机械工程检测7机械振动测试

第7章机械振动测试与分析主要研究内容：1.了解测振传感器的基本结构和原理2.了解振动测量的工程应用3.了解振动实验装置7.1振动测量基础知识一、振动的基本参数幅值：振动强度大小频率：频谱分析寻找振源相位：确定共振点、振型测量等二、研究振动测试的重要性1.为进行机械结构的振动分析或振动设计服务，以实现低振级、低噪声的要求；2.为改善现成的机构或结构的抗振性能，也需测量振动。风洞实验等(赛车机构设计,飞机)三、振动的分类机械振动按振动产生原因自由振动强迫振动自激振动按振动系统结构参数分类按振动的时间规律按确定振动的独立坐标数分类线性振动非线性振动确定性振动随机振动简谐振动周期振动非周期振动单自由度振动多自由度振动连续弹性体振动四、振动测试内容1.振动基本参数的测量测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，以判别振动的强度（振级），找出振动根源，加以克服或改进。2.结构或部件动态特性的测定（激振实验）输入激振力系统响应确定被测件的ωn、fn、ζ目的：通过动特性测定，以判定结构的抗振能力这种试验称为频率响应试验或机械阻抗试验五、振动测量分类测量原理机械式—适用被测振动频率较低、振幅较大和精度不高的场合。光学式—可实现无接触测量，但只能作相对测量，故需良好隔振。电气式—是瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的位移测量手段。振动测量参考坐标绝对式—选惯性空间（大地）作测量时的参考坐标相对式—选空间动点或不动点作测量时的参考坐标六、一般振动测试系统的组成1.振动参数测量系统被测振动传感器中间变换器预处理电路振动分析仪器显示2.频率响应实验测量系统例：典型机床频响测试系统在振动测试中要注意两个问题：1.干扰振动分析仪器应能在噪声背景下检测出有用的信息。2.匹配振动分析仪器中得到的各环节串联而成的整个系统的特征。最理想的各个环节应是A(ω)=A0ϕ(ω)=0七单自由度系统的受迫振动质量块受力时产生的受迫振动)()()()(22tftkydttdycdttydm=++力平衡方程式式中：c阻尼系数k弹簧刚度f(t)系统输入z系统输出受力激振时，以位移为响应时的频率响应特性nnjjFjZjHωωζωωωωω2)(11)()()(2+−==幅频特性222)2(])(1[1)(nnzAωωζωωω+−=相频特性2)(12)(nnarctgωωωωζωϕ−−=式中ζ振动系统的阻尼比，ω—激振力的圆频率ωn—振动系统的固有频率，kmc2=ζmkn=ω质量块受力时产生的受迫振动的加速度频响曲线位移共振频率位移共振频率—输入为力，输出为振动位移时，幅频特性上幅值最大处的频率ωrz；响应是位移的幅频特性：mmzFZA=)(ω位移共振频率：nnrzωζωω−=221速度共振频率速度共振频率—输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率ωrv。响应是振动速度的幅频特性：mmvFZAωω=)(速度共振频率：nrvωω=加速度共振频率加速度共振频率—输入为力，输出为振动加速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率ωra。响应是振动加速度的幅频特性：mmaFZA2)(ωω=加速度共振频率：nnrzωζωω+=221相位共振从幅频特性上看，当ζ很小，即小阻尼时，ωrz≈ωn，ωra≈ωn，故常采用ωr作为ωn的估计值。从相频特性上看，不管系统的阻尼比时多少，在（ω/ωn）=1时位移始终落后于激振力900，这种现象称为相位共振，一般固有频率的估计用相频特性曲线比较准确，因为这段曲线比较陡峭，频率稍有偏移，相位就明显偏移900。八由基础运动所引起的受迫振动力平衡方程式0)()(1010202=−+−+zzkzzdtdCdtzdm21201012012dtzdmkzdtdzCdtzdm−=++Z1(t)—基础的绝对位移Z0(t)—质量m的绝对位移Z01(t)—质量m对基础的相对位移z01=z0-z12222)2(])(1[)()(nnnzAωωζωωωωω+−=2)(12)(nnarctgωωωωζωϕ−−=幅频特性、相频特性：基础受力时产生的受迫振动[][]0)()()()()(1010202=−+−+tytyktytydtdcdttydmdttydmtkydttdycdttydm)()()()(1201012012−=++)()()(1001tytyty−=基础受力时产生的受迫振动幅频曲线7.2振动的激励与激振器a、激励方式稳态正弦激振瞬态激振随机激振快速正弦扫描激振脉冲激振阶跃（张驰）激振一、稳态正弦激振1.逐点正弦激振单一频率正弦力系统稳态响应幅频特性、相频特性将响应纪录下来，然后作图2.慢速扫频激振信号发生器采用无极或有极地改变正弦激振力的频率，即频率扫描，这样激振频率随时间而变化，严格讲这是一种瞬态的激振，但采用足够缓慢的扫描速度，使分析仪器有足够的响应时间，使被测对象处于稳定振动状态，这样可近似逐点正弦激振。二、随机激振1.白噪声激振白噪声的性质：1)频谱相当于所有频率成分均有；2)自相关函数τ=0时为陡峭的峰，τ稍偏离0就很快衰减；3)自功率谱密度函数接近于常数。2.伪随机激振用伪随机信号发生器或用计算机产生伪随机码来产生随机激振信号。伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号又完全相同。3.实际随机激振三、瞬态激振1.