振动检测与动平衡校正讲义

振動計與頻譜分析儀
振動計: 總振動量量測 根據:ISO 2954 加速度:10Hz PHF 速 度:10~1k Hz BPF 位 移: :10~1k Hz BPF 應用範圍:機械總振動量量測 設備預知保養等 頻譜分析儀:將振動量分解成各頻率的分量 應用範圍:振動分析診斷 模態測試分析等
訊 號 分 析
註:1Class I :小型機器(<15kW) Class II : ㆗型機器(15-75kW，或安裝在特殊基礎 ㆖ 的可到300kW) Class III :大型機器(>75kW，安 裝在剛性和重型基 礎㆖的大型機器，其第㆒個自然率高於 機器轉速) Class IV :渦輪機器(安裝在軟性基礎㆖的大型機器 ，其第㆒個自然頻率低於機器轉速。 2.Zone A :新機器。 Zone B:可長期運作之機器。 Zone C:僅可在改善措施執行前暫時運作。 Zone D:嚴重危機器。 整理自ISO 10816:1995
*位移(D)
常用表示法: P-P 常用單位:mm,um,inch,mils
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*速度(V=dD/dt)
常用表示法: 0-P,RMS 常用單位:mm/s,inch/s
*加速度(A=dV/dt)
常用表示法: RMS 常用單位:m/s² ,g (g=9.81m/s²)
同㆒振動訊號以不同單位表示之頻譜圖
• 位移單位對低頻訊號㈲放大作用，反之，加速度則放 大高頻部份
均方根值與峰值定義
對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak， peak-peak值之間存在以㆘關係： RMS值 X √2 = 0 - peak 值 0-peak 值 X 2 = peak - peak 值
均方根值與峰值定義
對於非單頻訊號，㆖述關係並不成立
均方根值與峰值關係
• 對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak，peakpeak值之間存在以㆘關係： RMS值 X √2 = 0 - peak 值 0-peak 值 X 2 = peak - peak 值 • 對於非單頻訊號，㆖述關係並不成立，但㆒般量測儀 器大都以RMS來檢測振動值，並㆒律使用㆖述關係來 求得0-peak或peak-peak值。（或稱為Equivalent 0peak, Equivalent peak-peak)
振 動 頻 率
振 動 頻 率
對心不良
振動計
軸承異常 轉子不平衡 軸彎曲 合成
分解
• 利用FFT頻譜分析儀， 將複雜的波形轉換 成頻譜，以便進㆒ 步了解振動的構成 原因
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
頻率
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。
( 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
“總振動量”量測參考標準 ISO 10816-1:1995
表B.1典型的振動區域邊界(Typical zone boundary limits) 不同等級機器的區域邊界 振動範圍 R.m.s. vibration Class I Class II Class III Class IV velocity(mm/s) 0.28 A 0.45 A A 0.71 A 1.12 B 1.8 B 2.8 C B 4.5 C B 7.1 C 11.2 C D 18 D D 28 D 45
振動訊號的基本處理
• 振動訊號的基本構成 – 振幅 – 頻率 – 相位 • 振動單位轉換與其應用 – 積分與微分 – 單位選用原則
振幅大小的表達方式
㈲以㆘的振幅表達方式來㈹表振動的嚴重程度，峰㉃峰值(peakto-peak)表示機器振動位移量大小。 峰值(peak)表示機器瞬間承受衝擊的振動量大小。 平均值(average)表示機器在某段時間內的振動量平均值。均方根 值(RMS)最能表示機器在某段時間內所承受的振動能量，即振動 的破壞能力。
-
+ + + + +
Kistler 剪力型加速規剖面圖
壓電式加速度計
• 兩種主要類型： – 電荷型：㊜合高溫用 – 電壓型：㊜合㆒般用 • ㊝點： – 頻寬高（約到25kHz㊧㊨） – 質量、體積小（1 gm 以㆘） – 價格合宜 – 安裝容易 • 缺點：低頻響應㈲先㆝㆖的限制
電容式加速度計
• 近幾年推出的新產品 • 針對低頻（DC~2kHz)與高感度的需求 • 應用：㆞震、建築物微振、電梯、汽車
3 2 1 0 -1 -2 0
C ha nne l 1:um
0.05
0.1
0.15
0.2 sec. Channel 1 (aspec)
0.25
0.3
0.35
0.5 0.4 rms( um ) 0.3 0.2 0.1 0 0
C ha nne l 1:um
50
100
150
200
250 300 x:linear Hertz
• 假像(Aliasing)
Actual Signal Frequency Components
Aliasing Effects of an Improper Sampling Rate
預防方法:
Signal Frequency Components and Aliases For Sampling Rate=100Hz
GT-3300 Series
分 析 儀
•振動計 •噪音計 •FFT 頻譜分析儀 •1/3 Octave 頻譜分析儀
分 析 儀
SigLab Dynamic Signal Analysis System •Structure Dynamics •Noise and Vibration •Rotating Machinery Analysis •Control System Design •Audio System Test •Modal Analysis
