振动量测与频谱分析

Page1,振動量測分析與動平衡校正實務,Page2,課程內容,振動的現象振動訊號的基本構成頻譜分析原理與振動診斷振動量測基本設備實例分析動平衡校正技術,Page3,振動現象自人類使用機械以來，振動抑制問題一直是個重要課題。近年來由於量測儀器及振動知識的進步，振動抑制技術已經整合在機械設計中，而且也穫得很好的效果。因此瞭解機械振動的量測分析技術，將大大地助益於機械性能的改善。,Page4,振動從何處發生機械組件製造公差、組裝時的間隙、零組件間的摩擦及旋轉不平衡等，均是造成機械振動的原因。但有時也利用振動的特性來幫助我們工作。,Page5,振動的特性當一部機器用全部的能量來完成工作，理想上機器是完全不會產生振動。但事實是，機器運轉的循環力經由機械本身的傳遞而產生另一副產品振動。因此機器一部分的能量以振動的形式消散。機器振動時機械本身在平衡位置附近做來回運動，一秒鐘內完成來回運動的次數稱為頻率，以Hz為單位。來回運動的大小稱為“振幅”。,Page6,振動訊號的基本構成,振幅(振動大小)頻率(振動快慢)相位,Page7,振幅(振動大小)的表達方式有以下的振幅表達方式來代表振動的嚴重程度，峰至峰值(peak-to-peak)表示機器振動位移量大小。峰值(peak)表示機器瞬間承受衝擊的振動量大小。平均值(average)表示機器在某段時間內的振動量平均值。均方根值(RMS)最能表示機器在某段時間內所承受的振動能量，即振動的破壞能力。,Page8,振幅：1.均方根值(rootmeansquare,rms)2.峰值（0-peak)3.峰至峰值(peak-peak),Page9,均方根值與峰值定義,對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak，peak-peak值之間存在以下關係：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值,Page10,均方根值與峰值定義,對於非單頻訊號，上述關係並不成立,Page11,均方根值-能量觀點的計算法,面積總和（積分）,/T,t=T,X(t),X(t),2,t=T,Page12,均方根值與峰值關係,對於單頻的正弦訊號而言，RMS值與0-peak，peak-peak值之間存在以下關係：RMS值X2=0-peak值0-peak值X2=peak-peak值對於非單頻訊號，上述關係並不成立，但一般量測儀器大都以RMS來檢測振動值，並一律使用上述關係來求得0-peak或peak-peak值。（或稱為Equivalent0-peak,Equivalentpeak-peak),Page13,振動頻率,單位時間內的振動次數，稱為振動頻率由於每一種不同的現象會產生不同頻率的振動，所以頻率的分析成為進一步了解其物理現象的重要工具。,根據傅麗葉定理，每一種波型都可以分解成一系列正弦波的組合,Page14,振動頻率,Page15,振動頻率,利用FFT頻譜分析儀，將複雜的波形轉換成頻譜，以便進一步了解振動的構成原因,Page16,振動相位,振動相位是指振動訊號相對於某一參考訊號之間的角度而言。振動相位差是指兩種振動訊號之間的角度差。,0,振動訊號與光纖參考訊號落後90,Page17,振動相位,A，B兩組振動訊號相90的情況,Page18,何時需量相位?,一、高階振動診斷二、動平衡校正三、模態測試或ODS測試,Page19,振動相位應用實例,振動相位表達出彼此之間的相對運動關係,相位差接近180表示反向運動彼此之間可能有鬆動的情形，反之，其相位差應接近0,Page20,振動的量測單位振動的量測單位有三種，位移(displacement)，速度(velocity)，加速度(acceleration)。對於中、高頻振動信號的頻譜分析一般用速度與加速度作量測，較低頻的振動信號及機械元件的相對振動間隙則用位移作量測。*位移(D)常用表示法:P-P常用單位:mm,um,inch,mils*速度(V=dD/dt)常用表示法:0-P常用單位:mm/s,inch/s*加速度(A=dV/dt)常用表示法:RMS常用單位:m/s,g(g=9.81m/s),Page21,在簡易或精密診斷中，每次測點必須固定，振動計固定在回轉機械上必需要選在正確的位置，以愈接近軸承愈好，目的是在獲得軸承座最短路徑傳遞值，盡量避免結構部分所帶來的影響。