（机械制造及其自动化专业论文）削片机的振动测试与分析.pdf

声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：掣日期：业班 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他 复印手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：压垫：! ：导师签名：生兰堡逢日期：立竺z 乏 摘要：木材削片机用于制备工艺木片，是人造板和造纸行业的基本设备。在可利用森林 资源日益减少的情况下，为了提高伐区资源综合利用率，增加经济效益，林木加工业对 削片机的性能提出了更高的要求，论文针对这一现状开展削片机振动测试研究。 由于削片机的工作特性，其测试技术包含许多内容，振动测试技术是保证机组运行 可靠性与寿命的关键技术。振动测试的目的在于弄清削片机上若干典型测点的振动幅值 大小及其频率结构，这些都是削片机动态特性的基本参数，同时也为其进行结构动态修 改、控制振动提供依据。 本课题以北京东方振动和噪声技术研究所开发的i n v 3 0 6 及d a s p 系统为平台，主 要以削片机的振动为研究对象，首先介绍了削片机振动的国内外研究状况。接着依据振 动测试的基本理论，在借鉴其它设备振动测试技术的基础上，对削片机振动机理进行了 研究，分析了关键参数对削片机振动的影响。并对削片机振动的特性进行了分析，然后 针对削片机振动的实际情况，确定削片机振动测试参数，制定了削片机振动测试方案。 对削片机在正常和振动的情况进行数据采集，在取得科学数据的基础上采用时域及频域 分析的方法计算结果，找寻削片机振动的规律和主频律以及可疑的振动源，确定了削片 机振动的原因。最后，在上述研究分析的基础上，对削片机振动采用切实可行的措施， 验证了理论研究和实际分析的正确性。 主要研究内容如下： ( 1 ) 对国内削片机振动的研究现状和技术方法进行分析和比较。 ( 2 ) 用理论分析的方法，对削片机的振动特性、机理进行理论分析。 ( 3 ) 根据削片机振动测试工作的需要，设计出削片机的实验方案和振动测试方案。 ( 4 ) 进行削片机的振动测试实验。 ( 5 ) 利用d a s p 振动信号分析与处理系统，对实验所产生的数据文件进行分析处理。 结果表明，上述测试方案的设计、现场的数据实测以及相应的分析等削片机振动测 试技术，对于解决工程实际中状态监测与故障诊断问题，以及新削片机的开发提供了有 效的技术支持与保障。本文最后对进一步的相关研究提出了设想。 关键词：削片机，振动测试，信号分析 a b s t r a c t ：t h ew o o dc h i p p e r sa r eu s e dt op r o d u c et e c h n o l o g i c a lw o o dc h i p s a n da r et h eb a s i ce q u i p m e n ti np a p e r - m a k i n ga n dw o o d b a s e dp a n e li n d u s t r i e s 乃ep r e m i s eo ft h ef o r e s tr e s o u r c ed e c r e a s i n gb yt i m e ，f o rr a i s ec o m p r e h e n s i v e a v a i l a b i l i t yi nc u t t i n ga r e aa n de n c o u r a g ep r o d u c i n gh i g h e re c o n o m i cb e n e f i t s ， t h ew o o di n d u s t r yr e q u i r e dt h ec h i p p e rc h a r a c t e r i s t i c sb eu n i n t e r r u p t e da d v a n c e d t m sp a p e rb ea i m e da tt h o s ep r e s e n ts i t u a t i o n s 。d e v e l o p e dt h er e s e a r c ho f v i b r a t i o nt e s t i n gf o rt h ec h i p p e r f o rt h ec h i p p e r sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h et e s t i n gt e c h n o l o g yc o n t a i n s o m eo fe l e m e n t s ，砀ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g y t h ep u r p o s eo fv i b r a t i o nt