第七章振动课件

在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。

振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。第二节单自由度系统的受迫振动

为了理解并正确选用测振、激振仪器的工作原理，有必要回顾单自由度系统的受迫振动的原理。根据周期信号的分解和线性系统叠加性，有理由认为正弦激励对振动系统是一种最基本的激励，弄清楚振动系统对正弦激励的响应，也就容易理解一般激励的作用了。所指的正弦激励可以是力也可以是位移。下面分析单自由度振动系统在两类激励下的响应。一、质量块受力所引起的受迫振动ZZZZ峰值二、由基础运动所引起的受迫振动在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。设基础的绝对位移为z1，质量块m的绝对位移为z0，则如图惯性式拾振器的力学模型所示。质量块m的运动方程为：M(1)、如果考察质量M的绝对振动：9种(2)、如果考察质量M对基础的相对振动：9种例1由幅频特性可见，当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）与基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。例2同例1第三节振动的激励

一、稳态正弦激振稳态正弦激振是最普遍的激振方法。它是对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，并测定振动响应与正弦力的幅值比与相位差。为测得整个频率范围的频率响应，必须改变激振力的频率，这一过程称为扫频或扫描。值得注意的是必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证结构处于稳态振动之中，对于小阻尼系统，尤其应该注意这一点。二、

随机激励

随机激励一般用伪随机信号发生器作为信号源，是一种宽带激振的方法。它使被测对象在一定频率范围内产生伪随机振动。与谱分析仪相配合，获得被测对象的频率响应。

三、瞬态激振

瞬态激振也属于宽带激振法。目前常用的方法有：（一）、快速正弦扫描激振这种方式由于仪器设备的进展应用越来越广。激振信号频率在扫描周期T中呈线性地增大，但是幅值保持不变。激振函数为：…2TT3T激振力函数为：(二）、脉冲激振（1）、锤头垫愈硬可以更换，其材料有钢、铜、铝、尼龙、橡胶。硬的，τ小，则激振力的频率范围大。使用适当的锤头垫材料可以得到所要求的频带宽度。（2）、改变配重的质量和敲击加速度，可调节激振力的大小。（3）、内置压电力传感器(三）、阶跃激振在拟定的激振点，用一根刚度大、重量轻的弦经过力传感器对待测结构施加张力，使之产生弹性变形。然后突然切断弦，这就相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。阶跃激振也属于宽带激振。前面曾经指出，理想阶跃响应的导数即为脉冲响应。在建筑结构的振动测试中，这种激振方法用得相当普遍。载荷第四节、激振器激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。一般激振器应当能够在要求的频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力，某些情况下还需施加稳定力。稳定力能使结构受到一定的预加载荷，以便消除间隙或模拟某种稳定力(如切削力的不变成分)。为了减小激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。信号发生器功率放大器激振器一、电动式激振器1、组成：弹簧、壳体、磁钢、顶杆、磁极板、铁芯和驱动线圈等元件组成m被激试件NS2、模型：m—连接杆、连接骨架线圈、顶杆m被激试件NSK壳体和基础的连接：（1）刚性，（2）弹性激振器m0基础要求激振力的频率远离f0，否则激振器发生共振，消耗能量因此（1）、高频激振时：激振器试件激振器试件垂直激振水平激振（2）、低频激振时：激振器试件激振器试件基础水平激振垂直激振（3）、激振力要实测：激振器试件基础测力环阻抗头（4）、属于接触激振，有附加质量的影响。二、电磁激振器电磁激振器的优点是进行非接触激振，对试件无附加质量影响。此外，它的激振力大，工作频率范围宽，适用于对机床现场激振。缺点是波形失真大、振幅小。

电磁激振器直接利用电磁铁的磁力作为激振力。它有两部分，不动部分为U型或E型电磁铁，在磁铁上绕有直流和交流线圈，可动部分为导磁的试件。激振器工作时，电磁铁与试件组成闭合的磁回路，气隙中的交变磁场使试件承受交变的电磁力，从而激起试件振动。1、组成：铁心、励磁线圈、测力线圈—实测激振力。位移传感器—实测试件和激振器之间的相对位移。2、原理：波形失真、幅值很小非线性系统，不具有频率保持性静态力激振力高频误差静态力激振力加直流的作用第五节、振动测量方法及测振传感器振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：电测法、机械法和光学法。

