振动的基本知识

一个简单振动试验－－风机转子
风机转子每秒钟转5转
在转子上施加一个重量，使转子 产生不平衡力，而引起振动
One second of time
一个简单振动试验－－频率计算
Hertz = Hz = Cycles per second RPM = Revolutions per minute CPM = Cycles per minute CPM = RPM = Hz x 60 风机转速 = 5 Hz or 300 RPM
•三者的幅值依次为A、A、A 2。
•相位关系：加速度领先速度90º ;速
a=A ² sin(t+)
度领先位移90º 。
振动的时域参数
正峰值
平均绝对值
有效值 平均值
峰峰值 负峰值
简谐振动为例 x=Asin( t+/2)
• • • • 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值
FFT
一个简单振动试验－－两个振源的频谱分析
Rub
Imbalance
10 Hz FFT 80 Hz 600 CPM
单自由度振动问题
注：确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度
简谐振动
有阻尼的强迫振动
非简谐振动
单自由度系统的强迫振动
• 振动的频率等于激励的频 率。 • 振幅大小与激励力的大小 成正比。
非接触式位移传感器
加速度传感器的频响特性
波德图和极坐标图
•
波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同，都表示基频振动 的幅值和相位随机器转速的变化规律。
三维频谱图
• 三维频谱图是频 谱的集合。 • 第三个坐标可以 是转速、时间(日 期)、其他工艺参 数等。 • 本图第三坐标是 转速，机器升速 过程中发生了油 膜涡动和油膜振 荡。
非接触式位移传感器
压电式振动加速度计
磁电式振动速度传感器
磁电速度传感器
• 测量非转动部件的绝 对振动的速度。 • 不适于测量瞬态振动 和很快的变速过程。 • 低输出阻抗，抗干扰 力强。 • 传感器质量较大，对 小型对象有影响。 • 在传感器固有频率附 近有较大的相移。
接收形式：惯性式 变换形式：磁电效应 典型频率范围：10Hz~1000Hz 典型线性范围：0~2mm
测 量 单 位 及 检 测 类 型
振动位移 振动速度 振动加速度
实例1：600RPM 风机
实例2：15K赫兹 齿轮啮合
振动位移
对 数 幅 值 振动速度
振动加速度
力的指示 疲劳的指示
当量烈度等值 线
应力的指示
对数频率
各种振动传感器
传 感 器 结 构 及 原 理

结构与原理 特性曲线 标定及其标 定系数
典型灵敏度 ：20mV/mm/s
压电加速度传感器
• 测量非转动部件 的绝对振动的加 速度。 • 适应高频振动和 瞬态振动的测量。 • 传感器质量小， 可测很高振级。 • 现场测量要注意 电磁场、声场和 接地回路的干扰。
接收形式：惯性式
变换形式：压电效应
典型频率范围：0.2Hz~10kHz 线性范围和灵敏度随各种不同型号 可在很大范围内变化。
已 进 行 平 均 处 理
的 波 形 与 频 谱
旋转机械振动测量框图
测量电路
磁带记录仪
汽轮机
齿轮增速箱
压缩机
数据采集和
分析系统
基频检测仪
频谱分析仪
涡流传感器
速度传感器
加速度传感器 键相传感器
记录仪
绘图仪
打印机
存储设备
与振动相关联的量－相位
• Vibration frequency indicates the potential source of the problem – also “how often” a problem repeats itself • Vibration amplitude indicates the severity of the problem. • Phase indicates how a machine is moving
value)
• 均值 (Mean value)
又称平均值或直流分量。 • 有效值 (Root mean square value)
各种振源
• 即使是很简单的机器也会因为各种振源而产 生振动。 • 各振源的振动不一定都是机器的转速频率， 通常有些振源的振动是在转速频率之上或之 下。 • 有些振动甚至与转速无关。
振动的时域参数计算
• 瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。 • 峰值 (Peak value) 振动离平衡位置的最大偏离。
x = x(t)
xp
1 T xav x dt T 0
1 T x x dt T 0
1 T 2 xrms x dt T 0
• 平均绝对值 (Aver. absolute
周期 = 1/频率
风机转速 = 5 Hz or 300 RPM
一个简单振动试验－－提高频率
风机转速提高一倍
波形图中的波形靠得很近 风机转速 = 10 Hz or 600 RPM
一个简单振动试验－－提高幅值
由于加在风机叶片上的不平衡重量，当
风机转速提高后，其振动幅值增加 波形的高度是幅值.
轴心轨迹 Orbit 的测定
• 轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。 • 轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。
轴心位置的测定
涡流传感器 的输出信号
动态 部分
间隙 变化
静态 部分
平均 间隙
轴心 轨迹
• 轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。
轴心 位置
轴心位置的变化
旋转机械振动相位的测量
• 在转子上布置键相标记K’，在轴承座上布置键相传感器K （光电或涡流式），其输出的参考脉冲为相位的基准。 • 以参考脉冲后到第一个正峰值的转角定义振动相位，即a。 • 振动相位直接和转子的转动角度有关，在平衡和故障诊断中 有重要作用。 • 参考脉冲也用于测量转子的转速。
振动相位
• The relationship of the movement of part of a machine to a reference – for example the position of the shaft as it rotates • The relationship of the movement between one or more points on a machine
简谐振动三要素
• 振幅 (Amplitude)
频率 周期
偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。
• 圆频率 (Angular frequency) 描述振动的快慢，记作 ,单位为弧度/秒。
f = /2 为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。 T = 1/f = 2/ 为每振动一次所需的时间，单位为秒。
• 单自由度系统
• 多自由度系统
• 自由振动，模态
• 强迫振动，共振 • 幅频响应和相频响 应
•
• •
三维频谱图
轴心轨迹和轴心位置图 摆振信号来源及其补偿
什么是振动？
振动源于力的作用
• 没有力的作用 = 没有运动 • 三种基本型式的力
– Impact – loose parts, hammering in a piping system, rolling element in a bearing hitting a spall – Periodic – repetitive force such as unbalance or misalignment – Random – varies with time, for example, turbulence in piping, pump cavitation
方波形及其频谱
简谐拍波及其频谱
滤波问题
高通滤波 低通滤波
带通滤波
带阻滤波
FFT 中的泄漏问题及其窗函数
时 域 波 形 的 截 取 与 复 制
FFT 中的泄漏问题及其窗函数
时 域 波 形 的 复 制 误 差
FFT 中的泄漏问题及其窗函数
频 域 波 形 的 泄 漏 问 题
FFT 中的泄漏问 题及其窗函数
描述振动在起始瞬间的状态，记作。
• 初相角 (Initial phase)
振动位移、速度、加速度之间的关系
d
v v
a
d

