1、第第3章章 故障诊断振动监测技术故障诊断振动监测技术 3.1振动理论基础振动理论基础 3.2振动测试技术概述振动测试技术概述3.3振动信号予处理振动信号予处理机械故障诊断学Anhui University of TechnologyAnhui University of Technology3.1振动理论基础振动理论基础一、一、振动基本概念振动基本概念、振动振动 物体围绕平衡位置做往复运动机械振动机械振动 机器设备由零件和基础组成一个弹性系统，某些原因或条件引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动，这种每隔一定 时间的往复机械运动称为机械振动，固有频率，阻尼系数，阻尼比分别为（c为比例系数
2、）：系统系统 即研究对象，一部机器，或一种结构激励或输入激励或输入 外界对系统的作用或机器自身运动产生的力响应或输出响应或输出 机器在激励下产生的动态行为振动诊断振动诊断 对正运行或非工作状态的系统给以激励，测出响应，对数据处理后，与事先制定的某些标准比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、磨损、松脱、老化等各种影响正常运转的故障。振动是机器运行伴生现象，它包含着丰富的机器运行状态的信息。一般地，随着故障的出现和发展，机器的振动都会发生明显的变化。在正常运行状态下，只有某种形式的较低量级的振动的机器，当其运行状态发生变化时，必然会0tmxcxkxF e0022kccmmkmAnhui Univ
3、ersity of Technology3.1振动理论基础振动理论基础产生额外的振动或使振动加剧，振级增大，且各类故障与振动现象的变化之间常有比较明显的对应关系，其特征易于识别，因此大部分机械设备都可采用测量振动来进行状态监测和故障诊断测量振动来进行状态监测和故障诊断。振动诊断的应用振动诊断的应用大部分机器都适合于采用测量振动来进行状态检测和故障大部分机器都适合于采用测量振动来进行状态检测和故障诊断，如轴承、齿轮、旋转机械、建筑等；诊断，如轴承、齿轮、旋转机械、建筑等；振动是随着振动的产生程度逐步升级，可根据振动等级的振动是随着振动的产生程度逐步升级，可根据振动等级的变化曲线来判断设备的趋势，
4、做出相应决策。变化曲线来判断设备的趋势，做出相应决策。许多故障因振动引起，可根据已知的输出和系统参数（如许多故障因振动引起，可根据已知的输出和系统参数（如刚度、质量、阻尼等）确定输入，判断环境特性，寻找振源刚度、质量、阻尼等）确定输入，判断环境特性，寻找振源所在。所在。振动波形特征值：振幅、频率、相位（三要素）振动波形特征值：振幅、频率、相位（三要素）研究对象：主要研究破坏性振动，有用振动像振动筛、研究对象：主要研究破坏性振动，有用振动像振动筛、打桩机等不在研究范围之内。打桩机等不在研究范围之内。Anhui University of Technology3.1振动理论基础振动理论基础、振动的
5、原因和危害、振动的原因和危害（1）原因）原因 零件间的滚动或摩擦；回转往复件的不平衡力；旋转机件或部件的不对中、不对称；其它如设备制造误差、运动件间的间隙等；微小振动与其它件产生共振也会成为主要振源。（2）危害）危害 加剧机件磨损；降低使用寿命和可靠度、如火车断轴；给机器附加载荷及疲劳破坏，如地震倒屋，地基松动；失去正常工作状态，如机床丧失精度；部件未坏但出现次品，如轧钢因辊振，张力波动出废品。Anhui University of Technology3.1振动理论基础振动理论基础二、振动及其信号的分类 动态信号动态信号可分为用确定的时间函数来表达的确定性信号确定性信号和不能用时间函数来描述
6、的随机信号随机信号。工程上所遇到的大多数是动态信号，且同时含有各种信号成分，总总体而言是一种随机信号。动态信号分为：体而言是一种随机信号。动态信号分为：1、确定性振动、确定性振动 可用函数表示，比较明确 周期振动周期振动 可分为简谐振动（单一正弦波）和复杂周期振动（正弦波叠加）非周期振动非周期振动 可分为准周期振动（经处理可转为周期振动）和瞬态振动（单发的一次性）2、随机振动、随机振动 不确定性但有统计规律。波形在无限长的时间内不会重复的信号为随机信号。随机信号。随机信号是大量脉冲信号的集合，其幅值、波形、峰值出现的时刻均是随机的。随机信号又分为平稳随机信号（各态历经各态历经及非各态历经）和非