e s t i n gt oa s c e r t a i nc h i p p e rm e a s u r i n gp o i n t so na n u m b e ro ft y p i c a la n da m p l i t u d eo ft h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h es t r u c t u r e ， c h i p p e rt h e s ea r e t h eb a s i cp a r a m e t e r so f t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s oi t s d y n a m i cs t r u c t u r a lc h a n g e sp r o v i d et h eb a s i sf o rv i b r a t i o nc o n t r 0 1 t h es u b j e c tt ov i b r a t i o na n dn o i s eo fb e i j i n go r i e n t a li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y d e v e l o p e di n v 3 0 6a n dd a s ps y s t e ma sap l a t f o r m c h i p p e rm a i n l yt os t u d yt h e v i b r a t i o no ft h eo b j e c lf i r s ti n t r o d u c e dv i b r a t i o nc h i p p e rs i t u a t i o na td o m e s t i c a n da b r o a d c h i p p e rt h e ns t u d i e dt h ev i b r a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nt h eb a s i c v i b r a t i o nt h e o r y , t h ev i b r a t i o nt e s t i n gt e c h n o l o g yi no t h e re q u i p m e n t , a na n a l y s i s o fk e yp a r a m e t e r so nt h ec u t t i n gm a c h i n ev i b r a t i o n c h i p p e ra n dv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i e sw e r ea n a l y z e d , a n dt h e nc h i p p i n gm a c h i n ev i b r a t i o na g a i n s tt h e a c t u a ls i t u a t i o nt od e t e r m i n et h ec u tp a r a m e t e r so fv i b r a t i o nt e s tm a c h i n e ，c u t t i n g m a c h i n ed e v e l o p e dav i b r a t i o nt e s tp r o g r 锄o ft h ec h i p p e ra n dv i b r a t i o ni nt h e n o r m a ls i t u a t i o nf o rd a t ac o l l e c t i o n , i no b t a i n i n gt h eb a s i so fs c i e n t i f i cd a t au s i n g t i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sr e s u l t s ，c h i p p e rf i n dt h el a wo f v i b r a t i o na n df r e q u e n c yo fv i b r a t i o no fl a w , a sw e l la st h es o u r c eo fs u s p i c i o u s c h i p p e ri d e n t i f i e dt h ec a u s e so fv i b r a t i o n f i n a l l y , i nt h ea b o v ea n a l y s i sb a s e do n v i b r a t i o nc h i p p e rp r a c t i c a lm e a s u r