机械振动及信号

（1）振动基本参数的测量（下图示例）
（2）结构和部件的动态特性测量
第二章 机械振动及信号
2.1机械振动基础 各种机械设备在运行中，都不同程度的存在振动，这是 运行机械的共性。然而，不同的设备，或同一台机器的不 同部位，以及设备在不同时刻或不同的状态下，其产生的 振动形式又往往是有差别的，所以应当从不同的角度来考 察振动问题。机械振动一般有以下几种分类方法。
• 前部为通解，衰减自由振动；后部为特解，稳态强迫振动。 • 特点：衰减振动随时间的推移迅速消失，而强迫振动则不受阻尼影响， 是一种和激振力同频率的振动。因此，强迫振动不仅与激振力的频率 和振幅有关，而且与物体自身固有属性有关。
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• （3）自激振动 • 自激振动定义：在非线性机械系统内，由非振荡能量转变为振 荡激励能量所产生的振动。也即，设备在没有外力作用下，由 系统自身原因所产生的激励而引起的振动。它是一种比较危险 地振动，设备一旦发生自激振动，会使设备运行失去稳定性。 • 自激振动也称为负阻尼振动。 • 设备产生自激振动时，很小的能量即可产生强烈振动，只是由 于系统的非线性，振幅才被限制在一定量值之内。 • 小提琴琴弦的振动是随着你拨动的强度而变化的，属于自激 振动。
• （1）自由振动 • （2）强迫振动 • （3）自激振动
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• （1）自由振动与固有频率
• 自由振动是物体受到初始激励（通常是一个脉冲力）所引发 的一种振动：这种振动靠初始激励一次性获得能量，历程有 限，一般不会对设备造成破坏，不是现场设备振动所必须考 虑的因素。单自由度无阻尼线性系统的运动方程为：
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• 2.3设备状态信号的物理表现
• 机械故障诊断技术的应用分为：
• 事故前预防 • 事故后分析
• 事故前预防不能预防突发性故障，只能预防渐变性故障。渐变 性故障时随着劣化的进展而逐步恶化，必有某些特征信号在这 个过程中相应的变化。事前预防就是抓住这些特征信号所发出 的预兆，及时采取措施，制止故障发展。 • 这些特征信号就是设备的状态信息，它们的物理表现就是检测、 分析的对象。
m kx 0 x
• 通过求解，可得系统的固有频率：
k wn m
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• 注意：物体并不是一受到激励都可发生振动，实际的振动体在运 动过程中，总是会受到某种阻尼的作用，如空气阻尼、材料内摩 擦损耗等，只有当阻尼小于临界值时才能激发振动。临界阻尼是 振动体的一种固有属性，用Ce表示：
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• 设备故障诊断技术必须获取表征设备状态信息的那些物理量，作 为诊断的依据。 • 以能量转换为主要工作任务的设备，其设备的状态信息包括转换 前的能量、转换后的能量以及因这些能量的损耗所衍生的物理量。
• 泵、风机、压缩机等是将机械能转换成介质能量的设备，其状态信息 包括机械能的参数：力、速度、振动、温度；也包含介质的能量：压 力、流量。 • 电动机是将电能转换为机械能的设备，其状态信息包括：电压、电流、 漏电流；也包括机械能的参数：力、速度、振动、温度。 • 内燃机类的设备是将燃料中的能量转换为机械能，其状态信息以机械 能的参数为主。 • 热工设备的状态信息主要为温度场分布，如工业炉、窑、化工反应塔 等。
Ce 2 km
• 实际阻尼C与临界阻尼之比称为阻尼比，记为ξ
C Ce
• 当ξ<1时，是一种振幅按指数规律衰减的振动，其振动频率与初 始振动无关，振动频w率略小于固有频率wn( w 1 2 wn )；当ξ ≥1时，物体不会振动。
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• （2）强迫振动和共振 • 强迫振动：物体在持续周期变化外力作用下产生的振动，如不平衡 （画图示）、不对中所引起的振动。其力学模型如图所示。
机械动态监测与故障诊断 第二章 机械振动及信号
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振动分析及测量在振动机械故障中有着重要的地位，为 此，本章主要介绍设备诊断技术中振动分析及振动测量的 基本知识。 振动测量简单的讲就是通过对机械设备所表现的振动信 号进行检测、分析，用以判断机械自身的劣化程度及预测 其寿命。一般进行振动测量大致有以下两个方面的内容：
• 2、频率 f • f ：振动物体（或质点）每秒振动的次数，单位Hz。
• 数值上： f =1/ T • 用角频率表示： w = 2 PI f
•
我国交流电源的频率为50Hz。若一台机器的转速为1500r/mi n，那么其转动频率 fr = 25Hz。
