振动测量基础知识

1、机器振动分析基础知识基本概念和理论 振动及其根源 质量、弹性和阻尼 正弦波 幅值、频率和相位 随机振动和冲击 时域和频域 位移、速度和加速度 固有频率和共振 机械阻抗 临界转速什么是振动 振动系统对激励的响应 系统机器结构管道流体，气体以上的结合 激励引起系统运动的力作用或扰动 响应所有力作用于系统上产生的运动有的振动是有用的任何机器都产生振动SYSTEMFV两种振动 整体振动 质量刚体 压力波 源于接触点的力在材料中纵波传递 以声音在介质中的速度（铁，5000m/s)加速度传感器可测量两者，速度传感器只测量前者力和响应 振动的根源是力，力激起和维持振动 转子质量不平衡-离心力-轴应力-轴承和

2、机座 不平衡，不对中，转子弯曲，齿轮偏心。当转速和负荷稳定时，这些力导致稳态或稳定幅值振动 即使机器稳态运行，也不是完全重复性周期 其它力的响应 共振，外界干扰，管道扰动等随机因素旋转机器可视为机械振荡器所有机器的振动表现为稳态随机振动随机振动和冲击脉冲 随机振动不能重复自身，不能确定频率 流体漩涡，紊流，摩擦，风，轮胎噪声，泵气穴 真正的随机振动在频域表现为水平线，如果观察时间足够，如2分钟，所有频率将出现。 冲击脉冲是单事件瞬态过程 振动重复，阻尼衰减机械系统：质量、弹簧和阻尼 质量：运动的物体，产生惯性力，储存动能 弹簧：抑制运动的力，储存系统势能 阻尼：将能量损耗为热 系统模型：单自由

3、度系统正弦波 金属制造的机器可忽略阻尼-简谐振动幅值、频率和相位 频率：Hz, CPM, orders 幅值： 位移 um 速度 mm/s 加速度 g P, P-P, RMS, AVG相位 相位：0-360。测量时间间隔 参考点：反光标记 光电相位传感器 高点。动平衡时，需确定高点相位差：机器某一位置相对于另一位置处的振动运动关系时域和频域频谱分析是机器监测最强的工具钢琴C中音: 周期 3.9ms频率256Hz谐频：512Hz768Hz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 简谐拍波及其频谱名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱典型振动信号的频谱位移、速度和

4、加速度 位移、速度和加速度都是对力的响应 向量：表示振动幅值和相位vadvad=A sin tv=A sin( t+ /2)a=A sin( t+ )位移、速度和加速度 位移测量强调低频 位移必须振动频率做补充才能正确评估振动的严重程度例，60Hz下振动2mils P-P要比5Hz 下振动2mils P-P 对设备的损坏程度要大得多 推荐应用10Hz以下水平安装转动机械振动位移/速度等级图表 加速度强调的是高频 评价机器振动状态时也具有频率依赖性。例如，在300Hz时2g要比在3000Hz时的2g振动程度要严重得多 推荐应用在振源频率超过5000Hz以上，如齿轮啮合频率、电机笼条通过频率、叶片

5、通过频率等，这些振源在很多情况下会产生多阶谐频水平安装转动机械振动加速度/速度等级图表振动速度幅值直接与机器的状态有关振动速度在10-2000Hz频率范围内不存在对频率的依赖关系。振源频率范围5-5000Hz时，一般选择测量振动速度一台转速为1800 RPM的机器，7.6mm/s的振动与另一台转速为10000 RPM，振动也为7.6mm/s的机器，具有同样的振动损坏程度。（a）位移频谱图（b）速度谱（c）加速度谱能否在频谱图中看到极其重要的轴承故障频率，取决于对测量幅值类型的选择在一台300RPM的风机上测量振动位移、速度、加速度的比较固有频率和共振 固有频率取决于弹性（刚度）和质量 简谐系统

6、固有频率 机械系统的振动响应取决于激励的频率 在固有频率以下，输入的力主要克服系统弹性，系统刚性占主导 在固有频率以上，系统质量惯性占主导，输入的力主要克服系统惯性 系统刚性力与惯性力总是180相位差 刚性力不随频率改变，惯性力与频率的平方成正比 当刚性力与惯性力相等抵消，系统没有约束 共振：系统激励频率等于固有频率共振 幅值响应放大，对金属部件很容易放大10-100倍 理论上幅值可放大的无限大，唯一制约是系统阻尼 “扩音板”现象，可能是声学问题而不是振动问题。但板也可能共振属振动问题阻尼 所有材料具有内部阻尼 金属的阻尼非常小 塑料、橡胶、纸、土壤阻尼较高-用于控制振动 阻尼系数：阻尼/临界