7、平稳随机信号（瞬时信号等）。对时间恒定 平稳随机振动平稳随机振动 统计特性(如均方值等）不随时间变化。窄频带 （受频带限制的随机振动）宽频带 （白噪声）非平稳随机振动非平稳随机振动 特殊振动，统计特性(如均方值等）随时间变化。幅值不随时间变化（或变化很缓慢）的信号称为（准）静态信号（准）静态信号。Anhui University of Technology3.1振动理论基础振动理论基础三、振动系统的力学模型分析振动特性的步骤：将实际机械系统简化为力学模型 计算或测定系统的动态特性参数 根据力学模型查表或建立系统振动运动方程，求出所需振动特性及有关参数。机械系统的振动量振动量（x、v、a）、频率
8、、相位及频谱等基本参数有主要影响因素：主要影响因素：（1）系统本身的动态特性-质量、惯性（转动惯量）、刚度、阻尼；（2）系统工作条件及外部激励。对于简化，指机器或系统不可能完全按实际情况来研究，所以略去次要因素、次要矛盾，但动态特性要求原状等效。机器或系统产生振动，有质量和弹性决定，而阻尼会使振动得到抑制，没有阻尼，振动会越来越大，马上破坏。如果没有能量输入，因为阻尼，振动会逐渐停息，所以质量、刚性、阻尼为力学模型三大因素力学模型三大因素。机器的质量是分布的，要将连续系统离散化，如把弹性小、质量大的构件不计质量的集中质量集中质量；把质量小、弹性大的构件不计质量的弹性元件弹性元件；阻尼大的部分不
9、计质量和弹性的阻尼元件阻尼元件。具体的系统简化方法要专门研究。虽然这是振动分析的首要问题，但以后各章主要学习振动分析方法是在已知力学模型的条件下进行。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述一、测量分析系统一、测量分析系统由四部分组成四部分组成：传感器、测量仪器、记录仪器、分析仪器这里主要回顾传感器和测量仪器、传感器、传感器 振动量相应的电信号 基本要求：（1）较宽的动态范围，强弱信号都能测到；（2）宽的频率响应范围；（3）在其频率响应范围内有良好的线性；（4）对环境灵敏度低；（5）结构坚固、工作可靠、能长时间保持稳定性。分类分类：位移
10、传感器 接触式-电阻式、应变式 非接触式-电容式、电涡流式 速度传感器 接触式-动圈式、动磁式 非接触式-变间隙式 加速度传感器 -压电式与应变式对于旋转机械的振动监测，最常用的是相对位移传感器，如电涡流式传感器，对一般通用机器的状态监测，多采用测量绝对振动的压电式加压电式加速度传感器。速度传感器。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述u加速度计加速度计核心是一片压电晶体材料压电晶体材料，通常为人工极化的铁电陶瓷铁电陶瓷，受到应力作用时，无论是拉伸、压缩还是剪切，在它的两个极板上均出现与所加应力成比例的电荷。加速度传感器用得最广，不仅
11、具有上述优点，且无需电源，自身会产生电信号，没有运动件，不致被磨损，它体积小、质量轻、精度高、适应温度范围广，便宜，通过积分电路可方便地获得速度和位移信号。加速度计有通用型、微型、特殊型、微振级型通用型、微型、特殊型、微振级型，在选择时要注意两点：灵敏度灵敏度 高灵敏度需较大压电材料，体积大，重量重，在较轻的物体上测量时输出特性被重量改变了，故加速度计重量不大于被测物体的十分之一。频率范围频率范围 加速度计要保证它的频响范围包含了所有感兴趣的频率成分。实测时振动范围往往较宽，从几HZ到10KHZ。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述
12、、测量仪器、测量仪器对信号放大、处理、显示。（1）电荷前置放大器电荷前置放大器 通常放在测振仪前，将高阻抗信号转变为低阻抗信号，电缆长几十米信号也不会衰弱，以满足其他仪器的需要，放大到信号合适的电平，以输给其它仪器。可带积分电路、带可调滤波器。（压电式传感器信号比较弱）（2）滤波器）滤波器选取感兴趣的频率，去除噪声。（3）积分电路）积分电路 加速度信号速度信号位移信号（4）激振器）激振器对于静止的设备或非工作状态下的设备。（脉冲锤）（4）测振仪（便携式测振仪）测振仪（便携式测振仪）有的测振仪带有电荷放大器，测量参数可调节，量程可调节，灵敏度可调节，具有自校准功能，电路过载报警，后板可接外部滤波