• 3、相位角Φ • Φ由转角wt与初相位角φ 两部分组成， 即Φ = wt + φ 。 • 相位表示振动质点的相对位置。不同振源产生的信号都有各 自的相位。相位相同会引起合拍共振产生严重后果。相位相 反，会产生互相抵消的作用，起到减振的效果。
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• 3、按振动频率分类
• 按照振动频率的高低，通常把振动分为三类：
• 低频振动： f <10Hz • 中频振动： f =10~1000Hz • 高频振动： f >1000Hz
• 低频振动：主要测量的振幅是位移量。这是因为在低频范围造 成破坏的主要因素是应力的强度，位移量是与应变、应力直接 相关的参数。 • 中频振动：主要测量速度量。这是因为振动部件的疲劳进程与 振动速度成正比，振动能量与振动速度的平方成正比。零件主 要表现为疲劳破坏，如点蚀、剥落等。 • 高频振动：主要测量加速度。加速度表征振动部件所受冲击力 的强度。冲击力的大小和冲击频率与加速度值正相关。
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• 对s进行一次微分和二次微分，可分别得到速度v和加速度a： • v = Awcos(wt + φ)=Awsin(wt +PI/2+ φ) • a = Aw2sin(wt +PI+ φ) （图示） • 振幅反应振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正 比。因此，振动诊断标准都是用振幅来表示的。
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第二章 机械振动及信号
• 三种振动的主要使用领域
• 对于结构件，因局部裂纹、紧固件松动等原因导致结构件的特 性参数发生改变的故障，多利用脉冲力所激励的自由振动来检 测，以测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的变化。 • 对于减速箱、电机、低速旋转设备等机械的故障，主要以强迫 振动为特征，通过对强迫振动的频率分析、振幅变化等特征参 数的分析，来鉴别故障。 • 对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备，除了需要 监测强迫振动的特征参数外，还需要监测自激振动的特征参数。
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• 2.2振动信号的描述
• • • • • • 确定性振动的三要素：振幅，频率和相位。 1、振幅 s 简谐振动可用函数表示： s= A sin(2 PI × t / T + φ) 用角频率w表示，即w = 2 PI / T ，所以又可以写成： s= A sin(wt + φ)
t 随机振动 宽频带随机振动 （白噪声） O
t 不平稳随机振动（特殊的随机振动） O
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• 2、按振动的动力学特征分类
• 设备产生振动的根本原因，在于存在一个或几个力的激励。 不同性质的力激起不同类型的振动。 • 了解振动动力学特征，不仅有助于对振动动力学性质作出分 析，还有助于说明设备故障的机理。因此，掌握振动动力学 知识对设备故障诊断具有重要的意义。因此，可将机械振动 分为三种类型：
简谐振动 （振动波形为单一 正弦波） 周期振动 周期振动 （振动波形为多余 正弦波的叠加） 确定性振动
A t O A t O
准周期振动 （信号经过处理后，可以 变换成周期振动） O 非周期振动 过渡振动 （单发的一次性振动） O 窄频带随机振动 （受频带限制的 随机振动）
t
t
机械振动
t O
平稳随机振动
F(t)=F0sinwt
m x k c
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• 其运动方程为：
• 这是一个常系数线性非齐次微分方程，其解由通解和特解组成：
m cx kx F0 sin wt x
x(t ) Ae wnt sin 1 2 wnt ) B sin( wt )
1、按振动规律分类 2、按振动的动力学特征分类 3、按振动频率分类
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• 1、按振动规律分
• 是根据振动在时间历程内的变化特征来划分（如图下页图） • 大多数机械设备的振动是周期振动、准周期振动、窄带随机 振动和宽带随机振动中的一种，或是某几种振动的组合。 • 一般在启动或停机过程中的振动信号是非平稳的。 • 设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动 信号之中。若设备故障程度加剧，则随机振动中的周期成分 就会加强，从而整台设备振动增大。 • 因此，从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从随机 信号中提取周期成分的过程。