1、第二章機(jī)械振動(dòng)與信號(hào)，在冶金、化工、機(jī)械等企業(yè)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約占80%。這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、渦輪制氧機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、大型軋機(jī)等。在許多診斷技術(shù)中，沒有一種技術(shù)能比振動(dòng)信號(hào)分析更深入地了解機(jī)械和設(shè)備的狀態(tài)。此外，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中容易因外力引起錯(cuò)位或振動(dòng)，其大小直接關(guān)系到安裝質(zhì)量和使用中的故障。因此，振動(dòng)分析和測(cè)量在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的診斷中起著重要的作用。振動(dòng)測(cè)量是通過檢測(cè)和分析機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)來判斷機(jī)械設(shè)備的老化程度和預(yù)測(cè)其壽命。一般來說，振動(dòng)測(cè)量包括以下兩個(gè)方面：1 .基本振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。測(cè)量振動(dòng)構(gòu)件上某一點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位，以確定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常。結(jié)構(gòu)和部件

2、動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量。在這種測(cè)量方法中，一定的激振力作用在被測(cè)物體上，使被測(cè)物體產(chǎn)生受迫振動(dòng)，并測(cè)量輸入(激振力)和輸出(被測(cè)物體的振動(dòng)響應(yīng))，從而確定被測(cè)物體的固有頻率、振動(dòng)模式和其他動(dòng)態(tài)參數(shù)。這種測(cè)量被稱為“頻率響應(yīng)測(cè)試”或“機(jī)械阻抗測(cè)試”。機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中都有不同程度的振動(dòng)，這些振動(dòng)往往與機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。為了從不同角度研究振動(dòng)問題，首先介紹了機(jī)械振動(dòng)的三種分類方法：按振動(dòng)規(guī)律分類、按振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性分類和按振動(dòng)頻率分類。根據(jù)振動(dòng)規(guī)律，這種分類主要是基于振動(dòng)在時(shí)間過程中的變化特征。大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)是左圖所示的幾種振動(dòng)之一或幾種振動(dòng)的組合。在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，其周期信號(hào)往往淹

3、沒在隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)中，當(dāng)設(shè)備故障加劇時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)中的周期分量會(huì)增強(qiáng)。因此，從某種意義上講，設(shè)備振動(dòng)診斷過程就是從隨機(jī)信號(hào)中提取周期分量的過程。根據(jù)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性，(1)自由振動(dòng)和固有頻率通過初始激勵(lì)(通常是脈沖力)可以一次獲得振動(dòng)能量，具有有限的過程，一般不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損傷，因此不是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備診斷需要考慮的目標(biāo)。描述單自由度線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是：x-振動(dòng)位移。通過求解自由振動(dòng)方程，我們導(dǎo)出了一個(gè)非常有用的關(guān)系式：無阻尼自由振動(dòng)的振動(dòng)頻率為：在該方程中，m物體的質(zhì)量和k物體的剛度與物體的初始條件無關(guān)，它由物體的力學(xué)性質(zhì)決定，是物體本身固有的固有頻率。這個(gè)結(jié)論也適用于復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)。它揭示了振動(dòng)體的

4、一個(gè)非常重要的特征。許多設(shè)備的強(qiáng)振動(dòng)問題，如強(qiáng)迫共振、不穩(wěn)定自激和非線性諧波共振等，都與此有關(guān)。阻尼振動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中總是受到一些阻尼效應(yīng)的影響，如空氣阻尼、材料摩擦損失等。只有當(dāng)阻尼小于臨界值時(shí)，振動(dòng)才能被激發(fā)。臨界阻尼Ce:振動(dòng)體的固有特性。阻尼比：實(shí)際阻尼系數(shù)c與臨界阻尼Ce的比值。當(dāng)阻尼比為1時(shí)，是一種振幅指數(shù)衰減的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與初始振動(dòng)無關(guān)，振動(dòng)頻率略小于固有頻率n；當(dāng)為1時(shí)，物體不振動(dòng)，而是不定期運(yùn)動(dòng)。(2)強(qiáng)迫振動(dòng)和共振物體在外力作用下產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)，如不平衡和錯(cuò)位引起的振動(dòng)。圖2是受迫振動(dòng)的力學(xué)模型。從圖23中可以看出，衰減的自由振動(dòng)隨著可見，強(qiáng)迫振

