状态监测与故障诊断技术第三章振动监测技术

1、第三章振动监测技术第一节机械振动基础一、引言在机械设备的状态监测和故障诊断技术中，振动监测是普遍采用的基本方法。当机械内部发生异常时，一般都会随之出现振动加大和工作性能的变化。因此，根据对机械振动信号的测量和分析，不用停机和解体方式，就可对机械的劣化程度和故障性质有所了解。另外，振动的理论和测量方法都比较成熟，且简单易行。机械振动：表示机械系统运动的位移、速度、加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过程。机械振动可分为确定性的振动和随机振动两大类，前者可用下列简单的数学解析式表示，即d=D(t)(3-1)式中d-振动位移，它是时间t的函数。随机振动不能用此式来描述，其振动波形呈不规

2、则的变化，可用概率统计的方法来描述。在机械设备的状态监测中，常遇到的振动多为周期振动、准周期振动、窄频带随机振动和宽频带随机振动等，以及其中几种的组合。读者可以通过图3-1了解各种振动的特征。二、简谐振动简谐振动是机械振动中最简单最基本的振动形式。图3-2所示由弹簧系数为K和质量为M所组成的质量弹簧系统。若拉下重锤，当自然长度达到D时放开，则重锤即作周期性的上下振动。此时如取时间d对时间t形成了可以用正t为横轴，则重锤在任何时间的位置便可用图中实线的正弦波表示。这样位移弦曲线表示的振动，这种简单的可用正弦表示的周期振动称为简谐振动，它表示为d=Dsin(2无/T*t+)(3-2)式中D-最大振

3、幅，又称峰值，2D称为双峰值，其单位为mngm（mm=10的-3立方mm;T-振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔，单位为秒（s）。振动周期的倒数称为振动频率，单位为赫兹（Hz）即f=1/T（Hz）（3-3）频率f又可用角频率来表示，即3=2天/T（rad/s）（3-4）3和f的关系为3=2无f（rad/s）（3-5）f=3/2无（Hz）将式（3-4）代入式（3-2）可得d=Dsin（3t+小）（3-6）此处令q=31+小（3-7）式中q-简谐和振动的相位，是时间t的函数，弧度（rad）;6-初始相位；3-角速度，rad/s。描述机械振动的三个基本要素即是上述的振幅、频率和相位。简谐振

4、动除可用式（3-2）位移表示外，同样可用相应的速度和加速度表示。简谐振动的速度v（cm/s）,加速度a（cm/s的平方）可由式（3-6）经过一、二次微分求得。V=dd/dt=D3cos(3t+<j)=Vsin(wt+无/2+<j)=Vcos(wt+<j)(3-8)即速度v为比位移d的相位超前M2的正弦波。a=dv/dt=-32Dsin（3t+<j）=Asin（wt+x+（j）（3-9）加速度a是比位移d的相位超前天的正弦波，在图3-2上表示出了三者的关系。由式3-8）、（3-9）和频率f可求得3-6）、表示：V=3D=2无fDA=32D=(2无f)2D为计算上和工程使用

5、上的方便，加速度A以重力加速度值(3-10)980cm/s的平方为单位，即以它的倍数G=A(cm/s2)/980(cm/s2)=A/980(3-11)因此，如位移D用gm表小，则速度和加速度可表不为V=2无fDX6.28fDX10-4(cm/s)(3-12)A=(2xf)2DX10-4(cm/s)或A=(2xf)2D/980X10-4=4.02f2DX10-6(G)(3-13)式（3-12）和式（3-13）在工程实用上是十分重要的，可根据位移D和频率f计算出速度V和加速度A,反之亦然。另外，在实用上为了节省计算时间，可作成如图3-3所示的振动换算表。利用此图表换算时，应注意以下两点：第一，用振

6、动计读取位移，多数振动计读取的是双峰值2D,因此使用时必须除以2换成单峰值才可以计算。第二，此图表的换算关系是对简谐和振动而言，因此，不是简谐振动不能使用。1 振动的幅值度 a(t)实测的机械振动信号X(t)，其振幅值如前所述有三种特征量，即位移d(t)，速度v(t)和加速幅值有三种表示法，即(1)峰值：Xp表示单峰值，Xp-p表示双峰值。振动信号大多以单峰值表示；Xp、Xav、Xrms三者之间的关系见图3-4对简谐振动d=Dsin( 3t+ <j)2 .振动的频率f频率是振动的重要特性之一。不同的零部件，不同故障源，可能产生不同频率的振动。因此，作为设备监测技术，振动的频率分析是其重要

