第5讲振动监测技术.ppt

第2章故障诊断振动监测技术 2 1振动理论基础2 2振动测试技术概述2 3振动信号予处理 机械故障诊断学 AnhuiUniversityofTechnology AnhuiUniversityofTechnology 2 1振动理论基础 一 振动基本概念 振动物体围绕平衡位置做往复运动机械振动机器设备由零件和基础组成一个弹性系统 某些原因或条件引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动 这种每隔一定时间的往复机械运动称为机械振动系统即研究对象 一部机器 或一种结构激励或输入外界对系统的作用或机器自身运动产生的力响应或输出机器在激励下产生的动态行为振动诊断对正运行或非工作状态的系统给以激励 测出响应 对数据处理后 与事先制定的某些标准比较 进而判断系统内部结构的破坏 裂纹 磨损 松脱 老化等各种影响正常运转的故障 振动是机器运行伴生现象 它包含着丰富的机器运行状态的信息 一般地 随着故障的出现和发展 机器的振动都会发生明显的变化 在正常运行状态下 只有某种形式的较低量级的振动的机器 当其运行状态发生变化时 必然会 AnhuiUniversityofTechnology 2 1振动理论基础 产生额外的振动或使振动加剧 振级增大 且各类故障与振动现象的变化之间常有比较明显的对应关系 其特征易于识别 因此大部分机械设备都可采用测量振动来进行状态监测和故障诊断 振动诊断的应用大部分机器都适合于采用测量振动来进行状态检测和故障诊断 如轴承 齿轮 旋转机械 建筑等 振动是随着振动的产生程度逐步升级 可根据振动等级的变化曲线来判断设备的趋势 做出相应决策 许多故障因振动引起 可根据已知的输出和系统参数 如刚度 质量 阻尼等 确定输入 判断环境特性 寻找振源所在 振动波形特征值 振幅 频率 相位 三要素 研究对象 主要研究破坏性振动 有用振动像振动筛 打桩机等不在研究范围之内 AnhuiUniversityofTechnology 2 1振动理论基础 振动的原因和危害 1 原因零件间的滚动或摩擦 回转往复件的不平衡力 旋转机件或部件的不对中 不对称 其它如设备制造误差 运动件间的间隙等 微小振动与其它件产生共振也会成为主要振源 2 危害加剧机件磨损 降低使用寿命和可靠度 如火车断轴 给机器附加载荷及疲劳破坏 如地震倒屋 地基松动 失去正常工作状态 如机床丧失精度 部件未坏但出现次品 如轧钢因辊振 张力波动出废品 AnhuiUniversityofTechnology 2 1振动理论基础 二 振动及其信号的分类1 确定性振动可用函数表示 比较明确周期振动可分为简谐振动 单一正弦波 和复杂周期振动 正弦波叠加 非周期振动可分为准周期振动 经处理可转为周期振动 和瞬态振动 单发的一次性 2 随机振动不确定性但有统计规律 波形在无限长的时间内不会重复的信号为随机信号 随机信号是大量脉冲信号的集合 其幅值 波形 峰值出现的时刻均是随机的 随机信号又分为平稳随机信号 各态历经及非各态历经 和非平稳随机信号 瞬时信号等 对时间恒定平稳随机振动统计特性 如均方值等 有规律 窄频带 受频带限制的随机振动 宽频带 白噪声 非平稳随机振动特殊振动幅值不随时间变化 或变化很缓慢 的信号称为 准 静态信号 动态信号可分为用确定的时间函数来表达的确定性信号和不能用时间函数来描述的随机信号 工程上所遇到的大多数是动态信号 且同时含有各种信号成分 总体而言是一种随机信号 AnhuiUniversityofTechnology 2 1振动理论基础 三 振动系统的力学模型分析振动特性的步骤 将实际机械系统简化为力学模型计算或测定系统的动态特性参数根据力学模型查表或建立系统振动运动方程 求出所需振动特性及有关参数 机械系统的振动量 x v a 频率 相位及频谱等基本参数有主要影响因素 1 系统本身的动态特性 质量 惯性 转动惯量 刚度 阻尼 2 系统工作条件及外部激励 对于简化 指机器或系统不可能完全按实际情况来研究 所以略去次要因素 次要矛盾 但动态特性要求原状等效 机器或系统产生振动 