《机械设备维修》-模块二

振动监测与诊断

据统计，有60%以上的机械故障都是通过振动反映出来的。因此，不用停机和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析处理，将结果与事先制订的某种标准进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消除故障、保证系统安全运行。一、振动诊断基本知识1、什么是振动振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。例如图2-1所示的弹簧质量系统中重物的运动就是振动的一个典型例子。机械振动各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些都可认为是一个弹性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动，这种每隔一定时间的往复性机械运动，称为机械振动。振动分类确定性振动：其规律可以用某个确定的数学表达式来描述，其振动的波形具有确定的形状。其振动位移是时间t的函数，可用简单的数学解析式来表示，为：x=x(t)随机振动：不能用确定的数学表达式来描述，其振动波形呈不规则的变化，只能用概率统计的方法来描述。式中——物体相对平衡位置的位移；

A——振幅（又称峰值），表示物体偏离平衡位置的最大距离（2A称为峰-峰值）；单位为毫米（mm）；

——振动的角频率，表示秒内的振动次数或称圆频率；

——振动的初相位角，用以表示振动物体的初始位置，单位为弧度（rad）

（1）确定性振动1）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。若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正弦（或余弦）函数表示，则称为简谐振动。其数学表达式为：

（2-1）2、振动的表示方法2）周期振动若振动波形按周期T重复出现，也就是（2—2）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，是由一个静态分量和无限个谐波余弦分量（振幅为，相角为）组成，实践中产生复杂周期振动的情况远多于产生简谐振动的情况。事实上，简谐振动往往是复杂周期振动的一种近似表示。3）准周期振动所谓准周期振动，也是由一些不同周期的简谐振动合成的振动。这一点与复杂周期振动相类似。准周期振动是一种非周期振动，可用如下的函数描述：

（2—2）（2）随机振动随机振动是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式描述。随机振动过程虽不能预知，也不能重复，但随机振动具有一定的统计规律，因此可以用概率统计的方法来研究随机振动，用统计特征参数来描述随机振动的特性，用随机信号来描述随机振动。。1、振动参数及其选择

如前所述，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。对大多数机器来说，速度是最佳参数，这也是许多标准采用该系数的原因之一。但是另外一些标准都采用相对位移参数进行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的最多。对于轴承和齿轮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、振动监测参数与标准2、测量位置的选定首先应确定是测量轴振动还是轴承振动。

一般说来，监测轴比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上振动的变化比轴承座或机壳要敏感得多。其次应确定测点位置。一般选择的原则是：能对设备振动状态做出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。不论是测轴承振动还是测轴振动，都需要从轴向、水平和垂直三个方向测量。考虑到测量效率及经济性，一般应根据机械容易产生的异常情况来确定重点测量方向。监测周期的确定应以能及时反映设备状态变化为前提，根据设备的不同种类及其所处的工况确定振动监测周期。3、振动监测的周期随机检验长期连续监测定期检测4、振动监测标准衡量机械设备的振动标准，一般可分为绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准三大类。需要注意的是，绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有设备的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。衡量机械设备的振动标准，一般可分为绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准三大类。4、振动监测标准振动测试的类型和测试系统测量振动物体上某点的振动结构或部件的动态特性分析三、振动监测当机器发生故障时，在敏感点的振动参数的峰值、有效值往往有明显的变化，或者出现新的振动分量。因此对机器进行故障诊断时，通常是在故障敏感点进行第一类振动测量。测量物体上某点振动的测振系统框图如图2-2所示：图2-2机械振动测试系统框图将传感器安装在测振点上，通过传感器将机械振动转换为电信号，若传感器的输出阻抗很大（压电式加速度计），则在传感器之后接一前置放大器，起阻抗变换及信号放大作用；然后将信号输入测振放大器（功率放大器），将信号进一步放大，并将信号进行微分或几分变换，得到所需的具有一定功率的信号（位移、速度和加速度信号）。接着将此信号输入信号分析仪进行信号处理。可得到所需各种信息；最后对信号分析结果进行记录、显示和打印，如图2-3所示。工作原理图2-3振动信号分析系统框图图2-4频率响应函数测试分析装置框图由信号发生器发出激励信号，经功率放大器放大后去控制激振器，使其产生按某种规律变化的激振力，系统在此力作用下产生受迫振动。由测振传感器将机械振动转换为电量变化，经放大、滤波等电路后与激振信号一起输入信号分析仪进行各项分析，即可得到所需的信息；然后用显示、记录仪器将试验结果显示或记录下来。频率响应函数测试装置工作原理2、测定系统动态特性的几种方法(1)稳态正弦波频率扫描法在结构上选择某些点用激振器进行正弦稳态激振，保持激振力幅值恒定进行激振频率扫描，在结构的不同位置上安装传感器检测振动响应，从而可得到结构的频率响应曲线。如在结构的各阶共振时移动传感器的位置，则可测得结构的各阶固有振型。为了使试验更准确，可利用反馈控制装置使激振力或测点的加速度幅值保持不变。2、测定系统动态特性的几种方法（2）机械阻抗法与上法不同之处在于它不仅要测得振动响应，而且还要同时测量激振力（不要求激振力幅值恒定），然后根据这两者幅值和相位关系得到结构频率响应函数。应当指出，频率扫描的速度应使系统的响应能接近稳态振动，过快就会影响试验的精度。2、测定系统动态特性的几种方法（3）快速等幅正弦波频率扫描此法属于瞬态激励，利用快速频率扫描的正弦波发生器，在几秒钟内产生0—20kHz范围内（可调）的衡幅线性频率扫描激振。根据测得的激励与响应的数据可以得到结构的频率响应函数。2、测定系统动态特性的几种方法（4）随机激振试验法本法用随机信号发生器输出宽频带的白噪声信号，驱动激振器对结构进行激振，将测得的激振力与振动响应信号，经放大、滤波后输入信号分析仪，即可得到结构的频率响应函数。

2、测定系统动态特性的几种方法

（5）脉冲激振法此法也属于瞬态激振。方法是用在撞击部装有力传感器的锤头快速撞击结构物，将力传感器与加速度传感器所检验到的力与振动的信号输入信号分析仪，即可求得此结构的频率响应函数。由振动分析可知：脉冲越宽，其包含的频率成分就越丰富，频率范围的上限就越高，此频率范围的功率谱几乎是一水平线。四、实训—齿轮故障的振动诊断齿轮传动在机器中使用得非常广泛，其运行状况直接影响整个机器或机组的工作因此：展开齿轮故障诊断对降低维修费用和防止突发性事故具有实际意义（1）啮合频率当齿轮的运行状态劣化之后，对应于啮合频率及其谐波的振动幅值会明显增加，这为齿轮的故障诊断提供了有力的依据。（2）齿轮振动信号的调制齿轮振动信号的调制中包含了许多故障信息。从频域上看，调制的结果是在齿轮啮合频率及其谐波周围产生以故障齿轮的旋转频率为间隔的边频带，且其振幅随故障的恶化而加大。（3）齿轮的振动测量齿轮所发生的低频和高频振动中，包含了诊断各种