振动测量分析基础知识

振动测量分析基础知识主要内容•振动的三要素•振动频谱•RMS,P,P-P和AVG•什么时候使用位移,速度或加速度?•振动的允许值•频谱分析范围和谱线数•通频振动•相位测量及其应用什么是振动？怎样利用它来进行评价机器的状态？振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此振动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器轴承座上测量振动的过程可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在没有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。振动就是机器或机零件从其平衡位置所做的往复运动。振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。图1质量块位于平衡位置且没有任何力的作用什么是振动？怎样利用它来进行评价机器的状态？当有一个作用力施加在质量块上时，如向上托起质量块，如图二所示，质量块向上运动，弹簧在这个力的作用下被压缩。图2质量块被一个向上的力激励一旦这个质量块达到上部极限位置时，撤除作用力，质量块开始下落。质量块将下落通过平衡位置而继续向下运动到它的下部极限位置处如图三所示。图3撤除作用力后质量块的响应什么是振动？怎样利用它来进行评价机器的状态？当质量块达到下部极限位置时，它将停止向下运动，而再次改变方向通过平衡位置处移动到上部极限位置；然后停止而再返回到下部极限位置。如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记录带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来。图4对施加的激励力连续响应图5在恒速运动的记录纸上记录质量块的振动什么是振动？怎样利用它来进行评价机器的状态？什么是振动频率？它与振动波形有什么关系？考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频率。如下图所示：频率的单位是用CPM或用Hz表示（1Hz＝60CPM）。图6振动波形的位移和频率什么是振动位移？位移就是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。位移的单位可以用mils(1mil=0.001inch)表示，或用microns(1micron=0.001mm)表示。进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。图7从振动时间波形中了解振动速度什么是振动速度？振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量。质量块在运动波形的上部和下部极限位置时，其速度为0，这是因为质量块在这两点处，在它改变运动方向之前，必须停下来。质量块的振动速度在平衡位置处达到最大值，在此点处质量块已经加速到最大值，在此点以后质量块开始减速运动。振动速度的单位是用in/sec来表示，或用mm/sec来表示。什么是振动加速度？振动加速度被定议为振动速度的变化率，其单位是用有多少个g来表示。在海平面处1.0g＝32.2/ft/sec/sec＝386.087in/sec/sec＝9806.65mm/sec/sec。由下图可见加速度最大值处是速度值最小值的地方，在这些点处质量块由减速到停止然后再开始加速。图8从振动时间波形中了解振动加速度当一个机器的轴承座振动时，由于它连续不断地在前后运动中改变运动速度，所以它经受着力的加速作用。速度的变化率越大，也就是加速度值越大，施加在机器上的作用力也就越高。什么是振动相位？振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。图9两个同相位振动的质量块振动系统什么是振动相位？图10给出了，两个相位差为90度的振动系统，即#2质量块超前#1质量块1/4周（或90度）运动，或#1质量块相对滞后#2质量块90度。图11给出了同样的两个质量块，相位差为180度时的振动情况，在任何时刻，#1质量块向下运动的同时，#2质量块向上运动。图10两个相差90度相位角振动的质量块系统图11两个相差180度相位角振动的质量块系统什么是振动相位？振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。在左侧图中，机器上的轴承1和轴承2之间的振动相位差为0度（同相振动），而在右侧图中的机器，轴承1和轴承2之间的振动相位差为180度（反相振动）。图12振动相位与机器振动间的关系什么是振动频谱（也称为“FFT”）？所谓振动频谱是振动幅值（mile,in/sec或g's）随振动频率而变化绘制出来的振动曲线图。返回到如图5所示的所谓振动测量系统，注意到，这种直接测量的方法有许多局限性。为了克服这些问题，开始使用振动传感器将振动信号转换成电信号，然后这一电信号通过电子线路再转换成可在显示器上显示的振动波形。图5在恒速运动的记录纸上记录振动图13间接测量振动什么是振动频谱（也称为“FFT”）？由上图测量装置测量得到的振动波形的幅值，可以通过调整放大器的增益，使测量值与实际值相同。上图是一个非常简单的测量装置。然而大多数复杂的振动都是由各种振动组合而成，所以这就需要较为复杂的间接测量装置。由下图所示，显示了由多个振动组合成较为复杂振动波形的过程。图14振动的时域和频域波形比较由图可以注意到，总振动波形是如何由一系列小的振动波形构成的，每一个小的振动波形各自对应1XRPM、2XRPM、3XRPM、等等。将这些个别振动波形代数相加就得到总振动的波形，可在示波器上或振动分析仪上显示出来。什么是振动频谱（也称为“FFT”）？利用示波器可观察振动波，将来自振动传感器的电信号加到示波器的两极板上，这样就会将通过极板的电子束产生转移，从而在屏幕上显示出振动波形。如下图所示。