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机械振动标准及应用 第一讲机械设备振动监测诊断基础理论第二讲机械振动测试分析简介第三讲机械振动标准及应用 第一讲机械振动监测诊断基础理论 一 振动的基础理论二 常用监测诊断分析方法三 振动分析的过程 一 振动的基础理论机械振动是指物体围绕其平衡位置作往复交替的运动 惯性力阻尼力弹性力干扰力 机械振动的来源 机器零件的制造公差 组装时的间隙 零件间的摩擦 旋转不平衡等但有时也利用振动的特性来帮助我们工作 A机械振动的分类 B周期振动与简谐振动 周期振动一般可看作是多个简谐振动的叠加 简谐振动是机械振动中最基本 最简单的一种形式 其轨迹可以看作是一个作匀速圆周运动的质点在坐标轴上的投影 可用后面的数学式表示 X Xmsin 2 t T Xmsin 2 ft Xmsin t X 质点位移Xm 位移最大值 振幅 A T 周期 质点重复同一运行所需最短时间f 频率 单位时间同一状态出现次数 1 T 圆频率 2 f 初始相位角 园频率 rad s f 频率 Hz T 周期 s 振动的三个要素 幅值 频率 周期 相位 其中 2 ff 1 T 振动位移 速度和加速度振动位移对时间求一次 二次导数得到速度 加速度信号 位移 速度 加速度v Xmsin t 2 a 2Xmsin t 振动速度信号比位移超前90 幅值是位移信号 倍 振动加速度信号比振动速度超前90 幅值是速度信号 倍 常用单位 位移峰峰值微米速度有效值 均方根值 毫米 秒加速度峰值米 秒2 振动波形的峰值 峰 峰值 有效值和平均值峰值 Xpeak Xm峰 峰值 Xp p 2Xm 平均值 算术平均值 有效值 均方根值 正弦波形的有效值 速度有效值 均方根值 测试参数的选择原则 故障诊断为突出故障频率成分 对低频故障推荐采用位移信号分析 对高频故障推荐采用速度 加速度信号 测试参数的选择原则位移X与频率f无关 特别适合低频振动选用 速度V X 与频率f成正比 通常推荐选用 加速度A V X 2频率f2成正比 特别适合高频振动选用 2 f 二 状态监测常用分析方法简介幅值分析 振动总值 列度 变化趋势波形分析 峰值变化 周期性特点 频谱分析 振动能量的频率分布分析倒频谱分析波特图三维谱图 冲击频响 测物体自振频率传递函数 反应系统输入 输出信号之间的幅频系和相频关系 相干分析 用来确定输出信号有那些频率成分 多大程度来自输入信号 相位分析 设备各测点振动相位的比较 常见振动图形基本概念 不同的振动状态表示方式具有不同的特点 有些故障在某些图形上反映不明显 但在另外一些图形上却表现得比较突出 常用图形有 波形图 频谱图 瀑布图 级联图 趋势图 轴心轨迹图 轴中心位置图 奈奎斯特图等 振动波形 振动信号的时间历程表示出来 测量到振动幅值 频率 相位和波形变化 振动信号是否平稳 有没有毛刺 削波 调频 调幅 波动 不稳定等异常现象 在频谱图表现的不是很明显 摩擦故障时 很多毛刺或削波等 不平衡故障为标准正弦波 幅值分析 振动总值 列度 的分析判断与标准允许值比较与历史统计值比较与同类机组振动值比较振动值变化趋势的分析判断总量值的趋势频段值的趋势 振动频谱 通常情况振动信号包含很多简谐振动成分 当频率成分较多时 从振动波形中很难直接看出波形中包含的频率成分 作傅里叶变换求出频率 频谱图将这些频率成分和大小表示出来 不同振动故障所包含的振动频率成分并不相同 不平衡故障主要为与转速同频的工频成分 油膜振荡故障为与转子系统固有频率相对应的低频成分等 与转速相等频率成分定义为基频或工频 如1x 2x 3x 1 2x 频谱分析频谱分析是机械故障诊断中使用得最广泛的信号处理方法之一 大多数旋转机械一般都产生带有周期的振动信号 并不是都只含有单一频率成分的简谐运动 而是包含有多种的频率成分 