1、第第4章章 振动诊断振动诊断4.1 振动信号的采集4.2 振动诊断的内容与方法4.3 转轴的振动诊断4.4 齿轮的的振动诊断4.5 轴承的诊断几个基本认识：l 设备在运行中或多或少总会产生振动：广泛性l 设备发生故障时，振动将发生改变（通常振幅会增大）：可能性l不同类型、性质、原因和部位产生的故障所激发的振动将具有不同的特征。这些特征可表示为频率成分、幅值大小、波形形状，能量分布状况等：可识别性l振动信号性质、特征不仅与故障有关还与设备的特性（如固有频率）、检测位置、传递路径等有关：复杂性4.1 振动信号的采集信号采集是对不易测量的物理量(力、位移、转角、噪声等)，通过传感器转换为易于测量的物
2、理量(电压、电流)。振动信号的测量参量可以是位移、速度和加速度。对旋转机械还需要测量转速。下面分别介绍其测量用的传感器。一、测振传感器1电涡流振动位移传感器电涡流振动位移传感器是在线圈中通以高频电，由于电磁感应在被测体中产生电涡流，电涡流将产生一个涡流磁场，反过来使线圈的阻抗、电感和品质因素改变，且改变量与线圈到被测体的距离有关，因此把位移量转化成了电量。电涡流位移传感器的频率响应范围约为010KHz。2磁电式速度传感器传感器因被测体的激振而作强迫振动，传感器内的磁钢与线圈发生相对运动，切割磁力线，产生感应电动势，其大小与切割磁力线的速度正比。当被测体的运动频率远大于传感器的固有频率时，磁钢与
3、线圈间的相对运动与壳体（被测物）的运动同步，两者的速度相等。因此感应电动势的大小与被测物的振动速度成正比。磁电式速度传感器有两种形式：一种是将磁钢固定在壳体上，弹簧与线圈连接（如下图）；另一种是线圈固定在壳体上，弹簧与磁钢连接。磁电式速度传感器的频率响应范围约102KHz。3压电式加速度传感器测量原理是：它首先将输入的绝对振动加速度转换成质量块对壳体的相对位移（两者成正比）。再经“硬弹簧”转换成与其成正比的力，最后经压电片转换成电荷输出。当被测体的运动频率远小于传感器的固有频率时，压电元件表面的电荷量与被测体的振动加速度幅值成正比。1一基座，2一压电元件，3一质量块，4一预紧弹簧压电式加速度传
4、感器的频率响应范围约为050KHa。安装方法主要有:钢螺栓固定 粘接 永久磁铁 手持探针4电阻应变式加速度计基础振动带动质量块产生振动，从而使悬臂梁产生弯曲变形，粘贴在梁上的应变片随之变形。由加速度频率特性可知，位移与输入加速度成比例，而粘贴在梁上的应变片将质量块的相对壳体位移转换成电阻变化，再经电桥转换成电压输出。电阻应变式加速度计工作频率较低，为01KHz，可测量超低频振动，常与动态应变仪配合使用。5.磁阻式磁电转速传感器由线圈和磁铁组成，线圈和磁铁都是静止的。被测物旋转时会改变传感器磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势，感应电动势的频率反映出被测物转速的大小。6.