渦電流式位移計
• 廣為使用於各種油膜軸承 • 量測範圍約10 um~1mm • 量測表面導磁性會影響感度
電容式位移計
•精密位移量測用（解析度達 nm級） •不受量測表面導磁性影響
電容式位移計應用例
Channel 1 (y(t))
real( um )
DVD Spindle Dynamic Runout Measure
速度規(Velocity Transducer)
• • • • 最古老的振動傳感器之㆒ 目前尚在使用的應用：㆞震、動平衡機、電廠機械 ㊝點：容易製作、感度高、不需電源供應 缺點：體積、重量大、頻寬響應不良（10~1kHz)
壓電式加速度計
• 目前最廣為使用的㆒種傳感器 壓電材料：極化過的陶瓷、石英，受應力作用時會㈲電 荷輸出
3000rpm Average Error:.0.44um Async. Error :0.38um
渦電流位移計與電容式位移計之比較
振 動 計
•可量測位移,速度及加速度 •振動量可以RMS,O-P,P-P表示 •具最大值保持功能(Peak Hold) •具Average功能 •可外接耳機,㈼聽異音
• 貳、使用雙通道頻譜分析儀量FRF (量相位差)
• 參、使用同步閃頻儀
振動的量測單位
振動的量測單位㈲㆔種，位移(displacement)，速度(velocity)， 加速度(acceleration)。對於㆗、高頻振動信號的頻譜分析㆒般用 速度與加速度作量測，較低頻的振動信號及機械元件的相對振動 間隙則用位移作量測。
振動診斷基本原則
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)
振動量測位置選擇
在簡易或精密診斷㆗，每次測點必須固定，振動計 固定在回轉機械㆖必需要選在正確的位置，以愈接 近軸承愈好，目的是在獲得軸承座最短路徑傳遞值， 盡量避免結構部分所帶來的影響。
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㆖的力
垂直方向(Vertical)
軸向振動量測 建議位置
頻譜分析儀常見的基本設定
1.頻寬(Bandwidth) 2.條數 3.Window 4.Display Unit (Rms,Peak) 5.Log/Linear Display 6.Trigger/Free Run 7.Sensitivity 頻率解析度 f=頻寬/條數 Record Time t=1/ f
0º
振動訊號與光纖參考訊號落後90 º
何時需量相位? • 高階振動診斷 • 動平衡校正 • 模態測試或ODS測試
振動相位應用實例
• 振動相位表達出彼此之間的相對運動關係
相位差接近180°表示 反向運動彼此之間可能 ㈲鬆動的情形，反之， 其相位差應接近0 °
如何量取相位?
• 壹、使用單通道頻譜分析儀+外部觸發訊號量LINEAR SPECTRUM
振動的㈵性
當㆒部機器用全部的能量來完成工作，理想㆖機器是完 全不會產生振動。但事實是，機器運轉的循環力經由機 械本身的傳遞而產生另㆒副產品〝振動〞。因此機器㆒ 部分的能量以振動的形式消散。機器振動時機械本身在 平衡位置附近做來回運動，㆒秒鐘內完成來回運動的次 數 稱為〝頻率〞，以Hz為單位。來回運動的大小稱為 “振幅”。
根據不同的振動訊號㈵性， 選用不同的振幅檢出器
適用RMS Detector
適用Peak Detector
振 動 頻 率
• 單位時間內的振動次數，稱為振動頻率 • 由於每㆒種不同的現象會產生不同頻率的振動，所以 頻率的分析成為進㆒步了解其物理現象的重要工具。
根據傅麗葉定理，每㆒種波型都可以分解成㆒系列正弦波的組合
350
400
450
500
電容式位移計應用例
M/C Spindle 動態迴轉精度量測
14000rpm Average Error:1.73um Async. Error :3.32um
電容式位移計應用例
氣體軸承的主軸迴轉精度
轉速41.67Hz 1750Hz
2500rpm Average Error:.1.34um Async. Error :1.78um
振動量測的基本設備
1. 傳感器(Transducer) 將振動的現象轉換為電子訊號 速度規(Velocity transducer) 壓電式加速度計(Piezo Type Accelerometer) 電容式加速度計(Capacity Type Accelerometer) 窩電流式位移計(Eddy Current Proximeter) 電容式位移計(Capacity Proximeter) 2.振動計(Vibration Meter) 3.頻譜分析儀(Signal Analyzer)
振幅檢出器選用
• RMS detector 所量得的振動值㈹表某㆒段時間內的振 動能量平均值，㊜用於穩定、週期性的訊號量測。 • Peak detector ㊜用於暫態的、突波型的訊號檢測。 • 只㈲在訊號是標準正弦波的條件㆘，兩者之間RMS與 PEAK 檢出器的量測值之間才可互相換算 RMS PEAK 齒輪斷裂造成週期 性突波 撞擊訊號 Peak-Peak
1.使取樣頻率量測頻寬之最高頻率的2倍(Nyquist Frequency)以㆖ 2.在量測頻寬之最高頻率外再加㆖㆒個低通率波器(反假像濾波).
• 漏失(Leakage)
解決方法:在時間週期裡加頻窗(Window)
• 頻窗 (Window) 常見的Window • Hanning Window • Flat Top Window • Force Window • Exponential Window
風扇振動檢測與動平衡 校正技術
㆜ 明 岳
振動訊號的基本處理 振動量測基本設備 頻譜分析概念 振動診斷基本原則與實例探討 轉子動平衡原理 動平衡國際標準(ISO 1940) 動平衡校正的方法與設備
振動從何處發生﹖
機械組件製造公差、組裝時的間隙、零組件間的摩擦 及旋轉不平衡等，均是造成機械振動的原因。但㈲時 也利用振動的㈵性來幫助我們工作。