有质量和弹性决定 而阻尼会使振动得到抑制 没有阻尼 振动会越来越大 马上破坏 如果没有能量输入 因为阻尼 振动会逐渐停息 所以质量 刚性 阻尼为力学模型三大因素 机器的质量是分布的 要将连续系统离散化 如把弹性小 质量大的构件 不计质量的集中质量 把质量小 弹性大的构件 不计质量的弹性元件 阻尼大的部分 不计质量和弹性的阻尼元件 具体的系统简化方法要专门研究 虽然这是振动分析的首要问题 但以后各章主要学习振动分析方法是在已知力学模型的条件下进行 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 一 测量分析系统由四部分组成 传感器 测量仪器 记录仪器 分析仪器这里主要回顾传感器和测量仪器 传感器振动量 相应的电信号基本要求 1 较宽的动态范围 强弱信号都能测到 2 宽的频率响应范围 3 在其频率响应范围内有良好的线性 4 对环境灵敏度低 5 结构坚固 工作可靠 能长时间保持稳定性 分类 位移传感器接触式 电阻式 应变式非接触式 电容式 电涡流式 速度传感器接触式 动圈式 动磁式非接触式 变间隙式 加速度传感器 压电式与应变式对于旋转机械的振动监测 最常用的是相对位移传感器 如电涡流式传感器 对一般通用机器的状态监测 多采用测量绝对振动的压电式加速度传感器 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 加速度计核心是一片压电晶体材料 通常为人工极化的铁电陶瓷 受到应力作用时 无论是拉伸 压缩还是剪切 在它的两个极板上均出现与所加应力成比例的电荷 加速度传感器用得最广 不仅具有上述优点 且无需电源 自身会产生电信号 没有运动件 不致被磨损 它体积小 质量轻 精度高 适应温度范围广 便宜 通过积分电路可方便地获得速度和位移信号 加速度计有通用型 微型 特殊型 微振级型 在选择时要注意两点 灵敏度高灵敏度需较大压电材料 体积大 重量重 在较轻的物体上测量时输出特性被重量改变了 故加速度计重量不大于被测物体的十分之一 频率范围加速度计要保证它的频响范围包含了所有感兴趣的频率成分 实测时振动范围往往较宽 从几HZ到10KHZ AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 测量仪器对信号放大 处理 显示 1 电荷前置放大器通常放在测振仪前 将高阻抗信号转变为低阻抗信号 电缆长几十米信号也不会衰弱 以满足其他仪器的需要 放大到信号合适的电平 以输给其它仪器 可带积分电路 带可调滤波器 压电式传感器信号比较弱 2 滤波器选取感兴趣的频率 去除噪声 3 积分电路加速度信号 速度信号 位移信号 4 激振器对于静止的设备或非工作状态下的设备 脉冲锤 4 测振仪 便携式测振仪 有的测振仪带有电荷放大器 测量参数可调节 量程可调节 灵敏度可调节 具有自校准功能 电路过载报警 后板可接外部滤波器 及其它接口等特点 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 二 测量参数的选择振动测量参数有位移 速度 加速度 实际进行振动测量时 应根据系统振动特点合理地选定测量参数 该参数应最能直接反映故障的严重性 从测量精度的角度 低频时宜测量位移 中频时测量速度 高频时测量加速度 相应地所用传感器有位移 速度 加速度传感器及力传感器 阻抗传感器 即阻抗头 由一个加速度传感器和一个力传感器组合而成 等 各类传感器分别又有多种形式 目前应用最广泛的是压电式加速度计 对大多数机器来说 最佳参数是速度 因其兼顾高 低频信号 信号较平坦 而加速度适用于测高频 信号弱 需放大等 位移适合于测低频 振动量大的信号 但受噪声干扰严重 需滤波器等 所以许多标准采用速度参数 对于一个新的测点 往往先测出a v x信号 然后在感兴趣的频率范围内找出最平坦的参数作为以后测量的参数 如无频谱分析仪则选速度参数 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 三 测试实施1 适用范围频率在10 