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机械设备振动状态监测与健康评价机械设备振动状态监测与健康评价徐光增xgz0532@sohu.com2011年n第一章振动测量与实验n第二章旋转机械主要振动故障模式识别n第三章振动故障诊断的多维性原则内容提刚内容提刚第一章第一章振动测量与实验振动测量与实验第一节第一节振动概述振动概述一一振动的基本概念振动的基本概念二二机械振动系统机械振动系统三三机械振动系统的力学模型机械振动系统的力学模型第二节第二节简谐振动简谐振动四四振动系统特征参数分析的工程意义振动系统特征参数分析的工程意义一一什么是简谐振动什么是简谐振动二二简谐振动的变化规律简谐振动的变化规律三三简谐振动的特点描述简谐振动的特点描述四四简谐振动的三要素解析简谐振动的三要素解析第一章第一章振动测量与实验振动测量与实验第一节第一节振动概述振动概述一一振动的基本概念振动的基本概念二二机械振动系统机械振动系统三三机械振动系统的力学模型机械振动系统的力学模型第二节第二节简谐振动简谐振动四四振动系统特征参数分析的工程意义振动系统特征参数分析的工程意义一一什么是简谐振动什么是简谐振动二二简谐振动的变化规律简谐振动的变化规律三三简谐振动的特点描述简谐振动的特点描述四四简谐振动的三要素解析简谐振动的三要素解析第一章第一章振动测量与实验振动测量与实验第三节第三节振动的合成与分解振动的合成与分解一一简谐振动的合成简谐振动的合成二二简谐振动的分解简谐振动的分解第四节第四节机械设备振动监测机械设备振动监测一一设备监测基础设备监测基础二二设备振动监测方法设备振动监测方法三三设备振动标准与评价设备振动标准与评价第一节第一节概述概述一振动的基本概念振动是人们在日常生活和工作中非常熟悉的一种物理现象有益的振动有益的振动有害的振动有害的振动有益的振动有益的振动¤¤在在地质勘探、工程建筑以及医学等方面都有大量的成功应用；¤¤振动时效性应用；¤¤在机械设备安全运行与技术改造方面的应用；监测设备的异常振动信号诊断治疗设备故障；利用振动理论改造设备设计缺陷第一节第一节概述概述一振动的基本概念有害的振动有害的振动¤¤运载工具的振动1969—（2000）2003¤¤机械设备以及土木结构的破坏¤¤军事装备的振动与噪声泰国发生的泰国发生的2525MWMW汽轮发电机组机毁人亡事故汽轮发电机组机毁人亡事故泰国首都曼泰国首都曼谷附近一家自备电厂发生一起谷附近一家自备电厂发生一起2525MWMW汽轮发电机组机毁人亡事汽轮发电机组机毁人亡事故，汽轮机和发电机大轴断为数节故，汽轮机和发电机大轴断为数节,,发电机励磁侧线圈发生燃发电机励磁侧线圈发生燃烧烧,,励磁机线圈及励磁机定子铁心全部脱出励磁机线圈及励磁机定子铁心全部脱出,,励磁机主轴飞出厂励磁机主轴飞出厂房以外房以外,,发电机定子端盖励磁侧飞出发电机定子端盖励磁侧飞出,,嵌入厂房墙内嵌入厂房墙内,,齿轮箱盖齿轮箱盖飞出飞出,,变速箱大齿轮自齿轮箱内飞出变速箱大齿轮自齿轮箱内飞出..1#1#轴瓦压盖飞出轴瓦压盖飞出,1#,1#轴承和轴承和1#1#轴颈飞出轴颈飞出..事故发生时事故发生时,,一名运行工人被飞出部件击中当场死一名运行工人被飞出部件击中当场死亡亡..第一节第一节概述概述一振动的基本概念有害的振动有害的振动第一节第一节概述概述一振动的基本概念有害的振动有害的振动第一节第一节概述概述一振动的基本概念从狭义上讲，通常把具有时间周期性的运动称为振动。从广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动。。力学量（如位移、速度）———机械振动。电磁量（如I、V、E、B）———电磁振动机械振动——物体在平衡位置附近所作的往复运动。