5、光电式转速传感器核心部件是光电管，它能根据光电效应将光能转换为电能。它分为直射式和反射式两类。直射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化，光敏元件即输出电流脉冲信号。这样，输出的脉冲数就反映了被测物的转速。采用反射式光电转速传感器测量时，先在被测旋转物体表面贴一反光片，当该反光片旋转到传感器所在位置时，传感器收到的反射光的强度将增强，光电管处于“开”的状态，传感器将输出一个电脉冲；旋转物体的其他表面通过传感器时，光电管处于“闭”的状态，传感器没有电脉冲输出。输出的脉冲数就反映了被测物的转速。二、选用传
6、感器应考虑的问题:1测量范围:又称量程，必须保证不超过传感器的测量量程。2.频响范围:振动参量的最显著特性就是其频率构成特性，即一个机械振动信号往往是由许多频率不同的信号叠加而成。传感器的频响特性要好，也就是要求其幅频特性的水平范围尽可能宽,频率下限尽可能地低，频率上限尽可能地高。3.灵敏度:一般而言，总是希望传感器的灵敏度尽量高，以便检测微小信号。要求传感器的信噪比(S/N)要高，有效地抑制噪声信号 4.精度 5.稳定性:包括时间稳定性和环境稳定性 此外，传感器的工作方式、外形尺寸、重量等也是需要考虑的因素。三、信号调理信号调理的作用是提高信号测量的准确性，并保护测量系统。具体功能有：1)为
7、AD转换器提供适合其输入量程的输入信号；将输入电压化为A/D转换器的输入信号电压范围0-5v（或10V）。2)运用隔离技术抑制共模干扰电压。3)信号滤波及线性化处理。4.2 振动诊断的内容与方法一、振动诊断工作的内容1.确定诊断对象：量力而行，重点突出2.确定检测方式便携式测振仪作现场测量。现场用记录仪(如磁带)记录振动数据，实验室分析。使用永久监测设备，不间断地监测系统若干点的振动，并对振动数据作实时分析。设备停机或运行时，外加激振力，同时测量激振力和振动响应，然后进行分析。3.选定测量参数可测量的振动参量可以是位移、速度和加速度。可以根据所关心的振动频率构成来进行选择。a=v=2s，大时，
8、a，v的测量灵敏度较高。n 当振动频率在0100Hz时，常使用位移传感器；n 当振动频率在101000Hz时，推荐使用速度传感器，也可以使用加速度传感器；n 如果测量的振动频率高于1000Hz，一般采用加速度传感器。4选择监测点：包括监测点的位置和数量。选择的原则是：l能全面描述设备的振动状态；l是设备振动的敏感点；l是离设备核心部位近的关键点；l是容易产生劣化的易损点。监测点一经确定，就应该作标记，以保证在同一点测量。测量旋转机械振动时：u对非高速旋转体，一般测轴承振动；u对高速旋转体，测轴的振动位移。因为高速时轴承振动的测定灵敏度下降。测量轴的振动时，一般测轴与轴承座的相对振动。测轴承振动
9、时，测量点应尽量靠近轴承的承载区。对于低频振动，应在水平和垂直两个方向同时测量，必要时还要在轴向测量。对于高频振动，一般只测一个方向，因为高频振动对方向不敏感。5确定测量周期：可以是定期检测、随机检测或长期监测。l有故障史的：诊断周期10的同时有效值6g。当简易诊断参数超限时。为了确诊轴承故障及故障部位，需要再通过频谱分析做精密诊断。SS8机车轴箱轴承(552732、75732)在轮对转速为500r/min时，其内圈、外圈、滚子、保持架的故障频率分别为：0.163n81.5 Hz、0.12n=60Hz、0.0539n26.95Hz、0.00707n3.535Hz。2频谱分析法：对于含滚动轴承的
10、旋转机械，由于转子与滚动轴承对应的振动频率不同，因此一般从频谱图上可以区分出来。带滚动轴承的机械的频谱特点带滚动轴承的机械的频谱特点 不平衡不对中松动滚动轴承故障频率0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50RFrequency in order3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk例：锅炉球磨机电机轴承诊断某厂锅炉球磨机电机轴承振动超标且有异音，经测试分析，可以看出轴承故障频率及其引起的噪声谐波的振动速度已超过标准值，说明轴承损坏，换合格轴承后设备运转正常。3倒频谱分析当出现故障时,引起的冲击振动波形往往比较复杂,由于自转与公频率
