振动量测与频谱分析

振動量測分析與動平衡校正實務Page2課程內容一.振動的現象二.振動訊號的基本構成三.頻譜分析原理與振動診斷四.振動量測基本設備五.實例分析六.動平衡校正技術Page3振動現象自人類使用機械以來，振動抑制問題一直是個重要課題。近年來由於量測儀器及振動知識的進步，振動抑制技術已經整合在機械設計中，而且也穫得很好的效果。因此瞭解機械振動的量測分析技術，將大大地助益於機械性能的改善。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page4振動從何處發生﹖機械組件製造公差、組裝時的間隙、零組件間的摩擦及旋轉不平衡等，均是造成機械振動的原因。但有時也利用振動的特性來幫助我們工作。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page5振動的特性當一部機器用全部的能量來完成工作，理想上機器是完全不會產生振動。但事實是，機器運轉的循環力經由機械本身的傳遞而產生另一副產品〝振動〞。因此機器一部分的能量以振動的形式消散。機器振動時機械本身在平衡位置附近做來回運動，一秒鐘內完成來回運動的次數稱為〝頻率〞，以Hz為單位。來回運動的大小稱為“振幅”。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page6振動訊號的基本構成1.振幅(振動大小)2.頻率(振動快慢)3.相位Page7振幅(振動大小)的表達方式有以下的振幅表達方式來代表振動的嚴重程度，峰至峰值(peak-to-peak)表示機器振動位移量大小。峰值(peak)表示機器瞬間承受衝擊的振動量大小。平均值(average)表示機器在某段時間內的振動量平均值。均方根值(RMS)最能表示機器在某段時間內所承受的振動能量，即振動的破壞能力。Page8振幅：1.均方根值(rootmeansquare,rms)2.峰值（0-peak)3.峰至峰值(peak-peak)Page9均方根值與峰值定義對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak，peak-peak值之間存在以下關係：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值Page10均方根值與峰值定義對於非單頻訊號，上述關係並不成立Page11均方根值--能量觀點的計算法面積總和（積分）/Tt=TX(t)X(t)2t=TPage12均方根值與峰值關係對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak，peak-peak值之間存在以下關係：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值對於非單頻訊號，上述關係並不成立，但一般量測儀器大都以RMS來檢測振動值，並一律使用上述關係來求得0-peak或peak-peak值。（或稱為Equivalent0-peak,Equivalentpeak-peak)Page13振動頻率單位時間內的振動次數，稱為振動頻率由於每一種不同的現象會產生不同頻率的振動，所以頻率的分析成為進一步了解其物理現象的重要工具。根據傅麗葉定理，每一種波型都可以分解成一系列正弦波的組合Page14振動頻率Page15振動頻率利用FFT頻譜分析儀，將複雜的波形轉換成頻譜，以便進一步了解振動的構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Page16振動相位「振動相位」是指振動訊號相對於某一參考訊號之間的角度而言。「振動相位差」是指兩種振動訊號之間的角度差。0º振動訊號與光纖參考訊號落後90ºPage17振動相位A，B兩組振動訊號相90°的情況Page18何時需量相位?一、高階振動診斷二、動平衡校正三、模態測試或ODS測試Page19振動相位應用實例振動相位表達出彼此之間的相對運動關係相位差接近180°表示反向運動彼此之間可能有鬆動的情形，反之，其相位差應接近0°Page20振動的量測單位振動的量測單位有三種，位移(displacement)，速度(velocity)，加速度(acceleration)。對於中、高頻振動信號的頻譜分析一般用速度與加速度作量測，較低頻的振動信號及機械元件的相對振動間隙則用位移作量測。*位移(D)常用表示法:P-P常用單位:mm,um,inch,mils*速度(V=dD/dt)常用表示法:0-P常用單位:mm/s,inch/s*加速度(A=dV/dt)常用表示法:RMS常用單位:m/s²,g(g=9.81m/s²)Page21在簡易或精密診斷中，每次測點必須固定，振動計固定在回轉機械上必需要選在正確的位置，以愈接近軸承愈好，目的是在獲得軸承座最短路徑傳遞值，盡量避免結構部分所帶來的影響。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動量測位置選擇Page22頻譜分析與振動診斷FFT特性:將時域的訊號轉成頻域Page23DiscreteFourierTransform-DFT在工程上的應用，傅利葉轉換成為離散傅利葉轉換DFT：*假設訊號為週期函數---傅利葉級數有限積分*使用數值積分式以便電腦運算Page24取樣與轉換原則上將類比訊號數位化後，再用電腦程式進行FFT計算，就可以得到頻譜資料Page25非FFT頻譜技術—平行濾波器使訊號通過一組平行的帶通濾波器，然後檢測每組的均方根值大小，就可得到頻譜Bandpassfilter1Bandpassfilter2Bandpassfilter3Bandpassfilter4RMSdetectorRMSdetectorRMSdetectorRMSdetectorPage26非FFT頻譜技術—掃頻濾波器利用一個中心頻率可改變的帶通率波器，從低頻到高頻掃描，就可得到頻譜資料TrackingFilterRMSdetectorPage27頻譜的種類ConstantBandwidthSpectrum頻譜每條資料之間有固定的頻寬例如FFT頻譜ConstantPercentageBandwidthSpectrumCPBSpectrum頻譜每條資料之間有固定的頻寬百分比例如1/3Octave其他Page28ConstantBandwidthSpectrumff量測頻寬f解析條數NPage29CPBSpectrumfu/fl=constant,當fu/fl=2,稱為octave頻譜fc=(fuxfl)=2fl目前國際通用以1kHz作為倍頻中心頻率。