e su s e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d p r a c t i c a la n a l y s i si sc o r r e c t 砀em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) v i b r a t i o nr e s e a r c hm e t h o d sa n dt e c h n o l o g yi nd o m e s t i cc h i p p e ra n a l y z ea n d c o m p a r e ( 2 ) t h e m e t h o do ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f c h i p p e r s m a c h i n ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h em e c h a n i s m ( 3 ) t h em a c h i n ec u tt h en e e df o rv i b r a t i o nt e s t i n g ，d e s i g no fe x p e r i m e n t sc h i p p e r p r o g r a ma n d v i b r a t i o nt e s t i n gp r o g r a m ( 4 ) c o m p l e t et h ec u t t i n gm a c h i n ev i b r a t i o nt e s t i n g ( 5 ) u s ev i b r a t i o nd a s ps i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a l d a t ag e n e r a t e db ya n a l y s i so fd o c u m e n t s n er e s u l t ss h o wt h a tt h i st e s t i n gp r o g r a mi sa b l et os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m s 。 w h i c ha r ea b o u tt h ec h i p p e rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，a n d p r o v i d et h en e c e s s a r yt e c h n i c a ls u p p o r ta n dp r o t e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f n e wt h ec h i p p e r f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o v i d e ss o m ec o n c e p t i o ni d e a sf o rf u r t h e r r e l a t i v er e s e a r c h k e y w o r d s ：c h i p p e r , w o o dc h i p p e r ，v i b r a t i o n ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，s i g n a l a n a l y z i 削片机的振动测试与分析 目录 1 绪论1 1 1 立题背景和研究意义1 1 2 课题国内外的研究现状2 1 3 研究的主要内容：6 1 4 本课题主要的研究方法6 2 振动测试信号分析技术7 2 1 振动测试信号分析技术概述7 2 2 机械振动分类7 - 2 3 机械振动信号的测量分析和处理7 2 3 1 信号及分类：8 2 3 2 信号采集一9 2 3 3 振动信号处理与分析初步一9 2 3 4 振动信号的分析。一1 1 2 4 本章小结1 9 3 削片机振动的测试试验系统2 0 3 1 测试样机及地点2 0 3 2 振动测量参数选择2 1 3 3 消0 片机振动测试系统仪器组成2 1 3 3 1 振动测试系统硬件组成2 3 ( 1 ) 传感器2 3 ( 2 ) 采集仪2 4 ( 3 ) 放大滤波器2 5 3 3 2 振动测试分析软件( d a s p 信号分析软件) 功能概述2 6 3 4 仪器设备的安装检查调试与测试说明2 7 3 4 1 仪器设备的安装检查调试一2 7 3 4 2 测试说明2 8 3 5 测试点布置3 0 3 6 本章小结3 1 削片机的振动测试与分析 4 削片机振动测试与信号分析3 2 4 1 削片机基本结构3 2 4 2 削片机的振动特性分析3 3 4 2 1 静态测试与数据分析3 3 4 2 2 动态测试与数据分析3 6 ( 1 ) 削片机发动机振动测试与信号分析3 7 ( 2 ) 削片机主轴振动测试与信号分析一3 8 ( 3 ) 削片机机架振动测试与信号分析4 2 ( 4 ) 转速不同时削片机振动测试与信号分析4 3 4 3 测试结论4 6 4 4 本章小结4 7 5 总结与展望4 8 5 1 总结4 8 5 2 展望4 9 参考文献5 0 攻读学位期问发表的论文5 4 致谢5 5 2 1 绪论 1 绪论 1 1 立题背景和研究意义 削片机是人造板和造纸行业中用以制备工艺木片的最基本设备。