振动量测与频谱分析

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振幅：
1. 均方根值(root mean square, rms) 2. 峰值（0-peak) 3. 峰至峰值(peak-peak)
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均方根值与峰值定义
对于单频的正弦讯号而言，RMS值与0-peak， peak-peak值之间存在以下关系： RMS值 X 2 = 0 - peak 值 0-peak 值 X 2 = peak - peak 值
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速度规(Velocity Transducer)
• • • • 最古老的振动传感器之一 目前尚在使用的应用：地震、动平衡机、电厂机械 优点：容易制作、感度高、不需电源供应 缺点：体积、重量大、频宽响应不良（10~1kHz)
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压电式加速度计
• 目前最广为使用的一种传感器 压电材料：极化过的陶瓷、石英，受应力作用时会有电 荷输出
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振
动
频
率
单位时间内的振动次数，称为振动频率 由于每一种不同的现象会产生不同频率的振动，所以 频率的分析成为进一步了解其物理现象的重要工具。
根据傅丽叶定理，每一种波型都可以分解成一系列正弦波的组合
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振
动
频
率
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振
动
频
率
對心不良
振動計
軸承異常 轉子不平衡 軸彎曲 合成
•轴不对心 基本特征: 轴的支撑面或连接面不面, 1倍频及/或2 倍频的振动量很高,且轴向振 动特别大,轴向与径向的振动相位差180度 引起的原因: 组装不良,造成心轴Offset/ Angular Misalignment, 及轴承的不对 心 •组件松动 基本特征: 松动可能发生在大的结构件或旋转件上, 倍频很高且很多倍频出现,且 量测不同方向(水平,垂直,轴向), 振动量会不一样 引起的原因: 结构件与所在承靠面松动或分离,轴承松动或间隙, 连轴器松动 • 滚动轴承(滚珠及滚柱轴承)问题 基本特征: 其特征频率和转速, 轴承内外环直径, 轴承珠数及压力角有关 引起的原因: 轴承的瑕疵,或组装过程中撞伤, 及有异物侵入 •滑动轴承(油膜轴承)问题 基本特征: 1倍频的振动量很高, 且0.4~0.55倍频会出现, 2 及3倍频的振动量也 很高 引起的原因: 油膜轴承的间隙不良或真圆度不好,或组装过程中撞伤油膜轴承,润 滑不良
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CPB Spectrum
fl fc fu
fu/fl=constant, 当fu/fl=2, 称为octave频谱 fc= (fu x fl) = 2 fl
目前国际通用以1kHz作为倍频中心频率。这时 为63Hz，125Hz， 250Hz，500Hz，1kHz，2kHz，4kHz，8kHz 等
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取样与假象(aliasing)
Actual Signal Frequency Components
Aliasing Effects of an Improper Sampling Rate
Signal Frequency Components and Aliases
预防方法:
For Sampling Rate=100Hz
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均方根值与峰值定义
对于非单频讯号，上述关系并不成立
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均方根值--能量观点的计算法
X(t) t=T
X (t)
2
t=T
面积总和（积分） /T
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均方根值与峰值关系
对于单频的正弦讯号而言，RMS值与0-peak， peak-peak值之间存在以下关系： RMS值 X 2 = 0 - peak 值 0-peak 值 X 2 = peak - peak 值 对于非单频讯号，上述关系并不成立，但一般 量测仪器大都以RMS来检测振动值，并一律使 用上述关系来求得0-peak或peak-peak值。（或 称为Equivalent 0-peak, Equivalent peak-peak)
使讯号通过一组平行的带通滤波器，然 后检测每组的均方根值大小，就可得到 频谱
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非FFT频谱技术—扫频滤波器
Tracking Filter
RMS detector
利用一个中心频率可改变的带通率波器， 从低频到高频扫描，就可得到频谱资料
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频谱的种类
Constant Bandwidth Spectrum
油漩 Oil whirl
组件松动的谐波 Looseness Harmonics
1X
2X
3X
4X
•动不平衡 基本特征: 1倍频的振动量很高,且振动量随着转速的增加而变大, 从频谱 图中其他倍频都很小, 甚至没有 引起的原因: 组装不良, 材质不均匀, 或零组件已经变形或磨损等
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振动诊断基本原则
振动量测分析 与动平衡校正实务
课 程 内 容
1 振动的现象 2 振动讯号的基本构成 3 频谱分析原理与振动诊断 4 振动量测基本设备 5 实例分析 6 动平衡校正技术
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振动现象
自人类使用机械以来，振动抑制问题一直是个重要课 题。近年来由于量测仪器及振动知识的进步，振动抑 制技术已经整合在机械设计中，而且也获得很好的效 果。因此了解机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ振动的量测分析技术，将大大地助 益于机械性能的改善。
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振动诊断基本原则
Frequency
對心不良
Possible Cause Imbalance Misalignment or Bent Shaft Looseness Rubs Oil whirl Bearing Cage Rolling Element Bearing,Gears Belts Electric(shorted stator ; broken or eccentric rotor)
Bruel & Kjaer 機器狀況監測
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振动从何处发生﹖
机械组件制造公差、组装时的间隙、零组件间的摩擦 及旋转不平衡等，均是造成机械振动的原因。但有时 也利用振动的特性来帮助我们工作。
Bruel & Kjaer 機器狀況監測
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振动的特性
当一部机器用全部的能量来完成工作，理想上机器是 完全不会产生振动。但事实是，机器运转的循环力经 由机械本身的传递而产生另一副产品〝振动〞。因此 机器一部分的能量以振动的形 式消散。机器振动时机械本身 在平衡位置附近做来回运动， 一秒钟内完成来回运动的次数 称为〝频率〞，以Hz为单位。 来回运动的大小称为“振幅”。
1. 传感器(Transducer) 将振动的现象转换为电子讯号 速度规(Velocity transducer) 压电式加速度计(Piezo Type Accelerometer) 电容式加速度计(Capacity Type Accelerometer) 窝电流式位移计(Eddy Current Proximeter) 电容式位移计(Capacity Proximeter) 2.振动计(Vibration Meter) 3.频谱分析仪(Signal Analyzer)
1.使取样频率量测频宽之最高频率的2倍(Nyquist Frequency)以上 2.在量测频宽之最高频率外再加上一个低通率波器(反假象滤波).