这些频率成分往往直接与机器中各零部件的机械物理特性联系在一起 频域分析的基础是频率分析方法 利用傅里叶变换 将复杂的信号分解为简单信号的叠加 傅里叶变换 快速富里叶分析 FFT 原理 频谱分析示意 0 5x1x2x3x4x5x 升 降速波德图 以转速为横坐标 升降速过程中振幅和相位变化作为纵坐标得到的反映变速过程中振动变化情况的图形 转子系统在各种转速下的振幅和相位 转子系统的临界转速 转子系统的共振放大系数 A临 A工 3 8 转子振型 系统的阻尼大小 由这些数据可以获得有关转子的平衡状况和振动体刚度阻尼特性等动态参数 最大功能 判断系统临界转速 过临界时振幅最大 相位变化最明显 受系统阻尼影响 不同机组过临界相位变化幅度不同 多次启停过程中振动变化有没有异常 正常情况下 升 降速过程振动基本吻合 动静摩擦 转子热弯曲时 快速停机过临界振动比开机要大 波特图 转速与振幅 相位之间的关系 振型图 轴系上各点振动分布情况 指导动平衡工作 选取加重平面 确定加重方式 计算得出 研究实测方法 瀑布图 将不同时刻的频谱图叠加在一起 以时间作为坐标得到的三维图形 x轴振动频率 y轴时间 z轴振幅 根据瀑布图可以直观看到不同时刻的振动频谱 了解异常振动故障发生时频谱及幅值变化情况 可以判断机器临界转速 振动原因以及系统的阻尼等情况 由频谱分析仪或信号处理装置直接显示出来 短期趋势图 将振动幅值和相位随时间变化情况表示出来 可以对一段时间内的振动变化情况进行分析 判断机组是否稳定 有没有周期性等 长期趋势图 示例 三 振动分析的过程 问诊 监测 诊断 措施 问诊 了解设备背景 运行环境 可能引起振动的原因设备结构 传动链参数 如齿轮齿数 轴承型号 皮带轮直径等 设备的动态特性等信息 设备运行工况 过程参数 温度 压力 转速 负荷设备维修档案 监测 确定振动测试分析方案测试 转速 负荷 测点位置 测试参数 振动位移 速度 加速度 绝对振动 相对振动测试振动的方向 H V A 数据类型 幅值 频谱 波形 相位 信号检测类型 峰值 峰峰值 有效值 诊断 引起振动的原因和部位振动幅值趋势分析振动波形识别频谱分析 峰值能量谱分析频响特性与相干分析瞬时频率变化与相位分析 措施 给出结论继续运行 还能运行多久 维修 检查 部位 第二讲机械振动测试 一 振动传感器种类和选择二 振动传感器测量位置选择 一 振动传感器种类和选择 电涡流型 速度型 加速度型 电容型 电感型五类 后两者受周围介质影响较大 很少使用 前三种传感器优缺点 电涡流传感器 头部有扁平的感应线圈 高频电缆输出 感应线圈通上高频电流 1 2MHz 时 线圈周围产生高频电磁场 周围金属导体表面产生感应电流 即电涡流 根据楞次定律 电涡流产生的电磁场与感应线圈电磁场方向相反 这两个磁场叠加 改变了感应线圈的阻抗 感应线圈内阻抗变化可表示为 Z f r I 导磁系数 电导率r 线圈尺寸因子 感应线圈与导体之间的距离I 励磁电流 励磁电流圆频率 当金属导体结构均匀 各向同性且 r I 一定时 感应线圈阻抗变化是感应线圈与金属导体之间距离的单值函数 I 一定时 增大线圈尺寸r 磁场分布范围将增大 但磁场感应强度的变化幅度减少 反之则相反 这种传感器的线性范围随感应线圈直径增大而增加 而传感器灵敏度 单位间隙的阻抗变化值 随感应线圈直径增大而减少 信号经放大 检波 滤波后 可得到一个与 值成正比的输出电压 输出电压直流分量正比于感应线圈与金属导体的静态间隙 若线圈与金属板之间存在相对振动 则有交流电压输出 它正比于线圈与金属板之间的相对位移 前置器到电涡流传感器的高频电缆是由制造厂精心调配好的 不同型号或不同系列的传感器不能互换 而且不能延长或截短 最长达10米 电涡流传感器安装 工作温度 最高容许温度180 国产传感器大部分120 以下 实际工作温度超过70 灵敏度显著降低 还会损坏 必须安装在轴瓦内 