自4 0 年代以 来，随着森林资源的日益减少和伐区剩余物利用水平的不断提高，以及全树采伐利 用新工艺的出现，工艺木片的原料己从利用原木转向更多地利用枝丫材、小径木、 加工剩余物、劣质材或进行全树削片【l 】。随着木片需求量的不断增长，对削片机的需 求也越来越多。国内外已研制和生产了上百种型号的固定式和移动式削片机，其结 构和性能己日趋完善，在生产中发挥着重要作用。但削片机工作时的振动噪声高达 1 1 0d b ( a ) 左右，即使空载运转也达到9 7d b ( a ) ，而国家标准规定，每天工作 8 h 噪声不得超过9 0d b ( a ) 【2 捌。可见削片机的噪声值已大幅度超过国家标准，严 重地影响机械的寿命和人们的身心健康，因此要对其进行机械振动问题的分析与研 究。 日常生活中，每时每刻都有振动现象存在，有许多振动现象对人类有益，或为 人类所利用。在诸多情况下，振动和噪声是联系在一起的。如当物体在冲击或交变 荷载作用下发生振动时，会诱发表面的空气振动而形成向四周辐射的噪声。对于强 噪声的危害可谓人人皆知，而对于振动的危害人们则了解甚微，其危害常常表现在 很多方面1 。 对大多数机械和结构，振动往往是有害的，它不仅使机器的精度和其他性能降 低，而且使构件中增加了附加动应力缩短构件的寿命，将导致构件裂纹的萌生与扩 展，最后使构件疲劳破坏；振动还将导致轴承等的摩擦磨损、机构传动失灵；振动 还会消耗能量降低效率；强烈的振动对人体本身也会造成严重的危害；振动及其伴 随的噪声将会恶化环境，也严重地影响人们身心健康，甚至酿成灾难性的事故。 随着生产技术的发展，动力结构有向大型化、高速化、复杂化和轻量化发展的趋势， 由此产生的振动与噪声问题将更为突出【6 】。本文主要以削片机为例，研究其振动及 应用，不仅把解决机械或结构的振动问题作为实现工程或产品的功能，提高可靠性 与延长寿命的重要途径，而且把减小振动问题作为增强产品市场竞争力的有效措施， 也可以为其它机械的振动与噪声问题的监测与故障诊断提供参考和借鉴。通过研究 削片机产生机械振动的原因和规律，振动对机器和结构的影响，以寻求控制和消除 振动或利用振动的方法，最后达到机械系统或工程结构能够可靠的工作，并具有良 削片机的振动测试与分析 好的动态性能。同时也为削片机的j 下确设计和改进提供科学依据。因此对其进行机 械振动问题研究是很有意义的 1 2 课题国内外的研究现状 振动理论是研究机械系统和工程结构的动力特性及在动态激励下振动响应分析 方法的一门科学。下面将简要介绍其发展概况、国内外现状及发展趋势： 人类对振动现象的了解和利用有着漫长悠久的历史，远古时期的人们已拥有利 用振动发声的各种乐器。 古希腊的毕达哥拉斯( p y t h a g o r a s ) 于公元前6 世纪真正开始了与振动相关问题 的研究，他通过实验观测到弦线振动发出声音与弦线的长度、直径及张力的关系。 我国战国时期的庄子明确记载了共振现象。胡克( 1 l h o o k e ) 1 6 7 8 年发表的弹 性定律和牛顿( i n e w t o n ) 在1 6 8 7 年发表的运动定律分别为振动力学发展奠定了物 性和物理基础。 在1 8 世纪，振动力学的主要成就是线性振动理论的发展和成熟。1 9 世纪后期 以来，随着航海运输和动力机械技术的发展，振动力学的工程应用得到重视和发展。 对实际工程中形状不规则的复杂结构的振动，难以精确求解，于是许多近似计算方 法陆续被提出。 从2 0 世纪5 0 年代开始，航天工程的发展对振动力学提出了更高要求和挑战， 确定性的力学模型已无法处理包括随机因素的大量工程问题，如大气紊流引起的飞 机颤振、喷气噪声导致飞行器表面结构的声疲劳、火箭运载工具有效负载的可靠性 等。工程的需要促使人们使用概率统计的方法研究承受非确定性荷载的机械和结构 系统的响应、稳定性、可靠性等，形成了随机振动这一振动力学的重要组成部分。 在工程问题中，随机振动理论要得到应用就必须解决振动信号的采集和处理问题。 2 0 世纪7 0 年代以来，由于计算机的飞速发展以及快速傅里叶变换( f f t ) 算法的出 现，随机振动的理论也不断地深入，非线性随机振动的理论研究尤其受到重视。 上述历史的回溯表明，振动力学在其发展过程中，逐渐由基础科学转化为基础 科学和计算科学的结合。