内燃机振动测量教材

1、振动测量的实施振动测量的实施测试大纲的编制要点：测试大纲的编制要点：1、测试目的、测试目的2、测试项目、测试项目3、测试系统的组成、测试系统的组成4、测试设备、工具、工装、测试设备、工具、工装5、工况、工况、测点布置及传感器安装位置测点布置及传感器安装位置6、测试试验步骤、测试试验步骤7、注意事项及应急措施、注意事项及应急措施 8、测试内容及相关记录表、测试内容及相关记录表一、测试目的对测试大纲的影响一、测试目的对测试大纲的影响 测试目的不同，振动测量时的测试参数、测试目的不同，振动测量时的测试参数、测试系统、测点布置、测试工况等随之改变。测试系统、测点布置、测试工况等随之改变。 （1）对结构

2、强度、振型分析，多点测量振动对结构强度、振型分析，多点测量振动位移。位移。（2）研究振动系统的阻尼时，测量振动）研究振动系统的阻尼时，测量振动速度。速度。（3）研究振动与力的关系时，测量振动）研究振动与力的关系时，测量振动加速度。加速度。（4）研究振动特性及原因时，应进行频）研究振动特性及原因时，应进行频谱分析。谱分析。（5）研究系统共振时，应测量振动系统）研究系统共振时，应测量振动系统的固有频率。的固有频率。2号电机在2400r/min的各测点振动时域曲线及频谱图（6、7通道分别对应后盖、前盖的振动） 研究振动特性及原因时，应进行频谱分析研究振动特性及原因时，应进行频谱分析起动电机外壳上所测

3、得的振动时域信号及其对应频谱（力锤激振） 起动电机外壳振动与台面振动间的传递性函数曲线 研究系统共振研究系统共振时，应测量振时，应测量振动系统的固有动系统的固有频率频率二、测试系统的选择二、测试系统的选择1、传感器的选择传感器的选择 根据结合测试目的确定的振动参数（位根据结合测试目的确定的振动参数（位移、速度、加速度），最好选取与之相应的传移、速度、加速度），最好选取与之相应的传感器。以避免积分和求导带来的误差。感器。以避免积分和求导带来的误差。 还应注意传感器在其他方面满足测试要求：还应注意传感器在其他方面满足测试要求： 精度；精度； 量程；量程； 频率范围；频率范围； 质量、外形尺寸等。质

4、量、外形尺寸等。2、测振放大器的选择、测振放大器的选择 基本要求：基本要求： 输入端应与传感器在精度、量程、频率范围等方面输入端应与传感器在精度、量程、频率范围等方面匹配；输出端特性须满足记录、分析设备的要求。匹配；输出端特性须满足记录、分析设备的要求。 3、记录设备的选择、记录设备的选择 为长期保存和深入分析振动信号，应对振动信为长期保存和深入分析振动信号，应对振动信号进行记录。号进行记录。 传统的记录设备是磁带记录仪，现已逐步淘汰；传统的记录设备是磁带记录仪，现已逐步淘汰； 目前一般通过对信号进行目前一般通过对信号进行A/D转换后存入计算机。转换后存入计算机。4、分析设备的选择分析设备的选

5、择 传统的分析设备为测振仪、频谱分析仪等；传统的分析设备为测振仪、频谱分析仪等； 目前大多采用由计算机和采集分析软件组成目前大多采用由计算机和采集分析软件组成的虚拟仪器。的虚拟仪器。三、测振工况和测点的选择三、测振工况和测点的选择根据测试目的确定：根据测试目的确定： 作振动评价（级）时，按相关标准执行；作振动评价（级）时，按相关标准执行； 对振型分析时，应选共振工况点，测点布置在对振型分析时，应选共振工况点，测点布置在相对振幅较大处；相对振幅较大处； 研究系统共振的固有频率和阻尼时，应使设备研究系统共振的固有频率和阻尼时，应使设备转速从系统共振的亚共振区到过共振区过渡。转速从系统共振的亚共振区

