振动分析基础newVIP

1、,BPdM 北京普迪美科技有限公司 Tel:+86-10-62049486 Fax:+86-10-62044543,振动分析基础,2,Fan Solution!,Electric Motor Motor Current Analysis,Fan,Impeller Balancing,Alignment,CARB Floating End,SRB/SABB Fixed End,=,Mechanical Condition Monitor,Monitoring,在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。,什么是状态监测

2、和故障诊断？,是防止事故和计划外停机的有效手段。 是设备维修的发展方向。,状态监测技术 设备状态监测技术可以为预测维修与主动维修提供技术与数据支持，一般情况下，设备出现潜在故障到完全失效会有一个时间间隔，在此期间设备的某些参数会出现明显变化，如振动增大、温度升高、污染度上升等，这些参数的变化对应着某些特定的故障。 状态监测技术是以设备诊断技术为基础，通过捕捉这些参数的变化，结合设备故障的历史和运行环境，应用系统工程的方法进行综合判断分析，从而查明设备部内情况、故障和异常的性质，预测隐患的发展趋势，提出防范措施和治理对策，并将诊断结果纳入维修管理体系。,简易诊断和精密诊断,状态监测（简易诊断）

3、内容： 识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析 由设备维修人员在现场进行,故障诊断（精密诊断） 内容： 确定故障部位 确定故障原因 提出维修建议 由设备诊断人员在现场或中心进行,状态监测和故障诊断的作用,监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。 分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。 处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。,7,状态监测与故障诊断常用的方法,机械设备状态监测与故障诊断的信息是多种多样的，主要有：振动、声音、变形、应力、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力、流量、电流、转速、扭矩、功率、等等。,振动监测分析与其它监测技术的比较,振动

4、监测分析技术应用范围最广,机器振动与机器状态的关系,各种潜在的机械故障都是以振动形式表现出来,Detection (Condition Monitoring),Analysis (Condition Monitoring),Correction (Root Cause Failure Analysis - PRM),Modern Maintenance Philosophy: Cycle of Problem Resolution,Close the loop!,振动分析法是状态监测与故障诊断所使用的主要方法。 一方面，由于在所有故障中，发生振动故障的概率最高；另一方面，振动信号所函括的设备状

5、态的信息量最大，它既包含了转子、轴承、联轴器、齿轮、壳体、基础、管线等机械零部件自身运行状态的信息，又包含了诸如转速、流量、压力、温度、介质组分、润滑油（主要是油温）等工艺及运行参数影响机组运行状态的信息，因为机械零部件或运行参数的非正常变化，都会引起振动值增大，振动信息量如此之丰富，是其它任何信息所无法比拟的；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊断。因此，振动分析法是转动设备故障诊断中运用最广泛、最有效的方法。,12,振动的基本知识,机械振动 物体相对于平衡位置所作的往复运动称为机械振动。简称振动。 例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动

6、。 振动用基本参数、即所谓“振动三要素” 振幅、频率、相位加以描述。,最简单的振动,BPdM,没有力的作用 = 没有运动 三种基本型式的力 冲击力 如：松动部件,管道液锤， 滚动轴承中滚动体与滚道上的缺陷产生的冲击作用等。 周期力 如：转子不平衡和不对中所产生的重复作用力。 随机力 随时而变化, 如：管道系统中液体的扰动，泵中的汽蚀现象等。,振动源于力的作用,14,简单而言，振动是一种运动，振动运动是由大小和方向不断变化的做用力所引起，例如，有一根失去平衡的转子，在没有转动时它就不会产生振动问题，然而当这根失去平衡的转子开始转动起来之后，它便开始振动起来，引起这一振动的问题原因是这个转子上有一

7、个偏离旋转中心的重点，随转子的转动而产生离心力，此力在不断地改变着方向，由于转子轴承支撑系统是弹性的，那么在这个交变力的做用下，转子轴承支撑系统就开始振动起来。 在机械中有两种做用力，静态力和动态力，只有动态力会引起振动问题。 静态力通常也称为预载荷，做用在轴和轴承上的预载荷通常是由如下原因引起： 重力 皮带或链条张力 轴不对中 液力或空气动力载荷,15,动态力是由做用在轴和轴承上如下一些载荷引起（不全面）： 转子不平衡 转子偏心或轴弯曲 轴承损坏 间歇或周期性的摩擦 齿轮啮合 泵或压缩机叶轮动静碰磨 电磁力,16,支撑刚度 刚度：使弹性体产生单位变形 y 所需的力F 称为刚度k，kF/y 。

