1、振動和振動測試的基 礎 知 識,1,內 容 提 要, 簡諧振動三要素 振動波形 頻率分析和頻譜圖 振動系統(tǒng) 單自由度與多自由度系統(tǒng) 振動系統(tǒng)的模態(tài) 固有頻率、振型、阻尼比 自由振動與強迫振動 共振, 旋轉機械振動的測量 傳感器及其選用 基頻分量的幅值和相位 旋轉機械的振動圖示 定轉速：波形圖、頻譜圖、 軸心軌跡 變轉速：波德圖和極坐標圖 三維頻譜圖 軸心位置圖,2,振幅 A (Amplitude) 偏離平衡位置的最大值。描述振動的規(guī)模。 頻率 f (Frequency) 描述振動的快慢。單位為次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 為每振動一次所需的時間，單位為秒。

2、圓頻率 = 2 f 為每秒鐘轉過的角度，單位為弧度/秒 初相角 (Initial phase) 描述振動在起始瞬間的狀態(tài)。,簡諧振動的三要素,3,振動位移、速度、加速度之間的關系,振動位移 (Displacement) 速度 (Velocity) 加速度 (Acceleration),位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。 三者的幅值相應為A、A、A 2。 相位關系：加速度領先速度90; 速度領先位移90。,x,v,a,x,v,a,4,振 動 的 時 域 波 形,名 稱 波 形 名 稱 波 形,5,各幅值參數(shù)是常數(shù)，彼此間有確定關系 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均絕對值 xav

3、=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值,簡諧振動的幅值參數(shù),6,復雜振動的幅值參數(shù),各幅值參數(shù)隨時間變化，彼此間無明確定關系,7,常用的幅值參數(shù)及其單位,位移 峰峰值，單位為微米（m） 速度 有效值，又稱烈度，單位為毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值，單位為米/秒2（m/s2）,8,振動信號的頻率分析,把振動信號中所包含的各種頻率成分分別分解出來的方法。 頻率分析的數(shù)學基礎是傅里葉變換和快速傅里葉算法（FFT）。 頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成。 頻率分析的結果得到各種頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。,9,各種振動的頻譜圖,名稱 波 形 頻 譜 名稱

4、波 形 頻 譜,10,時間域 頻率域,11,振動系統(tǒng)及其自由度,能作振動的機械系統(tǒng)，在力學中稱為振動系統(tǒng)。 振動系統(tǒng)按復雜程度分為： 單自由度系統(tǒng) 多自由度系統(tǒng) 確定系統(tǒng)運動所需的獨立坐標數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度。,12,單自由度振動系統(tǒng),確定系統(tǒng)運動所需的獨立坐標數(shù)稱為系統(tǒng)的自由度,13,多自由度振動系統(tǒng),圖中數(shù)字為系統(tǒng)的自由度數(shù),5,3,2,2,6,14,振動系統(tǒng)的模態(tài),單自由度系統(tǒng)有一個模態(tài) 模態(tài)參數(shù)為： 固有頻率 （模態(tài)頻率） 阻尼比 （模態(tài)阻尼）,多自由度系統(tǒng)有多個模態(tài) 模態(tài)參數(shù)為： 固有頻率 n fn 阻尼比 n 振型各個坐標在振動 中的比例,15,模態(tài)參數(shù)包括：固有頻率、振型 和阻尼比

5、。 按固有頻率從小到大排列，稱為第1階、第2階模態(tài)。 兩自由度系統(tǒng)共有兩階模態(tài)。,兩自由度系統(tǒng)的模態(tài)舉例,第二階模態(tài),第一階模態(tài),節(jié)點,16,三自由度系統(tǒng)的模態(tài)舉例,第二階模態(tài),第三階模態(tài),第一階模態(tài),振型是各自由度坐標的比例值。振型具有正交性。,節(jié)點,17,振動系統(tǒng)對激勵的響應,激 勵,響 應,由初始激勵引起的響應，稱為自由振動。 由持續(xù)激勵引起的響應，稱為強迫振動。 從響應中能看出系統(tǒng)的模態(tài)特性。,18,單自由度系統(tǒng)的自由振動,它是模態(tài)振動。 振動的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。 振幅大小決定于初始激勵（初始位移和初始速度）。 系統(tǒng)的阻尼比大，振幅衰減快； 阻尼比小，振幅衰減慢。,19,不同阻尼