5、動(dòng)過程不僅與激振力的性質(zhì)(激振頻率和振幅)有關(guān)，還與物體的固有特性(質(zhì)量、彈性剛度、阻尼)有關(guān)，這是強(qiáng)迫振動(dòng)的特征。強(qiáng)迫振動(dòng)的特征：1)物體在簡(jiǎn)諧力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)也是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)頻率等于激勵(lì)頻率。從強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，其解由通解和特解組成，即通解為衰減自由振動(dòng)，特解為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)。其中自由振動(dòng)的振幅為，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅為。-阻尼比，-初始相位角。2)振幅不僅與激振力成正比，與剛度成反比，還與頻率比和阻尼比有關(guān)。(a)當(dāng)激振力的頻率很低，即/n很小時(shí)，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅接近靜態(tài)位移(力的頻率很低，相當(dāng)于靜態(tài)力)，即靜態(tài)力下振幅b與位移之比為1。(2)當(dāng)激振力的頻率很高時(shí)：0，即物體由于慣

6、性很難跟上力的變化。當(dāng)激振力的頻率接近固有頻率時(shí)：如果阻尼小，振幅大，這是一種共振現(xiàn)象。共振頻率為，共振振幅為，共振區(qū)域的角頻率一般為(0 . 71 . 4)n。3)物體位移達(dá)到最大值的時(shí)間與激振力達(dá)到最大值的時(shí)間不同，兩者之間存在相位差，相位差與阻尼比有關(guān)。當(dāng)=r，即共振時(shí)，相位差等于90。當(dāng)r時(shí)，相位差為180。(3)自激振動(dòng)自激振動(dòng)是指系統(tǒng)本身在無外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，如油膜振蕩和喘振。自激振動(dòng)是一種危險(xiǎn)的振動(dòng)。設(shè)備一旦發(fā)生自激振動(dòng)，往往會(huì)使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。比較規(guī)范的定義是：在非線性機(jī)械系統(tǒng)中，由非振蕩能量轉(zhuǎn)化為振蕩激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)稱為自激振動(dòng)。自激振動(dòng)的特征：1)隨機(jī)性。因?yàn)槟芤?/p>

7、自激振動(dòng)的激勵(lì)(不穩(wěn)定力大于阻尼力)通常是由偶然因素引起的，所以沒有一定的規(guī)律可循。2)振動(dòng)系統(tǒng)的非線性特性很強(qiáng)，即非線性阻尼、非線性分量(如油膜的粘溫特性和材料的內(nèi)耗)和非線性剛度分量(柔性轉(zhuǎn)子、松散結(jié)構(gòu)等)。)都足以引起自激振動(dòng)，從而使振動(dòng)系統(tǒng)的非周期能量可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)振動(dòng)能量。3)自激振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)速不成正比，一般低于轉(zhuǎn)子的工作頻率，這與轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速一致。應(yīng)該注意的是，由于系統(tǒng)的非線性，系統(tǒng)的固有頻率會(huì)有一些變化。4)轉(zhuǎn)軸中存在異步渦動(dòng)。5)振動(dòng)波形在瞬態(tài)階段具有較大的隨機(jī)振動(dòng)分量，而在穩(wěn)態(tài)階段，波形為規(guī)則的周期振動(dòng)，這是由于共振頻率的振動(dòng)值遠(yuǎn)大于非線性影響因素；它不同于類似于一般

8、強(qiáng)迫振動(dòng)的正弦波(其具有與強(qiáng)迫振動(dòng)激勵(lì)源相同的頻率)。自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)在設(shè)備故障診斷中有各自的主要應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，構(gòu)件的特征參數(shù)因局部開裂、緊固松動(dòng)等而發(fā)生變化的失效。通常是通過脈沖力激發(fā)的自由振動(dòng)來檢測(cè)，并測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。減速箱、電機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械故障主要表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)。通過分析強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率分量和振幅變化等特征參數(shù)，可以識(shí)別故障。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備和受過程流體激勵(lì)的設(shè)備，有必要監(jiān)測(cè)其特性在此范圍內(nèi)，零件的疲勞失效是主要表現(xiàn)，如點(diǎn)蝕和剝落。在高頻范圍內(nèi)，主要測(cè)量的振幅是加速度。它代表振動(dòng)部件上的沖擊力強(qiáng)度。沖擊力的大小與沖擊頻率和加速

9、度值正相關(guān)。2.2振動(dòng)信號(hào)的描述構(gòu)成確定性振動(dòng)有三個(gè)基本要素，即振幅s、頻率f (or)和相位。即使在非確定性振動(dòng)中，它有時(shí)也包含確定性振動(dòng)。振幅、頻率和相位是振動(dòng)診斷中常用的三個(gè)基本概念。1.振幅為S:的簡(jiǎn)諧振動(dòng)可由以下函數(shù)表達(dá)式表示：特征：速度比位移相位超前90，加速度比位移相位超前180。超速90度。圖24簡(jiǎn)諧振動(dòng)的時(shí)域圖像，其中，A是最大振幅(m或mm)，指振動(dòng)物體(或粒子)在振動(dòng)過程中偏離平衡位置的最大距離。峰值(單峰值):峰值(雙峰值，雙振幅):振幅與速度之間的2A關(guān)系和加速度(微分):速度：必須指定與振動(dòng)振幅相關(guān)的物理量，即速度有效值Vrms，也稱為速度均方根值。這是一個(gè)常用的振