7、阻尼 临界阻尼：系统没有振荡，小于一周回到零点 阻尼导致一些频率移动，对钢铁结构，频移可以忽略。这意味着机器内部轴承振动将传递到机壳，而频率几乎不变阻尼系数 0 0.2 0.4机械阻抗 力沿机器结构部件传递，通过不同材料和界面 转子-轴-轴承-机壳 钢铁结构机器上，主要损失发生在界面 外部振动是振源和传递路径的综合影响 频率几乎不变，反映振源 振幅反映传递路径 振动能量在结构中取最小阻抗路径机械阻抗 机械阻抗是机械系统阻止振荡力传递的特性 理想机械部件： 阻尼器：阻抗对不同频率阻抗恒定 质量：阻抗随频率增加 弹簧：阻抗随频率减小。弹簧通过高频振动，对高频隔振效果差临界转速 转子旋转进入共振状态

8、的转速 临界转速与转子固有频率不完全相等 转子和轴承具有依赖转速的动态特性 二阶临界转速一般是一阶的2.5-4倍 有时候是固定结构共振，需要区分 机器运行：离开20%，尽快通过临界振动测量基础 人的感官 传感器 滤波器FFT分析仪 采样、抗混淆 窗函数 平均 线性和对数坐标 触发 解调分析、轴承监测 相位测量及应用 预测维修程序人的感官人耳可感知空气振动 20Hz-20kHz, 40Hz带宽。是大部分机器振动的频率范围机器振动频率范围可到10kHz，大部分5kHz以下人手可感知100Hz以下的振动，更高频率需听声音100Hz电气嗡嗡声轴承特征频率（3/4个）50-500Hz金属接触冲击产生10

9、00-10000Hz，金属撞击声大部分结构共振发生在100-5000Hz流体气穴 3000-5000Hz1800RPM 泵的典型振动频率机器频谱位置振动传感器速度传感器加速度传感器加速度、速度、位移传感器的动态范围和频率响应加速度传感器安装与频率响应滤波高通滤波低通滤波带通滤波带阻滤波频谱分析仪频谱参数 幅值参数： 加速度、速度、位移、解调 频率范围 Fmin - Fmax 谱线数 400，800，1600，3200 分辨率: (Fmax/谱线数)*1.5 窗函数 谱平均 触发，叠加定义：需要什么结果定义：如何获得时间波形段 采样点数 N 1024，2048，4096，8192 时间段 D D

10、=N/(Fmax*2.56)平均触发类型,叠加 信号被测量。信号被测量。Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.Our 4 samples for averaging.4个用于平均个用于平均的样本的样本怎样选择这些怎样选择这些点？点？触发类型,叠加 没有键相计，从一个任意点开始记录进行平均没有键相计，从一个任意点开始记录进行平均数量足够的数据。数量足够的数据。窗将末尾的值置零，允许这个区域窗将末尾的值置零，允许这个区域的叠加会减少采样时间。的叠加会减少采样时间。触发类型,无键相叠加 50%的叠加是最常用的。的叠加是最常用的

11、。66.7%也是合适的值。也是合适的值。时间同步平均 带有键相计，采样开始在键相脉冲表明轴处于带有键相计，采样开始在键相脉冲表明轴处于参考位置时。参考位置时。tacho pulse采样、抗混淆采样定理抗混淆滤波FFT：采样频率=2.56Fmax1024-4002048-8004096-1600未加抗混淆滤波有抗混淆滤波窗函数 窗函数用来整理信号block的形状使其边缘光滑以防止频谱泄漏。 通常使用汉宁窗，其他窗：汉明窗,平顶窗,矩形窗. 影响分辨率：窗口系数幅值精度 动态范围20*log最小信号/最大信号 (dB) 在大的信号中区分出小信号的测量能力 取决于：AD位数，电子噪声 自动量程刻度，