图15在示波器上显示振动信号什么是振动频谱（也称为“FFT”）？目前我们所讨论振动信号都是在时域下，即x轴是时间（秒或分钟），而y轴是测量的振动幅值（位移、速度、加速度）。在时间域下显示振动波形是很精确的方法，可以显示出机器的实际振动形态，并对其各种振动参数进行分析。然而，通过分析时域波形来了解振动情况是一个比较麻烦事情，如通过时域波形计算出振动频率时是比较费力的。为了简化这个过程，现代的振动分析仪器可以完成所谓的快速付氏变换（即FFT）工作。快速FFT是通过计算机微处理器将测量得到的时域振动信号（幅值对时间）转换成为频域信号（幅值对频率）。这个FFT计算技术是由Fourier在100年前提出来的。Fourier指出：“现实当中的任何正弦波形都能组合产生另一个比较复杂的波形，如前图所示，相反，现实当中的任何复杂的波形都能够被分解成为许多简单位的正弦波形。什么是振动频谱（也称为“FFT”）？图16振动信号由时域向频域的发展此处（a）是在时域当中测量得到的总振动波形（b）是在三维座标中（幅值、时间、频率），总振动波形被分解成为多个单一频率的正弦波形，由于从总振动波形中分离出单一频率的正弦波形，所以每个正弦波的频率是明确的，并且沿着频率轴各自处于不同的位置。（c）从测量得到的时域波形中，变换得到频域波形图。什么是振动频谱（也称为“FFT”）？图17实际振动转换成FFT的过程这个从时域波形变换而来的频域波形称为频谱，通常也称为FFT。频谱是一个非常有用的振动分析工具，特别是当你要完成从时域振动波形中分离出各个离散的振动成份进行分析时更是如此。下图给出了与安装有振动传感器的实际轴承座相当的振动转换过程完整说明：（a）安装有振动传感器的实际轴承座（b）相当的弹簧质量块系统（c）传感器测量得到的振动时域波形（d）经过对时域波形数据处理后得到的在频域内的频谱名称波形频谱名称波形频谱典型振动信号的频谱典型振动信号的频谱简谐波形及其频谱脉冲波形及其频谱方波形及其频谱简谐拍波及其频谱振动RMS、PK、PK-TO-PK和AVG之间的区别是什么？图17实际振动转换成FFT的过程自从有了电子仪器的应用，在频域和时域内可以得到各种形式的振动转换，此外由于电子器件和计算机软件的应用，使显示的振动幅值可以以位移、速度和加速度形式显示。同样电子器件也使得振动幅值的转换如峰值、峰－峰值、RMS值和平均值成为可能。什么时候使用位移、速度或加速度？当对机器振动进行分析时，重要的一点是尽可能多地收集到有关该机器的资料（如轴承类型和型号、每根轴的精确转速、齿轮的齿数、叶轮的叶片数等）。不了解这些信息资料将会影响振动分析的准确性。振动幅值是是振动分析中经常使用的重要振动参数之一，它于机器存在的潜在故障问题的严重程度成正比，并且它也是显示机器状态的首选参数之一。振动幅值的测量类型可以是位移、速度或加速度。但总的来说更比较常用的是速度。通常认为当测量的频率范围在600CPM(10Hz)以下时，采用位移测量单位是很有利的。振动幅值必须有相应的振动频率值做补充说明才能正确评估振动的严重程度。而只是简单地说“1XRPM振动是2mils是不够的，没有足够的信息评价机器的状态是好还是不好。例如，在3600CPM转速下振动2milspk-pk要比在300CPM转速下振动2milspk-pk对设备的损坏程度要大得多（见图22）。所以，在整个频率范围内，单独使用位移值是不能对机器进行评估的。什么时候使用位移、速度或加速度？图20水平安装转动机械振动位移/速度等级图表什么时候使用位移、速度或加速度？加速度也有类似于位移的缺点，但它所支持的频率范围是高频。加速度在评价机器振动状态时也具有频率依赖性。例如，在18000CPM时，2g’s要比在180000CPM（3000Hz）时的2g’s振动程度要严重得多。如图21所示。加速度一般推荐应用在，当机器内部所产生的振源频率超过300000CPM（5000Hz）以上的场合。这些振源包括齿轮啮合频率、电机笼条通过频率、叶片通过频率等。不要忘记，这些振源在很多情况下会产生多阶谐频。而振动速度在从600至120000CPM（10~2000Hz）的频率范围内几乎不存在对频率的依赖关系。所以当机器的振源频率范围是在300到300000CPM（5到5000Hz）时，一般选择测量振动速度。振动速度的幅值直接与机器的状态有关，无论其频率是在10到1670Hz之内何处。也就说一台转速为1800RPM的机器，经历了0.30in/sec的振动似乎于另一台转速为10000RPM，振动也为0.30in/sec的机器，具有同样的振动损坏程度。什么时候使用位移、速度或加速度？图21水平安装转动机械振动加速度/速度等级图表振动为多大时认为超过了允许值？图20是一个几年前推出的针对一般转动机械的典型的振动位移/速度等级图表。振动等级被分成“GOOD”,“FAIR”,“ROUGH”等，从这个图表可清楚地看出位移对频率的依赖程度。例如，一个2mils的pk-pk振动位移值，在相当的频率范围内其振动严重程度从优秀可以变化到非常严重。从此例中可见，为了准确评价机器的振动程度必须识别出频率的大小。（在400CPM时，2mils的振动，机器的状态是优秀，而在3600CPM时，2mils的振动，机器的状态就变得很差。而在这张图中振动速度只需要幅值就可以评定机器的振动程度（如，从0.157到0.314in/sec的振动，都是振动较差）。图21是针对振动加速度的振动等级图。振动加速度分级也是具有频率依赖性。如例如，在18000CPM时，2g’s的振动是处于较差的范围内，而在180000CPM（3000Hz）时的2g’s振动侧是处于优秀的范围内。振动为多大时认为超过了允许值？图22机械振动位移、加速度、速度比较图22给出了振动位移、速度、加速度间的相互关系，在较宽的频率范围内振动速度是平坦的，而振动位移和振动加速度都分别趋于降低和增高。注意在图22中可以看出，具有3种相等振动级别的振动幅值关系。振动为多大时认为超过了允许值？图23给出了针对同一检测轴承故障的时域波形图，所进行的FFT变换（a）位移频谱图（b）速度谱（c）加速度谱图23在一台300RPM的风机上测量振动位移、速度、加速度的比较振动为多大时认为超过了允许值？注意在