实际工程的需求为振动力学提出了研究课题，测试手段和 计算技术的进步又使振动力学逐步发展成熟，学科的多方位、多层次交叉也不断为 振动力学的发展注入活力，振动力学得以形成为一门以力学和物理概念为基础，以 数学方法和测试技术为工具，以解决工程中振动问题为主要目标的力学分支。 在机械设备测试中，振动测试技术是工程技术领域中的一项重要技术。也是应 2 1 绪论 应用频率最高的基本方向。振动测试技术是通过正在运转过程中的机械 振动现象进行或人为的激振实验法测量设备对激励信号的特性来分析设 数。它是在二十世纪七、八十年代发展起来的一门新型边缘科学。近年 成熟 7 - 1 0 1 。 究、产品开发、生产监督、质量控制和性能测试都离不开振动测试技术。 工艺及设备的产生、改进都需要通过测试进行。振动测试技术已广泛应 域。针对机械行业，在各种现代设备的制造与实际运行中，振动测试工 首位，它是保证现代机械设备实际性能指标和正常工作的重要手段 1 1 1 。 内外的机械工业中，进行机械或结构的动力分析和动力设计已成为提高 重要一环。工业中出现的各种振动问题日益受到重视。机械或结构的振 大致分三类。 固有特性问题。共振是振动分析首先遇到的问题。对于某些振动系统， 需要确定其固有频率，避开共振，对于一些复杂的振动系统，则必须确定其动力学 特性，包括固有频率与固有振型等。确定固有特性不仅是为进行共振问题研究，也 是为进一步的振动分析提供基础。 第二是振动响应问题，即振动引起的结构动态变形和加速度是否超过机械正常 运转的允许值，并研究所产生的噪声问题。 第三是振动的稳定性问题。振动稳定分析是确定产生不稳定的临界条件及稳定 性的一些主要原因。振动控制的主要任务是在产品中采取有效措施，满足振动规范 的要求，如避开共振，限制振动的响应水平、不发生自激振动等。 振动测试技术是通过对正在运转过程中的机械设备产生的振动现象进行测试或 用人为的激振试验法测量设备对标准激励振动信号的传递特性来分析系统( 设备) 的特征参数。根据被测对象、测试方法和测试参数的不同，测试的种类很多，振动 测量是工程测试的重要内容之一。对机械设备进行振动测量有很多目的：测定振 级；寻找振源；提取设备故障的信息；研究结构的动态特性；研究隔振 理论、方法和材料；环境模拟和产品质量检查。 振动测试技术作为一门新兴的综合性边缘学科，经过3 0 多年的发展，已初步形 成了比较完整的学科体系。5 0 年代，各种类型和性能的传感器和测振仪相继研制成 功，并开始应用于科学研究和工程实际。6 0 年代至7 0 年代，数字电路、电子计算 机技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动了振动检测技术在机械设备 3 削片机的振动测试与分析 上的应用。7 0 年代至8 0 年代，机械设备的振动测试技术在许多发达国家开始研究。 随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断技 术等现代科学技术发展，机械设备的振动测试研究跨入系统化的阶段，并把实验室 的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型的成套机械设备中去， 进入了蓬勃发展的阶段。 8 0 年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究 旋转机械振动测试技术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得了成 果，并开发出相应的旋转机械振动测试系统这些系统的主要功能有：轴振动监测，包 括轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰一峰值计算；壳体振动监测：频谱分析， 包括频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预报警；故障特征提 取及诊断。 9 0 年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算方 法不断优化，使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用振动测试技术创造 了条件。 由于计算机技术的发展，目前可用于振动测试的设备十分丰富，从少通道( 1 - 2 通道) 、较低采样频率代1o k h z ) 、较低精度( 8 b i t s ) 、只有简单的分析功能的低价位简 易设备到多通道( 可达2 5 6 通道甚至更多) 、超高速( 1 - 2 0 0 m h z ) 、超高精度( 1 6 2 4 b i t s ) 、 超大容量( 几个g ) 的巨型系统应有，- - p ，- 同- 2 5 1 。对于振动信号的采集来说，目前的计算 机技术己足以胜任各种场合的需要。在硬件技术突飞猛进发展的同时，软件技术日 新月异的进步也极大地促进了信号分析与处理技术的发展。