振动及频谱分析基础培训(谷风研究)
振动分析培训计划
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频谱分析的理论基础及振动案例分析
频谱分析的理论基础及振动案例分析频谱分析是一种通过将信号中各频率成分分离出来，并定量描述其幅度、相位等特征的方法。
其理论基础主要涉及信号的傅里叶变换、功率谱密度以及频谱分析方法等方面。
振动案例分析是频谱分析的一个应用领域，用于研究物体的振动特性以及故障诊断等。
下面将分别对频谱分析的理论基础及振动案例分析进行更详细的讨论。
首先，频谱分析的理论基础涉及信号的傅里叶变换。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的变换方法，用于分析信号的频率成分。
对于一个连续的实际信号x(t)，其傅里叶变换可以表示为：X(f) = ∫[x(t) * exp(-2πift)]dt其中，X(f)为信号在频率为f时的复数幅度。
通过计算信号x(t)在不同频率上的傅里叶变换，就可以得到信号的频谱分布情况。
功率谱密度也是频谱分析的重要理论基础。
信号的功率谱密度描述了信号在不同频率上的功率分布情况。
对于一个随机平稳信号x(t)，其功率谱密度可以通过自相关函数R(τ)进行计算，即：S(f) = Lim(T -> ∞) [1/(2T)] * ，F{∫[x(t) * exp(-2πift)]dt}，²其中，F{}表示傅里叶变换，S(f)为信号在频率为f时的功率谱密度。
功率谱密度可以用来反映信号在不同频率上的能量分布情况，从而了解信号的频谱特性。
频谱分析方法包括离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)等。
DFT是将连续信号的傅里叶变换转化为离散信号的变换方法，通过对信号进行采样和截断来获得有限长度的离散信号，进而进行频谱分析。
FFT是DFT的一种高效实现方法，能够快速计算信号的频谱。
振动案例分析是频谱分析的一个重要应用领域，主要用于研究物体的振动特性以及故障诊断。
在实际工程中，振动往往是由于机械结构的不平衡、不稳定或者故障引起的。
频谱分析方法可以通过分析振动信号的频谱特性，进一步判断振动是否正常以及故障的类型和原因。
《振动分析基础》PPT课件
2、微振动固有频率。
解：取摆角 为广义坐标
系统的动能
T12mvC 2 12JCC 2
R
由运动学可知：
vC (R r)
C
vC r
(R r)
r
T3m(Rr)22
4
系统的势能 V m(R gr)co s
设钢丝绳被卡住的瞬时t＝0，
这时重物的位置为初始平衡位置 ；以重物在铅垂方向的位移x作为 广义坐标，则系统的振动方程为
m x kx 0
k
方程的解为
xA sin nt()
n
k1.6 9s3 1
m
静平衡位置
m
O
利用初始条件
x (0 ) 0 , x (0 v ( )0 v)
x
求得 0A v 0.0127m Nhomakorabea如高尔夫球； 质点在平面有2个自由度：两个方向的移动，
加上约束则成为单自由度。
§19-1 单自由度系统的自由振动
1.自由振动微分方程
l0——弹簧原长； k——弹簧刚性系数；
l0 k
l0 k
st——弹簧的静变形；
W kst stW /k
m
st
x
取静平衡位置为坐标原点，x 向下为正，则有：
F O
mdd22txWFWk(xst)
k x
W x
mxkx0 单自由度无阻尼自由振动方程
mxkx0 n2m k xn2x0
xC 1co ntsC 2si n nt C 1,C 2 积 分 常
令 : A C 1 2 C 2 2, ta n C 1/C 2
xAsi nnt()
A——振幅； n——固有频率； （n + ）——相位；
频谱分析基础培训
频谱分析仪性能指标 截止点(T.O.I)
频谱分析仪性能指标 1-dB 压缩点
频谱分析仪性能指标 动态范围
频谱分析仪性能指标 最大无互调范围或最大谐波抑制
频谱分析仪性能指标 频率测量精度
I 光标读数：
I ±(频率读数X参考频率误差+0.5%X频率跨度+10%X分辨带宽+最 后显示位X1/2)
锯齿波发生器
检波器 y
x
显示
频谱分析仪工作原理
中频滤波器:数字滤波器
Anti aliasing
bandpass 12 bit
IF 20.4 MHz
A D
Q mixer
IF
I
Lowpass filter
LO 90°
I mixer Q
filter coefficients Lowpass filter
理想高斯滤波器 (数字)
1.415 * B3dB
1.065 * B3dB
频谱分析仪性能指标 显示的噪声本底依赖于RF衰减器
频谱分析仪性能指标 显示的噪声本底依赖于与RBW带宽
A=10lg(RBWnew/RBWold)
频谱分析仪性能指标 接收机的非线性特性
频谱分析仪性能指标 三阶互调产物的鉴别
RFAtt
RF 衰减器
-2.5 dB 修正因子 (对数定标的平均)
不同的滤波器6 dB带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系
