第四章振动测试诊断技术

湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术1第四章振动测试诊断技术第一节概述众所周知，设备在运转过程中都会不同程度地发生振动。对于木多数设备来说，当它们稳定工作时，振动有一个典型的极限值和一定的特性。而当设备内部的零件发生异常，即有缺陷时，振动的大小和振动的型式都会发生变化。这就表明，振动信号能真实地反映设备的运行状态。因此，对设备的振动进行测试和分析是掌握设备运行状态的重要手段之。传统的检查设备振动的方法是靠有经验的工人凭听觉，触觉来判断，也就是我们常说的靠耳听、手模来检查。显而易见，这种方法的检查结果不但取决于检查人员的经验，而且只能定性地确定设备状态的好坏，不能确切地分析出引起设备振动的原因，找出产生振动的部位。随着电子工业及计算机技术的发展，现在我们可以用先进的检测和分析仪器，在不停机的情况下，对设备进行振动测量，根据测得的振动参数，分析和判断设备的运行状态，并确定其故障的部位，预测故障的发展，从而可为检修提供可靠的依据，改变过去那种以设备运行时间为主要依据的计划预修制或定期维修制。我们所说的振动测试诊断技术是识别机器运行状态的科学。它研究的是机器运行状态变化在振动信息中的反映。它的内容包括对机器运行状态的识别，预删与监测等三方面。第二节振动的基本知识一，振动的定义及分类所谓振动，即物体围绕其平衡位置作往复运动。如将弹簧系数为k的弹簧和质量为M的重锤组成一简单的系统，如图9-1所示。拉下重锤由自然长度到某一位置后放开，重锤即沿其原静止位置的上、下做往复运动，我们就说重锤在振动。在实际工程中和日常生活中存在着大量的振动问题。不正常的振动可绐运行设备以及人体健康带来危害。但人们也还可以利用振动来进行—些有用的工作(如振动筛等)。由于研究振动的目的和方法不同，振动的分类方法也是多种多样的。如按产生振动的原因分类，则可分为自由振动、受迫振动、自激振动；按振动系统结构参数特性分类，则可分为线性振动、非线性振动；按振动的自由度数分类，则可分为单自由度系统、多自由度系统、弹性体振动；按振动的位移特征分类，可分为扭转振动、直线振动。但就研究设备状态监测与故障诊断技术而言，一般是按振动的规律来分类，即把振动分为确定性振动与随机振动两类。确定性振动的特点是其振动量值随时间有确定的变化规律，可以用一定的函数式来描述。确定性振动又分为周期性振动和非周期性振动。随机振动的特点是其振动量值随时间的变化没有规律，不能用确定函数来描述。随机振动又可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。图9—2是按此种分类法分类的各种振动的简单定义及其波形示例。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术2二、振动的描述1，波形图前述的重锤、弹簧系统中，重锤振动可用重锤的位移与时间的相互关系来描述(横坐标为时间，纵坐标为重锤偏离静止位置距离)，(见图9—1)。这种表示法称之为波形图，它是在时间域上描述振动规律。由图9—2亦可看出，重锤，弹簧系统的振动是最简单的一种振动形式，称之为简谐振动，它的数学表达式为：X=x0sin(ωt+φ)式中ω——角频率；X0——振动体离开其平衡位置的最大位移，通常称为振幅；t——振动运动的时间；φ——初始相位。振动运动往复一次所需的时间称为振动周期(T)，它的倒数称之为振动频率，亦就是1秒钟内振动的次数，单位为赫兹(Hz)即f=1/T由此可见，描述机械振动的3个基本要素是频率，幅值与相位。但在工程实际中，往往不是单一的简谐振动。图9-3为内燃机活塞运动时活塞加速度随时间变化的波形图。由图可见，它是一个复杂周期振动。但根据傅里叶级数原理：任何周期性函数都可用傅里叶级数展开为许多简谐函数之和。这样可以认为复杂周期振动是由若干简谐振动组成的，这些简谐振动的频率之间或谐波(即整倍数)的关系。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术3因此，内燃机活塞运动的加速度波形就可以分解为周期为T1和T2的简谐运动(图9一4)。