1000HZ的机械振动2 测点选择对尺寸小的设备允许只测一点 一点三个方向 对于外形较大的设备一般应环绕机器外部 在一些有代表性的分散点 测量其在相互垂直的三个方向上振动量值 测振传感器应尽可能地布置在最敏感的位置 示例 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 传感器绝不允许安装在设备的薄壳 薄盖等地方 传感器的安装必须严格按要求进行 安装时的微小偏差都会给测量结果带来明显的影响 传感器与被测对象间必须绝缘 3 标准使用根据信号分析确定机械状态 标准是很难确定和统一的 衡量机械设备的振动 国际上通常利用ISODR2372 ISODR3945 转速为600 1200rpm的机械振动判定标准 我国目前正逐步制定有关行业振动标准 其基本内容与ISO标准基本一致 4 机械分类为了使各种各样的精度不一的机械设备适用同一标准 应把机械分类 各种振动标准分类方法略有差异 ISO分成六类 根据VDI2056 加拿大 振动值增加2 5倍 即8分贝 就至关重要了 如果增加10倍 即20分贝 相当严重了 机器已进入不允许运行状态 这种倍数是相对于新机器某点的初始值作为比较标准 AnhuiUniversityofTechnology 2 2振动测试技术概述 如同一天制造的同一种机器转子被平衡到同一精度等级 但幅值有时相差十倍 尺寸误差 装配误差等引起 系统对激励的响应很复杂 即使同一机器相邻测点 测量值也会相差很大 所以在简单机械状态监测中 通过同一点的振动值比较来确定状态 系统地收集数据 分析状态趋势在故障发生前组织检修 通过频率分析 确定故障部位 特别注意标准使用时 前提一致性 即只能用同一点的振动值进行比较 AnhuiUniversityofTechnology 2 3振动信号予处理 数据的预处理是采用各种滤波技术提高信号的信噪比 提高数据的可靠性和数据分析的精度 1 提取或去除趋势项在信号分析中 一般把周期大于记录长度的频率成分叫做趋势项 它代表数据缓慢变化的趋势 这种变化由于环境条件 如温度 电压等 变化或仪器性能漂移而造成 如果是前者就要从数据中去除 如果是后者 则包含了机器状态的信息 希望提取趋势项用于诊断 去除或提取趋势项可以用模拟电路 此外 根据具体情况还可采取零均值化处理 剔点处理等 2 线性滤波方法滤波的实质是去除或抑制某些范围内的信号成分 去除或减少噪声以提高信噪比 有用信号功率与噪声功率之比 信号中有用成分与噪声的关系大体上有相加 线性滤波解决 相乘 卷积 要用同态滤波方法 等几种关系 滤波分模拟滤波和数字滤波两种 2 3振动信号予处理 2 3振动信号予处理 3 提取周期信号的方法窄带滤波如周期分量的频率是f0 用中心频率为f0 带宽为 f的窄带滤波器对原信号进行滤波 周期分量在滤波后不会随带宽而变化 但宽带随机噪声的能量随带宽减小而减小 从而有效地抑制了噪声 相关滤波因为周期分量的自相关函数也是周期性的 而宽带随机噪声的自相关函数在延时足够大时将衰减掉 所以可以求原信号的自相关函数 如延时足够大而不衰减则可将明显的周期分量提取出来 2 3振动信号予处理 x t f t n t 再对平均 得出输出信号 此时输出的白噪声是原来输入信号中白噪声的1 倍 信噪比提高了倍 相干检波 同期时间平均 以f t 的周期去截取信号x t 共截取N段 然后将个段对应相加 得 从有白噪声n t 干扰的信号x t 中提取周期信号f t 2 3振动信号予处理 1 窄带滤波一般指对某一点频率而言 如让这一点频率通过为窄带带通滤波 如阻止这一点频率为窄带带阻滤波 例如电视伴音的中频为38MHZ利用窄带带通 只让38MHZ通过 预视放利用窄带带阻6 5MHZ的伴音滤除 2 带通滤波器是指对某一频段而言 如让这一频段频率通过称为带通滤波 例如在卫星电视接收中要求高频头的二次变频在950 2000MHZ之间 就得用带通滤波器实现3 带阻滤波器是指对某一频段而言 如不让这一频段频率通过称为带通滤波 4 低通滤波是指让低频通过阻止高频5 高通滤波是指让高频通过阻止低频不论是带通还是带阻 高通 低通用在电路中时是