8、 刚度反映了弹性体自身抵抗变形的能力。 机械件以及受压的液体（如油膜）和压力很高的气体都可以视为弹性体。 旋转机械转子的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于转子的结构、材质、尺寸；而动刚度既与静刚度有关，也与支座（含轴承）刚度、联轴器连接刚度等有关。 如果将刚度定义式改写成：yFk 式中 y测点的振幅值；F作用在测点上的激振力；k测点处的动刚度。,17,此公式对故障诊断则有很好的指导作用。公式表明，在线性系统中，测点呈现出的振幅值与作用在该点上的激振力成正比，与该点的动刚度成反比。也就是说，在机组振幅值增高时，既要从激发振动的扰动力方面去查找引起故障原因，也要从机组自身的刚度上，如转子

9、刚度、轴承刚度、支座刚度、基础刚度、联轴器刚度等方面去查找引起故障原因。 因此，一台新的转动设备，投运后振动状态的优劣，往往在很大程度上取决于机器自身的刚度、特别是转子的刚度，而此主要与设计有关；一台刚检修后的转动设备，投运后振动状态反而变差，除了少数为转子初始不平衡外，多数往往在轴承刚度、支承连接刚度等方面发生问题，而此与检修质量有关。,最简单的振动,简谐振动三要素,振幅 (Amplitude) 偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。 圆频率 (Angular frequency) 描述振动的快慢，记作 ,单位为弧度/秒。 频率 f = /2 为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)

10、。 周期 T = 1/f = 2/ 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态，记作。,振动频率,频率 周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 s 。例如一个弹簧质量块的振动，它的周期就是质量块从上运动到下，再从下运动回上边起点所需要的时间。 频率f是物体每秒钟振动的次数，单位是赫兹 Hz 。频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。频率与周期互为倒数，f1 / T。 各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。例如，转子动不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频

11、率是0.5倍频，等等。通过对振动频率成分的查找，可以探索构成振动激振力的来源，有助于对机器进行故障类型的判别。,振动波形的位移和频率,但是反过来，某种振动频率可能和多种类型的故障有关联。例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及对中不良等的振动频率也是工频。因此，振动频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。 对旋转机械而言，转子的转速N、角速度都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率，或N、f不分，都直接简称为频率，相互换算关系为：f = N /60/2，其中转速N为转/分钟r/min，角速度为弧度/秒r

12、ad/s；振动频率也可以用转速频率的倍数来表示，如一倍频（1X）、二倍频（2X）、半频（0.5X）、等。 对于旋转机械的振动来说，一般存在下述令人感兴趣的频率： 转子的旋转频率；各种振动分量的频率；转子的临界转速；机器自身和基础或其它附着物的固有频率等等。,简谐振动为例 x=Asin( t+/2) 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 对非简谐振动，上述关系不成立。,振幅,振幅是物体动态运动或振动的幅度。它是振动强度和能量水平的标志，也是评判机器运转状态优劣的一个主要指标。 振幅的量值可以表示为峰峰值（PP）、单峰值（0P）

13、、有效值（rms）或平均值（Average）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。只有在纯正弦波的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用 。,瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。 峰值 (Peak value)(模拟总振动值） 振动离平衡位置的最大偏离。0-PK PK-PK 平均绝对值 (Aver. absolute value) 均值 (Mean value) 又称平均值或直流分量。 有效值 (Root mean squa

14、re value),非简谐振动的时域参数计算,振动RMS、PEAK、PEAK-TO-PEAK和AVERAGE之间的换算,复杂振动的幅值参数,各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系,振幅的测量类型及单位,位移 Displacement (distance) mils or micrometers, m 速度 Velocity (speed - rate of change of displacement) in/sec or mm/sec 加速度 Acceleration (rate of change of velocity) Gs or in/sec2 or mm/sec2 频率 Freq

15、uency Hertz = Hz = Cycles per secondRPM = Revolutions per minuteCPM = Cycles per minuteCPM = RPM = Hz x 60,1、在振动测量中，除特别注明外，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米m或密耳mil；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒mm/s或英寸/秒ips；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度g。 2、一般认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。 、可以认为，振动位移具体地反映了动、静间隙的变化，振动速度反映了能

16、量的大小。所以，在工厂的实际应用中，大机组转子相对于轴承的振动用振动位移的峰峰值表示，大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动一般用振动速度的有效值表示，某些滚动轴承及齿轮的振动用振动加速度表示。,振动位移,位移就是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。位移的单位可以用mils(1 mil=0.001 inch) 表示，或用microns(1 micron=0.001mm)表示。进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。,从振动时间波形中了解振动速度,振动速度,振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量。质量块在运动波形的上部和下部极限位置时，