滤波器类型
6 dB 带宽 等效噪声带宽
4-极点滤波器 （模拟）
1.480 * B3dB
1.129 * B3dB
5-极点滤波器 （模拟）
1.464 * B3dB
1.114 * B3dB
振动量测和频谱分析
Page31
• 頻窗 (Window)
常見的Window • Hanning Window • Flat Top Window • Force Window • Exponential Window
Page32
常見訊號的頻譜圖
Page33
頻譜分析儀常見的基本設定
1X
2X
3X
4X
•動不平衡 基本特徵: 1倍頻的振動量很高,且振動量隨著轉速的增加而變大, 從頻譜圖 中其他倍頻都很小, 甚至沒有 引起的原因: 組裝不良, 材質不均勻, 或零組件已經變形或磨損等
Page36
振動診斷基本原則
•軸不對心 基本特徵: 軸的支撐面或連接面不面, 1倍頻及/或2 倍頻的振動量很高,且軸向振動 特別大,軸向與徑向的振動相位差180度 引起的原因: 組裝不良,造成心軸Offset/ Angular Misalignment, 及軸承的不對心
軸承異常
頻譜分析
成頻譜，以便 進一步了解振 動的構成原因
頻率
Page15
振動相位
「振動相位」是指振動訊號相對於某一參考訊號之間 的角度而言。
「振動相位差」是指兩種振動訊號之間的角度差。
0º
振動訊號與光纖參考訊號落後90 º
Page16
振動相位
A，B兩組振動訊號相90°的情況
Page17
何時需量相位?
量測軸相對於 軸承座的振動
加到軸承上的力
量測軸承座的絕對振動 轉動力
垂直方向(Vertical)
軸向振動量測 建議位置 軸 向 ( axial)
不好的位置
水 平(方Ho向rizontal)
加速規
《振动分析基础》课件
车辆的振动分析
总结词
车辆的振动分析是研究车辆动态特性和提高乘坐舒适性的重要手段，主要关注车辆的平顺性和稳定性 。
详细描述
通过对车辆进行振动测试和分析，可以评估车辆在不同路况下的平顺性和稳定性，优化车辆悬挂系统 和轮胎设计，提高车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。同时，还可以研究车辆的动态特性，为车辆的主 动和半主动控制提供依据。
05
振动分析案例研究
机械设备的振动分析
总结词
机械设备的振动分析是振动分析中应用最广泛的一类，通过对机械设备振动特 性的研究，可以预测和解决设备运行中的问题，提高设备稳定性和可靠性。
详细描述
机械设备的振动分析主要研究设备的振动特性、振动源、传递路径和振动对设 备性能的影响。通过测量和分析设备的振动数据，可以识别出设备的故障模式 、预测设备寿命，优化设备设计和改进设备维护策略。
振动分析的重要性
振动分析在工程领域中具有重要意义 ，如机械设备的故障诊断、结构安全 评估、噪声控制等。
VS
通过振动分析，可以深入了解物体的 动态特性，为优化设计、提高产品质 量和可靠性提供依据。
振动分析的应用领域
机械制造
振动分析用于检测机械设备的 工作状态，预防故障发生，提
高生产效率。
航空航天
振动分析用于评估飞行器的结 构安全性，优化设计，降低噪 音和振动对乘客的影响。
THANKS
感谢观看
混合控制技术
混合控制技术是指结合主动和被动控制技术的优点，以提高减振效果的 控制技术。
混合控制技术可以同时使用主动和被动元件，通过主动元件提供反向振 动来抵消原始振动，同时利用被动元件提供额外的阻尼和隔振效果。
混合控制技术可以综合主动和被动控制技术的优点，提高减振效果，但 需要设计合理的控制系统和元件参数，成本也相对较高。
振动监测基本常识(培训内容)
优选课件
13
⑤ 振 动 波 形 的 相 位 问 题 （1 ）
优选课件
两个同相 角简谐波 形的合成 (1X+2X)
相位角差 90°角的 两个简谐 波形的合 成。 (1X+2X)
14
⑤ 振 动 波 形 的 相 位 问 题 （2 ） 同相位合成
反相位合成
两个同相 或两个反 向简谐波 形的合成 问题。 两个波形 的频率相 同。
优选课件
15
2.3、振 动 的 测 量
①常用的测量仪器 • 频谱分析仪 • 数据采集器 • 磁带记录仪 • 振动传感器 • 示波器
②测量单位及检测类型
• 位移（Pk-Pk）：适合于低频范围 • 速度（Rms, Pk）：适合于中频段 • 加 速 度（ Pk ）：适合于高频段
优选课件
16
② 测 量 单 位 及 检 测 类 型
②机械设备故障的前期表现
振动过大
局部温度升高
油液污染
不正常音响 过 程 参 数 变 化： 压 力、 应 力、 扭 矩、 电 参 数… 表 面 形 貌 改 变： 变 形、 裂 纹、 斑 点、 色 泽 变 化…
优选课件
3
③故障诊断的方法与技术
振 动 分 析： 振 动 的 程 度、 振 动 的 起 因 油液分析 红外测温 人 工 经 验 分 析 诊 断： 听、 看、 触 摸
瞬态解
稳态解
其 中 有 阻 尼 情 况 下 的 固 有 频 率： pd p 1 2 p