6、到过共振区过渡。内燃机振动测量内燃机振动测量内燃机振动测量的必要性：内燃机振动测量的必要性：(1) 以内燃机作为原动力的机械设备，内燃机是以内燃机作为原动力的机械设备，内燃机是主要振动源。主要振动源。(2) 随着内燃机向高速、轻型、大功率方向发展，随着内燃机向高速、轻型、大功率方向发展，其振动问题更加突出。其振动问题更加突出。(3) 对振动控制的要求，日趋严格。对振动控制的要求，日趋严格。 因此，必须对内燃机振动问题给予更多因此，必须对内燃机振动问题给予更多的关注，内燃机振动测量作为研究内燃机振动的关注，内燃机振动测量作为研究内燃机振动分析的主要手段，必须熟悉和掌握。分析的主要手段，必须熟悉和

7、掌握。 产生振动需要两个必要条件，即产生振动需要两个必要条件，即激振力激振力作用在作用在弹性体弹性体上。上。 内燃机是由两大机构和四（五）大系统内燃机是由两大机构和四（五）大系统组成的组成的弹性系统弹性系统，具有形态复杂、频率密集，具有形态复杂、频率密集的振型。的振型。内燃机振动的激振源：内燃机振动的激振源：(1) 在气缸内反复压缩、燃烧、膨胀所产生在气缸内反复压缩、燃烧、膨胀所产生的气体力。的气体力。(2) 曲柄连杆机构的不平衡惯性力和惯性力曲柄连杆机构的不平衡惯性力和惯性力矩。矩。(3) 作用在各摩擦副之间的作用力。作用在各摩擦副之间的作用力。(4) 其它机构和系统的作用力。其它机构和系统

8、的作用力。(5) 其它设备或部件对内燃机的作用力。其它设备或部件对内燃机的作用力。 内燃机是由两大机构和内燃机是由两大机构和四（五）大系统组成的四（五）大系统组成的弹性系统，具有形态复弹性系统，具有形态复杂、固有频率密集的振杂、固有频率密集的振型。型。 内燃机的激振源包括气体内燃机的激振源包括气体力、不平衡惯性力和惯性力、不平衡惯性力和惯性力矩、各摩擦副之间的作力矩、各摩擦副之间的作用力、其它机构和系统的用力、其它机构和系统的作用力等，具有频带宽、作用力等，具有频带宽、方向多的特点。方向多的特点。 内燃机振动具有多振源、宽频带、形态复杂的特点，主要分为如下几类： 1 1整机振动整机振动 2轴系

9、扭转振动 3结构振动 4部件振动 1整机振动整机振动 设内燃机为刚体，所作的六自由度刚体振动。六自由设内燃机为刚体，所作的六自由度刚体振动。六自由度振动分别为沿度振动分别为沿x、y、z三个方向的直线振动和绕三个轴三个方向的直线振动和绕三个轴的角振动。其激振力为曲柄连杆机构的不平衡惯性力和惯的角振动。其激振力为曲柄连杆机构的不平衡惯性力和惯性力矩，以及由往复惯性力和气体力引起的倾倒力矩。性力矩，以及由往复惯性力和气体力引起的倾倒力矩。 内燃机整机振动会影响环境的舒适性、降低内燃机的工作可靠性和使用寿命、甚至造成各种连接件和内燃机本身的迅速损坏。内燃机整机振动会影响环境的舒适性、降低内燃机的工作可

