振动和振动测试的基础知识

振动和振动测试的基础知识本章内容简谐振动三要素振动波形频率分析和频谱图系统对激励的响应单自由度系统多自由度系统自由振动，模态强迫振动，共振幅频响应和相频响应旋转机械振动测量框图传感器及其选用基频分量幅值和相位的测量旋转机械的振动图示定转速：波形图、频谱图、轴心轨迹变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图轴心位置图x振幅A(Amplitude)偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。频率f(Frequency)描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz)或次/分(c/min)。周期T=1/f为每振动一次所需的时间，单位为秒。圆频率=2f为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒初相角(Initialphase)描述振动在起始瞬间的状态。简谐振动的三要素振动位移、速度、加速度之间的关系)2sin(ddtAtxv)sin(dd222tAtxatAxsin振动位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration)位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值相应为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。xvaxva振动的时域波形名称波形名称波形若干幅值参数的定义瞬时值(Instantvalue)振动的任一瞬时的数值。峰值(Peakvalue)振动离平衡位置的最大偏离。平均绝对值(Averageabsolutevalue)均值(Meanvalue)又称平均值或直流分量。有效值(Rootmeansquarevalue)TtxTx0avd1TtxTx0d1TtxTx02rmsd1xpx=x(t)正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系峰值xp=A;峰峰值xp-p=2A平均绝对值xav=0.637A有效值xrms=0.707A平均值简谐振动的幅值参数0x复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms常用的幅值参数及其单位位移峰峰值。单位为微米（m）速度有效值。单位为毫米/秒（mm/s）加速度峰值。单位为米/秒平方（m/s2）振动信号的频率分析把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。各种振动的频谱图名称波形频谱名称波形频谱时间域频率域FFTIFFT系统对激励的响应自激振动(机械)系统单自由度多自由度强迫振动自由振动反馈机制持续激励初始激励恒定能源激励响应单自由度振动系统确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度多自由度振动系统图中数字为系统的自由度数53226单自由度系统的自由振动系统在没有激励下，由初始条件引起的振动，称为自由振动。初始位移初始速度a—无阻尼b—小阻尼c—临界阻尼d—大阻尼单自由度系统的自由振动自由振动的频率等于系统的固有频率。振幅大小决定于初始条件（初始位移和初始速度）。系统的阻尼大，振幅衰减快；阻尼小，振幅衰减慢。阻尼系数=1称为临界阻尼。由自由振动确定固有频率和阻尼224阻尼系数1iilnXX对数减幅系数2dn-1ff无阻尼固有频率dd1Tf阻尼固有频率系统有多个固有频率。从小到大，称为第1阶、第2阶等等。每个频率有一对应的振型和阻尼值。同一阶的固有频率、振型和阻尼值一起，称为模态。两自由度系统的模态举例第二阶模态第一阶模态三自由度系统的模态举例第二阶模态第三阶模态第一阶模态振型是各自由度坐标的比例值。振型具有正交性。系统的自由振动为各阶自由振动的叠加。振动一般不再是简谐的。各阶自由振动所占成分的大小，决定于初始条件。各阶自由振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼。阻尼大，衰减快；阻尼小，衰减慢。在衰减过程中，各阶的振型保持不变，即节点位置不变。多自由度系统的自由振动单自由度系统的强迫振动振动的频率等于激励的频率。振幅大小与激励的大小成正比。激励频率接近固有频率时，发生共振现象。阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。位相上说，振动落后于激励。振幅和位相随激励频率而变化，变化规律用系统的幅频特性和相频特性来表示。单自由度系统的强迫振动幅频特性相频特性激励频率激励频率响应幅值响应位相由强迫振动确定固有频率和阻尼21n1212阻尼系数半功率带宽2mn2nm2-1221f固有频率共振频率振动的频率等于外激励的频率。振型为各阶振型的叠加。各阶振型所占的比例，决定于外激励的频率和作用点位置。激励频率接近某阶固有频率时，该阶振型增大而占主导地位，是为该阶共振状态。