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• 漏失(Leakage)
解决方法:在时间周期里加频窗(Window)
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• 频窗 (Window)
常见的Window • Hanning Window • Flat Top Window • Force Window • Exponential Window
分解
頻譜分析儀
轉子不平衡 振 幅 軸承異常
振動計實際所測得的振動波形
軸彎曲 對心不良
頻譜分析
利用FFT频谱 分析仪，将复 杂的波形转换 成频谱，以便 进一步了解振 动的构成原因
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頻率
振
动
相
位
「振动相位」是指振动讯号相对于某一参考讯号之间 的角度而言。 「振动相位差」是指两种振动讯号之间的角度差。
*假设讯号为周期函数---傅利叶级数有限积分 *使用数值积分式以便计算机运算
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取样与转换
原则上将类比讯号数字化后，再用电脑 程序进行FFT计算，就可以得到频谱资料
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非FFT频谱技术—平行滤波器
Band pass filter 1 Band pass filter 2 Band pass filter 3 Band pass filter 4 RMS detector RMS detector RMS detector RMS detector
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振动自然频率
当一个机械结构受到敲击后，他会自然地振动起来， 而且是以特定的频率作振动，此振动自然频率为机械 结构固有的特性。
Bruel & Kjaer 機器狀況監測
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结构频率响应函数分析
利用敲击鎚及加速规取得结构体之频率响应函数以 了解结构的振动特性。
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振动量测的基本设备
Bruel & Kjaer 機器狀況監測
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振 动 讯 号 的 基 本 构 成
1. 振 2. 频 3. 相 幅 率 位 (振动大小) (振动快慢)
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振幅(振动大小)的表达方式
有以下的振幅表达方式来代表振动的严重程度，峰至峰值(peakto-peak)表示机器振动位移量大小。 峰值(peak)表示机器瞬间承受冲击的振动量大小。 平均值(average)表示机器在某段时间内的振动量平均值。均方根 值(RMS)最能表示机器在某段时间内所承受的振动能量，即振动 的破坏能力。
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1 x rpm 2 x rpm Harmonics
振動計
軸承異常 轉子不平衡 軸彎曲 合成
分解
Sub-rpm
頻譜分析儀
轉子不平衡 振 幅 軸承異常
振動計實際所測得的振動波形
軸彎曲 對心不良
頻譜分析
N x rpm
頻率
N x powerline
振动诊断基本原则
动不平衡 Dynamic unbalance 保持器 或摩擦 Rub 轴不对心或组件 松动 Misalignment Looseness 轴承的边频 Bearing Side-band 轴承 Bearing
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常见讯号的频谱图
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频谱分析仪常见的基本设定
1.频宽(Bandwidth) 2.条数 3.Window 4.Display Unit (Rms,Peak) 5.Log/Linear Display 6.Trigger/Free Run 7.Sensitivity 频率分辨率f=频宽/条数 Record Time t=1/ f
-
+ + + + +
Kistler 剪力型加速规剖面图
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压电式加速度计
• 两种主要类型： –电荷型：适合高温用 –电压型：适合一般用 • 优点： –频宽高（约到25kHz左右） –质量、体积小（1 gm 以下） –价格合宜 –安装容易 • 缺点：低频响应有先天上的限制
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振动量测位置选择
在简易或精密诊断中，每次测点必须固定，振动计 固定在回转机械上必需要选在正确的位置，以愈接 近轴承愈好，目的是在获得轴承座最短路径传递值， 尽量避免结构部分所带来的影响。
量測軸相對於 軸承座的振動 轉動力 量測軸承座的絕對振動
加到軸承上的力
垂直方向(Vertical)
軸向振動量測 建議位置
( 軸向
axi
al)
不好的位置
水平 (Ho 方向 riz ont al)
加速規 水平或垂直向振動 建議量測位置 不好的位置
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频谱分析与振动诊断
FFT特性: 将时域的讯号转成频域
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Discrete Fourier Transform-DFT
在工程上的应用，傅利叶转换成为离散 傅利叶转换DFT：
0o
振动讯号与光纤参考讯号落后90 o
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振动相位
A，B两组振动讯号相90°的情况
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何时需量相位?
一、高阶振动诊断 二、动平衡校正 三、模态测试或ODS测试
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振动相位应用实例
振动相位表达出彼此之间的相对运动关系
相位差接近180°表示 反向运动彼此之间可能 有松动的情形，反之， 其相位差应接近0 °
频谱每条资料之间有固定的频宽 例如FFT频谱
Constant Percentage Bandwidth Spectrum
CPB Spectrum 频谱每条资料之间有固定的频宽百分比 例如1/3 Octave
其他
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Constant Bandwidth Spectrum
f f
量测频宽 f 解析条数N