振动量测与频谱分析

振动量测分析与动平衡校正实务课程内容1振动的现象2振动讯号的基本构成3频谱分析原理与振动诊断4振动量测基本设备5实例分析6动平衡校正技术Page2振动现象自人类使用机械以来，振动抑制问题一直是个重要课题。近年来由于量测仪器及振动知识的进步，振动抑制技术已经整合在机械设计中，而且也获得很好的效果。因此了解机械振动的量测分析技术，将大大地助益于机械性能的改善。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page3振动从何处发生﹖机械组件制造公差、组装时的间隙、零组件间的摩擦及旋转不平衡等，均是造成机械振动的原因。但有时也利用振动的特性来帮助我们工作。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page4振动的特性当一部机器用全部的能量来完成工作，理想上机器是完全不会产生振动。但事实是，机器运转的循环力经由机械本身的传递而产生另一副产品〝振动〞。因此机器一部分的能量以振动的形式消散。机器振动时机械本身在平衡位置附近做来回运动，一秒钟内完成来回运动的次数称为〝频率〞，以Hz为单位。来回运动的大小称为“振幅”。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page5振动讯号的基本构成1.振幅(振动大小)2.频率(振动快慢)3.相位Page6振幅(振动大小)的表达方式有以下的振幅表达方式来代表振动的严重程度，峰至峰值(peak-to-peak)表示机器振动位移量大小。峰值(peak)表示机器瞬间承受冲击的振动量大小。平均值(average)表示机器在某段时间内的振动量平均值。均方根值(RMS)最能表示机器在某段时间内所承受的振动能量，即振动的破坏能力。Page7振幅：1.均方根值(rootmeansquare,rms)2.峰值（0-peak)3.峰至峰值(peak-peak)Page8均方根值与峰值定义对于单频的正弦讯号而言，RMS值与0-peak，peak-peak值之间存在以下关系：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值Page9均方根值与峰值定义对于非单频讯号，上述关系并不成立Page10均方根值--能量观点的计算法面积总和（积分）/Tt=TX(t)X(t)2t=TPage11均方根值与峰值关系对于单频的正弦讯号而言，RMS值与0-peak，peak-peak值之间存在以下关系：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值对于非单频讯号，上述关系并不成立，但一般量测仪器大都以RMS来检测振动值，并一律使用上述关系来求得0-peak或peak-peak值。（或称为Equivalent0-peak,Equivalentpeak-peak)Page12振动频率单位时间内的振动次数，称为振动频率由于每一种不同的现象会产生不同频率的振动，所以频率的分析成为进一步了解其物理现象的重要工具。根据傅丽叶定理，每一种波型都可以分解成一系列正弦波的组合Page13振动频率Page14振动频率利用FFT频谱分析仪，将复杂的波形转换成频谱，以便进一步了解振动的构成原因頻譜分析儀振動計對心不良軸承異常轉子不平衡軸彎曲合成分解振動計實際所測得的振動波形頻譜分析軸彎曲轉子不平衡軸承異常對心不良頻率振幅Page15振动相位「振动相位」是指振动讯号相对于某一参考讯号之间的角度而言。「振动相位差」是指两种振动讯号之间的角度差。0o振动讯号与光纤参考讯号落后90oPage16振动相位A，B两组振动讯号相90°的情况Page17何时需量相位?一、高阶振动诊断二、动平衡校正三、模态测试或ODS测试Page18振动相位应用实例振动相位表达出彼此之间的相对运动关系相位差接近180°表示反向运动彼此之间可能有松动的情形，反之，其相位差应接近0°Page19Page20在简易或精密诊断中，每次测点必须固定，振动计固定在回转机械上必需要选在正确的位置，以愈接近轴承愈好，目的是在获得轴承座最短路径传递值，尽量避免结构部分所带来的影响。量測軸相對於軸承座的振動量測軸承座的絕對振動轉動力加到軸承上的力垂直方向(Vertical)水平方向軸向(axial)(Horizontal)加速規軸向振動量測建議位置水平或垂直向振動建議量測位置不好的位置不好的位置振动量测位置选择Page21频谱分析与振动诊断FFT特性:将时域的讯号转成频域Page22DiscreteFourierTransform-DFT在工程上的应用，傅利叶转换成为离散傅利叶转换DFT：*假设讯号为周期函数---傅利叶级数有限积分*使用数值积分式以便计算机运算Page23取样与转换原则上将类比讯号数字化后，再用电脑程序进行FFT计算，就可以得到频谱资料Page24非FFT频谱技术—平行滤波器使讯号通过一组平行的带通滤波器，然后检测每组的均方根值大小，就可得到频谱Bandpassfilter1Bandpassfilter2Bandpassfilter3Bandpassfilter4RMSdetectorRMSdetectorRMSdetectorRMSdetectorPage25非FFT频谱技术—扫频滤波器利用一个中心频率可改变的带通率波器，从低频到高频扫描，就可得到频谱资料TrackingFilterRMSdetectorPage26频谱的种类ConstantBandwidthSpectrum频谱每条资料之间有固定的频宽例如FFT频谱ConstantPercentageBandwidthSpectrumCPBSpectrum频谱每条资料之间有固定的频宽百分比例如1/3Octave其他Page27ConstantBandwidthSpectrumff量测频宽f解析条数NPage28CPBSpectrumfu/fl=constant,当fu/fl=2,称为octave频谱fc=(fuxfl)=2fl目前国际通用以1kHz作为倍频中心频率。