机械故障与振动波形特征

第二章振动状态监测基础知识构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅D，频率f（或ω）和相位φ。即使在非确定性振动中，有时也包含有确定性振动。振幅、频率、相位，这是振动诊断中经常用到的三个最基本的概念。1）振幅D:简谐振动可以用下面函数式表示：特点：速度比位移的相位超前90º，加速度比位移的相位超前180º。比速度超前90º。2.1振动信号的描述中点上限下限1）振幅式中A为最大振幅（μm或mm），指振动物体（或质点）在振动过程中偏离平衡位置的最大距离）。峰值（单峰值）：A峰峰值（双峰值，双幅）：2A必须特别说明一个与振动幅值有关的物理量即速度有效值Vrms，亦称速度均方根值。这是一个经常用到的振动测量参数。因为它最能反映振动的烈度，所以又称振动烈度指标。振幅反映振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正比。因此，振动诊断标准都是用振幅来表示的。速度有效值Vrms、速度最大值Vp（峰值）、速度平均值Vav之间的关系如下式。速度有效值介于速度最大值和速度平均值之间。ppavrmsVVVV707.022422）频率f频率f：振动物体（或质点）每秒钟振动的次数称为频率，用f表示，单位为Hz。振动频率在数值上等于周期T的倒数，即：f=1/T式中T——周期，即质点再现相同振动的最小时间间隔(s或ms)。频率还可以用角频率ω来表示，即：ω＝2πf频率是振动诊断中一个最重要的参数，振动频率与诊断方案的确定、状态识外、诊断标准的选用有关。3）相位ψ相位ψ由转角ωt与初相角φ两部分组成:ψ＝ωt＋φ振动信号的相位，表示振动质点的相对位置。不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。*相位相同的振动会引起合拍共振，产生严重的后果。*相位相反的振动会产生互相抵消的作用，起到减振的效果。由几个谐波分量叠加而成的复杂波形，即使各谐波分量的振幅不变，仅改变相位角，也会使波形发生很大变化，甚至变得面目全非。相位测量分析在故障诊断中亦有相当重要的地位，一般用于谐波分析，动平衡测量，识别振动类型和共振点等许多方面。两物体振动相位差为0度两物体振动相位差为180度t0度2πABt2πAB90度t2πABπ两物体振动相位差90度转机振动相位的测定在转子上布置键相标记K’，在轴承座上布置键相传感器K（光电或涡流式），其输出的参考脉冲为相位的基准。以参考脉冲后到第一个正峰值的转角定义振动相位，即a。振动相位直接和转子的转动角度有关，在平衡和故障诊断中有重要作用。参考脉冲也用于测量转子的转速。2020/2/972020/2/98旋转机械振动测量中的相位是指某一制定的谐振信号相对于转轴上某个物理标记产生的每转一次的脉冲信号之间的角度差。测振仪显示的相位是振动传感器逆转向到高点的角度，也就是高点顺转向振动传感器的角度，或波形图上键向标记到高点的角度。2.2振动位移、速度、加速度之间的关系振动位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration))sin(2tAxv)sin(tAxa2tAxsin位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者幅值依次为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90°;速度领先位移90°。2020年2月9日6时33分10MMAffAAV212MMAfAD221AfAAM2221)2)3)系统—用以完成一定功能的各有关部分的组合2.3有关名词解释（GB/T2298—91）机械系统—由质量、刚度、和阻尼各元素组成的系统刚度（K）—作用在弹性元件上的力（或力矩）的增量与相应的位移的增量之比（表征系统支承强弱的物理量）阻尼（C）—能量随时间或距离的耗散（消耗能量的物质）阻尼器—用能量耗散的方法减少冲击和振动的装置隔振器—用来在某一频率范围内减弱振动传输的隔振器激励—作用于系统的外力或其它输入大多数机械设备的振动是左图所示几种振动中的一种，或是某几种振动的组合。设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号中，而当设备故障程度加剧时，随机振动中的周期成分加强。因此，从某种意义上讲，设备振动诊断过程，是从随机信号中提取周期成分的过程。2.4振动的分类2.4.1按振动的动力学特征分类及其概念1）自由振动与固有频率这种振动靠初始激励（通常是一个脉冲力）一次性获得振动能量，历程有限，一般不会对设备造成破坏，不是现场设备诊断所需考虑的目标。描写单自由度线性系统的运动方程式为：式中x-振动位移量通过对自由振动方程的求解，我们导出了一个很有用的关系式：无阻尼自由振动的振动频率为:式中：m—物体的质量、k—物体的刚度这个振动频率与物体的初始情况无关，完全由物体的力学性质决定是物体自身固有的称为固有频率，这个结论对复杂振动体系同样成立。它揭示了振动体的一个非常重要的特性。许多设备强振问题，如强迫共振、失稳自激、非线性谐波共振等均与此有关。0)()(22tkxdttxdmmkn阻尼振动体在运动过程中总是会受到某种阻尼作用，如空气阻尼、材料内摩擦损耗等，只有当阻尼小于临界值时才可激发起振动。临界阻尼Ce：振动体的一种固有属性。kmCe2eCC阻尼比ζ：实际阻尼系数C与临界阻尼Ce之比。当阻尼比ζ＜1时，为一种振幅按指数规律衰减的振动，其振动频率与初始振动无关，振动频率ω略小于固有频率ωn；当ζ≥1时，物体不会振动，而是作非周期运动。nn,122)强迫振动和共振物体在持续的周期变化的外力作用下产生的振动叫强迫振动，如由不平衡、不对中所引起的振动。图1-4为强迫振动的力学模型。（惯性力）（阻尼力）（弹性力）（激振力）tFkxdtdxcdtxdmosin22图1－4强迫振动力学模型图1－5强迫振动响应过程a)强迫振动b)衰减振动c)合成振动由图1-5所见，衰减自由振动随时间推移迅速消失，而强迫振动则不受阻尼影响，是一种振动频率和激振力同频的振动。