1、精選優質文檔-傾情為你奉上第四章 振動測試診斷技術第一節 概述 眾所周知，設備在運轉過程中都會不同程度地發生振動。對于木多數設備來說，當它們穩定工作時，振動有一個典型的極限值和一定的特性。而當設備內部的零件發生異常，即有缺陷時，振動的大小和振動的型式都會發生變化。這就表明，振動信號能真實地反映設備的運行狀態。因此，對設備的振動進行測試和分析是掌握設備運行狀態的重要手段之 。 傳統的檢查設備振動的方法是靠有經驗的工人憑聽覺，觸覺來判斷，也就是我們常說的靠耳聽、手模來檢查。顯而易見，這種方法的檢查結果不但取決于檢查人員的經驗，而且只能定性地確定設備狀態的好壞，不能確切地分析出引起設備振動的原因，找

2、出產生振動的部位。 隨著電子工業及計算機技術的發展，現在我們可以用先進的檢測和分析儀器，在不停機的情況下，對設備進行振動測量，根據測得的振動參數，分析和判斷設備的運行狀態，并確定其故障的部位，預測故障的發展，從而可為檢修提供可靠的依據，改變過去那種以設備運行時間為主要依據的計劃預修制或定期維修制。我們所說的振動測試診斷技術是識別機器運行狀態的科學。它研究的是機器運行狀態變化在振動信息中的反映。它的內容包括對機器運行狀態的識別，預刪與監測等三方面。 第二節 振動的基本知識 一，振動的定義及分類所謂振動，即物體圍繞其平衡位置作往復運動。如將彈簧系數為k的彈簧和質量為M的重錘組成一簡單的系統，如圖9

3、-1所示。拉下重錘由自然長度到某一位置后放開，重錘即沿其原靜止位置的上、下做往復運動，我們就說重錘在振動。在實際工程中和日常生活中存在著大量的振動問題。不正常的振動可紿運行設備以及人體健康帶來危害。但人們也還可以利用振動來進行些有用的工作(如振動篩等)。由于研究振動的目的和方法不同，振動的分類方法也是多種多樣的。如按產生振動的原因分類，則可分為自由振動、受迫振動、自激振動；按振動系統結構參數特性分類，則可分為線性振動、非線性振動；按振動的自由度數分類，則可分為單自由度系統、多自由度系統、彈性體振動；按振動的位移特征分類，可分為扭轉振動、直線振動。但就研究設備狀態監測與故障診斷技術而言，一般是按

4、振動的規律來分類，即把振動分為確定性振動與隨機振動兩類。確定性振動的特點是其振動量值隨時間有確定的變化規律，可以用一定的函數式來描述。確定性振動又分為周期性振動和非周期性振動。隨機振動的特點是其振動量值隨時間的變化沒有規律，不能用確定函數來描述。隨機振動又可分為平穩隨機振動和非平穩隨機振動。圖92是按此種分類法分類的各種振動的簡單定義及其波形示例。 二、振動的描述 1，波形圖 前述的重錘、彈簧系統中，重錘振動可用重錘的位移與時間的相互關系來描述(橫坐標為時間，縱坐標為重錘偏離靜止位置距離)，(見圖91)。這種表示法稱之為波形圖，它是在時間域上描述振動規律。 由圖92亦可看出，重錘，彈簧系統的振

5、動是最簡單的一種振動形式，稱之為簡諧振動，它的數學表達式為： X=x0sin(t+) 式中 角頻率； X0振動體離開其平衡位置的最大位移，通常稱為振幅； t振動運動的時間； 初始相位。 振動運動往復一次所需的時間稱為振動周期(T)，它的倒數稱之為振動頻率，亦就是1秒鐘內振動的次數，單位為赫茲(Hz)即f=1/T由此可見，描述機械振動的3個基本要素是頻率，幅值與相位。但在工程實際中，往往不是單一的簡諧振動。圖9-3為內燃機活塞運動時活塞加速度隨時間變化的波形圖。由圖可見，它是一個復雜周期振動。但根據傅里葉級數原理：任何周期性函數都可用傅里葉級數展開為許多簡諧函數之和。這樣可以認為復雜周期振動是由