10、靠性和使用寿命、甚至造成各种连接件和内燃机本身的迅速损坏。内燃机整机振动位移曲线及频谱内燃机整机振动位移曲线及频谱2轴系扭转振动轴系扭转振动 曲轴、凸轮轴、传动轴等组成的轴系所作的各惯曲轴、凸轮轴、传动轴等组成的轴系所作的各惯量幅值、相位有差别的角振动。量幅值、相位有差别的角振动。其激振力矩主要为内其激振力矩主要为内燃机各缸气体力和往复惯性力引起的曲轴切向力矩。燃机各缸气体力和往复惯性力引起的曲轴切向力矩。 扭转振动会破坏各缸工作的相位关系、恶化内燃扭转振动会破坏各缸工作的相位关系、恶化内燃机的平衡性能、严重的扭转振动还会引起轴段的断裂。机的平衡性能、严重的扭转振动还会引起轴段的断裂。某柴油机

11、曲轴输出端原始瞬时转速曲线某柴油机曲轴输出端原始瞬时转速曲线 3结构振动结构振动 结构振动是指具有弹性的内燃机结构部件，在各种激振力作用下所激起的多种形式的弹性振动。 结构振动一般频率较高，会诱发噪声，影响环境的舒适性。-1.00E+00-5.00E-010.00E+005.00E-011.00E+001600采样点数V(mm/s)某柴油机机体结构振动速度曲线某柴油机机体结构振动速度曲线 内燃机整机振动强度是内燃机内燃机整机振动强度是内燃机总体振动品质的反映，它包含内燃总体振动品质的反映，它包含内燃机设计性能、制造水平、机器工作机设计性能、制造水平、机器工作状况等丰富信息。一般所说的内燃状况等

12、丰富信息。一般所说的内燃机振动就是指内燃机整机振动。机振动就是指内燃机整机振动。 内燃机整机振动测量内燃机整机振动测量 本节分三部分讲述一、内燃机整机振动基本概念一、内燃机整机振动基本概念二、当量振动烈度及其评级二、当量振动烈度及其评级三、当量振动烈度的工程测量三、当量振动烈度的工程测量 一、内燃机整机振动基本概念一、内燃机整机振动基本概念 1 1、内燃机整机振动的定义：内燃机整机振动的定义： 设内燃机为刚体，所作的六自由度刚体振动。六自由度振动分别为沿x、y、z三个方向的直线振动和绕三个轴的角振动。 2、内燃机整机振动的激振源、内燃机整机振动的激振源 对单缸机：对单缸机：（1）曲柄连杆机构的

13、离心惯性力；）曲柄连杆机构的离心惯性力；（2）曲柄连杆机构的往复惯性力；）曲柄连杆机构的往复惯性力；（3）倾倒力矩。）倾倒力矩。 对多缸机：对多缸机：（1）曲柄连杆机构的离心惯性力和惯性力矩；）曲柄连杆机构的离心惯性力和惯性力矩；（2）曲柄连杆机构的往复惯性力和惯性力矩；）曲柄连杆机构的往复惯性力和惯性力矩；（3）倾倒力矩。）倾倒力矩。 另外，另外，其它设备或部件对内燃机的作用力。其它设备或部件对内燃机的作用力。3、内燃机整机振动的危害、内燃机整机振动的危害 （1 1）影响环境的舒适性。）影响环境的舒适性。（2 2）降低内燃机的工作可靠性和使用寿命。）降低内燃机的工作可靠性和使用寿命。（3 3

14、）甚至造成各种连接件和内燃机本身的迅速损坏。）甚至造成各种连接件和内燃机本身的迅速损坏。 整机振动导致设备损害的实例（某内燃机车）整机振动导致设备损害的实例（某内燃机车）安装架产生裂纹（电机底座附近）安装架产生裂纹（电机底座附近） 盖斯林格弹性连轴节簧片基本全部断裂盖斯林格弹性连轴节簧片基本全部断裂 柴油机曲轴断裂柴油机曲轴断裂 整机振动测量随目的和分析深度的不同，整机振动测量随目的和分析深度的不同，分为两个层次：分为两个层次：（1）采用当量振动烈度对内燃机整机振）采用当量振动烈度对内燃机整机振动状况进行评价。动状况进行评价。（2）如有必要，分析振动的频率、方向、振）如有必要，分析振动的频率、