7、内容之一。3 .相位q如图3-1所示，简谐振动的d与v、d与a之间的相位差分别为 无/2和无。对于两个振源，同位相同可使振幅叠加，产生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消，起到减振作用，因此，相位也是振动特征的重要信息。相位测量可用于：1 .谐波分析；2 .动平衡测定；3 .振型测量；4 .判断共振点等。三、周期振动若振动波形按周期T重复相同图形，也就是X(t)=X(t+nT)(n=0,1,2 )(3-16)成立时，称为周期振动，相对简谐振动而言，一般它是一个复杂的周期振动，是若干个简谐振动叠加合成的结果。在机械设备运行中，发生周期振动或准周期振动的情况很多。准周期振动虽然不完全是周a -

8、 LZ.l 工 (g卬(tl K廿二立修H初出偏用小再暮宸聚阖龙&IK忤"钟；等酸涓S13-5推波和包含二汽潜流的同电振动期振动，但由于包络线处理后能够使之人实质上变为周期振动，故称其为准周期振动。1分解周期振动为简揩振动图3-5所示为某简谐和振动及其二次谐波之和所形成的周期振动。图3-5(a)所示为周期振动X(t),它是由X1(t)和X2(t)两个简谐振动合成的结果，它们的初相位相等，如X1(t)=Xpsin2TtfotX2(t)=Xp/2xsin4Mot则周期振动为X(t)=X1(t)+X2(t)=Xpsin2无fot+Xp/2xsin4无fot这种由基波X1(t)和二次

9、谐波X2(t)叠加形成的周期振动，在发动机等往复运动机械振动监测中常可遇见到此形式的振动。图3-5(b)所示为基波X1(t)和初相位相差无/2的二次谐波X2(t)叠加的结果，其中X1(t)=Xpsin2TtfotX2(t)=Xp/2X(4无fot所以叠加的周期振动为X(t)=X1(t)+X2(t)=Xpsin2xfot+Xp/2Xsin(4无fxot-无/2)图3-5(a)和图3-5(b)初看时波形虽然很不同，但若将它分解为简谐振动，即进行频率分析时，则如图3-5(c)所示，两者在频率fo和2fo处均成为具有相同幅值的离散频谱。虽然这两个周期振动的频率成分相同，但因其相位不同，振动波形也不相同

10、。任意周期振动X(t)可以用傅里叶级数表示：X(t)=ao/2+a1cos2无fot+a2cos4无fot+a3cos6无fot+-+ancos2n无fot+b1sin2xfot+b2sin4xfot+b3sin6xfot+-+bnsin2nxfot式中ao、an、ab-傅里叶系数，可根据周期振动X(t)在周期T内积来确定。由此可知，将周期振动分解为简谐振动，也就是进行频率分析的计算。例一图3-6(a)所示振幅为D的三角波。三角波位移描述为将上式画成图谱，即得到如图3-6(b)所示的三角波振动的频谱。可以看出图3-6(a)的三角波3fo、5fo、7fo 振动中不存在余弦成分an,而正弦波中也只

11、有奇次谐波：例二图3-7表示了振动监测中经常出现的脉冲周期振动，图3-7(a)为脉冲波形，即为宽度Tc、周期To的矩形的脉冲波。图3-7(b)为其频谱，是个无限继续下去的离散频谱。此外，图3-7(c)为衰减振动De-at按周期循环出现的情况，图3-7(d)为其频谱。这种振动在轴承的振动监测与诊断中经常遇到。轴承的冲击振动，用包络线处理时出现类似的波形。2 准周期的振动在滚动轴承、齿轮装置和往复机械的振动监测中，经常遇到如图3-8(a)所表示的振动形式。这种周期脉冲振动，严格地说不是周期振动。在设备诊断中，多数情况下都希望知道周期脉冲的周期Ts，但频谱上反映不出对应的频率fs分量。对周期脉冲波形

12、进行绝对值处理，则波形带有周期性，出现了与冲击周期Tc相当的频率，如图3-8(b)所示，由于这也不是完全的周期信号，所以不像三角波和矩形波那样成为整齐的离散频谱。对这种绝对值处理后的信号再通过低通滤波器进行包络线处理，如图3-8(c)所示。这个信号大体具有周期信号性质，频谱图上fs、2fs、3fs处出现峰值分量。.图广9前个不同参教描述的假创谱第二节振动监测参数与标准一、监测参数及其选择对振动监测仪器最重要的要求之一，就是能够在足够宽的频率范围内测量包括所有主要分量在内的信号，其中包括那些与失衡、不同轴、滚珠及滚道损伤、齿轮啮合、叶片共振、轴承元件径向共振等有关的频率成这个频率范围一般为10-