這時為63Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1kHz，2kHz，4kHz，8kHz等fcfuflPage30AliasingEffectsofanImproperSamplingRateActualSignalFrequencyComponentsSignalFrequencyComponentsandAliasesForSamplingRate=100Hz預防方法:1.使取樣頻率量測頻寬之最高頻率的2倍(NyquistFrequency)以上2.在量測頻寬之最高頻率外再加上一個低通率波器(反假像濾波).取樣與假象(aliasing)Page31•漏失(Leakage)解決方法:在時間週期裡加頻窗(Window)Page32•頻窗(Window)•HanningWindow•FlatTopWindow•ForceWindow•ExponentialWindow常見的WindowPage33常見訊號的頻譜圖Page34頻譜分析儀常見的基本設定1.頻寬(Bandwidth)2.條數3.Window4.DisplayUnit(Rms,Peak)5.Log/LinearDisplay6.Trigger/FreeRun7.Sensitivity頻率解析度f=頻寬/條數RecordTimet=1/fPage35FrequencyPossibleCause1xrpmImbalance2xrpmMisalignmentorBentShaftHarmonicsLoosenessRubsSub-rpmOilwhirlBearingCageNxrpmRollingElementBearing,GearsBeltsNxpowerlineElectric(shortedstator;brokenoreccentricrotor)振動診斷基本原則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Page36油漩Oilwhirl保持器或摩擦Rub動不平衡Dynamicunbalance軸不對心或組件鬆動MisalignmentLooseness組件鬆動的諧波LoosenessHarmonics軸承的邊頻BearingSide-band軸承Bearing1X2X3X4X•動不平衡基本特徵:1倍頻的振動量很高,且振動量隨著轉速的增加而變大,從頻譜圖中其他倍頻都很小,甚至沒有引起的原因:組裝不良,材質不均勻,或零組件已經變形或磨損等振動診斷基本原則Page37•軸不對心基本特徵:軸的支撐面或連接面不面,1倍頻及/或2倍頻的振動量很高,且軸向振動特別大,軸向與徑向的振動相位差180度引起的原因:組裝不良,造成心軸Offset/AngularMisalignment,及軸承的不對心•組件鬆動基本特徵:鬆動可能發生在大的結構件或旋轉件上,倍頻很高且很多倍頻出現,且量測不同方向(水平,垂直,軸向),振動量會不一樣引起的原因:結構件與所在承靠面鬆動或分離,軸承鬆動或間隙,連軸器鬆動•滾動軸承(滾珠及滾柱軸承)問題基本特徵:其特徵頻率和轉速,軸承內外環直徑,軸承珠數及壓力角有關引起的原因:軸承的瑕疵,或組裝過程中撞傷,及有異物侵入•滑動軸承(油膜軸承)問題基本特徵:1倍頻的振動量很高,且0.4~0.55倍頻會出現,2及3倍頻的振動量也很高引起的原因:油膜軸承的間隙不良或真圓度不好,或組裝過程中撞傷油膜軸承,潤滑不良振動診斷基本原則Page38振動自然頻率當一個機械結構受到敲擊後，他會自然地振動起來，而且是以特定的頻率作振動，此振動自然頻率為機械結構固有的特性。Bruel&Kjaer機器狀況監測Page39結構頻率響應函數分析利用敲擊鎚及加速規取得結構體之頻率響應函數以瞭解結構的振動特性。Page40振動量測的基本設備1.傳感器(Transducer)將振動的現象轉換為電子訊號速度規(Velocitytransducer)壓電式加速度計(PiezoTypeAccelerometer)電容式加速度計(CapacityTypeAccelerometer)窩電流式位移計(EddyCurrentProximeter)電容式位移計(CapacityProximeter)2.振動計(VibrationMeter)3.頻譜分析儀(SignalAnalyzer)Page41速度規(VelocityTransducer)•最古老的振動傳感器之一•目前尚在使用的應用：地震、動平衡機、電廠機械•優點：容易製作、感度高、不需電源供應•缺點：體積、重量大、頻寬響應不良（10~1kHz)Page42壓電式加速度計•目前最廣為使用的一種傳感器壓電材料：極化過的陶瓷、石英，受應力作用時會有電荷輸出+++++-----Kistler剪力型加速規剖面圖Page43壓電式加速度計•兩種主要類型：–電荷型：適合高溫用–電壓型：適合一般用•優點：–頻寬高（約到25kHz左右）–質量、體積小（1gm以下）–價格合宜–安裝容易•缺點：低頻響應有先天上的限制Page44電容式加速度計•近幾年推出的新產品•針對低頻（DC~2kHz)與高感度的需求•應用：地震、建築物微振、電梯、汽車Page45渦電流式位移計•廣為使用於各種油膜軸承•量測範圍約10um~1mm•量測表面導磁性會影響感度Page46電容式位移計•精密位移量測用（解析度達nm級）•不受量測表面導磁性影響Page47振動計(振動總量量測)