15、方向、振型等特性，确定影响内燃机整机振动的主要因型等特性，确定影响内燃机整机振动的主要因素，提出改进措施。素，提出改进措施。二、当量振动烈度及其评级二、当量振动烈度及其评级 我国及国际标准我国及国际标准ISO都采用当量振动都采用当量振动烈度作为评价内燃机整机振动强度的参烈度作为评价内燃机整机振动强度的参数。数。1、当量振动烈度定义：、当量振动烈度定义： 在相互垂直的三个方向上，测量内在相互垂直的三个方向上，测量内燃机多个测点振动速度均方根值，三个燃机多个测点振动速度均方根值，三个方向速度均方根值平均值的向量和，便方向速度均方根值平均值的向量和，便是该设备的当量振动烈度是该设备的当量振动烈度Vs

16、。 即即 式中式中 Vx、Vy、Vz分别为分别为x、y、z三个方向上各三个方向上各规定测点振动速度均方根值，规定测点振动速度均方根值，mm/s； Nx、Ny、Nz分别为分别为x、y、z三个方向上的三个方向上的测点数。测点数。 222zzyyxxsNVNVNVV2、速度均方根值的定义、速度均方根值的定义 TdttvTV02)(13、振动速度均方根值获得、振动速度均方根值获得方法一：利用测振方法一：利用测振仪直接读取仪直接读取r.m.s值值。 方法二：利用计算机测量系统方法二：利用计算机测量系统采样，并按下式计算。采样，并按下式计算。 niivnV12)(14 4、整机振动评级、整机振动评级 综合

17、考虑整机综合考虑整机振动对设备工作性振动对设备工作性能、工作可靠性、能、工作可靠性、环境污染程度和人环境污染程度和人的主观感觉等因素，的主观感觉等因素，对特定机械设备可对特定机械设备可进行振动烈度分级。进行振动烈度分级。振动烈度评级表可振动烈度评级表可查相关标准。查相关标准。 振动烈度级振动烈度级mm/s分贝分贝dB机器和设备分类机器和设备分类0.28-0.4593AAAAA0.45-0.71970.71-1.121011.12-1.80105B1.80-2.80109B2.80-4.50113CB4.50-7.10117CB7.10-11.2121DCB11.2-18.0125DC18.0-

18、28.0129DC28.0-45.0133D45.0-71.0137D71.0-112.0141三、当量振动烈度的工程测量三、当量振动烈度的工程测量 SDD1A型内燃机车型内燃机车 当量振动烈度工程测量的基本步骤：当量振动烈度工程测量的基本步骤： 1、准备测试大纲、准备测试大纲; 2、准备测试设备并确定测试参数、准备测试设备并确定测试参数;3、组织试验并对当量振动烈度、组织试验并对当量振动烈度测量测量 结果进行评级。结果进行评级。 1、准备测试大纲、准备测试大纲 根据相关标准和工厂实际情况，编制测根据相关标准和工厂实际情况，编制测试大纲，要点是确定试大纲，要点是确定试验工况和测点位置试验工况和

19、测点位置。 对于该对于该SDD1ASDD1A型内燃机车型内燃机车柴油机柴油机，试验工试验工况和测点位置况和测点位置分别为：分别为：（一）试验工况（一）试验工况 机车定置，柴油机用自负荷加载（电阻制机车定置，柴油机用自负荷加载（电阻制动），按柴油机转速动），按柴油机转速600600、900900、12001200、13601360、15501550、1800r/min1800r/min分别测试。分别测试。 （二）测点布置（二）测点布置 测点布置见测点布置见机车厂编制的机车厂编制的“SDD1ASDD1A型型内燃机车振动测试大纲内燃机车振动测试大纲”中的测点布置图中的测点布置图。柴油机柴油机当量振动