振动是人们在日常生活和工作中非常熟悉的一种物理现象有益的振动有益的振动有害的振动有害的振动TPQTPQ第一节第一节概述概述二二机械振动系统机械振动系统■机械振动系统围绕其静平衡位置来回作往复运动的机械集合体系，所谓系统是指若干互相联系着的事物组成的一个整体（集合）机械振动系统机械振动系统（MM、、KK、、CC）激励激励（作用于系统输入端的外力）（作用于系统输入端的外力）响应（响应（系统的运动历程系统的运动历程））（力或位移等激励信号（力或位移等激励信号）（力或其他振动响应信号）力或其他振动响应信号）第一节第一节概述概述二二机械振动系统机械振动系统振动系统振动系统（MM、、KK、、CC）激励激励（作用于输入端的外力）响应响应（系统的运动历程）（力或位移等激励信号）（力或其他振动响应信号）力或其他振动响应信号）■振动工程研究的课题——分析、确认激励—系统—响应三者之间的定性、定量关系√√√？√？第一节第一节概述概述三机械振动系统的力学模型Mck任何一台实际的机械设备都是一个复杂的振动系统，为了研究任何一台实际的机械设备都是一个复杂的振动系统，为了研究系统的输入、输出关系，需要对系统作合理的简化处理，并在此基系统的输入、输出关系，需要对系统作合理的简化处理，并在此基础上建立能够表征系统特征的力学模型。础上建立能够表征系统特征的力学模型。构成振动系统力学模型的基本要素是构成振动系统力学模型的基本要素是惯性惯性、、复原性复原性、和、和阻尼阻尼φ0102MgyxM1MM22FxFyωao2第一节第一节概述概述■具有使系统当前运动状态持续下去的性质；三机械振动系统的力学模型11惯性元件惯性元件————以质量参数以质量参数M表征表征■质量元件对外力作用的响应，表现为一定的加速度:FmX(t)¨MxmFm&&=(kg.m/s2)■质量元件在振动系统中具有储存和释放动能的特性；第一节第一节概述概述■弹性元件具有使系统位置恢复到平衡状态的性质；三机械振动系统的力学模型22弹性元件弹性元件————以刚度参数以刚度参数KK表征表征■弹性元件对外力作用的响应，表现为一定的位移或变形；xFsk-=(N.m/N.cm/N.mm)■弹性元件在系统中具有储存和释放势能的特性；K——弹性刚度，表示单位力所产生的位移实际工程结构中的许多构件，在一定的受力范围内都具有作用力与变形实际工程结构中的许多构件，在一定的受力范围内都具有作用力与变形之间的线性关系，都可作为线性弹性元件处理之间的线性关系，都可作为线性弹性元件处理,,并以并以““等效刚度等效刚度””代理代理kFsx0■阻尼元件具有耗散振动系统能量的性质；三机械振动系统的力学模型33阻尼元件阻尼元件————以阻尼参数以阻尼参数CC表征表征■在线性振动系统中，阻尼元件对外力作用的响应，表现为端点的一定的移动粘性阻尼力的大小与阻尼元件两端的相对速度成正比；方向与速度方向相反。˙xFdC——阻尼系数，(N.s/m)是使阻尼器产生单位速度所需要施加的力xcFd&⋅=Fd˙x(t)xcFd&⋅=-第一节第一节概述概述JO2-42-4H1500rpm5.5KW第一节第一节概述概述四振动系统特征参数分析的工程意义补强点315KW、1780r/min，电压Ø3-440V/60Hz；调频电压在50Hz时风机运行常，振动速度≤2.5mm/s;当调频电压在（60Hz）时，⊥向烈度7～112mm/s.且振幅大小变化，振动频率为：29Hz及在3100Hz频段内N次谐波麻手Z、X≤2.5mm/s7～112mm/s由于在垂直主方向振动大，且3台风机情况基本相同，故分析为支承强度不够，建议提高壳体支承强度。第一次进行壳体加强后，振动烈度降低到76mm/s;振动频率30、60、80、90Hz首次支承加强第二次进行壳体加强后，垂直振动烈度降低到2.0mm/s;振动频率为30Hzty第二节第二节简谐振动简谐振动一什么是简谐振动按正（余）弦规律、周期性变化的振动称为简谐振动，简谐振动是研究复杂振动的基础。POXsinωtωωtytOd=Xsinωtd=Xsin(ωt+φ）Φ/ωΦ考察一旋转矢量振动x—振幅表示物体离开平衡位置的最大距离，表征振动强弱的物理量；T—周期物体完成一次振动循环所需要的时间，表征振动快慢的物理量；f—频率单位时间内物体振动的次数，表征振动快慢的物理量。