a
•位移、速度、加速度都是同频率的 简谐波。
• 振动位移 (Displacement) d=A sint
• 速度 (Velocity)
v=A sin(t+/2) • 加速度 (Acceleration)
振动分析基础
BPdM
北京普迪美科技有限公司
Tel:+86-10-62049486 Fax:+86-10-62044543
本章内容
• 简谐振动三要素 •振动测量框图
• 振动的时域描述
• 振动的频域描述 • 系统对激励的响应
•传感器及其选用
•旋转机械振动测量的
• • •
几个特殊问题 相位和基频的测量 波德图和极坐标图
多频率成分的产生
• 每个振源都要产生自己独特的振动频率成分 或振动形态。 • 对已知的设备，找到了它所产生的各振动频 率成分，也就知道了振源所在。 • 对一台机器所进行的振动分析1/3 是由其振 动频率成分查找振源。 • 其余2/3 的振动分析是从已知机器的历史中 找到问题所在。
机械振动的类型
各振源间的组合
对非简谐振动，上述关系不成立。
振动测量单位
• Displacement (distance) – mils or micrometers, m • Velocity (speed - rate of change of displacement) – in/sec or mm/sec • Acceleration (rate of change of velocity) －G’s or in/sec2 or mm/sec2 • Frequency Hertz = Hz = Cycles per second RPM = Revolutions per minute CPM = Cycles per minute CPM = RPM = Hz x 60
加窗处理
窗函数：
矩形窗 汉宁窗(Hanning) 海明窗(Hamming) 凯莎窗(Kesha) 三角窗
混叠问题及采样频率
减少混叠问题的方法： 提高采样频率 对时域波形进行滤波
频域和时域的平均技术
平均10次后的频谱 未 进 行 平 均 处 理
的 波 形 与 频 谱
未进行平均处理的频谱
振动信号的频率分析
• 把振动信号中所包含的各种频率成分分别分 解出来的方法。 • 频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅
里叶算法（FFT）。
• 频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计
算机上用软件来完成。
• 频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障
诊断的有力工具。
频率成分的提取
各种振动波形的频谱
名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱
汽轮发电机中压缸轴承 • 升速wenku.baidu.com轴心位置逐渐 升高。 • 到工作转速时，偏心 率为0.66；偏位角32º 。 属正常。 • 以后数月，轴承基础 下沉，导致轴心上浮， 偏心率减少，偏位角 接近90 º 。 • 发生了油膜振荡。 • 监测轴心位置有助于 发现机器的故障。
位移: mils or micron 速度: in/sec or mm/sec 加速度: G
一个简单振动试验－－增加另一个振源
摩擦
不平衡
新的振动成分 = 10 x 8 = 80 Hz
一个简单振动试验－－一个振源的频谱分析
5 Hz = 300 RPM 5 Hz FFT
10 Hz = 600 RPM 10 Hz
• 激励频率接近固有频率时， 振幅增大称为共振。共振 峰大小决定于阻尼大小。 • 振幅和位相随激励频率而 变化，变化规律用系统的 幅频特性和相频特性来表 示。
振动参数的计算
各振动参数间的关系
干扰力引起的振动波形
振动信号处理（1）
振动信号处理（2）
典型振动信号的FFT
简谐波形及其频谱 脉冲波形及其频谱
同相位振动
反相位振动
相位的作用
• Once we know “how” a machine is moving, we know WHY • Amplitude and frequency provide 80% accuracy when performing a diagnosis or analysis – adding phase increases accuracy to better than 95%