20、烈度测量的当量振动烈度测量的测点布置测点布置示意图。示意图。测点的选择原则：测点的选择原则：（1）测点分布考虑内燃机的整体状况；）测点分布考虑内燃机的整体状况； GB7164-87“中小功率柴油机振动测量中小功率柴油机振动测量方法方法”规定：规定：“至少应取至少应取5个测点，上部两个测点，上部两点接近机体中间，另外三点取在三个支承点接近机体中间，另外三点取在三个支承位置。位置。”（2）测点应选在坚实的机体上或有重要意义）测点应选在坚实的机体上或有重要意义的结构点上，如轴承座、隔振器座等，以的结构点上，如轴承座、隔振器座等，以消除局部振动的影响。消除局部振动的影响。 对于该对于该SDD1ASDD

21、1A型内燃机车型内燃机车柴油机柴油机，测试设备和测试，测试设备和测试参数参数分别为：分别为：（一）（一）测试设备测试设备 三向振动传感器（三向振动传感器（B&K4321B&K4321压电式加速度传感器）压电式加速度传感器）； 电荷放大器（电荷放大器（B&K2635B&K2635）； 数据采集分析系统（包括便携式工控机、数据采集数据采集分析系统（包括便携式工控机、数据采集 卡和测量分析软件）。卡和测量分析软件）。 2、准备测试设备并确定测试参数、准备测试设备并确定测试参数 根据被测内燃机特点和工厂实际情况，根据被测内燃机特点和工厂实际情况，准备测试设备并确定测试参数准备测试设备并确定测试参数 。

22、（二）测试参数（二）测试参数频率范围：频率范围：1-1000Hz1-1000Hz采样频率：采样频率：10000Hz10000Hz采样时间：采样时间：6s6s3 3、组织试验并对振动烈度、组织试验并对振动烈度测量测量结果进行评级。结果进行评级。附附表表5 柴油机柴油机振动烈度及评级振动烈度及评级XXNVYYNVZZNV柴柴油油机机转转速速r/min测测点点位位置置振动速度均方根值振动速度均方根值（mm/s）振动速度均方振动速度均方根值的根值的平均值平均值（mm/s）当当量量振振动动烈烈度度mm/s振振动动等等级级VXVYVZ 600C13.692.603.183.553.13.355.78AC2

23、3.152.582.93C33.663.523.03C43.693.684.27内燃机轴系的扭振测量 扭振基本概念：扭振基本概念： 振动分为直线振动和角振动；振动分为直线振动和角振动； 角振动分为滚振和扭振。角振动分为滚振和扭振。 滚振：各部件作为刚体一起作角振动。滚振：各部件作为刚体一起作角振动。 扭振：各部件角振动幅值和相位不同。扭振：各部件角振动幅值和相位不同。 扭振分为无阻尼自由、有阻尼自由、有阻扭振分为无阻尼自由、有阻尼自由、有阻尼强迫。尼强迫。 共振：作用在曲轴上的激振力频率共振：作用在曲轴上的激振力频率 =曲曲轴扭振的某一固有频率轴扭振的某一固有频率P。 扭振的研究方法：扭振计算

24、，扭振测量。扭振的研究方法：扭振计算，扭振测量。扭振测量技术的发展与存在的问题扭振测量技术的发展与存在的问题传统仪器：传统仪器：惯性式扭振仪智能仪器：智能仪器：非接触式电子扭振仪 虚拟仪器：虚拟仪器：1. A/D高频计数法高频计数法PC仪仪2. 信号调理法信号调理法PC仪仪(a) 采样频率采样频率需达到数需达到数MHz；(b) 受受数据存储量数据存储量限制，采样时限制，采样时间极短。间极短。(a) 无法与其他采样信号无法与其他采样信号同步测量同步测量，对比分析；，对比分析；(b) 信号调理卡会信号调理卡会额外占额外占用用计算机插槽；计算机插槽；(c) 采用采用专用的计算机插专用的计算机插卡卡，