17、其速度为0，这是因为质量块在这两点处，在它改变运动方向之前，必须停下来。质量块的振动速度在平衡位置处达到最大值，在此点处质量块已经加速到最大值，在此点以后质量块开始减速运动。振动速度的单位是用in/sec来表示，或用mm/sec来表示。,振动加速度,振动加速度被定议为振动速度的变化率，其单位是用有多少个g来表示。在海平面处1.0g32.2/ft/sec/sec386.087in/sec/sec9806.65mm/sec/sec。由下图可见加速度最大值处是速度值最小值的地方，在这些点处质量块由减速到停止然后再开始加速。,从振动时间波形中了解振动加速度,当一个机器的轴承座振动时，由于它连续不断地在

18、前后运动中改变运动速度，所以它经受着力的加速作用。速度的变化率越大，也就是加速度值越大，施加在机器上的作用力也就越高。,振动位移 (Displacement) d=A sint 速度 (Velocity) v=A sin(t+/2) 加速度 (Acceleration) a=A sin(t+),位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 三者的幅值依次为A、A、A 2。 相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。,振动位移、速度、加速度之间的关系,什么时候使用位移、速度或加速度？,当对机器振动进行分析时，重要的一点是尽可能多地收集到有关该机器的资料（如轴承类型和型号、每根轴的精确转速、齿轮

19、的齿数、叶轮的叶片数等）。不了解这些信息资料将会影响振动分析的准确性。 振动幅值是是振动分析中经常使用的重要振动参数之一，它于机器存在的潜在故障问题的严重程度成正比，并且它也是显示机器状态的首选参数之一。 通常认为： 频率范围在600CPM(10Hz)以下时，采用位移测量单位是很有利的。 加速度一般推荐应用在，当机器内部所产生的振源频率超过300000 CPM（5000Hz）以上的场合。 当机器的振源频率范围是在300到300000 CPM（5到5000Hz）时，一般选择测量振动速度。,位移、速度或加速度频谱,图中给出了针对同一检测轴承故障的时域波形图，所进行的FFT变换（a）位移频谱图（b）

20、速度谱（c）加速度谱,在一台300RPM的风机上测量振动位移、速度、加速度的比较,水平安装转动机械振动位移/速度等级图表,水平安装转动机械振动加速度/速度等级图表,具有3种相等振动级别的振动幅值关系,下图给出了具有3种相等振动级别的振动幅值关系振动位移、速度、加速度间的相互关系，在较宽的频率范围内振动速度是平坦的，而振动位移和振动加速度都分别趋于降低和增高。,制定振动标准的考虑,见图注意到，对大多数转动设备，速度谱要比位移谱和加速度谱有着更宽的频率使用范围，考虑速度谱的这一特性和速度谱与振动强度的直接联系，公认振动速度是最好的振动测量单位（特别是当频率低于2000Hz时）。,机械振动位移、加速

21、度、速度比较,振动标准图表,多年以来，如上图所示的振动程度分级图表，在对转动机器振动状态的评估方面得到广泛的应用。通过使用这个图表和使用速度测量单位，人们开始对机器振动程度进行评价。然而，当对存在问题的机器选择振动限值时，这个图表不适合于所有型式的机器。为了解决这个问题，便产生了更易懂和便于使用的振动标准图表如下图所示。这个标准在工作转速为600到60000in/sec范围内，广泛应用于各种转动机械。必须指出的是这些标准值都是以振动速度的通频峰值给出的。然而这些标准只有当操作者所设定的频带报警没有被超出时才可以应用。下图所提供的状态监测评定标准是经过多年在各种设备类型上进行实际振动采集分析中得

22、到的。,振动速度幅值直接与机器的状态有关 振动速度在10-2000Hz频率范围内不存在对频率的依赖关系。振源频率范围5-5000Hz时，一般选择测量振动速度 一台转速为1800 RPM的机器，7.6mm/s的振动与另一台转速为10000 RPM，振动也为7.6mm/s的机器，具有同样的振动损坏程度。,ISO10816振动烈度标准,基频是转速频率。 基频分量的幅值和转子的不平衡大小有关。 基频分量的相位和不平衡在转子上的方位有直接对应关系。,旋转机械振动的基频分量的幅值和相位的测量,键相与相位参考脉冲,在转子上布置键相标记K ，在轴承座上布置键相传感器K（光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。

23、 参考脉冲是测量相位的基准。 参考脉冲也可用于测量转子的转速。,K,K,1转,t,参考脉冲,振动相位与转子转角的关系,从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位。 振动相位与转子的转动角度一一对应。在平衡和故障诊断中有重要作用。,振动信号,参考脉冲,相位的度量单位为度。 在状态监测中，具体测得的相位是指转子各选频振动信号（如一倍频等）与轴上固定标志（如键相器）之间的相位差。 相位在振动领域有着许多重要的应用，例如： 1、比较同频率振动在时间上的先后关系。如简谐振动，振动速度超前振动位移90，振动加速度超前振动速度90，振动加速度超前振动位移180。 2、比较激振力与响应在空间上的相互关系。如

