振动测试技术

、概述;机械故障诊断学是一门近二十年内发展起来的新学科，是现代化设备维修技术的重要组成部分，并且正在日益成为设备维修管理工作现代化的一个重要标志。此项技术的应用主要是对确保机械设备的安全，提高产品质量，节约维修费用以及防止环境污染起着很重要的作用。在机械故障设备的的状态监测和故障诊断技术中有多种方法可使用。例如振动监测技术、油液分析技术、红外测温技术、声发射技术、无损检测技术等。其中振动监测技术是普遍采用的基本方法，因为振动的理论和测量方法都比较成熟，且简单易行。另外，据统计，机械故障90%可以从振动测量中检测出来。振动测量和信号分析一直是作为预知维修的主要手段，各行业设备部门要开展这项工作一般都是从这二方面起家的。振动监测技术就是“对设备的振动信号进行检测、分析处理，故障识别和预报的一种技术”。二、简易诊断与精密诊断设备的状态监测技术是指对设备（部件、零件）的某些特征参数进行测试，并根据所得测定值与规定的正常值来作比较以判断设备的工作状态是否正常或异常（存在故障），也称为简易诊断。设备故障诊断技术则不仅要对机器设备的状态是否正常作出判断，更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计。故称为精密诊断。目前比较普及的还是简易诊断（状态监测），而精密诊断真正用于生产还是少数，而且主要用于高精尖设备上。这一状况欧美和日本都一样，具有普遍性。这表明简易诊断比较成熟，简便易行，而精密诊断还属于一种开发性技术，尚不够成熟。另外精密诊断的费用也比较高，需要精密的仪器，要由经过专门训练的工程师来进行，所以只在重要的设备上进行。这一点对我国开发推广诊断技术时值得注意。当前应该把重点放在普及简易诊断或状态监测上。同时积极开发精密诊断技术，使它尽快达到使用水平。据有关资料统计，利用简易诊断仪器可以解决设备运行中50%的故障。由此可见，简易诊断在设备管理与维修中的重要作用。以日本新日铁公司为例，看设备诊断技术在设备管理与维修中的应用：（图1）新日铁认为：在大型钢铁联合企业中，为确保全系统设备的正常运行，有两项技术必须实行。一是有效地监视机器状况，即“设备监测技术”。二是精确的诊断方法。即：“精密诊断技术”。1•“设备监测技术”。这类技术应满足如下要求a、能迅速地对各种类型的机械进行测量a能进行现场结论b、经济，使用方便;c、目前，新日铁在这方面已开发出了一系列的硬件，专门用于钢铁联合企业中的各类设备，新日铁把用于设备监测技术的硬件分为三类：（1）第一类是供日常检查人员随身携带使用的，能定量显示结果的各种小型仪器。譬如：机器检测器，油膜检测器，小型测振仪、马达检测器，声发射裂纹检测器等。（2）第二类是监视仪表，通常是安装在现场的，可进行自动数据采样，自动数据记录与作为倾向管理的图谱相对照，异常情况判别图谱显示等等，譬如：旋转机械监视仪，压缩机监测仪，热轧机监视仪等。（3）第三类是数据＜这需要第一类仪器测量得到的数据作为输入才能进行工作。可自动处理大量测量数据，并记录，储存与控制图谱相对照，发出控制信号等2•“精密诊断技术”当通过使用设备监测技术进行测量，与作为倾向管理的图谱或数值相比较之后，当指出已存在故障或者是预测可能发生故障时，有必要进行精密诊断，通过精密诊断，不仅要确定故障是否的确存在，并且，当存在故障时，还需诊断出它的位置，原因及程度，新日铁认为：这类技术必须由专门的、称为精密诊断检查的技术人员来进行，在这方面，新日铁近几年来也开发出了二类仪器：（1）一类是专门用的仪器，主要是用于旋转机械的，这类仪器通常必须配合各种软件技术（譬如：参照诊断手册，振动严重性判据等）进行使用，同时，结合设备状况进行分析、判断，譬如：旋转机械自动诊断系统，自动平衡仪，声发射裂纹分析仪等。（2）另一类是通用仪器，用于状态诊断的测量及分析的仪器。譬如：信号;记录仪信号分析仪，传递函数分析仪等;由“设备监测技术”和“精密诊断技术”这大类技术就构成了新日铁的“设备状态诊断系统”如图2所示。;三、振动测量在机器状态监测中的应用;1.测量方法的进步一台设计得很好的机器，它的固有振级也很低。但当机器磨损、基础下沉、部件变形时，机器的动态性能开始出现各种细微的变化：轴变得不对中，部件开始磨损，转子变得不平衡，间隙增大。所有这些因素都在振动能量的增加上反映出来。因此，振动加剧常常是机器要出毛病的一种标志，而振动是可以从机器的外表面测到的。过去，设备工程师根据经验靠手摸、耳听来判断机器是否正常或其故障是否在发展。