逆问题的研究，可以查清外界干扰力的激振水平和规律，以便采取措施来减小或控制振动。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院4、工程振动测试及信号分析的任务，还包括监测机器设备工作状况是否稳定、正常及诊断设备故障等。机器和设备在工作过程中发生不正常的运转或故障，往往会使系统的振动情况或噪声水平发生变化，因此，振动与噪声的监测，即对机器在工作情况下产生的振动和噪声的测试结果进行分析可给出机器是否正常工作的重要信息。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院5、振动控制通过振动控制主要为达到以下两个目的：①通过振动控制减少振动量，降低振动水平，以减少甚至消除振动的危害；②通过控制发生振动所需的振动激励信号使振动水平始终保持在一定的范围之内。若要实现以上两个目的，必须首先要利用振动测试手段判明振源及其振动的性质，即振动来源于何处？是自由振动、受迫振动？还是自激振动？振动的频率成分如何？等等，然后方能“对症下药”，采取恰当的治理措施。这便要求进行系统的振动测试与信号分析，为制定治理措施和有关修改结构的参数提供充分的实验依据。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院三、工程振动测试方法及分类1、机械式的测量方法将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录。此法常用的仪器有杠杆式测振仪等，能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院2、光学式的测量方法将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。常用的仪器有读数显微镜和激光测振仪等。目前光学测量方法主要是在实验室内用于振动仪器系统的标定及校准。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院3、电测方法将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。这是目前应用得最广泛的测量方法。它与机械式和光学式的测量方法比较，有以下几方面的优点：•具有较宽的频带；•具有较高的灵敏度和分辨率；•具有较大的动态测量范围；•振动传感器可以做得很小，以减小传感器对试验对象的附加影响，还可以做成非接触式的测量系统；•可以根据被测参量的不同选用不同的振动传感器；•能进行远距离测量；•便于对测得的信号进行贮存，以便作进一步分析；•适合于多点测量和对信号进行实时分析。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院第2节振动传感器的机械接收原理一、传感器的作用振动传感器的作用原理振动传感器的基本作用是接收被测的机械量或力学量并将其转换成与之有确定性关系的电量，并将这些电量提供给测试系统的后续设备。HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院二、相对式机械接收原理相对式机械接收原理示意图HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院三、惯性式机械接收原理惯性式机械接收原理示意图HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院1、惯性式测振仪的动力分析为研究惯性质量块m与外壳的相对振动规律，取惯性质量块m为研究对象，则惯性质量块的受力如图所示。设被测物体振动的位移函数为X（相对于静坐标系），惯性质量块m相对于外壳的相对振动位移函数为：Xr，其动坐标系固结在外壳上，静坐标系与地面相固连。则HarbinInstituteofTechnology机械动力学哈尔滨工业大学机电工程学院HarbinInstituteofTechnology机械动