25、设计、制造、调试，设计、制造、调试成本高，使用维修不便。成本高，使用维修不便。(d)采样采样数据存储量数据存储量受限，受限，计数频率计数频率要求高。要求高。常用扭振测量虚拟仪器工作原理 目前最先进的扭转振动测量虚拟仪器由传感器目前最先进的扭转振动测量虚拟仪器由传感器部分、信号调理（采集）卡和软件包部分、信号调理（采集）卡和软件包3个基本部分组个基本部分组成。仪器的核心部分为插入计算机中的专用信号调成。仪器的核心部分为插入计算机中的专用信号调理卡，其参数设计决定了扭转振动的测量精度理卡，其参数设计决定了扭转振动的测量精度。 目前扭转振动测量的传感器一般采用非接触式目前扭转振动测量的传感器一般采用

26、非接触式传感器，最常用的是磁电式传感器。传感器交装在传感器，最常用的是磁电式传感器。传感器交装在轴系上测量齿盘旁，其作用是将轴系的转速变化转轴系上测量齿盘旁，其作用是将轴系的转速变化转变成电信号周期的变化，每转过一个齿，传感器输变成电信号周期的变化，每转过一个齿，传感器输出的电压信号就变化一次输出一个电压脉冲信号。出的电压信号就变化一次输出一个电压脉冲信号。 扭转振动可以用角位移、角速扭转振动可以用角位移、角速度度(常称为瞬时转速常称为瞬时转速)和角加速和角加速度描述。求出度描述。求出ti后，可计算出后，可计算出瞬时转速。瞬时转速。 iit0信号调理法信号调理法ti的计算的计算mtiA/D高频

27、计数法高频计数法ti的计算的计算ssifmtmt针对角振针对角振动信号测动信号测量的关键量的关键技术难点技术难点按照软件加通按照软件加通用硬件替代专用硬件替代专用仪器的虚拟用仪器的虚拟仪器设计思想仪器设计思想 以数值计以数值计算和误差算和误差分析理论分析理论为基础为基础A/D采样拟合法及其改进算法采样拟合法及其改进算法优点：优点： 延长采样时间减少硬件、降低成本提高通用性实现与其他信号的同步测量mjjmmjmmjmjmjjjmjmjjjjmjmjjxtxBxBxBxBxtxBxBxBxBtxBxBxBB221101322102210mmxBxBxBBt2210A/D采样拟合法基本原理采样拟合法

28、基本原理 将各点数据代入以上方程组，可解得B0，B1，B2，Bm，并求得拟合曲线公式。将x= V0代入经验公式，即可求出第i个脉冲信号基准电平处的时刻ti；同理，也可求出第i+1个脉冲信号基准电平处的时刻ti+1。由ti和 ti+1可求得两个脉冲信号基准电平处的时间差ti iiittt1A/D采样拟合采样拟合法实验研究法实验研究 精度分析：精度分析：采样频率与采样频率与角振动测量角振动测量精度的关系精度的关系实用性验证：实用性验证：1.曲轴角振动测量曲轴角振动测量2.停缸号诊断停缸号诊断为验证为验证A/D采样拟合法的测量准确采样拟合法的测量准确性和实用性，进行了大量实验研究性和实用性，进行了大

29、量实验研究00.020.040.060.080.10.120.140250500750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500f(KHz)()syn0.513采样频率与角振动测量精度的关系采样频率与角振动测量精度的关系结论：结论：内燃机轴系采用A/D采样拟合法进行曲轴角振动测量时，采样频率数百 KHz即可达到数MHz的测量精度，完全满足工程上对精度的要求。A/D采样拟合法 信号调理法两种方法测得的角振动位移曲线及其频谱图两种方法测得的角振动位移曲线及其频谱图 结论：从内燃机曲轴角振动工程测从内燃机曲轴角振动工程测量的角度，量的角度， A/D采样拟合法和信号调采样拟合法和信号调理法两种方法的测量结果一致。理法两种方法的测量结果一致