24、对于无阻尼挠性转子，在低于临界转速时，转子不平衡矢量与其所引起的振动矢量二者的相位相同，即在同一方向上，振动值较大；在通过临界转速时，不平衡矢量的相位突然发生翻转变化；高于临界转速后，不平衡矢量与振动矢量相位相反，二者相差180，振动反而变小。此即所谓的转子自动定心。 3、 比较两个零部件之间相对运动的方位。例如，齿式联轴器（带中间短接）不对中时，两边转子振动的相位差为180。 4、在转子动平衡中更有着必不可少、十分重要的作用。,振动相位,下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。 在左侧图中，机器上的轴承1和轴承2之间的振动相位差为0度（同相振动），而在右侧图中的机器，轴承1和轴承2之间的振动

25、相位差为180度（反相振动）。,振动相位与机器振动间的关系,振动频谱（也称为“FFT”）,振动的时域和频域波形比较,由图可以注意到，总振动波形是如何由一系列小的振动波形构成的，每一个小的振动波形各自对应1XRPM、2XRPM、3XRPM、等等。将这些个别振动波形代数相加就得到总振动的波形，可在示波器上或振动分析仪上显示出来。,目前我们所讨论振动信号都是在时域下，即x轴是时间（秒或分钟），而y轴是测量的振动幅值（位移、速度、加速度）。在时间域下显示振动波形是很精确的方法，可以显示出机器的实际振动形态，并对其各种振动参数进行分析。然而，通过分析时域波形来了解振动情况是一个比较麻烦事情，如通过时域波

26、形计算出振动频率时是比较费力的。 为了简化这个过程，现代的振动分析仪器可以完成所谓的快速付氏变换（即FFT）工作。快速FFT是通过计算机微处理器将测量得到的时域振动信号（幅值对时间）转换成为频域信号（幅值对频率）。这个FFT计算技术是由Fourier在100年前提出来的。 Fourier指出：“现实当中的任何频率的正弦波形都能组合产生另一个比较复杂的波形，如前图所示，相反，现实当中的任何复杂的波形都能够被分解成为许多不同频率的简单的正弦波形。,把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。 频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。 频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计

27、算机上用软件来完成。 频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。,FFT分析是故障诊断分析的有力工具,时间域 频率域,时域波形变换得到频域波形,振动信号由时域向频域的发展,（a）是在时域当中测量得到的总振动波形 （b）是在三维座标中（幅值、时间、频率），总振动波形被分解成为多个单一频率的正弦波形，由于从总振动波形中分离出单一频率的正弦波形，所以每个正弦波的频率是明确的，并且沿着频率轴各自处于不同的位置。 （c）从测量得到的时域波形中，变换得到频域波形图。,频谱分析仪,输入放大,抗混淆滤波,采样,数字化,加窗,FFT变换,频谱显示,波形显示,时域,频域,典弄信号处理路径,频谱参数,幅

28、值参数： 加速度、速度、位移、解调 频率范围 Fmin - Fmax 谱线数 400，800，1600，3200 分辨率: (Fmax/谱线数)*1.5 窗函数 谱平均 触发，叠加,定义： 需要什么结果,定义： 如何获得,滤波问题,FFT 中的泄漏问题及其窗函数,时 域 波 形 的 截 取 与 复 制,FFT 中的泄漏问题及其窗函数,时 域 波 形 的 复 制 误 差,FFT 中的泄漏问题及其窗函数,频 域 波 形 的 泄 漏 问 题,FFT 中的泄漏问题及其窗函数,加窗处理,矩形窗 汉宁窗(Hanning) 海明窗(Hamming) 凯莎窗(Kesha) 三角窗,窗函数：,混叠问题及采样频率

29、,减少混叠问题的方法： 提高采样频率 对时域波形进行滤波,频域和时域的平均技术,BPdM,弄懂信号的平均问题,如果振动源没有噪音干扰，并且振源的振动是稳定，那么我们就可以直接采集这一振动信号的时间采样片段，由此产生出FFT并将其保存。 但不幸的是，通常振动总是有随机噪声信号存在的，并且在大多数情况下，振源的振动也并不是十分稳定的，这次测量和下一次测量，多少有一定的变化。,BPdM,弄懂信号的平均问题,信号的处理过程,BPdM,弄懂信号的平均问题,信号的处理过程,BPdM,重叠平均,在这个例子中，我们采用了50%的重叠即在进行每一次平均时都与前一个时间采样片段的50%进行平均计算。如果数采器采样