其中以了T1为周期的波形与原复杂周期波形的周期—致，称为基波，其频率称为基频。以T2为周期的波形称为二次谐波，其频率f2=2f1，称为倍频。这个复杂周期振动只包含这两种频率成分。当然，有的复杂周期振动可包含很多谐波成分，这些谐波的频率均是基频的倍数，常称为高次谐波。2，频谱图从前例看出，复杂周期振动可由几个简谐振动组成。这样，单用时间历程来描述振动，就不能很好地反映振动的特性、产生振动的原因及其对结构物的影响等。因此，在对振动进行分析时，常用另—种描述振动的形式——频谱图。所谓频谱图就是表示振动幅值与频率关系的图形，其横坐标为振动频率，纵坐标为幅值。它是在频率域中描述振动的规律。图9—5是三种不同振动的时域波形(波形图)及频谱图。对于单一简谐振动来说，其频谱图是一条直线(图9-5)，fo代表这个振动的频率，直线的高度代表振动的幅值。一个复杂周期振动(图9-6)，它是由两个简谐振动合成的，其频谱图就是两条直线,fo为它的基频，与之对应的直线高度就是基波的幅值。2f0就是它的二次谐波的频率。同样，对于一个方波，也可以把它分解出一个基波及几个高次谐波(图9-5)。由此可见，用频谱图来描述一个复杂的振动信号，可以很清楚地看出组成这个振动信号的各个谐波频率及大小。因此，它是振动分析中常用的方法。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术43，振动的3个特征量式9-1是简谐振动位移量与时间的关系式，若将此式做一次微分，即可得出振动速度与时间的关系式，二次微分，即可得出振动加速度与时间的关系式，即U＝ωxosin（ωt∏/2)(9—2)a＝ω2XoSin(ωt十∏)(9—3)以时间为横坐标，分别以位移、速度和加速度为纵坐标，就可得到相应的波形图(图9-6)。比较三个关系式及波形图可知，振动的位移，速度和加速度的频率总是一样的，只是速度比位移超前90度，加速度比位移超前180度。因此，在研究物体振动时，可用位移、速度或加速度中的任一个量与时间的关系来描述。这样就给振动测试带来很大的方便。在选定一种参数的传感器后，可以利用积分，微分的原理(借助电子线路)得到另两个量与时的关系曲线。4．幅值的各种表示法振幅值是用来描述振动强度的特性。但根据不同的需要，它的描述量也不同。表9—1是常用的几种描述周期性振动幅值的名称，幅值计算、物理概念及它们间的相互关系。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术5第三节振动测试仪器振动测试的目的是对机器设备的振动量进行定量地测量，进而分析产生振动的原因，找出发生故障的部位。为实现这一目的，往往需要把若干个仪器组成一个测试系统。完整的振动测试系统一般由图9—7所示的四个部分组成。随着采用传感器的不同，测量的要求不同，测量系统的组成有所差别。最简单的测量系统仅由一个传感器和一个测量表头组成。一、传感器传感器的作用是采集机器的振动信号，并把这个信号转换成相应的电信号。传感器的输出电量和输入振动量的瞬时值之间保持一定的比例关系。在旋转机械测试中，常用的传感器有3种类型。1．磁电式速度传感器这种传感器是基于电磁感应原理(图9—8)；当运动的导体在固定磁场里切割磁力线时，导体两端就感应产生电动势。在磁通密度与导线长度一定时，此电动势与导线切割磁力线的速度成正比。由此可知，这种传感器有两个基本元件：线圈和磁铁(一般采用永久磁铁，以产生恒定的永久磁场)。根据线圈运动方法的不同，这类传感器又可分为相对式和惯性式两种。图9—9为惯性式速度传感器的结构图。永久磁铁2用铝架4固定在壳体6里。工作线圈7、阻尼器3通过芯杆与连在一起，再通过弹簧片1和8悬挂在传感器的外壳上。使用时，振动传感器与被测振动体固紧在一起。当被测振动体振动时，壳体也随之振动，线圈阻尼器与壳体间产生相对运动，从而切割磁力线产生感应电动势，此电动势通过接头9而接到测量电路上。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术6此类传感器的特点是：不需外部电源；输出阻抗低，不易受电磁场的干扰，即使在复杂的现场，接很长的导线仍能有较高的信噪比，亦就是说，它对电缆长度的要求不高。