6、若干簡諧振動組成的，這些簡諧振動的頻率之間或諧波(即整倍數)的關系。因此，內燃機活塞運動的加速度波形就可以分解為周期為T1和T2的簡諧運動(圖9一4)。其中以了T1為周期的波形與原復雜周期波形的周期致，稱為基波，其頻率稱為基頻。以T2為周期的波形稱為二次諧波，其頻率f2=2f1，稱為倍頻。這個復雜周期振動只包含這兩種頻率成分。當然，有的復雜周期振動可包含很多諧波成分，這些諧波的頻率均是基頻的倍數，常稱為高次諧波。 2，頻譜圖 從前例看出，復雜周期振動可由幾個簡諧振動組成。這樣，單用時間歷程來描述振動，就不能很好地反映振動的特性、產生振動的原因及其對結構物的影響等。因此，在對振動進行分析時，常用

7、另種描述振動的形式頻譜圖。所謂頻譜圖就是表示振動幅值與頻率關系的圖形，其橫坐標為振動頻率，縱坐標為幅值。它是在頻率域中描述振動的規律。圖95是三種不同振動的時域波形(波形圖)及頻譜圖。對于單一簡諧振動來說，其頻譜圖是一條直線(圖9-5)，fo代表這個振動的頻率，直線的高度代表振動的幅值。一個復雜周期振動(圖9-6)，它是由兩個簡諧振動合成的，其頻譜圖就是兩條直線,fo為它的基頻，與之對應的直線高度就是基波的幅值。2f0就是它的二次諧波的頻率。同樣， 對于一個方波，也可以把它分解出一個基波及幾個高次諧波(圖9-5)。由此可見，用頻譜圖來描述一個復雜的振動信號，可以很清楚地看出組成這個振動信號的各

8、個諧波頻率及大小。因此，它是振動分析中常用的方法。3，振動的3個特征量 式9-1是簡諧振動位移量與時間的關系式，若將此式做一次微分，即可得出振動速度與時間的關系式，二次微分，即可得出振動加速度與時間的關系式，即Uxosin（t/2) (92)a2XoSin(t十) (93)以時間為橫坐標，分別以位移、速度和加速度為縱坐標，就可得到相應的波形圖(圖9-6)。比較三個關系式及波形圖可知，振動的位移，速度和加速度的頻率總是一樣的， 只是速度比位移超前90度，加速度比位移超前180度。因此，在研究物體振動時，可用位移、速度或加速度中的任一個量與時間的關系來描述。這樣就給振動測試帶來很大的方便。在選定一

9、種參數的傳感器后，可以利用積分，微分的原理(借助電子線路)得到另兩個量與時的關系曲線。 4幅值的各種表示法 振幅值是用來描述振動強度的特性。但根據不同的需要，它的描述量也不同。表91是常用的幾種描述周期性振動幅值的名稱，幅值計算、物理概念及它們間的相互關系。 第三節 振動測試儀器振動測試的目的是對機器設備的振動量進行定量地測量，進而分析產生振動的原因，找出發生故障的部位。為實現這一目的，往往需要把若干個儀器組成一個測試系統。完整的振動測試系統一般由圖97所示的四個部分組成。 隨著采用傳感器的不同，測量的要求不同，測量系統的組成有所差別。最簡單的測量系統僅由一個傳感器和一個測量表頭組成。 一、傳

10、感器 傳感器的作用是采集機器的振動信號，并把這個信號轉換成相應的電信號。傳感器的輸出電量和輸入振動量的瞬時值之間保持一定的比例關系。在旋轉機械測試中，常用的傳感器有3種類型。 1磁電式速度傳感器 這種傳感器是基于電磁感應原理(圖98)；當運動的導體在固定磁場里切割磁力線時，導體兩端就感應產生電動勢。在磁通密度與導線長度一定時，此電動勢與導線切割磁力線的速度成正比。 由此可知，這種傳感器有兩個基本元件：線圈和磁鐵(一般采用永久磁鐵，以產生恒定的永久磁場)。根據線圈運動方法的不同，這類傳感器又可分為相對式和慣性式兩種。圖99為慣性式速度傳感器的結構圖。永久磁鐵2用鋁架4固定在殼體6里。工作線圈7、