,振動量測位置選擇,Page22,頻譜分析與振動診斷,FFT特性:將時域的訊號轉成頻域,Page23,DiscreteFourierTransform-DFT,在工程上的應用，傅利葉轉換成為離散傅利葉轉換DFT：*假設訊號為週期函數-傅利葉級數有限積分*使用數值積分式以便電腦運算,Page24,取樣與轉換,原則上將類比訊號數位化後，再用電腦程式進行FFT計算，就可以得到頻譜資料,Page25,非FFT頻譜技術平行濾波器,使訊號通過一組平行的帶通濾波器，然後檢測每組的均方根值大小，就可得到頻譜,Bandpassfilter1,Bandpassfilter2,Bandpassfilter3,Bandpassfilter4,RMSdetector,RMSdetector,RMSdetector,RMSdetector,Page26,非FFT頻譜技術掃頻濾波器,利用一個中心頻率可改變的帶通率波器，從低頻到高頻掃描，就可得到頻譜資料,TrackingFilter,RMSdetector,Page27,頻譜的種類,ConstantBandwidthSpectrum頻譜每條資料之間有固定的頻寬例如FFT頻譜ConstantPercentageBandwidthSpectrumCPBSpectrum頻譜每條資料之間有固定的頻寬百分比例如1/3Octave其他,Page28,ConstantBandwidthSpectrum,ff,量測頻寬f解析條數N,Page29,CPBSpectrum,fu/fl=constant,當fu/fl=2,稱為octave頻譜fc=(fuxfl)=2fl目前國際通用以1kHz作為倍頻中心頻率。這時為63Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1kHz，2kHz，4kHz，8kHz等,fc,fu,fl,Page30,AliasingEffectsofanImproperSamplingRate,ActualSignalFrequencyComponents,SignalFrequencyComponentsandAliases,ForSamplingRate=100Hz,預防方法:1.使取樣頻率量測頻寬之最高頻率的2倍(NyquistFrequency)以上2.在量測頻寬之最高頻率外再加上一個低通率波器(反假像濾波).,取樣與假象(aliasing),Page31,漏失(Leakage),解決方法:在時間週期裡加頻窗(Window),Page32,頻窗(Window),HanningWindowFlatTopWindowForceWindowExponentialWindow,常見的Window,Page33,常見訊號的頻譜圖,Page34,頻譜分析儀常見的基本設定,1.頻寬(Bandwidth)2.條數3.Window4.DisplayUnit(Rms,Peak)5.Log/LinearDisplay6.Trigger/FreeRun7.Sensitivity,頻率解析度f=頻寬/條數RecordTimet=1/f,Page35,振動診斷基本原則,Page36,1X,2X,3X,4X,動不平衡基本特徵:1倍頻的振動量很高,且振動量隨著轉速的增加而變大,從頻譜圖中其他倍頻都很小,甚至沒有引起的原因:組裝不良,材質不均勻,或零組件已經變形或磨損等,振動診斷基本原則,Page37,軸不對心基本特徵:軸的支撐面或連接面不面,1倍頻及/或2倍頻的振動量很高,且軸向振動特別大,軸向與徑向的振動相位差180度引起的原因:組裝不良,造成心軸Offset/AngularMisalignment,及軸承的不對心組件鬆動基本特徵:鬆動可能發生在大的結構件或旋轉件上,倍頻很高且很多倍頻出現,且量測不同方向(水平,垂直,軸向),振動量會不一樣引起的原因:結構件與所在承靠面鬆動或分離,軸承鬆動或間隙,連軸器鬆動滾動軸承(滾珠及滾柱軸承)問題基本特徵:其特徵頻率和轉速,軸承內外環直徑,軸承珠數及壓力角有關引起的原因:軸承的瑕疵,或組裝過程中撞傷,及有異物侵入滑動軸承(油膜軸承)問題基本特徵:1倍頻的振動量很高,且0.40.55倍頻會出現,2及3倍頻的振動量也很高引起的原因:油膜軸承的間隙不良或真圓度不好,或組裝過程中撞傷油膜軸承,潤滑不良,振動診斷基本原則,Page38,振動自然頻率當一個機械結構受到敲擊後，他會自然地振動起來，而且是以特定的頻率作振動，此振動自然頻率為機械結構固有的特性。