名称原理优缺点电测法将被测振动量转化成电量，然后用电量测试仪进行测量。灵敏度高，频率范围、动态范围、线性范围宽。易受电磁干扰。目前应用广泛。机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来。抗干扰，频率范围、动态范围、线性范围窄，有负载效应。适合低频大振幅测量。光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光干涉原理等进行测量。抗干扰，精度高，非接触测量。多用于精密测量，传感器和测振仪的校准、定度。目前广泛使用的是电测法。本节主要讨论电测法的拾振器(即测振用的传感器)。按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为两类:接触式与非接触式。电容传感器、涡流传感器常用于振动位移的非接触测量。按所测的振动性质可将拾振器分为:绝对式和相对式。绝对式拾振器的输出描述被测物的绝对振动;相对式拾振器的输出则描述被测物之间的相对振动。按振动参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器。一、涡流位移传感器1、相对式。测量的是相对位移。2、传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽(从直流到数千赫)、抗干扰能力强、不受油污等介质影响。3、非接触式测量。4、表面粗糙度对测量几乎无影响，但表面微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。5、被测件是小圆柱体则其直径与线圈直径之比对灵敏度也有影响。6、测试前最好用和试件材料相同的样件在校准装置上直接校准以取得特性曲线，并确定安装间隙。

分为：1、磁电式绝对速度计

2、磁电式相对速度计

（一）、磁电式绝对速度计（属于惯性拾振器）一次敏感元件敏感元件二、磁电式速度传感器1、组成：1、弹簧片2、磁靴3、阻尼杯6、磁钢7、线圈8、线圈架9、弹簧片mNSm—芯轴、线圈架、阻尼环、线圈2、原理输入输出传感器输入输出传感器敏感元件：磁电式一次敏感元件：惯性系统同例2+反向器3、应用：（二）、磁电式相对速度计（不属于惯性拾振器）将壳体固定在一试件上，通过压缩弹簧片，使顶杆以F力顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，速度计的输出电压与两试件的相对速度成比例。

x弹簧特性输出的电荷量与输入的加速度成正比三、压电式加速度传感器1、结构形式S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。

多功能转子台现场动平衡仪2、原理输入输出传感器m—质量块m压电晶体输入输出传感器惯性系统弹性系统惯性系统弹性系统3、分析钢螺栓31kHz绝缘螺栓28kHz薄腊层29kHz粘结剂10kHz粘结螺栓10kHz磁铁7kHz探针2kHz4、压电加速度计的灵敏度压电传感器可以看成电荷源，也可以看成电压源。因此它的灵敏度可以用电荷灵敏度（Sq）或电压灵敏度（Su）表示：被测对象传感器前置放大器四、伺服式加速度传感器1、组成：质量块、弹簧、位移传感器、放大器力发生器：线圈、磁铁2、原理：位移传感器、放大器惯性系统M位移传感器放大器力发生器惯性系统位移传感器、放大器3、特点：固有频率高，线性范围广，测量精度高。五、压阻式加速度计应变式加速度计属于惯性式传感器。它主要由壳体，质量块，应变梁组成，内部用硅油做阻尼剂。质量块固定在应变梁的悬臂端，梁上安装了应变片，测量其弯曲应变。当传感器受到与应变梁垂直方向的振动时，若满足f<<fn及ζ=0.7的条件，应变值与传感器的加速度成正比。此种传感器的低频响应好，例如BAR-6型传感器，固有频率为150Hz，可测频率范围为0～100Hz，可测加速度达2g。

六、阻抗头在激振试验中还常用一种名为阻抗头的装置，它装在激振器顶杆和试件之间。阻抗头前端是力传感器，后面为测量激振点响应的加速度计。在结构上应当使两者尽量接近。激振器试件基础阻抗头七、测振传感器的合理选择1、直接测量参数的选择：作为拾振器的被测量是位移、速度或加速度。它们是频率的等比数列，能通过微积分电路来实现它们之间的换算。考虑到低频时加速度的幅值和高频时位移的幅值有时可小到与测量噪声相当的程度，因此如用加速度计测量低频振动的位移，会因低信噪比使测量不稳定和增大测量误差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器测高频位移有类似的情况发生。对于微积分放大器，因它的输入饱和量是随频率变化的，带有二次积分网络的电荷放大器，其加速度、速度、位移的可测量程和频率范围随积分次数的增加而减小，使用中要充分注意这一点。传感器选择时还应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得。例如考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量;考察振动环境(振动烈度以振动速度的均方根值来描述)时，宜作振动速度的测量;要监测机件的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器作位移的测量。