6、比的自由振動,20,由自由振動確定模態(tài)參數(shù),21,系統(tǒng)的自由振動為各階模態(tài)振動的疊加。它一般不再是簡諧的。 各階模態(tài)振動所占成分的大小，決定于初始條件。 各階模態(tài)振動衰減的快慢，決定于該階的阻尼比。阻尼比大，衰減快；阻尼比小，衰減慢。 在衰減過程中，各階的振型保持不變，即節(jié)點位置不變。,多自由度系統(tǒng)的自由振動,22,單自由度系統(tǒng)的強迫振動,振動的頻率等于激勵的頻率。 振幅與激勵的強弱成正比。 激勵頻率接近固有頻率時，發(fā)生共振現(xiàn)象，呈現(xiàn)為模態(tài)振動。 阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。 位相上說，振動落后于激勵。 振幅和位相隨激勵頻率而變化，變化規(guī)律用系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性來表示。,23,單自

7、由度系統(tǒng)的強迫振動,24,由強迫振動確定模態(tài)參數(shù),25,振動的頻率等于外激勵的頻率。 振型為各階振型的疊加。 各階振型所占的比例，決定于外激勵的頻率和作用點位置。 激勵頻率接近某階固有頻率時，該階振型增大而占主導地位，呈現(xiàn)為該階模態(tài)振動。 共振峰大小決定于該階阻尼比和激勵的位置。 作用在某階節(jié)點上的激勵力，不能激起該階振動。,多自由度系統(tǒng)的強迫振動,26,與多個固有頻率對應，有多個共振峰。 某一階共振時，該階振型占主導地位，呈現(xiàn)為該階模態(tài)振動。,多自由度系統(tǒng)的強迫振動,27,汽輪機 齒輪增速箱 壓縮機 渦流傳感器 速度傳感器 加速度傳感器 鍵相傳感器,旋轉機械振動測量框圖,28,磁電速度傳感器

8、,接收形式：慣性式 變換形式：磁電效應 典型頻率范圍：10Hz1000Hz 典型線性范圍：02mm 典型靈敏度 ：20mV/mm/s,測量非轉動部件的絕對振動的速度。 不適于測量瞬態(tài)振動和很快的變速過程。 輸出阻抗低，抗干擾力強。 傳感器質量較大，對小型對象有影響。,29,典型的磁電速度傳感器及其特性,30,壓電加速度傳感器,接收形式：慣性式 變換形式：壓電效應 典型頻率范圍：0.2Hz10kHz 線性范圍和靈敏度隨各種不同型號可在很大范圍內變化。,測量非轉動部件的絕對振動的加速度。 適應高頻振動和瞬態(tài)振動的測量。 傳感器質量小，可測很高振級。 現(xiàn)場測量要注意電磁場、聲場和接地回路的干擾。,3

9、1,壓電加速度傳感器的典型結構,晶體片,晶體片,質量塊,預緊環(huán),出線口,底座,出線口,三角剪切型 中心壓縮型,預壓簧片,三角柱,32,壓電加速度傳感器的安裝頻率,33,渦流位移傳感器,不接觸測量，特別適合測量轉軸和其他小型對象的相對位移。 有零頻率響應，可測靜態(tài)位移和軸承油膜厚度。 靈敏度與被測對象的電導率和導磁率有關。,接收形式：相對式 變換形式：電渦流 典型頻率范圍：020kHz 典型線性范圍：02mm 典型靈敏度 ：8.0V/mm (對象為鋼),34,渦流位移傳感器及其前置器,35,渦流傳感器的工作原理,輸出電壓 u 正比于間隙 d 且于測量對象的材質有關,36,渦流位移傳感器的典型特性