30、1024个点，然后进行窗口处理和生成FFT，最后开始进行平均处理，它将采集到的512个采样点与前一时间采样片段的后512个采样点经窗口处理、生成FFT后加到一起进行平均处理。,BPdM,重叠平均,由此我们再次可以看到，我们使用不多的时间波形片段，产生成频谱图。,BPdM,重叠平均,由下图可以看出，重叠平均处理后可节省的时间是多少，我们可以不必采集由灰色表示的数据，这就意味着我们可以在机器旁不会太长的时间。,BPdM,峰值保持平均,还有另一种使用频谱对数据进行平均处理的方法，并不是利用一系列频谱数据计算出振动的平均值，这一方法是保持峰值不被刷新，也就是说在频谱图上显示的是每条谱线上的最大值。见下

31、图说明。,BPdM,峰值保持平均,BPdM,峰值保持的应用启停车试验,如果你打算启动机器（或停止已启动的机器），以自由运转方式开始一个测量，你会看到频谱峰值随着机器转速的变化在数采器上移动。振动的幅值会随着机器的转速通过其自振频谱而发生变化（当自振被激发起来以后，在自振频谱下的振动幅值会增加），因为当转速降低时，做用力也随着降低。 如果你将数采器设置成峰值保持方式，在不同频率下测量的最大值将被保存下来，随着主导频率成份的峰值（如1X,2X等）移动通过频率轴时，你就会得到一系列小的趋势。幅值将随着频率接近机器的自振频率而增加。,BPdM,峰值保持的应用撞击试验,我们比较感兴趣的是，想知道机器的自

32、振频率。如果机器没有运行，你可以使用一块大的木棒或一个橡胶锤撞击机器，这时机器就会以它的自振频率振动起来。 如果你将数采器设置成峰值保持方式，然后撞击机器，在频谱图上就会出现机器的自振频率的峰值，这些峰值代表了机器的自振频率。,BPdM,峰值保持的应用撞击试验,BPdM,峰值保持的应用撞击试验,你可以重复多次做这个试验，分别将传感器以垂直、水平和轴向方向安装，这样你可以得到一个完整的机器自振频率特性。 注意：因为Hanning窗、Hamming窗和平顶窗将信号的时间采样片段首尾数据剔除掉了，所以这三种窗函数是不适于进行暂态试验的，在信号的时间采样片段首尾处包含了关键的振动数据。出于这个原因，进

33、行这项试验时应采用矩形窗（无窗）。,BPdM,时间同步平均,到目前我们已经讨论了频域的平均问题，上述各种平均实际上并不能除掉噪声，它只是对噪声谱线的影响进行了改善。 而在时域上对时间信号进行平均处理，真正能够减少噪声的水平，并且不会掩盖低幅值的被噪声信号所淹没的振动信号。,BPdM,弄懂动态范围,在前面我们谈到的对输入信号如何快速采样问题中，我们并没有考虑信号的幅值精度问题，在来自机器的振动信号中包含了大量的信息，其中有些信号的幅值相对于主导频率成份信号的幅值要低得多。 记住，当我们对振动信号进行分析时，我们不要只关注频谱图中高峰值的信号，我们同样也要关注低幅值的信号。例如，轴承故障的谐频信号

34、幅值，通常是很低的，但是它对故障诊断过程是很重要的。,BPdM,弄懂动态范围,动态范围是在大的信号中能够区分出小信号的测量能力。它是所测量的信号中最小信号与最大信号的比值，通常用（dB）表示。 动态范围20*log（最小信号/最大信号） 宽扩的动态范围，意味着我们能够在有大信号出现时仍能区分出很小的信号，理论上讲，动态范围只是取决于数模转换器的分辨率。然而，实际上，数采器的电子线路（包括信号处理，放大和滤波组件）会对系统增加噪声，这样减少了有效的动态范围（因为噪声淹没了低幅值的信号）。,BPdM,弄懂动态范围,许多在市场上可见到的老一点的数采器有12 bit 的数模转换器，可提供72dB的动态

35、范围。 注：12bit 可具有4096个数据化量，由此我们由 20*log(1/4096)得到72dB。 最新的数采器提供了具有16bit的A/D转换，由此我们可以得到 96dB的动态范围。这意味着如果输入信号是1volt，我们仍然可检测到小到0.015mV的信号，这是多么的优秀。,BPdM,弄懂动态范围,此外，数采器不是仅有一个输入范围，通常在进行A/D之前，有一个增益放大器来增加输入信号的幅值，从而使输入到A/D的信号能够更适宜于进行A/D转换的需要。 如果我们回到我们的5bitA/D转换器的例子，理想输入信号的幅值为1volt，整个可用的输入范围都得到利用。,BPdM,弄懂动态范围,但是