11、阻尼器3通過芯桿與連在一起，再通過彈簧片1和8懸掛在傳感器的外殼上。使用時，振動傳感器與被測振動體固緊在一起。當被測振動體振動時，殼體也隨之振動，線圈阻尼器與殼體間產生相對運動，從而切割磁力線產生感應電動勢，此電動勢通過接頭9而接到測量電路上。 此類傳感器的特點是：不需外部電源；輸出阻抗低，不易受電磁場的干擾，即使在復雜的現場，接很長的導線仍能有較高的信噪比，亦就是說，它對電纜長度的要求不高。但它不適用于測定沖擊振動，慣性式速度傳感器的頻率范圍般為8Hz-lkHz。 2渦流式位移傳感器 這是基于電磁感應原理的另一種型式的傳感器(圖910)。當金屬板置于變化著的磁場中時，金屬板內就產生感應電流，

12、這種電流在金屬板內就要產生感應電流，這種電流在金屬體內是自己閉合的，稱之為渦流。此渦流又將產生一磁場反作用于原線圈；因此，原線圈與渦流(也可把它看做一個線圈，稱之為渦流線圈)形成了有定耦合的互感，互感的大小同二者間的距離及導體的材料有關。由此可見，當傳感器的線圈結構與被測導體材料確定之后，它的大小只與距離有關。圖9-11和圖9-12為兩種不同型式的渦流傳感器結構圖。前者是導線繞在框架上，后者是采用線圈粘貼的方式。此類傳感器的特點是它與被測物之間沒有直接的機械接觸；與其它非接觸式傳感器相比，頻率范圍寬(DC10kHz)，線性度好，在其線性范圍內靈敏度不隨初始間隙大小而，改變。因此，廣泛用于轉子軸

13、的監測及轉子軸的平均靜位移。但在安裝使用這類傳感器時要注意在傳感器端部附近除了被測物體表面外，不得有其它導體與之靠近，以免傳感器端部線圈磁通有一部分從其他導體穿過，改變了線圈與被測物的耦合狀態，從而不能得到正確反映間隙變化的輸出(圖913)。同時還要注意，被測物體是何種導體材料，因為不同材料對高頻磁場的電感效應和渦流損耗也不同，故在使用中要及時進行靈敏度標定。 3,壓電式加速傳感器 這種傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎的。壓電材料(包括壓電晶體和壓電陶瓷兩類)在承受一定方向的外力或變形時，其晶面或極化面上會產生電荷，這種現象稱為正壓電效應。實驗證明，在晶體片上積聚的電荷量與作用力成

14、正比。常用的壓電式加速度傳感器的結構有兩種：中心壓縮式和剪切式，剪切式又有環形剪閉式與三角剪切式兩種(圖9-14)。圖9-14a為中心壓縮式加速度傳感器結構圖。兩晶體片1并聯連接，中間隔一銅盤2，質量塊3借硬彈簧4和鎖緊螺母5使其壓緊在晶體片上(為防止測量過程中質量塊脫開晶體片，必須給硬彈簧以一定的預壓力)。整個組件安裝在底座6上， 底座借助其卞的螺釘孔或永久磁鐵而固定在被測物體上。當物體振動時，加速度傳感器也受振動，這時個等于質量塊的加速度乘以質量塊質量的力作用于壓電晶體片上，使壓電晶體產生與其所受力成正比的電荷。剪切式的工作原理與中心壓縮式相同，區別在于壓電晶體是與一剛性中心支柱聯接(圖9

15、-15)，晶體受剪切力。 此類傳感器的特點是，具有較寬的頻帶(02Hz10kHz)，本身質量較小(一般為250g)。動態范圍大。靈敏度高(特別是在高頻部分更顯出其優于其它形式的傳感器)。因而在振動測試中得到廣泛的應用。但在選用加速度傳感器時，除了應注意其工作頻率范圍，盡量使被測頻率在傳感器頻率特性曲線的直線內(圖9-16)這一點之外，對傳感器的安裝也應給予足夠的重視。安裝方式木同將直接影響(限制)加速度傳感器的有用頻率范圍。圖917為不同安裝方式及其典型頻率響應示意圖。由圖可知最理想的安裝方式是圖9-17a的螺栓連接。 二，放大器 測振傳感器的輸出信號般都是很微弱的。為了進行下一步的分析和記錄