从而可见，强迫振动过程不仅与激振力的性质（激励频率和幅值）有关，而且，与物体自身固有的特性（质量、弹性刚度、阻尼）有关，这就是强迫振动的特点。强迫振动的特点：（1）物体在简谐力作用下产生的强迫振动也是简谐振动，其稳态响应频率与激励频率相等。)sin()1sin()(2tBtAetxntn由强迫振动的运动方程式知，其解由通解和特解组成，即通解部分为衰减自由振动，特解部分为稳态强迫振动。式中A-自由振动的振幅，B-强迫振动的振幅。ζ-阻尼比，φ,ψ-初相角。（2）振幅B的大小除与激励力大小写成正比、与刚度成反比外，还与频率比、阻尼比有关。（a）当激励力的频率很低时，即ω/ωn很小时：强迫振动的振幅接近于静态位移（力的频率低，相当于静力），即振幅B与静力作用下的位移比值β=1。（b）当激励力的频率很高时：β≈0，即物体由于惯性原因跟不上力的变化而几乎停止不动。（c）当激励力的频率与固有频率相近时：若阻尼很小，则振幅很大，为共振现象。共振频率为nnr21此时共振振幅为：212urB共振区角频率：一般为(0.7~1.4)ωn（3）物体位移达到最大值的时间与激振力达到最大值的时间是不同的，两者之间存在有一个相位差，这个相位差同和频率比与阻尼比有关。当ω=ωr时，即共振时，相位差ψ等于90°。当ωωr时，相位差ψ≈180°。3)自激振动自激振动是在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。自激振动是一种比较危险的振动。设备一旦发生自激振动，常常使设备运行失去稳定性。比较规范的定义是：在非线性机械系统内，由非振荡能量转变为振荡激励所产生的振动称为自激振动。自激振动的特点：1）随机性。因为能引发自激振动的激励（大于阻尼力的失稳力）一般都是偶然因素引起的，没有一定规律可循。2）振动系统非线性特征较强，即系统存在非线性阻尼、元件（如油膜的粘温特性，材料内摩擦）、非线性刚度元件（柔性转子、结构松动等）才足以引发自激振动，使振动系统所具有的非周期能量转为系统振动能量。3）自激振动频率与转速不成比例，一般低于转子工作频率，与转子第一临界转速相符合。只是需要注意，由于系统的非线性，系统固有频率会有一些变化。4）转轴存在异步涡动。5）振动波形在暂态阶段有较大的随机振动成分，而稳态时，波形是规则的周期振动，这是由于共振频率的振值远大于非线性影响因素所致；与一般强迫振动近似的正弦波（与强迫振动激励源的频率相同）有区别。自由振动、强迫振动、自激振动这三种振动在设备故障诊断中有各自的主要使用领域。对于结构件，因局部裂纹、紧固松动等原因导致结构件的特性参数发生改变的故障，多利用脉冲力所激励的自由振动来检测，测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的变化。对于减速箱、电动机、低速旋转设备等机械故障，主要以强迫振动为特征，通过对强迫振动的频率成分、振幅变化等特征参数分析，来鉴别故障。对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备，除了需要监测强迫振动的特征参数外，还需监测自激振动的特征参数。2.4.2按振动频率分类在低频范围，主要测量的振幅是位移量。这是因为在低频范围造成破坏的主要因素是应力的强度。位移量是与应变、应力直接相关的参数。在中频范围，主要测量的振幅是速度量。这是因为振动部件的疲劳进程与振动速度成正比，振动能量与振动速度的平方成正比。在这个范围内，零件的疲劳破坏为主要表现，如点蚀、剥落等。在高频范围，主要测量的振幅是加速度。它表征振动部件所受冲击力的强度。冲击力的大小与冲击的频率与加速度值正相关。低频振动：f10Hz中频振动：f=10～1000Hz高频振动：f1000Hz机械振动（按频率分类）2.5单自由度系统的强迫振动振动的频率等于激励的频率。振幅大小与激励力的大小成正比。激励频率接近固有频率时，振幅增大称为共振。共振峰大小决定于阻尼大小。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。2020/2/922幅频特性相频特性2.6系统固有频率和阻尼的确定2020/2/92321n1212阻尼系数半功率带宽2mn2nm2-1221f固有频率共振频率2.7设备振动问题简化系统模型MFF—激励力KX-XC机器的力学模型基础在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比。dkFxμKKcd系统刚度直接影响到轴系的不平衡振动响应，当支承动刚度或设备的结构刚度较低时，在不大的激振力作用下，也会产生显著的振动。作用在系统上的激振力系统动刚度，产生单位振幅（位移）所需的交变力系统静刚度，产生单位位移（变形）所需的静力系统放大系数提示：在机械设备振动故障维修中，必须特别注意设备的支承刚度问题！如部件连接刚度、轴系装配间隙等，都会严重影响到设备的运行质量第三章常用振动测试传感器3振动传感器的特征与选择3.1振动传感器的分类1）按所测机械量输出信号分（1）加速度传感器（2）速度传感器（3）位移传感器2）按机械接收原理分相对式、惯性式；3）按机电变换原理分电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；（4）力传感器（5）应变传感器（6）扭振传感器（7）扭矩传感器3.2振动传感器选择时应注意的关键参数1）频响范围（线性范围）2）使用温度范围3）灵敏度（灵敏度越大越好吗？）4）量程3.3振动传感器原理1）压电加速度传感器特点2020/2/929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。典型的压电加速度传感器及其特性2020/2/930预紧环底座质量块出线口晶体片2）磁电速度传感器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