10、,傳感器與轉軸之間的間隙,前置器輸出電壓（直流伏）,37,軸承振動的測點布置,38,軸振動的測點布置,39,軸承振動與軸振動的比較,40,基頻是轉速頻率，記作 1R。 基頻分量的幅值與轉子的不平衡大小有關。 基頻分量的相位與不平衡在轉子上的方位有直接對應關系。 基頻大小和相位由基頻分析儀或頻率分析方法求得。,基頻分量的幅值和相位,41,鍵相與相位參考脈沖,在轉子上刻印鍵相標記K ，在軸承座上布置鍵相傳感器K（光電式或渦流式），其輸出為相位參考脈沖。 參考脈沖是測量相位的基準。 參考脈沖也可用于測量轉子的轉速。,K,K,1轉,t,參考脈沖,42,振動相位與轉子轉角的關系,從參考脈沖到第一個正峰值

11、的轉角 定義振動相位。 振動相位與轉子的轉動角度一一對應。這在平衡和故障診斷中有重要作用。,振動信號,參考脈沖,43,波形圖 (Wave) 時間域內的振動波形 頻譜圖 (Spectrum) 組成振動的各諧波成分 軸心軌跡 (Orbit) 轉軸中心的振動軌跡，由水平和鉛垂兩方向波形合成,旋轉機械的振動圖示 (定轉速),44,波形圖、頻譜圖及軸心軌跡,45,軸心軌跡陣 各轉速下的軸心軌跡的組合 波德圖與極坐標圖 (Bode & Polar Plot) 升（降）速時，基頻幅值和相位的變化 三維頻譜圖 (Cascade) 各轉速下的頻譜圖的集合 軸心位置（Shaft Center Position）

12、判定軸頸靜態(tài)工作點和油膜厚度,旋轉機械的振動圖示 (變轉速),46,軸心軌跡陣圖,汽輪發(fā)電機組一個軸承在不同轉速下的軸心軌跡陣,47,波德圖和極坐標圖,波德圖(Bode Plot)和極坐標圖(Polar Plot)兩者所含信息相同，都表示基頻振動的幅值和相位隨機器轉速的變化規(guī)律。,48,三維頻譜圖是頻譜的集合。 它的第三個坐標是轉速。 它表明在升、降速過程中振動頻譜的變化。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,49,第三個坐標也可以是時間(日期)、工藝參數(shù)等。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,50,軸心位置的測定,軸心位置圖可以用x-y記錄儀或計算機來繪制。,51,從軸心位置的變化發(fā)現(xiàn)故障,汽輪發(fā)電機中壓缸軸承

13、升速時軸心位置逐漸升高。 到工作轉速時，偏心率為0.66；偏位角32。屬正常。 以后數(shù)月，軸承基礎下沉，導致軸心上浮，偏心率減少，偏位角接近90。 發(fā)生了油膜振蕩。 監(jiān)測軸心位置有助于發(fā)現(xiàn)機器的故障。,52,擺振信號及其來源,機械方面的原因： 不同心度 基頻型 永久性彎曲 基頻型 橢圓度 2X基頻型 不圓及其他缺陷 基頻及非基頻型,電磁方面的原因： 剩磁 基頻及非基頻型 軸材質不均勻 基頻及非基頻型 殘余應力： 基頻及非基頻型,擺振信號是周期信號，以軸的轉速頻率為基頻。在機器慢速轉動時測得。,53,擺振信號的補償,經(jīng)補償后，壓縮機的波德圖才符合實際情況。 補償方法： 記下擺振信號的波形， 以轉速參考脈沖為基準點， 從振動信號中對應減去擺振信號。,54,xrms