10、動(dòng)測(cè)量參數(shù)。因?yàn)樗茏詈玫胤从痴駝?dòng)的強(qiáng)度，所以也被稱為振動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)。振幅反映振動(dòng)的強(qiáng)度，振幅的平方通常與物質(zhì)振動(dòng)的能量成正比。因此，振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)都用振幅表示。速度有效值Vrms、速度最大值Vp(峰值)和速度平均值Vav之間的關(guān)系如下。有效速度值介于最大速度和平均速度之間。頻率f:振動(dòng)物體(或粒子)每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，用f表示，單位為赫茲。振動(dòng)頻率在數(shù)值上等于周期T的倒數(shù)，即f=1/T，即公式中的周期T，即粒子再現(xiàn)相同振動(dòng)的最小時(shí)間間隔(s或ms)。頻率也可以用角頻率來表示，即2f頻率是振動(dòng)診斷中最重要的參數(shù)之一，它關(guān)系到診斷方案的確定、狀態(tài)判別和診斷標(biāo)準(zhǔn)的選擇。2。頻率f、3。相位， t振

11、動(dòng)信號(hào)的相位由兩部分組成：旋轉(zhuǎn)角t和初始相位角，表示振動(dòng)粒子的相對(duì)位置。不同振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)有各自的相位。*同相振動(dòng)會(huì)及時(shí)引起共振，造成嚴(yán)重后果。*相位相反的振動(dòng)將相互抵消，并具有減振效果。*由幾個(gè)諧波分量疊加而成的復(fù)雜波形，即使每個(gè)諧波分量的幅度不變，只有相位角發(fā)生變化，波形也會(huì)發(fā)生很大變化，甚至變得不可識(shí)別。相位測(cè)量分析在故障診斷中也起著重要的作用，一般用于諧波分析、動(dòng)平衡測(cè)量、振動(dòng)類型和共振點(diǎn)的識(shí)別等許多方面。2.3設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的物理表示和機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用分為1)事故前預(yù)防。不能防止突然的失敗，只能防止逐漸的失敗。2)事故后分析。隨著情況的惡化，逐漸的失誤越來越嚴(yán)重。在這個(gè)過程

12、中，一些特征信號(hào)相應(yīng)地改變。這些特征信號(hào)是設(shè)備的狀態(tài)信息，其物理性能是檢測(cè)和分析的對(duì)象。從根本上說，所有設(shè)備的功能都是能量轉(zhuǎn)換和傳輸。設(shè)備狀態(tài)越好，轉(zhuǎn)換和傳輸過程中的附加能量損失越小。隨著設(shè)備的老化，附加能量損失迅速增加。附加能量損失中包含的各種物理量構(gòu)成了設(shè)備狀態(tài)信息的重要部分。為了傳遞力和運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如齒輪箱、軋機(jī)、切割和擠壓設(shè)備，附加能量損失的初始形式也用力和運(yùn)動(dòng)來表示，即振動(dòng)和摩擦。附加能量損失的第二種形式是加熱，從而耗散損失的能量。主要身體素質(zhì)對(duì)于以能量轉(zhuǎn)換為主要任務(wù)的設(shè)備，其狀態(tài)信息包括轉(zhuǎn)換前的能量、轉(zhuǎn)換后的能量以及這些能量損失所產(chǎn)生的物理量。它分為如下幾部分：泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)等。是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)能的所有裝置，其狀態(tài)信息包括機(jī)械能的參數(shù)力、速度、振動(dòng)和溫度；它還包括能量、壓力和介質(zhì)流量。馬達(dá)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。設(shè)備的狀態(tài)信息包括電壓、電流和泄漏電流。它還包括機(jī)械能參數(shù)，如力、速度、振動(dòng)(頻率、振幅)和溫度。內(nèi)燃機(jī)設(shè)備將燃料中的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，設(shè)備的狀態(tài)信息主要基于機(jī)械能的參數(shù)，如力、速度、振動(dòng)和溫度。熱力設(shè)備(工業(yè)爐、窯爐、化學(xué)反應(yīng)塔等)的狀態(tài)信息。)主要是設(shè)備的溫度場(chǎng)分布。2-2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _頻率與物體的初始條件無關(guān)，它完全由物體的機(jī)械性質(zhì)決定，并且是物體本身固有的。2-3在非線性機(jī)械