• 由于阻尼的作用， x A sin( t ) , 与干扰力同频，其中：
A F0
1
k (1 2 )2 (2p)2
2 tg 1 2
振动知识培训
ω 0 表示振动角频率；
ϕ 为初相位；
t 为振动时刻； 数可以得出其瞬时速度
(2 )式的位移方程求一阶倒
& x = A ω 0 cos( ω 0 t + ϕ ) = A ω 0 sin( ω 0 t + ϕ + 求二阶倒数得出加速度 && = − A ω 0 2 sin( ω 0 t + ϕ ) L (4 ) x 对于 (3 )式表示速度与位移相差
11
g
0
f
3f
5f
7f
f
非周期性振动的频谱。非周期振动可用傅立叶积分表示，且其 频谱是一条连续的曲线，称为连续谱，一个完整的连续谱应包 括由零到无限大的所有频率的分量。
p0 F0= 1/t0 t 0 0 f
12
随机振动
严格来说一切振动都是随机的，当随机因素可以忽略时，可看做是确定振 动，这时可以用简单函数或这些函数的组合来描述。另一种不能用确定函 数而只能用概率和统计方法描述振动规律的运动称为随机振动。如车辆因 路面的高低不平，飞行器等等 随机振动如下图：从振动的单个样本 xi (t ) 观察，有不确定性、不可预 估性和相同条件下的其他各次振动的不重复性。各次振动记录是随机函数， 它的总体称为随机过程，记作：
5
先以单自由度无阻尼振动介绍简谐振动
下图是一个只在垂直方向运动的单自 由度质量弹簧系统：假如系统在初始 ′′ 是受到外界的扰动，使质量m具有初 m x = − k ( x 0 t + x ) + mg 速度或位移，则系统将发生振动，其 运动方程式为： x 为平衡位置时的变形， kx = mg , 故上式变为
粘性阻尼的自由振动，虽然是现实中所有振动都是有阻 尼的，情况比较复杂这里不作介绍！
振动及频谱分析基础培训
3
两者相互促进
在许多应用中，信号处理和频谱分析是相辅相成 的，共同实现信号的准确分析和处理。
03
振动测量与仪器
振动测量系统的组成
传感器
用于将振动信号转换为 电信号，是振动测量的
关键元件。
信号线
用于传输传感器输出的 电信号，需具备抗干扰
和低损耗特性。
信号调理器
对电信号进行放大、滤 波等处理，以适应后续
谢谢观看
信号平滑
通过移动平均或低通滤波等方法， 消除信号中的突变和跳变，使信号 更加平滑。
信号的特征提取
时域特征
提取信号的峰值、均值、方差等 统计特征，用于描述信号的强度
和稳定性。
频域特征
通过傅里叶变换等手段将时域信 号转换为频域信号，提取频率成
分、频谱峰值等特征。
时频域特征
利用小波变换等方法，同时分析 信号的时域和频域特征，提取信
振动及频谱分析基础培训
目录
• 振动基础 • 频谱分析基础 • 振动测量与仪器 • 振动信号处理技术 • 振动故障诊断技术 • 实际应用案例
01
振动基础
振动的基本概念
01
02
03
04
振动
物体在平衡位置附近往复运动 的运动形式。
振动系统
由弹性元件、阻尼元件和质量 元件三个基本元件组成的系统
。
振动频率
信号采集
使用振动测量仪器采集设备的 振动信号。
数据处理
对采集的信号进行预处理，如 滤波、去噪等。
特征提取
从处理后的信号中提取出反映 设备状态的参数和特征。
故障诊断
根据提取的特征与标准库中的 数据进行比对，判断设备的状
态和故障类型。
《振动分析基础》课件
主动控制和被动控制的应用实例
主动控制应用实例
在桥梁、高层建筑等大型结构中，采用主动控制技术抑制地震、风等引起的振动；在精 密仪器中，采用主动控制技术抑制微小振动，提高测量精度。
被动控制应用实例
在汽车和航空器中，采用被动控制技术降低振动和噪音；在电子设备中，采用被动控制 技术吸收电磁干扰，提高设备性能。
REPORTING
振动分析的基本概念和原理
频率
单位时间内振动的次数。
阻尼
振动系统内部或外部阻力使振 幅逐渐减小的性质。
振幅
振动物体离开平衡位置的最大 距离。
周期
完成一次振动所需的时间。
共振
当策动力的频率与物体的固有 频率相等时，振幅急剧增大的 现象。
PART 02
振动分析的基本理论
单自由度系统的振动分析
自由振动分析
环境工程中的振动分析应用
总结词
环境保护、噪声控制
详细描述
在环境工程中，振动分析被应用于环境保护和噪声控制等领域。通过分析环境中的振动信号，工程师可以了解噪 声的来源和传播途径，制定有效的噪声控制措施，从而改善环境质量，保护人们的健康和生活质量。
2023-2026
END
THANKS
感谢观看
KEEP VIEW
PART 05
振动分析的工程应用
机械工程中的振动分析应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
广泛应用、提高效率和性能
在机械工程中，振动分析被广泛应用于各种设备和机器的 设计、优化和故障诊断。通过分析振动数据，工程师可以 了解设备的运行状态，预测潜在的故障，从而提高设备的 效率和性能，延长使用寿命。
航空航天工程中的振动分析应用
振动宝典--振动分析基础培训
测量 — Fmax 设置在 500HZ 以下；速度频谱图；加速度时域图 — 检查径向振动频谱图上是否有 1XRPM 峰值 — 如果出现了其他的谐波成分，请考虑其他故障