13、1OO00HZ,甚至更高一些。往往在机器内部损伤还未影响到机器实际工作能力之前。高频分量就已包含了缺损的信息。仅仅当内部缺损已发展为较大时，才可从低频信息上反映出来，因此，为了预测机器是否损坏，高频信息是非常重要的。如前所述，机器的振动信号中包含了丰富的频率成分，各个振动分量的幅值是随频率而变的。因此要求测量仪器的有效动态范围在整个频率范围内都能容纳得下这些量级。一般监测振动的幅度动态范围在1000:1之内。我们知道，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。一般情况下，低频时的振动强度由位移值度量；中频时的振动强度由速度值度量；高频时的振动强度由加速度值度量。在实际测量中，可由所测

14、得的振动谱来确定应采用的"最佳参数"。图3-9是用两种振动量描述的同一部机器的同一工况下的谱。若从每个谱的底部画一条直线、就会发现谱峰的相对高度是一样的，二者均可用于机器状况的监测。但是，参数I给出了一个水平方向的谱，这样所需动态范围小，因此对这一实际测量来说，参数I被称为"最佳参数"。对参数I的谱，其动态范围工已包括了信号各分量的大小。而对参数口的情况来说，为了描述所有分量的变化，必须采用大得多的动态范围口。对大多数机器来说，最佳参数是速度，这是许多标准（如VD12056）采用该参数原因之一。但是另外一些标准（如VD12059标准）却采用相对位移参数进

15、行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的最多。这个标准主要用于失衡和不同轴故障的监测，这时略去了大部分高频小振幅的频率分量。相反地对于来自轴承滚动部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。二、振动量及其量级振动量的表示有绝对单位制与相对单位制。绝对单位制能够客观地评定振动的大小，一般用MKS制表示，即位移d的单位以m表示；速度v的单位以m/s表示；加速度a的单位以rn/s2表示。如前所述，工程上位移单位常以微米（gm）表示，速度单位以厘米/秒（cm/s）表示，加速度单位以重力加速度G(980cm/s2)来表示相对单位制用"级"来表示，级又分为算术级和几何级两

16、种形式。算术级又称为倍数级，用一倍，二倍。十倍、百倍等等表示。几何级又称为对数级，以分贝(dB)表示。机械设备的振动监测技术通常多采用分贝，使数量级大大缩小，同时使计算过程简化，使乘除关系变成加减运算。按IS0R1683标准规定：振动力级LF=20lg(F/F0),F0=10-6N;振动位移级Ld=201g(d/d0),d0=1012m；振动速度级Lv=20lg(v/v0),v0=10-5m/s；振动加速度级La=201g(a/a0),a0=106m/s2。三、机械设备振动标准衡量机械设备的振动，国际上通常采用IS0DR2372和IS0DR3945转速为600-12000rmin机械振动评定标

17、准。我国目前正在逐步制定有关行业的振动标准，其基本内容与ISO标准一致，现介绍如下：1 适用范围频率在10-1000HZ的机械振动。2 量标选用用振动强度vm来表示，即式中Nvk2vyNvz-x,y,z三个方向上测得的振动速度有效值(vrms)之和;Nx，Ny，Nz-三个方向上测点数目。3 测点选择评定机械设备振动能量的大小，仅仅测一点，往往是片面的，不能正确反映总体情况。只有对尺寸很小的设备，才允许只测一点，用三个方向振动来评定。对于外形尺寸较大的设备，一般应环绕机器外部，在一些有代表性的分散点，测量其相互垂直的三个方向上的振动量值。无论是柔性或刚性安装支承点，如机座、轴承座，一般都选为典型

18、测点。通常对于大型机械设备，则必须在机器的前中后、上下左右等部位上设点进行测量。在监测中还可按实际需要和经验增加特定测点。4 测量仪器所选用的仪器下限工作频率要低于10Hz,最好选用速度型测振仪，如用加速度型测振仪，则要配用电荷放大器和积分线路，以便获得速度量级。在发电、石化、冶金工业中，对大型机组的监测多采用位移型的监测系统。5 机械设备分类为了使各种各样精度不一的机械设备适用同一个标准，应把机器分档归类。各种振动标准分类方法略有差异，国际标准IS0分成六类：I类：小型机械，15kW以下的电机等；口类：中型机械，15-75kW电机等；W举；刚性安装的大型机械等。第三节设备的振动监测一、振动电