但今天机器的转速很高，许多起警告性的振动出现在高频段，因此，只有用仪器才能检测出来。做法是：在机器运行良好的状况下具有一个典型的振级和频谱特征。而当机器的故障在发展的时候，机器的动态过程以及机器零件上的一些作用力也随着变化，从而影响机器的振动能级和频谱的图形。通过这样的振动的测量和分析，我们可以知道机器的工作状态的变化以及是否需要维修。把振动测量用于机器状态监测值得注意的是：成功未必取决于初期大量投资去配备带高级计算机的分析仪器。许多成功的例子开始是在具有代表性的机组中采用不太昂贵的模拟式振动表和分析仪。当取得经验并计划扩充时，就自然地发展为采用更快更强有力的仪器。明智的做法是一开始就购买高质量的仪器。如果许多新方案由振动测量方面经验有限的工程师来承担，加上测量结果不准确而且前后矛盾就会大大限制视情维修的可信度。上海星晟检测仪器有限公司就是遵循这一思路开发出一系列便携式测量仪器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等产品。2.测量仪器及测量系统对振动进行周期监测的仪器系统按其复杂程度可分成三档：（1）简单系统最简单的系统是用一种直读式的袖珍振动表在一定的频率范围内去测量振动级别。把测量结果与通用标准或每台机器的专用参考值相比较。对那些用振动测量进行状态监测以取得经验的人员来说，一个高质量的手持振动计是需要的。这种振动计在10~1000HZ或10~10000HZ的频率范围内能读出单一的振动加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接与标准的振动严重性评定值相比较，从而知道需要维修的程度。虽然宽频带振动计在早期故障检测、诊断及损坏预测方面的作用是有限的，但也是必须的。（2）振动状态监测的系统（a）频率分析的基本系统用于机器状态监测的频率分析系统有若干种配置方式。如果想从有限的投资开始而且只有几十个测量点时（不是几百和几千个测量点），电池供电的振动分析仪和振动能级;是优越的。这种配套装置能对各监测点依次画出其窄带频谱图。每次测量和分析约需要几分钟，每个测量点的数据用手工登记在记录卡上。把每个测量点的参考频谱记录下来并复制在透明的卡片上。以后取得的频谱放在参考频谱下面，两张卡片一对照立即可以找到差别所在。如果某一频率的振级增加就画出其振级——时间曲线，从而可预测其发展趋势。有些用户平时只进行有规律的简单宽带监视，当振级有明显变化时才应用频率分析。这种方式有助于故障发展的诊断而不能用于早期警告和趋势发展的规律分析。（b）先进的机器状态监测系统当有大量的机器测点需要监测时，采用更完善的系统是合理的。操作人员可用加速度计与数据采集器）把每一个测试点的振动信号直接记录下来。回设备科后，再送到计算机里，用软件进行分析，这样做的优点是：速度快、扩大了仪器功能，改善了检测能力并降低了测量成本。（3）永久性的机器振动监测上面提到的机器振动监测系统都是基于周期性的测量与校对。而永久性监测首先应用于那些对生产过程起重要作用的单台设备，当机器出现突然变化时，能立即或在几分钟之内向控制室提出警告，以便在灾难性故障出现之前即采取有效措施。这种系统在发电、石油化工工业中用得很多，用来监视汽轮机、进料泵和压气机等设备。永久性状态监测系统的首要条件是要有高可靠性、长期的稳定性及抗恶劣环境及抗误报警的能力，坚固的机器设计、能在潮湿与有灰尘的条件下工作再加上例行环境试验才能满足上述的严格要求。加速度计、电缆、接线盒等特别坚固的前线设备也需能在

高温下工作。这种系统还包括一个自动测试系统，以便在事故报警时，操作人员立即核对哪些仪器的功能是正常的。（资料来源：西域科技）振动测试measurementandtestofvibration用试验方法测量机械的振动量（如位移、速度和加速度等）和系统特征参数（如固有频率、阻尼、振型等），以及振动环境的模拟等，都属于振动测试。研究机械振动时通常采用理论分析和测试两种手段。通过测试可验证理论分析计算的正确性，提供所需的修正依据。20世纪80年代以来，振动测试仪器有了显著的进步，如传递函数分析仪、实时频率分析仪和快速傅里叶分析仪的相继应用，并与电子计算机相结合，为振动测试和测试结果的分析处理提供了方便的条件，从而也进一步推动了振动理论的研究和发展。系统的振动特性也可以应用激光全息照相法拍下实物或模型在振动时的全息照片，根据全息照片中的干涉条纹图案来分析。机械振动的研究可归结为机械系统的激励、响应和振动特性三个方面的问题。在已知其中两个方面的情况下可求第三方面的问题。