13、器，及其它接口等特点。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述二、测量参数的选择二、测量参数的选择振动测量参数有位移、速度、加速度。实际进行振动测量时，应根据系统振动特点合理地选定测量参数。该参数应最能直接反映故障的严重性。从测量精度的角度，低频时宜测量位移，中频时测量速度，高频低频时宜测量位移，中频时测量速度，高频时测量加速度。时测量加速度。相应地所用传感器有位移、速度、加速度传感器及力传感器、阻抗传感器（即阻抗头，由一个加速度传感器和一个力传感器组合而成）等。各类传感器分别又有多种形式。目前应用最广泛的是压电式加速度计。对大多数机器
14、来说，最佳参数是速度最佳参数是速度，因其兼顾高、低频信号，信号较平坦，而加速度适用于测高频，信号弱，需放大等加速度适用于测高频，信号弱，需放大等，位移适合于位移适合于测低频、测低频、振动量大的信号，但受噪声干扰严重，需滤波器需滤波器等。所以许多标准采用速度参数。对于一个新的测点，往往先测出a、v、x信号，然后在感兴趣的频率范围内找出最平坦的参数作为以后测量的参数。如无频谱分析仪则选速度参数。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述三、三、测试实施测试实施1、适用范围 频率在101000HZ的机械振动2、测点选择 对尺寸小的设备允许只测一
15、点（一点三个方向），对于外形较大的设备一般应环绕机器外部，在一些有代表性的分散点，测量其在相互垂直的三个方向上振动量值。测振传感器应尽可能地布置在最敏感的位置，示例：机器类型传感器安 装 位 置使用油膜轴承的电机位移或速度在每一个轴承端径向安装，用一个轴位移传感器来检测轴向压力磨损使用滚动轴承的电机、泵或压缩机速度或加速度在每一个轴承端径向安装，通常在一台电机上用一个速度/加速度传感器来检测轴向压力磨损使用滚动轴承的齿轮箱加速度传感器的安装尽可能地接近每一个轴承使用油膜轴承的齿轮箱位移在每一个轴承上径向水平和垂直安装Anhui University of Technology3.2振动测试技术
16、概述振动测试技术概述 传感器绝不允许安装在设备的薄壳、薄盖等地方。传感器的安装必须严格按要求进行，安装时的微小偏差都会给测量结果带来明显的影响。传感器与被测对象间必须绝缘。3、标准使用 根据信号分析确定机械状态，标准是很难确定和统一的。衡量机械设备的振动，国际上通常利用ISODR2372、ISODR3945转速为6001200rpm的机械振动判定标准，我国目前正逐步制定有关行业振动标准，其基本内容与ISO标准基本一致。4、机械分类 为了使各种各样的精度不一的机械设备适用同一标准，应把机械分类。各种振动标准分类振动标准分类方法略有差异，ISO分成六类。根据VDI2056（加拿大），振动值增加2.
17、5倍，即8分贝，就至关重要了，如果增加10倍，即20分贝，相当严重了，机器已进入不允许运行状态，这种倍数是相对于新机器某点的初始值某点的初始值作为比较标准。Anhui University of Technology3.2振动测试技术概述振动测试技术概述如同一天制造的同一种机器转子被平衡到同一精度等级，如同一天制造的同一种机器转子被平衡到同一精度等级，但幅值有时相差十倍（尺寸误差、装配误差等引起）。系统但幅值有时相差十倍（尺寸误差、装配误差等引起）。系统对激励的响应很复杂，即使同一机器相邻测点，测量值也会对激励的响应很复杂，即使同一机器相邻测点，测量值也会相差很大。相差很大。所以在简单机械状态
18、监测中，通过同一点的振动值比较所以在简单机械状态监测中，通过同一点的振动值比较来确定状态。系统地收集数据、分析状态趋势在故障发生前来确定状态。系统地收集数据、分析状态趋势在故障发生前组织检修，通过频率分析，确定故障部位。组织检修，通过频率分析，确定故障部位。特别注意标准使用时，前提一致性，即只能用同一点的特别注意标准使用时，前提一致性，即只能用同一点的振动值进行比较。振动值进行比较。作业分四组，每组选一个题目：分四组，每组选一个题目：1.传感器结构和原理。2.传感器的安装。3.测量仪器 现状（介绍几个比较先进的仪器）。4.介绍信号预处理的几个方法。测振仪品牌(1)丹麦Brel&Kjr公司是全世界最大的声学、振动测量分析仪器的研究及制造公司，已具有六十年的历史和丰富的经验，进入中国市场已有五十多年。思百吉(2)英国Prosig公司推出了一系列汽车测试新产品，其中代表性的产品是P8000数据采集系统以及最新版本的DATS软件分析系统。Prosig产品是实验室，工作台或者野外条件下进行数据采集，分析和显示的专家。几种测振仪