19、平值监测旋转机械振动电平值监测是测量机器上某些特定测点处的总振级大小。这是一种最简单最常用的方法，一般只需在机器某些特征点处安装传感器，利用简单的振动计定期巡回检测就行了。振平可用有效值或峰值。如前所述振动位移、速度或加速度均可作为振平监测的参数，具体选用什么参数，既要考虑机器振动的特点，还要看什么样参数能最好地反映状态和故障特征。在评定振动级值时，仅仅寻找振动高峰级值不一定可靠。因为对于机器来说，给定点的导纳之差可能达到1000:1,这样在某个频率f上的较大激励力分量，由于受到低导纳的影响，可能在振动谱该频率位置上看不到特别显著的高峰，如图3-10(a)所示"基准"或级值

20、基准向上增加6倍(16dB)应该给予重视。若增加100倍(40dB)应检修。机器状态最可靠的描述方法是通过振动量值的相对变化来表示，即用参考增加10倍(20dB),则意味着机器需要修理，这是ISO和有关标准的建议。如4000Hz以上的频率分量,图3-11为一般机械振动极限图。的振动容许限度。图中纵坐标是以毫米(它适用于振动不直接影响加工质量的机器，能用来判定这类机器mm)表示的峰-峰值的位移，横坐标的单位是每分钟周数(r/min),其中各斜线将图表分成振动严重程度不等的各级区域。这些等级是根据大量的统计数据划分的。表3-1各类典型机器的轴承振动判据(10HZ10kHz)。此表是摘自加拿大政府C

21、DA/MS/NVSH107"维护振动极限"。表3-1轴承振动测量值的判据(10Hz-10kHz)用于下列机器的总振动速度均方根值的允许值新机器旧机器(全速全功率)长寿命1(VdB.mm/s)短寿命2(VdB.mm/s)检查界限值3(VdB.mm/s)修理界限值4(VdB.mm/s)燃气轮机(>20000HP)1387.9145181451815032(6-20000HP)1282.5135101401014518(<=5000HR)1180.791303.21355.614010汽轮机(>20000HP)1251.8145181451815032(6-20

22、000HP)1201.01355.61451815032(<=5000HR)1150.561303.21401014518压气机(自由活塞)14010150321503215556(高压空气、空调)1334.5140101401014518（低压空气）（电冰箱）1231151.40.561351355.65.614014010101451451818柴油发电机组1231.4140101451815032离心机油分离器1231.4140101451815032齿轮箱(>10000HP)1201.0140101451815032(10-10000HP)1150.561355.61451

23、815032(<=10HP1100.321303.21401014510锅炉（辅助）1201.01303.21355.614010发电机组1201.01303.21355.614010泵(>5HP)1231.41355.61401014010(<=5HPP1180.791303.21355.614010风扇(<1800r/min)1201.01303.21355.014010(>1800r/min)1150.561303.21355.614010电机(>5HP或>1200r/min)1080.251251.81303.21201.0(<5HP或&

24、lt;1200r/min)1030.141251.81303.21201.0变流机(>1kVA)1030.14-1150.561201.0(<1kVA)1000.10-1100.321101.0二、转速振平图监测转速振平图监测主要用于升速和降速试验。在升速、降速或开停机过程中测量或记录振平值随轴速变化的曲线（即转速振平图），利用这些曲线判断机器的故障ffls-n开迪过程阂鞋遮见好国钱事图3T4用莉担分析汕谜行且期故障检观图3-12是一台50万kWt勺涡轮交流发电机在三次降速试验中所记录的转速振平图。传感器安装在主轴承架上，振动信号经放大后由磁带记录仪记录。图3-12(a)为正常的转速振平图。图3-12(c)是第三次降速试验的转速振平图，由该曲线可见，约在1500r/min处，转速振平图有一高峰，经诊断为邻近的低压转子出了毛病。实际上图3-12(b)已预示出故障的发展趋向。图3-13是离心式空气压缩。在升速试验中记录的各种转速振平图。图中纵坐标为振平(振速或位移的振幅值或有效值)，横坐标是转速，正比于升速时间t。图3-13(a)曲线表明，振平不随转速而变化，较大的振动可能是由其它设备引起的。图3-13(b)曲线表明，振平随开机或升机过程而改变，并且转速越低振平越小。一般这是由于转子动平衡不佳或轴承座与基础刚度太小