共振峰大小决定于该阶阻尼值和激励的位置。作用在某阶节点上的激励力，不能激起该阶振动。多自由度系统的强迫振动磁带记录仪频谱分析仪打印机存储设备绘图仪测量电路基频检测仪记录仪数据采集和分析系统汽轮机齿轮增速箱压缩机涡流传感器速度传感器加速度传感器键相传感器旋转机械振动测量框图磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz~1000Hz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：20mV/mm/s测量非转动部件的绝对振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。输出阻抗低，抗干扰力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。在传感器固有频率附近有较大的相移。典型的磁电速度传感器及其特性压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz~10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。压电加速度传感器的典型结构晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型中心压缩型预压簧片三角柱压电加速度传感器的典型特性预紧环底座质量块出线口晶体片涡流位移传感器不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。相移很小。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)涡流位移传感器及前置器涡流传感器的工作原理输出电压u正比于间隙d且于测量对象的材质有关涡流位移传感器的典型特性传感器与转轴之间的间隙前置器输出电压（直流伏）轴承振动的测点布置轴振动的测点布置轴承振动与轴振动的比较轴承振动轴振动测量设备传感器易于安装、拆卸测定振动容易测量设备价格较低传感器安装受限制测定振动较轴承困难测量设备价格高性能特点测振灵敏度小（当轴轻而本体刚度大时，对振动变化反映迟钝）有关参考资料丰富，掌握的限值范围广测量设备可靠性高测振灵敏度高（在任何情况下，对振动变化反映较灵敏）可直接测得基本界限值（如不平衡，轴内应力等）界限值不通用测量设备（特别是传感器）可靠性低环境影响测量结果受周围环境的影响小测量结果受周围环境的影响大应用场合监测机械的所有各种振动能得到更详细的关于转子的振动信息，可作高精度现场平衡数据基频是转速频率。基频分量的幅值和转子的不平衡大小有关。基频分量的相位和不平衡在转子上的方位有直接对应关系。旋转机械振动的基频分量的幅值和相位的测量键相与相位参考脉冲在转子上布置键相标记K，在轴承座上布置键相传感器K（光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。参考脉冲是测量相位的基准。参考脉冲也可用于测量转子的转速。K’K1转t参考脉冲振动相位与转子转角的关系从参考脉冲到第一个正峰值的转角定义振动相位。振动相位与转子的转动角度一一对应。在平衡和故障诊断中有重要作用。振动信号参考脉冲波形图(Wave)时间域内的振动波形频谱图(Spectrum)组成振动的各谐波成分轴心轨迹(Orbit)转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两方向波形合成旋转机械的振动图示(定转速)波形图、频谱图及轴心轨迹轴心轨迹的测定轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。轴心轨迹阵波德图与极坐标图(Bode&PolarPlot)升（降）速时，基频幅值和相位的变化三维频谱图(Cascade)坎贝尔图(Campber)各转速下的频谱图的另一种表示轴心位置判定轴颈静态工作点和油膜厚度旋转机械的振动图示(变转速)轴心轨迹阵图汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵波德图和极坐标图波德图(BodePlot)和极坐标图(PolarPlot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。三维频谱图是频谱的集合。本图的第三个坐标是转速。本图表明在升、降速过程中振动频谱的变化。第三坐标也可是时间、工艺参数等。三维频谱图（谱阵图）本图的第三个坐标是时间(日期)，反映频谱的趋势。三维频谱图（谱阵图）机器转速振动频率坎贝尔(Campber)图注：圆圈直径代表振动的大小；斜线代表谐波次数。轴心位置的测定轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。涡流传感器的输出信号动态部分静态部分轴心轨迹轴心位置间隙变化平均间隙轴心位置的变化汽轮发电机中压缸轴承升速时轴心位置逐渐升高。到工作转速时，偏心率为0.66；偏位角32º。属正常。以后数月，轴承基础下沉，导致轴心上浮，偏心率减少，偏位角接近90º。发生了油膜振荡。监测轴心位置有助于发现机器的故障。