f=1/Tω—角频率描述振动体振动快慢的物理量，ω=2πf单位：弧度/秒；（ωt+φ)—相位相位是描述振动体任意时刻的状态量的参数，初相角φ是t=0时刻的状态量所对应的初始位置（或角度）。T第二节第二节简谐振动简谐振动M'MM负正a：负最大正最大正最大零负最大零零零最大d：v：考察二单摆往复运动二简谐振动的变化规律目的通过观察单摆的往复运动，进一步分析通过观察单摆的往复运动，进一步分析和认识简谐振动特征参数的变化规律和认识简谐振动特征参数的变化规律¤¤单摆的往复运动，包含了振动系统中的三个基本单摆的往复运动，包含了振动系统中的三个基本物理量：物理量：位移位移—dd、速度、速度—vv、、加速度加速度—aa；；¤¤在一个运动周期中，单摆在平衡位置时，位移数在一个运动周期中，单摆在平衡位置时，位移数值为零；在两端极限位置，位移有值为零；在两端极限位置，位移有±±最大值最大值；；¤¤单摆在平衡位置时，速度值最大；在两端的极端单摆在平衡位置时，速度值最大；在两端的极端位置，速度值为零；位置，速度值为零；¤单摆在平衡位置时，加速度值为零；在两端的极单摆在平衡位置时，加速度值为零；在两端的极限位置，有限位置，有±±最大值，但方向和位移相差最大值，但方向和位移相差180180度。度。¤单摆运动反映了单摆运动反映了dd、、vv、、aa的物理属性和三者之间的物理属性和三者之间的运行规律；反映了简谐振动的基本特征的运行规律；反映了简谐振动的基本特征tyv=Vmsin(ωt+π/2+φ)α=Amsin(ωt+π+φ)d=Dmsin(ωt+φ)d=Dmsin(ωt+φ)v=d=ωDmsin(ωt+π/2+φ)=Vmsin(ωt+π/2+φ)·a=d=ω2Dmsin(ωt+π+φ)=Amsin(ωt+π+φ)··三简谐振动的特征描述¡¡若位移是简谐函数，则速度和加速度也是简谐函数，且频率一致，速度和加速度分别超前位移π/2和π。加速度始终指向位移的平衡位置¡¡振动位移幅度一定时，速度幅值和振动频率，速度幅值和振动频率成正比，加速度幅值和频率的平方成正比；成正比，加速度幅值和频率的平方成正比；¡¡加速度幅值一定时，速度幅值和频率成反比，加速度幅值一定时，速度幅值和频率成反比，位移幅值和频率的平方成反比；位移幅值和频率的平方成反比；mmmAVD211ww==mmAVw1=第二节第二节简谐振动简谐振动d、v、at四振动三要素解析——11关于振幅关于振幅■振幅——是度量机器或部件振动烈度的参数，描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。旋转机械振动状态监测与故障诊断，通常情况下，首先采集机器的旋转机械振动状态监测与故障诊断，通常情况下，首先采集机器的位移、速度和加速度信息，通过宽带振幅分析，快速进行综合诊断。位移、速度和加速度信息，通过宽带振幅分析，快速进行综合诊断。¤¤位移振幅物理意义，位移描述了质点偏移平衡位置的程度，反映了位移与质点的位能关系。位移大，质点的势能就大，因此，位移可监测位能对部件的破坏作用；工程意义，位移幅值对低频振动信号敏感，异常间隙故障、磨损故障、非线性摩擦及松动等故障，都会激励起很大的位移响应。位移的表征参数是——峰峰值1500rpm以下的低速设备，一定要关注位移振幅！！第二节第二节简谐振动简谐振动第一节振动三要素——11关于振幅关于振幅¤¤速度振幅速度振幅物理意义物理意义速度是位移对时间的变化率，描述了质点的运动速率，速速度是位移对时间的变化率，描述了质点的运动速率，速度越快，动能越大，即速度反映了质点的动能度越快，动能越大，即速度反映了质点的动能。。工程意义工程意义速度反映了分析频段时间历程信号的振动能量，即机器的速度反映了分析频段时间历程信号的振动能量，即机器的振动烈度，因此，速度的表征参数用有效值（振动烈度，因此，速度的表征参数用有效值（mm/s)mm/s)表示。表示。不论是低速设备，还是高速设备，都要关注对振动速度的测量分析。不论是低速设备，还是高速设备，都要关注对振动速度的测量分析。¤¤