这时为63Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1kHz，2kHz，4kHz，8kHz等fcfuflPage29AliasingEffectsofanImproperSamplingRateActualSignalFrequencyComponentsSignalFrequencyComponentsandAliasesForSamplingRate=100Hz预防方法:1.使取样频率量测频宽之最高频率的2倍(NyquistFrequency)以上2.在量测频宽之最高频率外再加上一个低通率波器(反假象滤波).取样与假象(aliasing)Page30•漏失(Leakage)解决方法:在时间周期里加频窗(Window)Page31•频窗(Window)•HanningWindow•FlatTopWindow•ForceWindow•ExponentialWindow常见的WindowPage32常见讯号的频谱图Page33频谱分析仪常见的基本设定1.频宽(Bandwidth)2.条数3.Window4.DisplayUnit(Rms,Peak)5.Log/LinearDisplay6.Trigger/FreeRun7.Sensitivity频率分辨率f=频宽/条数RecordTimet=1/fPage34FrequencyPossibleCause1xrpmImbalance2xrpmMisalignmentorBentShaftHarmonicsLoosenessRubsSub-rpmOilwhirlBearingCageNxrpmRollingElementBearing,GearsBeltsNxpowerlineElectric(shortedstator;brokenoreccentricrotor)振动诊断基本原则頻譜分析儀振動計對心不良軸承異常轉子不平衡軸彎曲合成分解振動計實際所測得的振動波形頻譜分析軸彎曲轉子不平衡軸承異常對心不良頻率振幅Page35油漩Oilwhirl保持器或摩擦Rub动不平衡Dynamicunbalance轴不对心或组件松动MisalignmentLooseness组件松动的谐波LoosenessHarmonics轴承的边频BearingSide-band轴承Bearing1X2X3X4X•动不平衡基本特征:1倍频的振动量很高,且振动量随着转速的增加而变大,从频谱图中其他倍频都很小,甚至没有引起的原因:组装不良,材质不均匀,或零组件已经变形或磨损等振动诊断基本原则Page36•轴不对心基本特征:轴的支撑面或连接面不面,1倍频及/或2倍频的振动量很高,且轴向振动特别大,轴向与径向的振动相位差180度引起的原因:组装不良,造成心轴Offset/AngularMisalignment,及轴承的不对心•组件松动基本特征:松动可能发生在大的结构件或旋转件上,倍频很高且很多倍频出现,且量测不同方向(水平,垂直,轴向),振动量会不一样引起的原因:结构件与所在承靠面松动或分离,轴承松动或间隙,连轴器松动•滚动轴承(滚珠及滚柱轴承)问题基本特征:其特征频率和转速,轴承内外环直径,轴承珠数及压力角有关引起的原因:轴承的瑕疵,或组装过程中撞伤,及有异物侵入•滑动轴承(油膜轴承)问题基本特征:1倍频的振动量很高,且0.4~0.55倍频会出现,2及3倍频的振动量也很高引起的原因:油膜轴承的间隙不良或真圆度不好,或组装过程中撞伤油膜轴承,润滑不良振动诊断基本原则Page37振动自然频率当一个机械结构受到敲击后，他会自然地振动起来，而且是以特定的频率作振动，此振动自然频率为机械结构固有的特性。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page38结构频率响应函数分析利用敲击鎚及加速规取得结构体之频率响应函数以了解结构的振动特性。Page39振动量测的基本设备1.传感器(Transducer)将振动的现象转换为电子讯号速度规(Velocitytransducer)压电式加速度计(PiezoTypeAccelerometer)电容式加速度计(CapacityTypeAccelerometer)窝电流式位移计(EddyCurrentProximeter)电容式位移计(CapacityProximeter)2.振动计(VibrationMeter)3.频谱分析仪(SignalAnalyzer)Page40速度规(VelocityTransducer)•最古老的振动传感器之一•目前尚在使用的应用：地震、动平衡机、电厂机械•优点：容易制作、感度高、不需电源供应•缺点：体积、重量大、频宽响应不良（10~1kHz)Page41压电式加速度计•目前最广为使用的一种传感器压电材料：极化过的陶瓷、石英，受应力作用时会有电荷输出+++++-----Kistler剪力型加速规剖面图Page42压电式加速度计•两种主要类型：–电荷型：适合高温用–电压型：适合一般用•优点：–频宽高（约到25kHz左右）–质量、体积小（1gm以下）–价格合宜–安装容易•缺点：低频响应有先天上的限制Page43电容式加速度计•近几年推出的新产品•针对低频（DC~2kHz)与高感度的需求•应用：地震、建筑物微振、电梯、汽车Page44涡电流式位移计•广为使用于各种油膜轴承•量测范围约10um~1mm•量测表面导磁性会影响感度Page45电容式位移计•精密位移量测用（分辨率达nm级）•不受量测表面导磁性影响Page46振动计(振动总量量测)•可量测位移,速度及加速度•振动量可以RMS,O-P,P-P表示•具最大值保持功能(PeakHold)•具Average功能•可外接耳机,监听异音GT-3300SeriesISO2954,ISO10816)Page47ISO10816-1:1995注:1ClassI:小型机器(15kW)ClassII:中型机器(15-75kW，或安装在特殊基础上的可到300kW)ClassIII:大型机器(75kW，安装在刚性和重型基础上的大型机器，其第一个自然率高于机器转速)ClassIV:涡轮机器(安装在软性