与之相对应，振动测试的基本内容包括：①已知激励和系统的振动特性情况下求响应，即振动量的测量；②已知激励和响应的情况下求系统的振动特性，即系统特征参数的测定，也称参数识别；③已知系统的振动特性和响应的情况下求激励，即环境预测，这种测试称为振动环境模拟试验。振动量的测量测量机械系统某些选定点上的振幅（位移、速度和加速度）、频率、相位、振动的时间历程和频谱等。这种测量通常在机械系统的工作状态下进行，以了解其实际振动状况。对某些精密和大型机械设备的振动监控和诊断所作的测量也属这种性质。振动量测量按振动信号和转换方式可分为电测法、光测法和机械测振法，其中以电测法应用最为广泛。图1振动量电测系统］图1振动量电测系统］为一个较完整的振动量电测系统。测振传感器（拾振器）将机械振动量转换为与它成比例的电量。常用的测振传感器有发电型（如压电式、电动式和磁电式等）和电参数变化型（如电感式、电容式、电阻式和涡流式等）两类。不同类型的传感器需要配接不同类型的中间测量变换装置（图2［传感器与中间测量变换装置的配接］）。中间测量变换装置对传感器输出的电信号进行前置变换（电阻抗变换）、微积分运算、放大、调制和解调等，以便驱动后接的分析或显示、记录设备。分析设备完成对信号的频率分析。显示、记录设备给出振动信号（经过分析的或未经过分析的）的波形，并用数字或模拟方式指示出测量结果，以便于储存、分析信号和进行数据处理。系统特征参数的测定主要是应用机械阻抗测试技术,以获得机械阻抗数据（有时亦称频率响应数据）,从而得到系统的特征参数如固有频率、阻尼、刚度、质量和振型等；还可通过模态分析求取系统在各阶模态下的特征参数，既模态参数。这一测试过程称为模态参数识别。这种测定通常在机械系统的非工作状态或模型试验情况下进行，以求全面了解其动态响应特性。若在工作状态下进行，则常称为在线识别。在机械阻抗测试技术中，施加的激励有简谐、瞬态和随机3种类型,故机械阻抗测试也相应地分3类。简谐激励机械阻抗的测试以简谐力作为激励并保持其幅值恒定，在欲测的频率范围内连续地改变激励频率，即扫频；测定机械或结构在稳态振动下振动响应与激励的幅值比随激励频率的变化关系,即幅频特性;测定振动响应与激励间的相位差随激励频率变化的关系，即相频特性。当激励频率为被测系统的某一阶固有频率时，则可获得系统的同阶模态。简谐激励又有单点激励和多点激励两种形式。多点激励目的是激起系统的单一振型。测试系统可由一般仪器组成，也可由传递函数分析仪组成。瞬态激励机械阻抗的测试以冲击力、阶跃力或快速正弦扫描力等瞬态力为激励，同时测量机械或结构在选定点处的振动响应和激励，并进行分析处理，从而获得其频率响应（幅频、相频和幅相特性）。由于是瞬态激励，这种方法能在一次激励下激起机械系统在选定频率范围内的响应。在瞬态激励中,冲击激励最为常用,因为激励设备就是一个带有力传感器的敲击锤，只要适当选择锤头的材料，如橡胶、塑料、铝或钢等，就可以改变激励频率的范围，而激励的大小则可由锤头上配重块的质量和敲击加速度来调节。冲击激励常配用以快速傅里叶分析仪为中心的测试系统。由于激励设备简单，所需测试设备较少，可实现机械阻抗的快速以至实时测试，应用日益广泛。随机激励机械阻抗的测试以随机力作为激励，测定机械或结构在平稳随机激励下的振动响应与激励之间的关系，如自功率谱密度和互功率谱密度等，进而得到系统的机械阻抗数据。因为用于随机激励的平稳随机信号包含有一定幅度的多种频率成分，对于频率范围较窄的一些机械阻抗测试而言，可在一次随机激励下测得一定频率范围内所需的机械阻抗数据。振动环境模拟试验研究或考核试验对象在强度、寿命和功能方面的抗振性。这种模拟试验分为周期性振动试验、随机振动试验和冲击试验3种。周期性振动试验一般采用耐共振、耐扫频和耐预定频率试验3种形式。在进行振动寿命试验时，为了缩短试验时间常采用提高振动量级的办法，即强化试验。提高的程度，即强化系数，应根据试件的振动响应特性和疲劳强度分析来考虑。试验根据不同试验对象按相应的试验规范进行，并用模拟振动试验机来实现。测试系统的校准和定度为了保证测试结果的可靠性和测试精度，对所使用的仪器，尤其是测振传感器必须进行定期校准和定度。在进行重要的或特殊的试验前，常直接对整套测试系统进行现场校准和定度。测试系统最基本的校准项目包括灵敏度、频率响应和线性度。此外，根据需要还可进行某些特殊的校准，如所测振级变化范围大时，应校准动态线性范围；高温下测试时，应校准温度的影响等。测振传感器的校准在测试系统的校准中具有特别重要的意义。校准方法主要有两