频谱分析： — 1 倍频峰值很大，较少伴随其它倍频 — 无其它较大峰值出现 — 采用细化分析或同步平均确认 1 倍频峰值特征 — 1 倍频水平方向与垂直方向峰值比不超出 3:1 — 1 倍频轴向振动远远低于径向振动
松动。 — 检查时域波形是否稳定，是否有较大的“g”形冲击 — 若时域波形不稳定或显示有冲击，则考虑其他故障
相位分析 — 角度不对中时，联轴器两端轴向相位差 180°（±30°） — 平行不对中时，联轴器两端径向相位差 180°（±30°） — 角度不对中的轴向 1 倍频峰值非常高 — 平行不对中的径向 2 倍频峰值非常高 — 组合不对中的轴向和径向峰值都高
齿轮故障
诊断 — 在啮合频率处有较高的径向振动，并带有调制边带。 — 具有较大的轴向振动，对螺旋齿轮，斜齿轮或人字形齿轮轴向振动的频率 和径向相同。
测量 — 把最大分析频率设置为 3.5XGMF。 — Fmax 小于等于 2000HZ，使用 1600 线分辩率。Fmax 大于等于 2000HZ， 使用 3200 线分辩率。 — 检查轴向和径向的 1X,2X,3XGMF 处的峰值。 — 检查齿轮啮合频率处的边带
振动分析培训计划
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随着科技的发展和行业需求的增加，振动分析的培训需求也逐渐增加。
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技术研究
14
什么是振动？
技术研究
15
什么是振动频率？
考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、 比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频率。如 下图所示：频率的单位是用CPM或用Hz表示（1Hz＝60 CPM）。
图6 振动波形的位移和频率
技术研究
16
什么是振动相位？
技术研究
10
简谐振动的三要素
x
振幅 A (Amplitude) 偏离平cy) 描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态。
技术研究
12
什么是振动
当有一个作用力施加在质量块上时，如向上托起质量块，如图 二所示，质量块向上运动，弹簧在这个力的作用下被压缩。
图2 质量块被一个向上的力激励
图3 撤除作用力后质量块的响应
一旦这个质量块达到上部极限位置时，撤除作用力，质量块开
始下落。质量块将下落通过平衡位置而继续向下运动到它的下部极 限位置处如图三所示。
技术研究
7
先进维修制度的作用
保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失 防止事故，杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用（人力和财力） 改善环境，改善企业形象
投资获得最大和最长远的回报
技术研究
8
国家有关的条例摘录
逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基 础的预知维修体制。
图11 两个相差180度相位角振动 的质量块系统
技术研究
18
什么是振动相位？
振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。 下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。
技术研究
11
什么是振动？
振动就是机器或机器零件从其平衡位置所做的往复运动。 振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。
图1 质量块位于平衡位置且没有任何力的作用
振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此 振动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器 轴承座上测量振动的过程可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在 没有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。
振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定 参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对 于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是 一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位 振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。