2、要综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标

各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的频率范围，在前面已作过详细论述。对于惯性式拾振器，一般重量大的拾振器上限频率低、灵敏度高;重量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度计为例，作超低振级测量的都是重量超过100g灵敏度很高的加速度计，作高振级(如冲击)测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。

3、要考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等。

例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确度，由于对环境(隔振)要求极严、设备又极昂贵，它只适用于实验室作精密测量或校准。电涡流和电容传感器均属非接触式，但前者对环境要求低而被广泛用于工业现场对机器振动的测最中。如大型汽轮发电机组、压缩机组振动监测中用的拾振器、要能在高温、油污、蒸汽介质的环境下长期可靠地工作，常选用电涡流传感器。对相位有严格要求的振动测试项目(如作虚实频谱，幅相图、振型等测量)，除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器，特别是带微积分网络放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性，因为测得的激励和响应之间的相位差包括了测试系统中所有仪器的相移。第六节、振动的分析方法与仪器从拾振器检测到的振动信号和激振点检测到的力信号需经过适当的处理，可提取各种有用的信息。最简单的指示振动量的测振仪把拾振器测得的振动信号以位移、速度或加速度的单位指示出它们的峰值，峰--峰值、平均值或有效值。这类仪器一般包括微积分电路、放大器、电压检波和表头，它只能获得振动强度（振级）的信息，而不能获得振动其他方面的信息。为了获得更多的信息，常将振动信号进行频谱分析。时域记录只能给出振动强度的概念，经过频谱分析则可以估计其振动的根源，因此可以用于故障分析和诊断。在用激振方法研究机械的动态特性时需要将所测振动和振动激励联系起来以求出系统的幅、相频特性。某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动的记录曲线

27.5Hz是砂轮不平衡所引起的振动，329Hz则是由于油泵脉动所引起。50,100和150Hz的振动都和工频干扰及电动机振动有关。500Hz以上的高频振动原因比较复杂，有轴承噪声也有其它振源，有待进一步试验和分析。1020501002005001000最简单的振动测量系统振动计振动物体加速度计一、常用振动测试系统测量记录系统电荷放大器磁带记录仪加速度计电荷放大器磁带记录仪分析仪常用测试系统信号发生器功放激振器测试对象传感器中间转换电路振动分析仪器记录仪器随机信号发生器功放激振器测试对象压电加速度计电荷放大器振动分析仪器记录仪器第七节、机械系统振动参数的估计

机械系统振动的主要参数是其固有频率、阻尼比和振型等。实际上一个机械系统的振动模型都是多自由度的，它有多个固有频率，在幅频特性曲线上会出现许多"共振峰"。一般说来，系统的这些特性与激振方式、测点布置无关。在多自由度线性振动系统中，任何一点的振动响应可认为是反映该系统特性的多个单自由度系统响应的叠加。对于小阻尼系统，在某个固有频率附近与其相对应的该阶振动响应特别大，以致可以忽略其它各阶振动响应，并以该阶振动响应来代替系统的总响应。因此，本节只讨论单自由度振动参数—固有频率和阻尼比的估计。这些方法可用来近似地估计多自由度振动系统的固有频率和阻尼比。至于多自由度系统的振型则依靠布置多个测点并在系统的各个固有频率条件下来测定各点的振动而后确定之。测定单自由度系统的固有频率和阻尼比，常用自由振动法和共振法。

一、自由振动法：见第二章

二、共振法：1、从幅频曲线进行估计

当阻尼比比较小时：2、从相频曲线进行估计

从单自由度受迫振动的位移响应的相频可以看到，不管阻尼比大小如何，当激振频率和固有频率相同时，位移的相角滞后总是90o，因此通过所测得的相频曲线可以直接确定系统的固有频率。

因此从所测相频特性曲线，求得