目前，在振动信号的分 析处理方面，除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数辨识外，近 来又发展了频率细化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨 迹分析以及基于非平稳信号假设的短时傅里叶变换和小波变换等。事实上，振动信 号的分析处理技术还在不断的发展之中，新的理论和技术还将不断涌现。人工智能 的研究成果为机械振动测试注入了新的活力，专家系统不仅在理论上得到了相当的 发展，而且国外己有成功的应用实例，国内也有许多单位积极从事这方面的探索研 究，并取得了一定的进展。与此同时，人工智能的另一个重要分支人工神经网络 的研究也逐步渗透到机械振动测试领域，并己成为机械振动测试领域的一个最新研 究热点，但目前还多处于研究室实验阶段，应用成功实例还不多见，最近又有人探 索将人工神经网络与传统的专家系统结合起来，建造神经网络专家系统。初步的研 4 1 绪论 究结果表明，这种新型的专家系统能较好地克服传统的专家系统和人工神经网络各 自独立的缺陷而具有很多优势。就应用领域而言，机械振动测试技术已在旋转机械、 往复机械、各种流程工业、机加工过程和各种基础零部件的振动测试获得了应用。 削片机振动分析与研究起步较晚，近2 0 年来，国内外对削片机研究的重点紧紧 围绕三个问题。一是提高削片质量的研究。二是关于切削功率的研究。三是关于振 动噪声的研究。 前苏联j i e6m ko bbm 对降低削片机的振动进行了研究，试验了基础振幅的 变化与动态载荷及切削刀具与木材相互作用的频率关系。指出固定式削片机采用弹 性悬挂装置比刚性固定基础的摆动振幅值降低8 3 8 8 。 瑞典的l i s sje 曾对安装在拖拉机上的小型削片机的噪声进行了测量，并提出 了减小振动与噪声的措施。 国内有关学者曾对s q 3 1 1 6 0 型及b x l 7 1 0 型削片机的振动噪声机理和频率特性 进行了试验探讨，并指出降噪应采取的措施【1 3 1 4 1 。 福建林学院田镇江等对s q 3 1 1 6 0 鼓式削片机振动噪声进行了初步分析，提出声 源改造和隔声相结合的噪声工程控制方案【1 5 - 1 6 1 。 李凯捷在分析盘式削片机的工作原理与特点的基础上，通过测试确定振动噪声 声源，提出减少振动噪声的较理想参数，对振动噪声的降低提出了相应的措施【1 7 1 。 福建省林科所郭宗藩等以b x l 7 1 0 型削片机进行降噪试验研究，提出了基础减 振、隔声和消声等技术措施【5 】。 刘四文、孟玲吉应用工程软件a n s y s 的优化设计模块，在参数化建模的基础上， 研究木材削片机动态载荷的特性，对削片机由于动态载荷引起的振动噪声进行系统 分析，通过对初始变量参数的优化，找出影响削片机振动和噪声的主要因素1 8 1 。 北京林业大学张晓文博士针对能耗与振动噪声问题，对普通盘式削片机的动态 载荷进行了初步测试，找出了影响能耗与振动噪声的主要因素，提出了实施均衡切 削的理论构想，并按此理论设计了新型切削刀盘，还与普通刀盘进行了对比试验。 国内外对削片机的研究较多，但大多集中于木片质量及影响因素的研究。而对 振动的研究较少，虽有一定的进展，但还不全面，特别是随削片机的技术更新，计 算机技术的发展，测试手段及检测仪表的进步，削片机机振动理论的研究进入了新 的阶段。我们应加强削片机振动的研究。 5 削片机的振动测试与分析 1 3 研究的主要内容 本课题以西南林学院自行研制的木材削片机的振动为研究对象。采用北京东方 振动和噪声技术研究所开发的i n v 3 0 6 及d a s p 系统为平台，全面地分析削片机振 动信号特征，系统地分析木材削片机的振动机理。运用理论分析和试验研究相结合 的方法，对削片机的振动特性进行系统的研究，为改善其振动性能，提高削片机机 械性能提供设计的理论依据。使削片机能够稳定运行，确保削片机可靠性以及安全 性。主要研究内容如下： 对国内削片机振动的研究现状和技术方法进行分析和比较。 用理论分析的方法，对削片机的振动特性、机理进行理论分析。 0 根据削片机振动测试工作的需要，设计出削片机的实验方案和振动测试方案。 进行削片机的振动测试。 利用d a s p 振动信号分析与处理系统，对实验所产生的数据文件进行分析处 理。 1 4 本课题主要的研究方法 本文主要以削片机为研究对象，以振动测试技术为主要测试手段，来研究削片 机的机械振动。本课题采取理论分析试验数据采集数据分析采用相应措旌 试验的方法进行研究，紧密结合工程实际，既注重总结理论研究成果，同时也注重 解决实际问题。 本论文对传统的傅里叶变换、时频分析方法进行了理论研究。利用以北京东方 振动和噪声技术研究所开发的i n v 3 0 6 及d a s p 系统采集和分析数据，利用实验模 态分析理论，以振动测试为主，结合其它先进测试方法及原理，对削片机的振动， 在频域内应用各种谱分析技术进行了深入的研究、全面的分析。 6 2 振动测试信号分析技术 2 振动测试信号分析技术 2 1 振动测试信号分析技术概述 机械振动是工程中普遍存在的现象，机械设备和结构在运行过程中会发生振动。 