特制高温传感器容许安装在汽封附近 避免交叉感应 两个传感器不能考得太近 交叉感应 传感器输出灵敏度降低 要求大于25 40mm 避免侧隙过小 头部两侧存在导体 侧隙较小 也使传感器输出灵敏度显著降低 不仅考虑冷态 而且还要考虑汽缸和转子受热后膨胀 侧隙 d 头部外露高度 2d 避免支架共振和松动 支架自振频率高于2 3倍工作频率 支架采用6 8mm厚扁钢 悬臂长度不超过100mm 传感器与支架的连接采用支架上攻丝再用锁母拼紧 传感器顶部与被测物体之间的静态间隙有要求 考虑工作转速下轴颈位置的变化 速度传感器 目前较常见的一种振动传感器 工作原理实际上是一个往复式永磁小发电机 支承不同 有相对式和绝对式两种 绝对式传感器外壳固定在振动物体上时 整个传感器跟着振动物体一起振动 而处在空气间隙内的动线圈是用很软的簧片固定在外壳上的 其自振频率很低 当振动体频率大于自振频率15倍时 动线圈处在相对 传感器外壳 静止状态 线圈与磁钢之间发生相对运动 线圈切割磁力线产生感应电势 E BLvB 磁场强度L 感应线圈导线长度v 相对运动速度B L一定时 输出电势E正比于振动速度v 所有称它为速度传感器 或绝对式传感器 或地震式传感器 相对式弹簧较硬 很少采用 若要取得与振动位移成正比的振动信号 传感器输出的信号必须经积分回路 一般在仪表内 也有单独分离出来 称为速度 位移转换器 VDC 速度传感器安装 方式 手扶 橡皮泥粘接 永磁吸盘固定 螺丝固定 工作温度 120 以下 过高损坏绝缘和退磁 灵敏度降低 避免传感器固定不稳和共振 测点位置前后一致 传感器的互换性 传感器安装方向与测量方向一致 加速度传感器 它利用石英 陶瓷等材料压电特性 当外力作用在这些材料上时产生电荷 这种装置固定在振动物体上 由于物体振动产生加速度 a 2A 4 2f2A 单幅值 根据牛顿定律F ma 施加在压电晶体片上的作用力与重质量和振动加速度成正比 而压电晶体片输出电荷与作用在晶体片上的力成正比 当m一定时 传感器输出电荷与振动加速度成正比 它不能作静态测量 只能动态测量 只有在受到连续交变力作用下 压电晶体才能连续不断产生电荷 在电路中形成电流 电压 输出信号通过较长导线输到振动仪 即使输入阻抗很高 也会显著降低传感器的灵敏度 必须先送到前置放大器 经过一次 二次积分获得振动速度 振动位移 但振动信号衰减98 以上 灵敏度不足 受外界干扰影响大 在汽轮发电机组上没有广泛应用 对于具有滚动轴承或齿轮部件的旋转机械来讲 由于需要获得故障振动加速度信号 加速度得到广泛应用 放大器 惯性质量 压电晶体 绝缘体 导电平面 绝缘体 预载螺钉 加速度传感器示意图 二 振动传感器测量位置选择 第三讲机械振动标准及应用 一 标准的作用与制定二 轴承振动和轴振动标准三 标准的使用和保护值的设定四 机械振动标准应用三示例 一 标准的作用与制定 1 振动标准的作用 检查考核机器的设计水平 制造质量 安装质量 检修质量保障机器安全运行 防止发生振动事故2 制定振动标准的基础 安全性 经济性标准制定主要靠经验和统计规律 振动标准分类 目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的 根据所使用传感器的种类分为 轴承振动评定 用接触式传感器 例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器 放置在轴承座上进行测量2 轴振动评定 用非接触式传感器 例如电涡流式传感器 测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度 即均方根值 它代表了振动能量的大小 来表示 二 轴承振动和轴振动标准 50MW以上 3000RPM汽轮机轴振动标准 P P 轴振动标准 P P 汽轮机 离心鼓风机和压缩机轴承振动标准 P P 三