36、如果信号的幅值只有0.05volt（100mv/g 0.5g=50mV）。我们的A/D转换器最小的信号测量能力只有31.25mV，所以实际的动范围被大大减小到20*log(31.25/50)=4dB。这是一个多么可悲的测量！,BPdM,弄懂动态范围,数采器的测量质量实际上是取决于A/D转换器的分辨率（例如，16bit），以及数采器对信号的放大能力，从而数采器可以利用大部分输入的信号。我们一般希望能对输入范围可以小范围变化设置，以便能够满足测量更宽范围的输入信号。,BPdM,弄懂动态范围,大多数的数采器都允许你进行手动对输入范围的设置，在大多数情况下，你一般是设置数采器是自动定量程状态，即数采器

37、自动选择最佳的输入范围。 较好的数采器一般都有较高的A/D转换分辨率、较宽的输入范围和具有快速运算选择最佳的输入范围的能力。,84,同步平均 动态范围 如何提高频率分辩率,系统对激励的响应,自激振动,(机械)系统 单自由度 多自由度,强迫振动,自由振动,激 励,响 应,单自由度与多自由度振动系统,确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度,多自由度系统举例,单自由度系统举例,单自由度振动问题,注：确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度,简谐振动,单自由度系统的自由振动,自由振动的频率等于系统的固有频率。 振幅大小决定于初始条件。 系统的阻尼大，振幅衰减快；阻尼小，振幅衰减慢。 阻尼系数

38、 称为临界阻尼。,系统在没有激励下，由初始条件引起的振动，称为自由振动。,有阻尼的强迫振动,非简谐振动,振动参数的计算,单自由度系统的强迫振动,振动的频率等于激励的频率。 振幅大小与激励力的大小成正比。 激励频率接近固有频率时，振幅增大称为共振。共振峰大小决定于阻尼大小。 振幅和位相随激励频率而变化，变化规律用系统的幅频特性和相频特性来表示。,幅频特性,相频特性,振动的频率等于外激励的频率。 振型为各阶振型的叠加。 各阶振型所占的比例，决定于外激励的频率和作用点位置。 激励频率接近某阶固有频率时，该阶振型增大而占主导地位，是为该阶共振状态。 共振峰大小决定于该阶模态阻尼和激励的位置。 作用在某

39、阶节点上的激励力，不能激起该阶的振动。,多自由度系统的强迫振动,不平衡,松动,叶片通过,轴承坏,干扰力及其引起的振动波形,激励频率,通过与结构有关的计算，在频谱特定位置处指示出的振动激励源“激励频率”.,一个简单振动试验风机转子,风机转子每秒钟转5转 在转子上施加一个重量，使转子产生不平衡力，而引起振动,一个简单振动试验频率计算,Hertz = Hz = Cycles per secondRPM = Revolutions per minuteCPM = Cycles per minuteCPM = RPM = Hz x 60 风机转速 = 5 Hz or 300 RPM,周期 = 1/频率,

40、风机转速 = 5 Hz or 300 RPM,风机转速提高一倍 波形图中的波形靠得很近 风机转速 = 10 Hz or 600 RPM,一个简单振动试验提高频率,一个简单振动试验提高幅值,由于加在风机叶片上的不平衡重量，当风机转速提高后，其振动幅值增加 波形的高度是幅值.,一个简单振动试验增加另一个振源,新的振动成分 = 10 x 8 = 80 Hz,摩擦,不平衡,一个简单振动试验一个振源的频谱分析,一个简单振动试验两个振源的频谱分析,Rub,Imbalance,10 Hz,80 Hz,600 CPM,系统固有频率和阻尼的确定,由自由振动可以确定系统的固有频率和阻尼。,激振力与响应之间的相位关

41、系,比较激振力与响应在空间上的相互关系。如对于无阻尼挠性转子，在低于临界转速时，转子不平衡矢量与其所引起的振动矢量二者的相位相同，即在同一方向上，振动值较大；在通过临界转速时，不平衡矢量的相位突然发生翻转变化,转子不平衡矢量与其所引起的振动矢量二者的相位相差90 振动最大；高于临界转速后，不平衡矢量与振动矢量相位相反，二者相差180，振动反而变小。此即所谓的转子自动定心。,系统固有频率和阻尼的确定,2X,3X,4X,frequency,amplitude,频谱分析技术,1X,频谱图的识别(velocity spectrum),1X,2X,3X,4X,frequency,amplitude, 1

42、X,转频的谐频及与转频有关的低频故障段（如不对中、不平衡、松动等）,高频故障段（如轴承、齿轮啮合）,10X,识别引起振动的各种原因,在频谱图中如下机械故障的识别方法： Misalignment 1x or 2x shaft speed Imbalance1x Bent shaft1x or 2x Looseness 2x to 10 x Gearmesh# of teeth x RPM Bearing Defectsbearing defect frequencies,不对中,角不对中,平行不对中,质量不平衡,轴弯曲,机械松动,共振,typically 10% or greater,共振,Ev

