振动监测与诊断

《冶金机械设备维修》教案学习情景1：设备状态检测与故障诊断

振动监测与诊断

机械振动是工程中普遍存在的现象，机械设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一种物理现象。据统计，有60%以上的机械故障都是通过振动反映出来的。因此，不用停机和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。

研究振动问题时，一般将研究对象（如一部机器、一种结构）称为系统；把外界对系统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的动态行为，称为响应或输出。振动分析（理论或实验分析）就是研究这三者间的相互关系。

所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析处理，然后将结果与事先制订的某种标准进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消除故障、保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统的参数（质量、刚度、阻尼等）来确定系统的输入，以判断系统环境的特性，如寻找振源等问题的研究。

一、振动诊断基本知识

图 2-1 重物随时间的运动图

1、什么是振动

振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。例如图2-1所示的弹簧质量系统中重物的运动就是振动的一个典型例子。

重物从平衡位置移动到上极限位置，再返回经过静平衡位置移动到下极限位置，又返回移动到静平衡位置，为一个运动循环，即往复振动一次。这个运动循环连续不断重复就是该重物的振动。

图右面是重物振动位移随时间变化的运动图，它是一条正弦（或余弦）曲线。这种正弦振动，称之为“简谐振动”，它是一种最简单的振动。

各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些都可认为是一个弹性系统。某些条件或因素可能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性机械运动，称为机械振动。

由于各种系统的结构、参数不同，系统所受的激励不同，系统所产生的振动规律也各不相同。根据振动规律的性质及其研究方法，振动可分为确定性振动和随机振动两大类。

确定性振动的规律可以用某个确定的数学表达式来描述，其振动的波形具有确定的形状。其振动位移是时间t的函数，可用简单的数学解析式来表示，为：x=x(t)。

随机振动不能用确定的数学表达式来描述，其振动波形呈不规则的变化，只能用概率统计的方法来描述。

在机械设备的状态监测和故障诊断中，常遇到的振动多为周期振动、准周期振动、窄频带随机振动和宽频带随机振动等，以及其中几种振动的组合。周期振动和准周期振动属确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。

2、振动的表示方法

（1）确定性振动

1）简谐振动

简谐振动是机械振动中最简单最基本的振动形式，了解它的特性，对了解其它振动的特性和掌握振动监测诊断技术都十分重要。若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正弦（或余弦）函数表示，则这种周期振动就称为简谐振动。其数学表达式为

x A tωϕ

=+（2—1）

sin()

式中x——物体相对平衡位置的位移；

A——振幅（又称峰值），表示物体偏离平衡位置的最大距离（2A称为峰-峰值）；单位为毫米（mm）；

ω——振动的角频率，表示2π秒内的振动次数或称圆频率；

ϕ——振动的初相位角，用以表示振动物体的初始位置，单位为弧度（rad）。

振幅A表示振动的大小，而角频率ω表示振动的快慢。如果已知某物体作简谐振动，且已知（或测出）A、ω及ϕ，就可以完全确定该物体在任何瞬时的位移X。简谐振动是确定性振动，其特性取决于A、ω、ϕ三个参数，这三个参数在设备诊断中有着重要的意义，因此，A、ω及ϕ称为简谐振动的三要素。

2）周期振动

若振动波形按周期T重复出现，也就是

=+(0,1,2

x t x t nT

()()

n=……）（2—2）

成立时，称为周期振动，相对简谐振动而言，一般它是一个复杂的周期振动，是由一

ϕ）组成，实践中产生复杂周个静态分量0X和无限个谐波余弦分量（振幅为n X，相角为n

期振动的情况远多于产生简谐振动的情况。事实上，简谐振动往往是复杂周期振动的一种

近似表示。

3）准周期振动

所谓准周期振动，也是由一些不同周期的简谐振动合成的振动。这一点与复杂周期振动相类似。但是，准周期振动没有周期性，组成它的简谐分量中总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数。而复杂周期振动的各简谐分量中任何两个分量的频率之比是有理数。准周期振动是一种非周期振动，可用如下的函数描述： 1()sin(2)M

n n n n x t X

f t πϕ==+∑ （2—3） （2）随机振动

随机振动是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式描述。

随机振动过程虽不能预知，也不能重复，但随机振动具有一定的统计规律，因此可以用概率统计的方法来研究随机振动，用统计特征参数来描述随机振动的特性，用随机信号来描述随机振动。

二、振动监测参数与标准

1、振动参数及其选择

如前所述，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。为了提高振动测试的灵敏度，在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的参数（或传感器）。从测量的灵敏度和动态范围考虑，低频时的振动强度用位移值度量；中频时的振动强度用速度值度量；高频时的振动强度用加速度值度量。从异常的种类考虑，冲击是主要问题时应测量加速度；振动能量和疲劳是主要问题时应测量速度；振动的幅度和位移是主要问题时，应测量位移。

对大多数机器来说，速度是最佳参数，这也是许多标准采用该系数的原因之一。但是另外一些标准都采用相对位移参数进行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的最多。对于轴承和齿轮部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。

2、 测量位置的选定

首先应确定是测量轴振动还是轴承振动。一般说来，监测轴比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上振动的变化比轴承座或机壳要敏感得多。不过，监测轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术，其中最基本的条件是能够合理地安装传感器。测量转子振动的非接触式涡流传感器安装前一般需要加工设备外壳，保证传感器与轴颈之间没有其他物体。在高速大型旋转设备上，传感器的安装位置常常是在制造时就留下的，目的是对设备实行连续在线监测。而对低中速、小设备来说，常常不具备这种条件，在此情况下，可以选择在轴承座或机壳上放置传感器进行测试。测量轴承振动可以检测机械的各种振动，因受环境影响较小而易于测量，而且所有仪器价格低，装卸方便，但测量的灵敏度和精度较低。

其次应确定测点位置。一般情况下，测点位置选择的原则是：能对设备振动状态做出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。一般测点应选在接触良好、表面光滑、局部刚度较大的部位。值得注意的是，测点一经确定之后，就要经常在同一点进行测量。特别是高频振动，测点对测定值的影响更大。为此，确定测点后必须做出记号，并且每次都要在固定位置测量。如