,Page39,結構頻率響應函數分析利用敲擊鎚及加速規取得結構體之頻率響應函數以瞭解結構的振動特性。,Page40,振動量測的基本設備,1.傳感器(Transducer)將振動的現象轉換為電子訊號速度規(Velocitytransducer)壓電式加速度計(PiezoTypeAccelerometer)電容式加速度計(CapacityTypeAccelerometer)窩電流式位移計(EddyCurrentProximeter)電容式位移計(CapacityProximeter)2.振動計(VibrationMeter)3.頻譜分析儀(SignalAnalyzer),Page41,速度規(VelocityTransducer),最古老的振動傳感器之一目前尚在使用的應用：地震、動平衡機、電廠機械優點：容易製作、感度高、不需電源供應缺點：體積、重量大、頻寬響應不良（101kHz),Page42,壓電式加速度計,目前最廣為使用的一種傳感器壓電材料：極化過的陶瓷、石英，受應力作用時會有電荷輸出,Kistler剪力型加速規剖面圖,Page43,壓電式加速度計,兩種主要類型：電荷型：適合高溫用電壓型：適合一般用優點：頻寬高（約到25kHz左右）質量、體積小（1gm以下）價格合宜安裝容易缺點：低頻響應有先天上的限制,Page44,電容式加速度計,近幾年推出的新產品針對低頻（DC2kHz)與高感度的需求應用：地震、建築物微振、電梯、汽車,Page45,渦電流式位移計,廣為使用於各種油膜軸承量測範圍約10um1mm量測表面導磁性會影響感度,Page46,電容式位移計,精密位移量測用（解析度達nm級）不受量測表面導磁性影響,Page47,振動計(振動總量量測),可量測位移,速度及加速度振動量可以RMS,O-P,P-P表示具最大值保持功能(PeakHold)具Average功能可外接耳機,監聽異音,GT-3300Series,ISO2954,ISO10816),Page48,ISO10816-1:1995,註:1ClassI:小型機器(75kW，安裝在剛性和重型基礎上的大型機器，其第一個自然率高於機器轉速)ClassIV:渦輪機器(安裝在軟性基礎上的大型機器，其第一個自然頻率低於機器轉速。2.ZoneA:新機器。ZoneB:可長期運作之機器。ZoneC:僅可在改善措施執行前暫時運作。ZoneD:嚴重危機器。整理自ISO10816:1995,“總振動量”量測參考標準,Page49,分析儀,Page50,StructureDynamicsNoiseandVibrationRotatingMachineryAnalysisControlSystemDesignAudioSystemTestModalAnalysis,分析儀,SigLabDynamicSignalAnalysisSystem,Page51,DVDSpindleDynamicRunoutMeasure,CaseStudy1:DVDSpindle的振動問題診斷,Page52,CaseStudy1:DVDSpindle的振動問題診斷,Page53,CaseStudy2:DCFan的振動問題診斷,手感良品之風扇,Page54,去扣環之風扇頻譜,Page55,軸承受損之頻譜圖,Page56,彈簧華司被壓平,Page57,嚴重軸彎曲或不對心,嚴重軸彎曲或不對心,平衡補正,Page58,手感差之風扇#1,1X,8X,Page59,風扇#1做成的Cooler,1X,8X,Page60,風扇振動頻譜量測,Page61,風扇振動頻譜量測,GT-4130風扇振動檢測軟體,1.7個頻帶的限制條件,每個頻帶可設定起始頻率,終止頻率及振幅的上限值2.2個總量(頻帶可選擇)的限制.選擇起始頻率與終止頻率,將所選擇的頻率內的振動以dB的方式加總(Verf=1.0um/S2forISO1683),Page62,將手感數據化,建立判別原則,3555Hz振動頻譜4.5mG80250Hz振動頻譜ISO1940，即“BalanceQualityofRotatingRigidBodies”ISO1940建議依不同類型機械之轉子各有平衡等級G及對應不同轉速(RPM)下所允許的轉子質心最大偏心量eperG=eperxw(mm/s),Page71,平衡等級標準的設定ISO1940,BalancingG