第2章机械振动及信号

第二章机械振动及信号 主讲 王林鸿教授 博士机械与汽车工程学院 机械振动与信号 故障信号源 可用于测试与诊断的信息包括 温度 振动 声响 应力 应变 压力 流量 电压 电流 润滑油的物理化学参数等 在众多的诊断技术中 没有任何技术能比振动信号分析对机器设备状况提供更深刻的了解 本课程主要是依据振动与测量的诊断技术 机械振动基础是前续课程 本章仅作简单回顾 振动测量的内容 1 振动基本参数的测量 三要素 振幅 频率和相位 振幅三参数 位移 速度 加速度 2 结构和部件的动态特性测量 测量激振和响应 得到频响函数 或机械阻抗 以此确定被测体的固有频率 振型等动态参数 2 1机械振动基础 按振动规律分类 按动力学特征分类 按振动频率分类 图2 1按振动规律分类 1 按振动规律分类 这种分类 主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的 时域波形 信号类型与设备故障 完好设备 周期信号淹没在随机信号之中 故障设备 随机振动中的周期成分加强 振动诊断 就是从随机信号中提取周期成分的过程 2 按振动的动力学特征分类 1 自由振动 2 强迫振动 3 自激振动 1 自由振动与固有频率 自由振动得到固有特性 固有频率 临界阻尼 振动规律 无阻尼等幅振动 有阻尼指数衰减振动 阻尼比大小决定能否振动 2 强迫振动和共振 组成 稳态解 激励频率 持久 瞬态解 固有频率 迅速衰减全解 既含固有因素又含激励因素 图2 3强迫振动响应过程a 强迫振动b 衰减振动c 合成振动 强迫振动的通解 3 自激振动 在非线性机械系统内 由非振荡能量转变为振荡激励所产生的振动称为自激振动 自激振动也成为负阻尼振动 例子 钟摆 弦乐器 心脏的跳动 机床在切削时的高频振动 飞机机翼的颤振等物体产生自激振动时 很小的能量即可产生强烈的振动 风吹跨桥梁 故自激振动是一种比较危险的振动 1 阵发性 能引发自激振动的激励一般都是偶然因素引起的 没有一定规律可循 2 非线性 即系统存在非线性阻尼元件 如油膜的粘温特性 材料内摩擦 非线性刚度元件 柔性转子 结构松动等 才足以引发自激振动 使振动系统所具有的非周期能量转为系统振动能量 3 独立性 自激振动频率与转速不成比例 一般低于转子工作频率 与转子第一临界转速相符合 自激振动的特点 自由振动 强迫振动 自激振动各自的作用 对于结构件 因局部裂纹 紧固松动等原因导致结构件的特性参数发生改变的故障 多利用脉冲力所激励的自由振动来检测 测定构件的固有频率 阻尼系数等参数的变化 对于减速箱 电动机 低速旋转设备等机械故障 主要以强迫振动为特征 通过对强迫振动的频率成分 振幅变化等特征参数分析 来鉴别故障 对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备 除了需要监测强迫振动的特征参数外 还需监测自激振动的特征参数 3 按振动频率分类 频段划分的意义 在低频范围 主要测量的振幅是位移量 这是因为在低频范围造成破坏的主要因素是应力的强度 位移量是与应变 应力直接相关的参数 在中频范围 主要测量的振幅是速度量 这是因为振动部件的疲劳进程与振动速度成正比 振动能量与振动速度的平方成正比 在这个范围内 零件的疲劳破坏为主要表现 如点蚀 剥落等 在高频范围 主要测量的振幅是加速度 它表征振动部件所受冲击力的强度 冲击力的大小与冲击的频率与加速度值正相关 2 2振动信号的描述 构成一个确定性振动有3个基本要素 即振幅s 频率f 或 和相位 简谐振动可以用下面函数式表示 速度比位移的相位超前90 加速度比位移的相位超前180 比速度超前90 图2 4简谐振动的时域图像 设备状态信号的物理表现 附加能量损耗中包括的各种物理量构成设备的状态信息中的重要部分 用以传递力和运动的设备 如齿轮箱 轧钢机 切削 挤压设备等 附加能量损耗的初始形式也以力和运动表现出来 如振动 摩擦 附加能量损耗的二次形式是发热 由此将损耗的能量散发出去 用以传送和分配电能为主的设备 电压 电流 漏电流及温度等 液压设备 压力 流量等 能量装换设备 泵 风机 压缩机 电动机 内燃机 力 速度 振动 温度 另加压力 流量 电压 电流等 热工设备 温度场 到什么山上唱什么歌 故障诊断首先要分清故障设备所属类型 根据类型选取表征设备状态信息的那些物理量进行监测 作为诊断的依据 从多数类型设备来看 附加能量损耗