任何一个设备系统在运行时会产生各种各样的振动信号，通过这些振动信号可以识 别其运行状况，而当其超过常规范围时，即被认为存在异常。 振动测试与信号分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工 程应用的一个极为普遍的方面。所谓振动测试技术，就是在设备运行中或基本不拆 卸全部设备的情况下，通过测量其振动的方式来掌握其设备运行的状态，并预测预 报未来状态的技术。因此，它是防止事故的有效措施之一，也是设备维修的重要依 据。以上定义是1 9 8 3 年中国机械工程学会设备维修分会根据国外经验和国内现状提 出的。 振动测试和信号分析技术是工程应用中一个极为广泛的技术。振动测试和分析 是利用现代测试手段，对所研究结构的振动与噪声进行测试并对测量所得信号进一 步分析，以获得在各种工作状态下结构的振动与噪声特性 1 9 1 0 据此可从振动角度判 断结构的动态特性是否符合设计要求，进而为科研人员验证理论和建立新的理论、 设计人员进行优化设计、工艺人员改进制造工艺提供可靠的科学依据。 2 2 机械振动分类 机械振动，是指物体在平衡位置附近做重复的运动，是机械系统运动的位移、 速度、加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过程。机械振动是 机械设备中最常见的物理现象，大多数情况下机械振动是有害的，它破坏了机械设 备的正常工作，甚至导致损坏造成事故。 根据振动信号的数学特征，机械振动可分为确定性振动和随机振动两大类。确 定性振动的振动位移是时间的函数，可用明确的数学关系式来描述。而随机振动则 因振动波形呈不规则变化，只能用概率统计的方法来描述。二类振动还可作更细的 分类，归纳如图2 1 所示： 2 3 机械振动信号的测量分析和处理 一般振动测试技术大致可分为两类瞄：一类是测量机械设备或结构在实际运行 中的振动响应；另一类是对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其 振动，此类测振动的目的是研究机械设备或结构的动态特性，本文所涉及的主要是 7 削片机的振动测试与分析 厂 孕期振动 l 复杂周期振动 机械振动 厂确定性振动l 非周期振动 三兰兰兰动 i厂 窄带随机振动 l 随机振动 r 平稳随机振动l 宽带随机振动 l 非平稳随机振动 用仪器对削片机进行振动量的实测和分析，属于第一类测试技术的范围。但同时也 对第二类测试技术进行一定的实测和分析。 信号分析与处理技术是测试技术的重要组成部分，是实现测量的基础。本课题 的内容是实测与分析削片机的振动量，通过仪器采集到振动信号并在计算机内进行 处理。 在振动信号的测量分析中，首先利用传感器把声压信号或加速度信号转换成电 信号，通过放大处理后再进行测量和分析陇1 。在信号的量化、截取过程中很容易产 生信号的失真，因此在采样过程中要符合采样定理。在测量过程中，不可避免的渗 入一些干扰信号，因此要对信号进行放大、滤波等预处理，滤除信号中的干扰成分， 从而提取有用信息2 2 1 。 2 3 1 信号及分类 信号是指利用传感器进行测量所获得的位移、速度、加速度、温度、应力、应 变、压力等数据。按描述信号的数学关系式的独立变量取值是否连续，可将信号分 为模拟信号与数字信号。 ( 1 ) 模拟信号 模拟信号是随时间连续变化的信号。模拟信号有两种类型，一种是由各种传感 8 2 振动测试信号分析技术 器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的电流信号。这些模拟信号经 过采样和a d 转换后进入计算机，常常要进行数据的正确性判断、线性化处理等。 ( 2 ) 数字信号 数字信号是在有限的离散瞬时上取值间断的信号，它对线路上的干扰信号不敏 感。 2 3 2 信号采集 对于简单的原始信号，往往只能提供十分有限的信息。因此，信号必须经过适 当的加工处理才能够得到人们所感兴趣的特征信息。而目前对振动信号的测量多采 用振动加速度传感器，一般有电容式传感器和压电式传感器，均可以将测点的振动 信号转变成电信号。 2 3 3 振动信号处理与分析初步 测试工作的目的是获取反映被测对象的状态和特征信息。但是有用的信号总是 和各种噪声混杂在一起的，有时本身也不明显、不突出，难于直接识别和利用。只 有分离信、噪并经过必要的处理和分析、消除和修正系统误差之后，才能比较准确 的提取测得的信号中所含的有用信息。信号处理可用模拟信号处理系统和数字信号 处理系统来实现。模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，诸如模拟滤 波器，放大器等环节组成。模拟信号处理也可以做为任何数字信号处理的前奏，例 如滤波、限幅、放大等预处理数字信号处理时用数字方法处理信号，它既可以在通 用的计算机上借助程序来实现，也可以用专用的信号处理机来完成。数字信号处理 具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小重量轻等优点，在各行业 中得到了广泛的应用。 ( 1 ) 数字信号处理的基本步骤 数字信号处理的基本步骤如图2 - 2 所示。 信号的预处理把信号变成适于数字信号处理的形式，以减轻数字处理的困难。 预处理包括： 电压幅值调理。通过对输入电压幅值调理，可以便于采样。一般总是希望电 压幅值峰一峰值足够大，以便充分利用a d 转换器的精确度。如1 2 位的a d 转换器， 其参考电压为5 v 。由于2 1 2 = 4 0 9 6 ，故其末位数字的当量电压为2 5 m v 。若信号电 平较低，转换后二进制数的高位都为0 ，仅在低位有值，其转换后的信噪比将很差。 9 削片机的振动测试与分析 若信号电平绝对值超过5 v ，则转换中又将发生溢出，这是不允许的。所以，进入a d 的信号应适当调整。 五l v 结 预处理a d 转换数字信号 处理器 果 或 计算机 、， 显 。，、 ) i , t i 预处理 a i d 转换- - g 图2 2 数字信号处理系统简图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 必要的滤波。通过对采集到的信号的滤波，可以提高信噪比，并滤去信号中 的高频噪声。 离散信号中的直流分量。 模数( a d ) 转换是模拟信号经过采样、量化并转换为二进制数的过程。数字信号 处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。计算机只能处理有限长度的数据， 所以首先要把长时间的序列截断，对截取的数字序列有时还要进行加权( 乘以窗函 数) ，以成为有限长的序列。对于数据中的奇异点( 由于强干扰或信号丢失所引起的 数据突变) 应予以剔除。如有必要，还可以设计专门的程序来进行数字滤波。然后把 数字信号处理结果送入计算机进行运算，完成各种分析和处理。 ( 2 ) 振动信号的离散化和采样定理 1 ) 离散时间信号( 序列) 时间变量与幅度变量均为连续变量的信号叫连续信号或模拟信号，我们所遇到 的信号大多是这种模拟信号。但模拟信号不能直接用数字系统处理，必须将它首先 加以离散化，得到离散信号序列后才能进行数字处理。离散时间信号是在时间上不 连续的序列，用x ( k ) 或f ( k ) 表示，k 表示他们在序列中前后位置的序号，是一个整 数。由取样产生的序列叫做取样序列。 2 ) 采样 在对记录的振动信号进行数字化处理时，首先要进行采样。采样就是使连续的 1 0 2 振动测试信号分析技术 模拟信号x ( t ) 转换为离散时间序列的过程。采样一般按等时间间隔a t 取值，常用 模一数( a d ) 转换器来实现。如图2 3 所示，当连续时间信号x ( t ) 输入模一数转换器， 其输出就是采样所得的离散时间序列x ( n a t ) 。a t 成为采样时间间隔。f s - 1 a t 为单位时间内的采样数，称为采样频率。 3 ) 采样定理 采样的时间间隔t 决定着采样的质量和数据处理的总时间。a t 太小，会使 x ( n a t ) 的数目剧增，增加了数据处理的工作量，并要求计算机的内存要大：但a t 太大，会在原有数据中引起低频及高频分量的混淆，不能真实反映原信号x ( t ) 的全 部情况，影响分析精度。因此，必须有一个选择采样时间间隔的准则，以确定x ( n a t ) 能不失真地表示原信号x ( t ) 的最大允许时间间隔t 。这个准则就是采样定理。 x 辑t ) o 图2 - 3 采样过程 f i g u r e2 - 3s a m p l i n gp r o c e s s 为了避免混叠以使采样处理后仍有可能准确的恢复其原信号，采样频率必须大 于最高频率的2 倍，f s 2f c ，这就是采样定理。在实际工作中，考虑设计滤波器不 可能有理想的截止特性，在其截止频率f c 后总有一定的过渡带，故采样频率常选为 ( 3 - 4 ) f c 。 2 3 4 振动信号的分析 振动信号的分析一般包括时域分析和频域分析两种，本节将对信号的时域分析 和频域分析做一介绍。 ( 1 ) 信号的时域分析 时域信号是指信号随时间变化的一种函数关系，包括时域连续信号和时域离散 信号。一般说来，工程实际中的很多振动信号在时域上都是连续的，但是，把这些 连续信号进行采样后，转变为数字信号进行处理，被处理的信号就变成了时域离散 削片机的振动测试与分析 信号。 振动信号的时域特性是指各激励响应信号在作用时刻及其作用强度等方面体现 出来的特性m 1 。信号的时域分析就是求取信号在时域中的特征参数刚( 如峰值、均 值、方差、均方值等，) 及信号波形在不同时刻的相似性和关联性( 如自相关函数、 互相关函数) 。 1 ) 信号时域特征参数 峰值x p 和峰一峰值x p 呻 峰值x p 定义：指波形上与零线的最大偏离值 x p = l x ( t ) i 一 ( 2 一1 ) 峰一峰值x p _ p 定义：指在一个周期内或测量时间内信号最大瞬时值与最小瞬时值之 差的绝对值。 x p p = l x 一- - x m i n l 。 ( 2 2 ) 意义：信号的峰值和峰一峰值给出