16、，必須對此信號進行放大至足夠的電平和功率。因而需要配有相應的放大器。除此作用外，一般放大器還具有積分、微分等功能。常用的測振放大器有以下3種。 1，微積分放大器在振動測量中，經常要進行位移、速度與加速度等3個量的相互轉換。微積分放大器就是用以把測振傳感器的輸出信號加以積分、微分和線性放大，得到位移，速度，加速度。如，磁電式速度傳感器的輸出電勢與振動速度成正比。為了獲得位移信號，必須進行積分運算。為了獲得加速度信號，必須進行微分運算。壓電式加速度傳感器產生的電荷與振動的加速度成正比。為獲得速度或位移信號，必須進行一次或二次積分。由此可見，微積分放大器是振動測量的重要組成部分。 一般的微積分放大器

17、是由輸入衰減器、電壓放大器、微積分運算級、功率放大級及輸出衰減器組成，同時配有穩壓電源和標定振蕩器等附屬電路。2電壓放大器和電荷放大枉 壓電式加速度傳感器輸出的信號是微弱的。為了把它的高阻抗輸出轉換成低阻抗的信號，并送入測量儀器和分析儀器中，就需用電壓或電荷放大器。 電壓放大器是把加速度傳感器隨振動變化的電荷量轉變成與之相應的電壓信號，經處理后給出一個與輸入電壓成比例的輸出電壓。電荷放大器則是直接隨振動變化的電荷量，經處理后給出一個與輸入電荷成比例的輸出電壓坪電壓放大器結構簡單，價格便宜，但其靈敏度受電纜長度影響。而電荷放大器受電纜長度的影響很小，可無須考慮，故近年來此類放大器得到廣泛地應用。

18、 3，振動計(儀) 振動計是振動測試中最簡單，最基本的儀器，也是應用最廣泛的一種簡易測試儀器。它包括加速度傳感器，電荷放大器、信號檢測器與指示儀表等幾個基本部分： 來自加速度傳感器的信號，直接送入儀器內的電荷放大器，再經處理，變換后，可在指示儀表上顯示出所測振動的加速度，速度或位移等3個特征量中任一量的峰值，有效值(通過旋鈕選擇)。圖9-18是常用的一種振動儀外形。 這種振動計可與外接濾波器相連構成頻率分析儀，進行頻率分析。若與電平記錄儀等記錄儀器相連，可對振動頻譜作長時間連續記錄。若配以相位計及光電探頭，則可對設備做現場動平衡。由此可見，振動計配不同的儀器可完成多種不同的振動測量和分析工作。

19、三、分析儀器 振動信號中包含了有關設備運行狀態的大量信息。分析儀器就是將所測得的振動信號進行分解，以獲得各個不同頻率范圍的信號。根據分析數據的特征，分析儀可分為模擬式和數字式兩類。 1模擬式分析儀 模擬式頻率分析儀是根據對信號濾波的原理進行頻譜分析的。因此，它的核心是濾波器。所謂濾波，就是對原始信號進行過濾，改變其頻率成分，以達到削弱干擾，突出信號的目的。圖9-19是濾波器的工作原理圖。由圖可知，按某種預定方式的限制，每次只允許較窄頻帶范圍內的信號通過。這樣，就可分離出單一或一組頻率的信號。連續調節即可在整個所需的頻率范圍內獲取不同頻率成分的信號。 濾波器根據用途不同分高通濾波器、低通濾波器和

20、帶通濾波器。顧名思義，高通濾波器是允許通過某特定頻率以上的全部頻段。反之，低通濾波器則是允許通過某特定頻率以下的頻段。而帶通濾波器是把所需要的頻帶的上部和下部都濾掉，只允許某一需要頻帶內的頻率通過。如圖919所示。一般較通用的是帶通濾波器，它是模擬式頻譜分析儀的核心。 濾波器通頻帶的寬度決定了頻率分析的精度。帶寬越窄，分析結果越精確，但所需的時間也就加大。根據帶寬的不同，濾波器分恒帶寬和恒百分比帶寬兩大類。恒帶寬濾波器是不管濾波器的中心頻率大小，帶寬總是相等的，如3Hz；10Hz等。恒百分比帶寬濾波器的帶寬是隨中心頻率而改變的，中心頻串增加，帶寬也增加。但其百分比不變，如3X、10x等。 恒帶