43、ery structure and component has a fundamental resonant frequency as well as higher resonant frequencies determined by its physical qualities. Resonant frequency amplify vibration signals. However, Resonance is not a vibration source.,什么是通频振动？,振动通频值是与在一个特定频率下的振动值是不同的，它是所有振动频率下振动的总和，不关心任何特定的频率。有两种类型的通

44、频振动值： 数字化通频振动值 模拟通频振动值 模拟通频振动值受限于所使用的测振仪器及传感器的技术性能，而数字化通频振动值则主要取决于你所选择的频率范围（0-Fmax），一般模拟通频振动值要优于数字化通频振动值。,数字化通频振动值（一）,用于计算频谱图通频幅值的计算公式,它是在一定的频率范围内，由传感器测量到的所有振动经过计算得到。下图给出了从频谱图中计算数字化通频振动值的公式，这个值通常称为“均方根值”。现在这个值的计算已经由仪器自动完成。,数字化通频振动值（二）,通频振动不同于频谱图中特定频率下的振动，不管频率是多少，它是所有振动成分的总和。此图给出了一个频谱图的通频振动值的大小。简单地说，

45、如果你把每条谱线下的振动幅值（Ai）进行平方，然后将平方后的所有值相加，对这个和开平方根，然后再除以频谱图的噪声因数（汉宁窗的噪声因数为1.5），得到的最终结果就是频谱的通频幅值。对400条谱线的频谱来说，这个计算过程是非常冗长的（若是3200条谱线的频谱更是如此）。,模拟通频振动值,只关注数字化通频振动值的最大问题是在指定频率范围（0-Fmax）以外发生的振动会被遗漏掉。目前解决这个问题的办法就是采用模拟通频振动值，即在非常宽广的频率范围内，直接从时间波形中得到的振动幅值。这样由分析仪测量出的通频值完全不受操作者所选择的频率范围的约束，此振动值被称为模拟通频振动值。 例如有的分析仪测量模拟通

46、频振动值是以565000Hz的频率范围内进行的。 通过对模拟通频值和数字通频值进行比较，你可以确定是否在你所选择的频率范围以外还有振动成分存在，如果有，你可以重新调整最大测量频率Fmax的大小。,精确评估设备的状态难点所在,同一频谱可以从不同的时间域波形中得到，这是因为时间信号当中包含了相位及各种畸变。 在某些场合下有些频率成分是可接受的，而其它频率成分在一定的标准约束下是不可接受的。 某些振动频率成分可以是由一个以上问题所引起，例如，一倍转频振动可以由机械松动，转子不平衡，轴弯曲，不对中，共振，过负荷，泵汽蚀，电机转子笼条开路或断裂，以及软地脚或机壳铸造变形等。这个频率成分的振动同样可以测量

47、得到，从与之相联接的存在上述问题的设备。 某一频率成分的精确的分析通常取决于一个或二个其它频率成分的存在。,精确评估设备的状态难点所在,多频率范围的频谱图及细化功能对精确分析是很重要的，同样有不同时间范围的时间信号和不同信号间的相位信息也是非常重要的。 需要指出的是当进行从时间域向频域转换过程中会丢失一些有价值的数据，这就是为什么对于完全不同的问题会产生相同或类似的频谱的原因，这也是为什么在精确分析时需要时间域信号的重要性。 测量的频率成分告诉我们机器出了什么问题，而测量得到的振动幅值可帮助我们识别出问题的严重程度，频率成分不会说谎，虽然你可能会对他们误解，如何能准确测量得到合适的数据，然后做

48、出准确的翻译，这就是精确评估设备的状态的难点所在。,振动相位及其应用,相位是机器某一部分的振动与另一部位振动的相互关系。 相位分析是一个强有利的工具，可用于协助查找故障源，例如，有许多设备问题都会引起工作转速下的较大振动（如，不平衡、不对中、偏心、轴弯曲、软地脚、齿轮断齿、共振、紧固螺栓松动等）。同样，也有些问题可以在2X或3X RPM处产生较大的振动。面对这些问题及可能产生的频率成分，振动分析师很难确定振动的原因。然而，若振动分析师能在每个轴承座上测量振动相位，则能使问题的确定容易些。,使用频闪灯测量振动相位的方法1,振动相位的测量是强有力的诊断机器振动问题的工具，此图和下页图中给出了典型的

49、使用频闪灯测量振动相位的方法。,在转子上设参考标记，在静子上设置角度盘的相位测量,使用频闪灯测量振动相位的方法2,在静子上设参考标记，在转子上设置角度盘的相位测量,使用光电头测量相位,使用光电头测量相的示意图,使用光电头测量相位的示意图，静止不动的光电头对准安装在转动部件的反光带。,在振动故障诊断中使用相位分析,1、轴承翘起或轴弯曲的相位表现,图A轴向振动相位显示轴承座是在做平面运动,图B轴向相位显示，由于轴弯曲或轴承翅起引起的扭曲振动,不平衡的相位表现,对于不平衡问题，通常在相邻且位置相差90度的测点上，测量得到的振动相位相差约90度。如果此相位角较大地偏离90度，这就意味着存在着一个除不平