12、线性与对数坐标通频振动OAOARSS RSS = =通频振动是所有振动成分的能量总和通频振动是所有振动成分的能量总和N =N =谱线数谱线数Ai =Ai =每条谱线上的幅值每条谱线上的幅值N NBF BF = =加窗噪声带宽（汉宁窗为加窗噪声带宽（汉宁窗为1.51.5）问题：在频谱的频率范围以外可能存在相当大的振动成分问题：在频谱的频率范围以外可能存在相当大的振动成分解调分析高通滤波取包络FFT2k-20kHz 带通滤波的选择轴承监测 解调频谱作为一个早期指示参数 检查正常频谱和解调频谱： 都没有故障频率，状态良好，作为基线继续监测 只在解调频谱存在故障频率，早期故障指示，或需要润滑 在两种频

13、谱中都存在谱峰值，计划下一次维修更换 只在正常频谱中存在峰值，同时在解调频谱中噪声水平升高，立即更换振动相位及其应用相位反映机器某一部分的振动与另一部位振动的相互关系。相位分析是一个强有力的工具，可用于协助查找故障源。许多设备问题都会引起1X较大振动（如，不平衡、不对中、偏心、轴弯曲、软地脚、齿轮断齿、共振、紧固螺栓松动等），也有些问题可以在2X或3X RPM处产生较大的振动。面对这些问题及可能产生的频率成分，很难确定振动的原因。在每个轴承座上测量振动相位，能使问题的确定容易些。振动相位测量使用频闪灯测量振动相位通过参考标记来读取相位角，误差较大在转子上设参考标记，在静子上设置角度盘在静子上设

14、参考标记，在转子上设置角度盘振动相位测量光电传感器测量相位，静止的光电头对准安装在转动部件的反光带。振动诊断中利用相位分析轴承座是做前后振动，还是做扭转振动：测量轴向1、2、3、4点上的振动相位相位显示轴承座是在做平面运动如果，1、3两测点相位相差180度，说明轴承存在上、下翅起，如果在测点2、和测点4之间的相位相差180度，说明轴承座左右扭曲振动，可能是由于轴弯曲或轴承翅起引起。不平衡的相位表现在相邻且位置相差90度的测点上，测得的振动相位相差约90度。如果此相位角较大地偏离90度，意味着存在着一个除不平衡以外的其它问题。径向振动相位测量，分析不平衡问题不平衡的相位表现比较转子两端轴承座上水

15、平和垂直相位差，确认不平衡1XRPM振动幅值肯定是较高的，并且在两个轴承座上水平方向的振动相位差等于垂直方向的振动相位差（30）。这说明，转子的运动状态在水平方向和垂直方向是相同的，否则，其主要问题可能就不会是不平衡问题了。松动问题的相位表现 有些机械松动问题，通过振动相位测量是可以发现的，已经可靠紧固的机械部件应该是与其它部件间同步运动，在各个零部件之间不应该存在显著的幅值和相位的变化，如果在相互配合的零部件之间存在振动幅值和相位的变化，那么机械松动问题的存在是值得怀疑的。 在垫板（BASE PLATE)和支承混凝土基础（CONCRETE BASE)之间存在着显著的振动幅值和相位的变化，这说

16、明，很可能是由于在两部件间的水泥灌浆不充分所引起的。不对中问题的相位表现 联轴节两侧轴承的振动相位差接近180。振动幅值和相位角的测量应该在联轴节相邻的两个轴承座的4个象限位置进行。 四个测量象限的位置要从同一个参考方向观察确定，避免相位数据的混乱。在轴承座A位置2处所进行的相位测量必须与轴承座B位置2处所进行的相位测量相比较径向振动相位对轴平行不对中问题比较敏感，而轴向振动相位对轴角不对中问题比较敏感。不对中问题的相位表现电机轴承1和轴承2振动方向相互之间一致，轴承3和轴承4也是同相振动，这说明电机转子和风机转子不存在内部不对中、轴弯曲和轴承翅起等问题。在联轴节两端存在180的相位变化，这说明在轴承2和轴承3之间存在不对中问题。 大多数的不对中问题是平行不对中和角不对中同时存在的，单纯的角不对中或平行不对中是很少见的。 测量的相差越是接近180，不对中的可能性就越大，不管这个相位差是轴向测量的还是径向测量的。有效的预测维修的工作程序