21、寬與恒百分比帶寬分析各有其特點。恒帶寬分析在低頻部分分辨率低，高頻部分分辨率高，在線性頻率刻度的頻譜圖上是等間距的。恒百分比帶寬分析在低頻部分分辨率，而高頻部分分辨率低，在線性頻率刻度紙上是不等間隔的，而在對數頻率刻度上是等間隔啷如圖920所示，由于機械振動與沖擊信號中校毖興趣的是低頻段，所以一般用對 根據分析信號的要求，帶通濾波器可做成不連續檔級的掃描式連續可調的和并聯的3種類型。 濾波器必須與測振儀組合在一起才能構成一臺完整的振動分析儀。圖921是一種普遍應用的便攜式振動分析儀。 2數字式分析儀 模擬式分析儀因掃描濾波器的響應時間長，所以分析速度慢。但近年來，由于動態分析的內容增多，對分析

22、速度和精度提出了更高的要求，同時，隨著電子技術的發展，目前有不少數字式分析儀。它的特點是以微處理器為核心，以快速傅里葉變換(FFT)為基礎，建立了信號時間域分析和頻率域分析之間的關系，信號整個處理過程是按照數字形式進行的。因此，這種分析儀分析精度高、速度快、動態范圍大，性能穩定、抗干擾性能力強，特別是分析速度遠遠高于模擬式分析儀，從而在振動分析中得到廣泛的應用。圖922是另一種數字式分析儀。 四、記錄儀器 1、磁帶記單儀(磁帶機) 磁帶記錄儀是根據磁性物質磁化的原理，把隨時間變化的電信號轉變為沿磁帶長度上剩磁的變化以實現記錄的。它由磁帶和磁頭，記錄放大器和重放放大器以及磁帶的傳動機構3部分組成

23、。 這種記錄儀的特點是： 1)記錄的信號能長期保存，并可根據需要隨時立即重放(能重放數百次)，這對于研究分析一次性試驗或較重大的試驗更為有益。 2)通過改變磁帶記錄與重放速度比可以很方便地實現記錄信號的頻率轉移，以適應后繼分析儀器對輸入信號頻率范圍的要求。 3)從電信號轉換成磁信號，它的轉換器(磁頭)沒有運動的部分。因此，它能記錄頻率極高的信號，記錄頻帶很寬(從直流信號至2兆赫)，這是其很大的一個優點。 4)能同時記錄多路信號。當采用調頻方式記錄時，一英寸寬的磁帶可記錄100多路信號，且能保證這些信號之間的時間(或相位)關系。 5)記錄磁帶可反復使用。 6)可進行長時間記錄，記錄時間可長達十幾

24、小時至1個多月。 基于上述特點，在振動測試分析中，廣泛地應用磁帶機，記錄現場的振動信號，并送入分析儀中進行分析。 2，電平記錄儀 電平記錄儀(圖923)是以曲線的形式記錄被測參量的。它與頻譜分析儀配合，可對振動和沖擊進行自動頻譜分析，并將分析結果描繪在已標好頻率坐標的記錄紙上(即頻譜圖)，如圖924所示。 根據分析工作的需要，所記信號可以是峰值，有效值或平均值。使用的座標刻度，有線性的(包括極坐標)和對數的兩種。當使用線性刻度時，記錄曲線的高度與所測信號電壓成正比。當使用對數刻度時，記錄曲線的高度與所測信號電壓的對數成正比，此時的電壓大小常用分貝(dB)數表示，其值按下式計算： dB201gu

25、測/u算 式中 u測輸給電子記錄儀的被測信號電壓； u算比較器的標準比較電壓； 電平記錄儀的特點是直接描繪出曲線，比較直觀，而且可作為測試分析記錄文件直接保存。 五、數據采集器數據采集器是一種帶計算機接口的智能比儀器：(圖925)。它和傳感器、計算機三者組合在一起，成為一種新型的周期性監測系統，其系統框圖如圖926所示； 其工作步驟是： 1、組態 首先，選定被檢測的設備(設備群)，隨后確定巡回檢查的路線和巡回檢查的周期，選定測點及各點的測量參數，并把這些信息輸入計算機中存儲。 2巡回檢查前的準備 在巡回檢查前，把采集器與計算機用接口聯接，利用計算機相應的軟件，使采集器在開始工作前內存置為零，使其時鐘與計算機時鐘對準，并將上一次檢測的各點數據輸入給采集器。 3數據采集 根據采集器顯示的測點順序進行現場測量，并將所測數據與上次數據及報警值進行比較。如振動值有較明顯地變化，則需采一段時域信號做分析用。 4；數據處理 巡回檢查后，把數據采集器內的數據輸入計算機進行