快速正弦扫描激振)0()(2sin)()()(TttbattptpTtp+==+π式中a=(fmax-fmin)/T，b=fminfmax、fmin—信号发生器所供信号的上、下截止频率2.脉冲激振（冲击激振）用脉冲锤对被测对象进行敲击，脉冲力信号及各点响应信号经过电荷放大器放大，输入传递函数分析仪，从而得到传递函数的幅值、相位等特性。3.阶跃（张弛）激振激振器—对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。对激振器要求：1)能在要求的一定频率范围内产生波形良好、幅值足够且稳定的交变力；2)有时要求产生一个稳定力；3)尽量要求体积小、重量轻。b、激振器电动式激振器电动式激振器电磁式激振器电液式激振器7.3振动测量与测振传感器a、常用测振传感器惯性式测振传感器力学模型电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器磁电式相对速度传感器磁电式绝对速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器测振传感器的合理选择直接测量参数的选择传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等B、振动的测量方法1.相对式测振选择结构上的动点或不动点作为测量中的参考坐标。直接式接触式非接触式跟随式—接触式跟随式相对振动传感器使用条件：测量过程中顶杆始终与被测对象接触mnx20ωωδδ0—预压缩量ωn—固有频率ω—被测振动频率xm—被测振幅2.绝对式测振21201012012dtzdmkzdtdzCdtzdm−=++（惯性式拾振器）力学模型就是由基础运动引起的受迫振动的模型当选择参数ωn、ζ不同时，可以做成振幅计（位移计）、速度计和加速度计构成振幅计的条件53−≥nωω1ζ其幅频、相频特性分别如下：2222101)2(])(1[)()(nnnzzzAωωζωωωωω+−==2)(12)(nnzarctgωωωωζωϕ−−=1)(=∞→ωωzA构成加速度计的条件51≥nωω1ζ其幅频、相频特性分别如下：2222211)(+−=nnnaAωωζωωωω212)(−−−=nnaarctgωωωωζπωϕ21)(0naAωωω=→构成速度计的条件或常数0=−nnωωωω1ζ其幅频、相频特性分别如下：222221)(+−=nnnvAωωζωωωωω2122)(−−−=nnvarctgωωωωζπωϕcAvn21)(==ωωωC、振动量的测量（振动位移、速度、加速度）正弦测量系统动态应变测量系统频谱分析系统（模拟量、数字量）D、机械振动参数的估计（固有频率、阻尼比、振型）多自由度系统的频率特性自由振动法1.ζ的测定1ln+=iiMMδπδδπδζ2422≈+=ζ很小时πδδπδζnnnnn24222≈+=niinMM+=lnδζ较大时2.ωn的测定22121ζπζωω−=−=ddnT二、共振法→正弦信号系统→响应作出幅频、相频特性曲线1.总幅值法—从幅频曲线进行估计（1）估计ωn221ζωω−=nrznrvωω=221ζωω−=nra当ζ很小时，narrvrzωωωω===（2）ζ的估计nωωωζ212−=2.相位共振法—利用相频曲线进行估计从相频曲线ω=ωn处的斜率可直接估计阻尼比ζ。3.分量法—根据虚实部频率特性进行估计7.5测试实例•脉动法桥梁模态测试技术•强迫振动时桥梁振动测试技术•桥梁动挠度信号恢复技术现场桥梁动态测试技术桥梁动态测试系统被测桥梁程控放大抗混滤波程控放大抗混滤波16路模拟开关采样/保持A/D板接口电路PCI总线主机输入设备输出设备传感器桥梁动态测试系统硬件组成开始用户密码校验密码正确？结束双通道频谱分析显示单点时域波形显示互谱分析和相干函数分析单点信号时频域分析桥梁实验资料输入数据处理报告输出实验报告归入数据库结束YN动挠度波形恢复相邻测点信号差值时频域分析桥梁损伤分析显示应变/曲率模态分析桥梁模态分析显示传感器校验信号读入传感器时域数据校验传感器频域性能校验桥梁测试数据的分析处理和显示模块的流程图工字钢梁实验现场测点布置工字钢梁实验现场仪器设备三峡覃家沱大桥实验80m130m80m58m100m0#3#2#1#1/4s13/4s11/4s21/2s23/4s21/4s31/2s31/4s3s1s2s31#2#3#0#纵截面图垂直振动模态检测的测点分布图0#3#2#1#3#2#1#0#覃家沱大桥竖向一阶、二阶模态振型一阶：模态频率：1.16Hz阻尼比：0.00962二阶：模态频率：1.962Hz阻尼比：0.00656深圳梅林2#、3#人行过街桥实验振动筛振动测试实验GW型振动筛的动态特性测试研究离线激振试验在线振动实测固有频率、阻尼、动刚度、东质量、振型：特征点的振动幅、速度、加速度；相位特征点的运动轨迹、速度、加速度；筛箱应变、应力；筛网受力；噪声；电机与轴成温动态特性动态参数传递特性参数优选动态设计提高筛分效率GW型振动筛动态测试M1420A万能外圆磨床振动测试与分析（上海）测点布置1：砂轮主轴箱上部2：砂轮主轴箱侧面3：砂轮架侧面4：砂轮架上部5：导轨电机座6：导轨电机外壳上部123456测试现场现场测试CKA6136数控车床振动测试与分析（上海）测试现场1:主轴2:导轨3:刀架测点布置现场测试CM6140普通车床振动测试与分析（上海）机箱主轴导轨刀架测试现场与测点布置现场测试变速器封闭实验全貌该实验台主要由液压泵站、冷却系统、调速电机、加载器、传感器、离合器、主试箱和陪试箱等部分组成。汽车齿轮箱测试分析与故障诊断16T-180同步器型变速箱封闭实验台现场测试变速箱封闭实验台油路系统现场测试石油机械动态测试与分析测试现场现场测试