11、相差甚多,振动信息表现为调制,实测波形为一般调幅与调频共存,反映在功率谱上 则表现为大量的边频簇谱线。图(a)为有一内环故障的轴承实测功率谱图,在内环故障频率116.2 Hz 及其2次谐波232.4 Hz 处表现有突出的尖锋,并在其两侧分布有间距为26.3 Hz(内环转动频率)的一簇等距边带,由于它们的不规则不对称分布,给边频的识别带来困扰。图(b)为其倒频谱图,在=38 ms 处表现一突出的尖锋,所对应的频率f=1/=26.3 Hz,就是内环转动频率。这里借助倒频谱将功率谱中边频所代表的周期分量化作单根倒频谱线,求得调制源频率,即内环转动频率。将其从功率谱中分离出来,即可由116.2 Hz,
12、232.4 Hz 处的尖峰准确地判断该轴承为内环故障缺陷。4共振解调技术提取淹没在常规振动中的故障引起的微冲击信息，输出一个与故障冲击一一对应的、放大、展宽了的、剔除了常规振动信号干扰的共振解调信号。图中的 A 是含有故障冲击信息（图中以短直竖线表示，每一个竖线代表一次故障冲击）的常规振动波，从图A中，我们可以发现故障冲击信息被常规的振动所掩盖，直接对它作FFT分析得到的低频谱图 D 中，几乎看不到表明滚动工作面故障的冲击特征信息。图中的B是故障冲击所激发的高频谐振波（称之为广义共振），图中的C是B的包络波（称之为解调波）。由A到C的过程，就是共振解调的过程。对照图中的C和A，不难发现，故障冲
13、击的共振解调波，对故障冲击信息进行了放大、展宽，并剔除了常规的振动，并且共振解调波与原始的故障冲击信息一一对应，因此共振解调的信号处理过程，具有很好的信噪比。然后对图中的C作FFT分析，则得到的谱图 E，比较E和D，经过共振解调的谱图，就没有了常规振动谱线的干扰，故障冲击的谱线也就清晰可见了。共振解调技术的优势：可以有效地将环境中的振动干扰与故障冲击区分开来。而且“共振”有放大作用。对应性。共振解调波与轴承等故障冲击一一对应，不遗漏任何一次故障冲击。选择性。只对故障冲击响应，没有故障冲击就没有共振解调波。放大性。微小的故障冲击能激起很大的共振解调波。比例性。共振解调波的幅度与原始的故障冲击幅度
14、成比例。低频性。共振解调波的重复频率是低频，即：共振解调将冲击的高频能量调理为低频信号的方式出现，方便于FFT分析。四、轴承的其他诊断方法温度诊断：轴承异常时，温度一般会升高，因此可通过测量温度来进行简易诊断。滑动轴承的极限运转温度滑动轴承的极限运转温度声学诊断：如用声发射技术检测轴承的剥落、裂纹。磨屑分析：通过检查润滑油中的磨屑，检查磨损情况和润滑情况。滑动轴承磨损成分表滑动轴承磨损成分表油膜电阻法：滚动轴承在旋转过程中，如果在滚道面和滚动体之间能够形成良好的油膜，则内圈和外圈之间的电阻值很大，可达兆欧以上；当润滑膜破坏时，则内圈和外圈之间的电阻值可降至零欧附近。利用这一特性，便可对滚动轴承
15、的润滑状态及与此有关的磨损、腐蚀之类的损伤进行诊断，但不适用于点蚀类损伤的诊断。油膜电阻法的测量分析原理如图所示。在内、外圈之间加1V左右的直流电压，通过测量轴承处的电压降来确定其阻值。光纤维监测诊断法原理：即使是高精度轴承，在载荷作用下转动时，轴承外圈也会发生接近于简谐变化的弹性变形。对精度降低或有故障的轴承（如滚动体尺寸不均匀、滚道精度丧失、表面粗糙度增大等），外圈上的径向变形幅度将会进一步增大，如能测得外圈表面的变形，就能够对轴承状态加以判断。涡流传感器和光纤传感器都能够测量这种变形，但后者径向尺寸小很多，灵敏度较高。光纤维监测诊断法监测轴承外圈上一点相对于轴承座的位移。光纤传感器的构造如图所示，它由多根光导纤维组成，分为发送光纤束和接收光纤束两种。光线由发射光纤束射出，在端口有一发散角形成发送光锥。光线从轴承表面反射回来，再由接收光纤束接收。它所能接收到的光线被限制在一个锥面内，此锥面称为反射光锥。被接收的光线被光电元件转换为电压输出。间隙d改变时，发送光锥照射在轴承外圈表面上的面积随之改变，接收光纤束所接收到的光线强度也随之改变。