图9 两个同相位振动的质量块振动系统
明确故障严重程度
作出故障趋势分析
故障诊断（精密诊断） 内容： 确定故障部位
确定故障原因
提出维修建议
由设备维修人员在现场进行
由设备诊断人员在现场或中 心进行
技术研究
4
状态监测和故障诊断的过程
开始 检测
搜集 征兆
定期检测
正常 参数
状态
异 常
故障定位
判别
原因分析
正 常
缩小故障范围
维修
不
趋势 分析
可
决策
尚 可
技术研究
13
什么是振动？
当质量块达到下部极限位置时，它将停止向下运动，而再次改 变方向通过平衡位置处移动到上部极限位置；然后停止而再返回到 下部极限位置。
图4 对施加的激励力连续响应 图5 在恒速运动的记录纸上记录质量块的振动
如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记 录带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来。
振动的基础知识及振动测量
状态监测与故障诊断概述 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 旋转机械振动测量框图 传感器及其选用 基频分量幅值和相位的测量 旋转机械的振动图示 定转速：波形图、频谱图、 轴心轨迹 变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、 轴心位置图 典型机械故障特征及频谱图 现场动平衡原理 诊断实例
1983年国家经委《国营公交设备管理试行条例》 企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设 备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术 的现代化水平。
1987年国务院《全民所用制公交设备管理条例》
技术研究
9
监测和诊断的各种手段
★ 振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。
★ 温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。 ★ 声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。 ★ 油液（铁谱） ：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。 ★ 无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。 ★ 压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 ★ 强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 ★ 表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。 ★ 工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。 ★ 电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。
技术研究
5
状态监测和故障诊断的作用
监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。 分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。 处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。
技术研究
6
停产一天的损失有多大？
300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元 30万吨化肥装置 损失化肥1000t， 约￥150万元 三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元
技术研究
1
状态监测和故障诊断
技术研究
2
什么是状态监测和故障诊断？
在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， 通过各种手段，掌握设备运行状态， 判定产生故障的部位和原因， 并预测、预报设备未来的状态。
是防止事故和计划外停机的有效手段。 是设备维修的发展方向。
技术研究
3
简易诊断和精密诊断
状态监测（简易诊断） 内容： 识别有无故障
技术研究
17
什么是振动相位？
图10给出了，两个相位差为90度的振动系统，即#2质量块超前#1质 量块1/4周（或90度）运动，或#1质量块相对滞后#2质量块90度。
图11给出了同样的两个质量块，相位差为180度时的振动情况，在 任何时刻，#1质量块向下运动的同时，#2质量块向上运动。
图10两个相差90度相位角振动 的质量块系统