但它不适用于测定冲击振动，惯性式速度传感器的频率范围—般为8Hz-~lkHz。2．涡流式位移传感器这是基于电磁感应原理的另一种型式的传感器(图9—10)。当金属板置于变化着的磁场中时，金属板内就产生感应电流，这种电流在金属板内就要产生感应电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称之为涡流。此涡流又将产生一磁场反作用于原线圈；因此，原线圈与涡流(也可把它看做一个线圈，称之为涡流线圈)形成了有—定耦合的互感，互感的大小同二者间的距离及导体的材料有关。由此可见，当传感器的线圈结构与被测导体材料确定之后，它的大小只与距离有关。图9-11和图9-12为两种不同型式的涡流传感器结构图。前者是导线绕在框架上，后者是采用线圈粘贴的方式。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术7此类传感器的特点是它与被测物之间没有直接的机械接触；与其它非接触式传感器相比，频率范围宽(DC～10kHz)，线性度好，在其线性范围内灵敏度不随初始间隙大小而，改变。因此，广泛用于转子轴的监测及转子轴的平均静位移。但在安装使用这类传感器时要注意在传感器端部附近除了被测物体表面外，不得有其它导体与之靠近，以免传感器端部线圈磁通有一部分从其他导体穿过，改变了线圈与被测物的耦合状态，从而不能得到正确反映间隙变化的输出(图9—13)。同时还要注意，被测物体是何种导体材料，因为不同材料对高频磁场的电感效应和涡流损耗也不同，故在使用中要及时进行灵敏度标定。3,压电式加速传感器这种传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电材料(包括压电晶体和压电陶瓷两类)在承受一定方向的外力或变形时，其晶面或极化面上会产生电荷，这种现象称为正压电效应。实验证明，在晶体片上积聚的电荷量与作用力成正比。常用的压电式加速度传感器的结构有两种：中心压缩式和剪切式，剪切式又有环形剪闭式与三角剪切式两种(图9-14)。图9-14a为中心压缩式加速度传感器结构图。两晶体片1并联连接，中间隔一铜盘2，质量块3借硬弹簧4和锁紧螺母5使其压紧在晶体片上(为防止测量过程中质量块脱开晶体片，必须给硬弹簧以一定的预压力)。整个组件安装在底座6上，底座借助其卞的螺钉孔或永久磁铁而固定在被测物体上。当物体振动时，加速度传感器也受振动，这时—个等于质量块的加速度乘以质量块质量的力作用于压电晶体片上，使压电晶体产生与其所受力成正比的电荷。剪切式的工作原理与中心压缩式相同，区别在于压电晶体是与一刚性中心支柱联接(图9-15)，晶体受剪切力。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术8此类传感器的特点是，具有较宽的频带(0．2Hz～10kHz)，本身质量较小(一般为2～50g)。动态范围大。灵敏度高(特别是在高频部分更显出其优于其它形式的传感器)。因而在振动测试中得到广泛的应用。但在选用加速度传感器时，除了应注意其工作频率范围，尽量使被测频率在传感器频率特性曲线的直线内(图9-16)这一点之外，对传感器的安装也应给予足够的重视。安装方式木同将直接影响(限制)加速度传感器的有用频率范围。图9—17为不同安装方式及其典型频率响应示意图。由图可知最理想的安装方式是图9-17a的螺栓连接。二，放大器测振传感器的输出信号—般都是很微弱的。为了进行下一步的分析和记录，必须对此信号进行放大至足够的电平和功率。因而需要配有相应的放大器。除此作用外，一般放大器还湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目振动测试诊断技术9具有积分、微分等功能。常用的测振放大器有以下3种。1，微积分放大器在振动测量中，经常要进行位移、速度与加速度等3个量的相互转换。微积分放大器就是用以把测振传感器的输出信号加以积分、微分和线性放大，得到位移，速度，加速度。如，磁电式速度传感器的输出电势与振动速度成正比。为了获得位移信号，必须进行积分运算。为了获得加速度信号，必须进行微分运算。压电式加速度传感器产生的电荷与振动的加速度成正比。为获得速度或位移信号，必须进行一次或二次积分。由