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振动和振动测试的基础知识 振幅A Amplitude 偏离平衡位置的最大值 描述振动的规模 频率f Frequency 描述振动的快慢 单位为次 秒 Hz 或次 分 c min 周期T 1 f为每振动一次所需的时间 单位为秒 圆频率 2 f为每秒钟转过的角度 单位为弧度 秒初相角 Initialphase 描述振动在起始瞬间的状态 简谐振动的三要素 振动位移 速度 加速度之间的关系 振动位移速度 加速度 位移 速度 加速度都是同频率的简谐波 三者的幅值相应为A A A 2 相位关系 加速度领先速度90 速度领先位移90 x v a x v a 振动的时域波形 名称波形 若干幅值参数的定义 瞬时值振动的任一瞬时的数值 峰值振动离平衡位置的最大偏离 平均绝对值均值 Meanvalue 又称平均值或直流分量 有效值 xp x x t 各幅值参数是常数 彼此间有确定关系峰值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 简谐振动的幅值参数 复杂振动的幅值参数 各幅值参数随时间变化 彼此间无明确定关系 常用的幅值参数及其单位 位移峰峰值 单位为微米 m 速度有效值 单位为毫米 秒 mm s 加速度峰值 单位为米 秒平方 m s2 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 各种振动的频谱图 名称波形频谱 时间域频率域 系统对激励的响应 自激振动 激励 响应 单自由度振动系统 确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度 多自由度振动系统 图中数字为系统的自由度数 5 3 2 2 6 单自由度系统的自由振动 系统在没有激励下 由初始条件引起的振动 称为自由振动 初始位移初始速度 a 无阻尼b 小阻尼c 临界阻尼d 大阻尼 单自由度系统的自由振动 自由振动的频率等于系统的固有频率 振幅大小决定于初始条件 初始位移和初始速度 系统的阻尼大 振幅衰减快 阻尼小 振幅衰减慢 阻尼系数 1称为临界阻尼 由自由振动确定固有频率和阻尼 系统有多个固有频率 从小到大 称为第1阶 第2阶等等 每个频率有一对应的振型和阻尼值 同一阶的固有频率 振型和阻尼值一起 称为模态 两自由度系统的模态举例 第二阶模态 第一阶模态 系统的自由振动为各阶自由振动的叠加 振动一般不再是简谐的 各阶自由振动所占成分的大小 决定于初始条件 各阶自由振动衰减的快慢 决定于该阶的阻尼 阻尼大 衰减快 阻尼小 衰减慢 在衰减过程中 各阶的振型保持不变 即节点位置不变 多自由度系统的自由振动 单自由度系统的强迫振动 振动的频率等于激励的频率 振幅大小与激励的大小成正比 激励频率接近固有频率时 发生共振现象 阻尼小 共振峰高 阻尼大 共振峰低 位相上说 振动落后于激励 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 单自由度系统的强迫振动 由强迫振动确定固有频率和阻尼 振动的频率等于外激励的频率 振型为各阶振型的叠加 各阶振型所占的比例 决定于外激励的频率和作用点位置 激励频率接近某阶固有频率时 该阶振型增大而占主导地位 是为该阶共振状态 共振峰大小决定于该阶阻尼值和激励的位置 作用在某阶节点上的激励力 不能激起该阶振动 多自由度系统的强迫振动 汽轮机 齿轮增速箱 压缩机 涡流传感器 速度传感器 加速度传感器 键相传感器 旋转机械振动测量框图 磁电速度传感器 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典型灵敏度 20mV mm s 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 输出阻抗低 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 压电加速度传感器 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 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 压电加速度传感器的典型结构 涡流位移传感器 不接触测量 特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移 有零频率响应 可测静态位移和轴承油膜厚度 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关 相移很小 接收形式 相对式变换形式 电涡流典型频率范围 0 20kHz典型线性范围 0 2mm典型灵敏度 8 0V mm 对象为钢 涡流位移传感器及前置器 涡流传感器的工作原理 输出电压u正比于间隙d且于测量对象的材质有关 轴承振动的测点布置 轴振动的测点布置 轴承振动与轴振动的比较 基频是转速频率 基频分量的幅值和转子的不平衡大小有关 基频分量的相位和不平衡在转子上的方位有直接对应关系 旋转机械振动的基频分量的幅值和相位的测量 键相与相位参考脉冲 在转子上布置键相标记K 在轴承座上布置键相传感器K 光电式或涡流式 其输出为相位参考脉冲 参考脉冲是测量相位的基准 参考脉冲也可用于测量转子的转速 K K 1转 t 参考脉冲 振动相位与转子转角的关系 从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位 振动相位与转子的转动角度一一对应 在平衡和故障诊断中有重要作用 振动信号 参考脉冲 波形图 Wave 时间域内的振动波形频谱图 Spectrum 组成振动的各谐波成分轴心轨迹 Orbit 转轴中心的振动轨迹 由水平和铅垂两方向波形合成 旋转机械的振动图示 定转速 波形图 频谱图及轴心轨迹 轴心轨迹的测定 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 轴心轨迹阵波德图与极坐标图 Bode PolarPlot 升 降 速时 基频幅值和相位的变化三维频谱图 Cascade 坎贝尔图 Campber 各转速下的频谱图的另一种表示轴心位置判定轴颈静态工作点和油膜厚度 旋转机械的振动图示 变转速 轴心轨迹阵图 汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵 波德图和极坐标图 波德图 BodePlot 和极坐标图 PolarPlot 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 三维频谱图是频谱的集合 本图的第三个坐标是转速 本图表明在升 降速过程中振动频谱的变化 第三坐标也可是时间 工艺参数等 三维频谱图 谱阵图 本图的第三个坐标是时间 日期 反映频谱的趋势 三维频谱图 谱阵图 坎贝尔 Campber 图 注 圆圈直径代表振动的大小 斜线代