振动——异常振动分析方法

振动——概述

在机器设备的监测和诊断中，振动监测是常用的监测方法。

任何机器运行时都有振动，振动反应了机器状态。无论是高精度磨床、镗床还是大功率的电机，乃至汽车轮胎等，时刻都伴随着振动。但当机器内部发生异常时，一般均会出现振动量和振动波形的变化。因此根据振动信号的测量和分析，可在运行过程中掌握和识别设备的劣化程度和故障特征。

振动——振动监测的传感器

在进行振动的测量和分析时，通常使用的传感器是把机械能转换成电能，使传感器产生与机械振动成函数关系的电信号。然后通过放大进行记录和显示。振动传感器的种类很多，常用的有三种：即感受振动位移的位移传感器、感受振动速度的速度传感器，以及感受加速度的加速度传感器。

振动位移、速度和加速度三者之间有着微分、积分关系。只要获得其中之一，便可换算求得另外两个参数。在选择测量参数时，通常应选择能得到最平坦的频率参数，这样可以使测量仪器的可用动态范围最宽。

1.加速度传感器

目前应用最广的是压电式加速度计，由于它的频率范围与动态范围都比速度和位移传感器宽得多，因此在一般设备监测中总是优先选用。而且它体积小，重量轻，稳定性高，可以安装在任何方位，无需电源供电，自身产生信号，无移动元件，不易造成磨损，而且电路能容易地转换成速度或位移信号。

压电式加速计的核心是压电晶体材料，通常是人工极化的铁电陶瓷，当受到应力作用时，无论是拉伸、压缩还是剪切，在它两个极板上都会出现与所加应力成正比的电荷。当加速度计受到振动时，内部质量块的惯性力就作用在压电晶体上，输出的电荷量与振动加速度成正比。

压电加速度计的主要结构有正置压缩型、倒置压缩型、环形剪切型、三角形剪切型（如图1所示）；

图1 压电加速度传感器结构示意图

2.速度传感器

目前常用的是惯性式磁电速度传感器，其工作原理是电磁感应（图2为其结构示意图）。

图2 磁电速度传感器结构示意图

固定在弹簧上的可动线圈随机器振动作惯性振动时，可动线圈切割磁力线产生感应电动势从而输出与速度成正比的电压。

磁电速度传感器灵敏度高，适合用于测量振动量微小的高精度机械。

3.位移传感器

电涡流传感器用于测量轴的转速、相位角、振动频率及转轴的运动方向，它能有助于鉴别不同的机械故障和对故障分类以及在旋转机械动平衡上起着重要作用。

目前应用最广的是涡流位移传感器（见图3），这是一种非接触式距离测量系统，它不断测量传感器顶端与被测对象表面之间的距离变化，并转换成一个与之成正比的电信号。

振动——振动的基本参数

振动是一种极其普遍的物理现象。物体围绕平衡位置做往复运动就称为振动。为了说明振动的性质，大多使用振幅、频率、相位三种参数。用这些参数表示振动，可以对振动的激烈程度、振动的原因及不良部位等进行定量的监测。

1.振幅

振幅表示振动体或质点距离其平均中心的幅度。振幅有位移振幅、速度振幅和加速度振幅之分。表示方法有单振幅、双振幅两种。也有以最大值、平均值、有效值三种来表示振幅的。图1表示了它们之间的相互关系。

图1 振幅

2.频率

物体每振动一次所需要的时间称为周期。单位是秒，而每秒振动的次数叫做频率，其单位是次／秒，用Hz表示。

频率与振动周期互为倒数，即频率=1/周期

3.相位

所谓相位就是表示振动的部分相对于其他振动的部分或其他固定部分处于什么位置关系的一个量。两个不同的振动源都会有各自的相位，、相同的相位可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵销，起到减振作用。因此，相位也是振动特征的重要信息。

振动——异常振动分析方法

1.以振动总值法判别异常振动

这是一种最直接的方法，把传感器放在设备应测量的部位，测量机器的振动值。振动值可用加速度、速度或位移来表示，通常都选用振动速度这个参数。将测得的数据以表格或图样表示其趋向，建立振动状态监测管理，对照“异常振动基准”，判别实际测量值是否超过界限或极限规定值，以评价设备工作状态的正常与否。在这种诊断方法中制定判断标准是最主要的基础工作。表1为1SO（国际标准化组织）的判断标准。

2.以频率分析法诊断异常振动

用振动总结法能判断整机或部件的异常振动，倘若把该振动信号取出后再作频率分析，就能进一步查出异常的原因和位置，这种频率分析工作可用普通型的振动测量仪和记录分析仪组合一起来实现。通常是先采用测振仪进行振动总值的检测。当发现振动总值数据有较快增大时，并有接近或超出最大允许界限值的趋向时就可采用分析仪对实测振动信号进行频率分析。由于一台机器中各个零部件具有确定的振动频率，因此做出频谱图与其正常谱图（或称原始谱）进行比较就能较方便地寻找振源，诊断出故障部位和严重程度。当频谱图上出现新的谱线时，就要考虑到是否机器发生了新的故障。

3.以振动脉冲测量法判断异常振动

振动脉冲测量法专门用来对滚动轴承的磨损和损伤的故障诊断。其原理是利用滚动轴承失效时由于滚道产生点蚀、剥落等缺陷使轴承内外环上出现凹痕，每当与滚珠接触时，都会发生一个冲击力，虽然这也增加了振的均方根值，但影响最大的当然是峰值。这种冲击脉冲波经设备本体传至压电式的传感器，传感器输出的信号峰值基本上只与脉冲波的幅值有关，对其他因素相对来说并不敏感，因此当系统对冲击效应进行放大时，不会受普通机器振动的影响。根据实际冲击水平与正常冲击水平之差即冲击水平增加值来判断轴承性能的好坏。

表1 （ISO-2372)异常振动判断基准