50、衡以外的其它问题。说明存在不平衡问题的最有力的指示是比较在支承转子的两个轴承座上测量得到的相位值。如下图所示。,径向振动相位测量，用于分析不平衡问题,不平衡的相位表现,诊断静不平衡、力偶不平衡、动不平衡的典型测量,不平衡的相位表现,如上图所示，比较在输入端和输出端轴承座上水平和垂直相位差角，来确认是否有不平衡问题的存在。比较好的做法是测量和比较输入端和输出端轴承座上水平方向的相位差角的值，如果存在一定程度的不平衡问题，1XRPM振动幅值肯定是较高的，并且在两个轴承座上水平方向的振动相位差等于垂直方向的振动相位差（30）。这说明，转子的运动状态在水平方向和垂直方向是相同的，否则，其主要问题可能就

51、不会是不平衡问题了。例如，见图上的表C，注意到在电机的两个轴承上，水平方向的振动相位差是90-30=60，垂直方向的相位差是180-120=60，这强有力地说明是不平衡问题。,松动问题的相位表现,有些机械松动问题，通过振动相位测量是可以发现的，已经可靠紧固的机械部件应该是与其它部件间同步运动，在各个零部件之间不应该存在显著的幅值和相位的变化，如果在相互配合的零部件之间（见下图）存在振动幅值和相位的变化，那么机械松动问题的存在是值得怀疑的。见下图，在垫板（BASE PLATE)和支承混凝土基础（CONCRETE BASE)之间存在着显著的振动幅值和相位的变化，这说明，很可能是由于在两部件间的水泥

52、灌浆不充分所引起的。,图45松动问题的相位测量,不对中问题的相位表现,通过振动相位测量来发现不对中问题是较为常用的监测方法之一，无论是平行不对中还是角不对中，通过振动相位测量，都是可以检测到的。下图描述了两种不对中问题的含意。,轴角不对中和轴平行不对中的示意图,不对中问题的相位表现,不对中问题的振动相位特点是，在联轴节两侧的振动相位差接近180。振动幅值和相位角的测量应该在联轴节相邻的两个轴承座的4个象限位置进行。为了检测不对中情况的存在，要测量的两个轴承座应该是处在联轴节的两侧。径向振动相位对轴平行不对中问题比较敏感，而轴向振动相位对轴角不对中问题比较敏感。在进行振动相位测量比较时，重要的一

53、点是，要遵守振动传感器的安装方向的规定。（若振动传感器，安装方向搞反，会导至180的相位移动，从而导至不对中的错误指示。另一个需要注意的是，四个测量象限的位置要从同一个参考方向观察确定如图47所示，避免相位数据的混乱。,在联轴节相邻两轴承座上测量相位的坐标,不对中问题的相位表现,在轴承座A，位置2处所进行的相位测量必须与轴承座B位置2处所进行的相位测量相比较。下图是一个联轴节不对中的例子，为简化起见，只是测量了轴向方向的振动相位。,诊断角不对中问题的轴向相位比较,各种振动传感器,传感器结构及原理,磁电速度传感器,接收形式：惯性式 变换形式：磁电效应 典型频率范围：10Hz1000Hz 典型灵敏

54、度 ：20mV/mm/s,测量非转动部件的绝对振动的速度。 不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。 输出阻抗低，抗干扰力强。 传感器质量较大，对小型对象有影响。 在传感器固有频率附近有较大的相移。,典型的磁电速度传感器及其特性,压电加速度传感器,接收形式：惯性式 变换形式：压电效应 典型频率范围：0.2Hz10kHz 线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。,测量非转动部件的绝对振动的加速度。 适应高频振动和瞬态振动的测量。 传感器质量小，可测很高振级。 现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。,压电加速度传感器的典型结构,压电加速度传感器的典型特性,涡流位移传感器,不接触测量，特

55、别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。 有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。 相移很小。,接收形式：相对式 变换形式：电涡流 典型频率范围：020kHz 典型线性范围：02mm 典型灵敏度 ：8.0V/mm (对象为钢),涡流位移传感器 及前置器,涡流传感器的工作原理,输出电压 u 正比于间隙 d 且于测量对象的材质有关,涡流位移传感器的典型特性,传感器与转轴之间的间隙,前置器输出电压（直流伏）,轴承振动的测点布置,轴振动的测点布置,加速度传感器的频响特性,加速度传感器安装与频率响应,仪器分类： 便携式测振表 数据采集器 表盘式的监测系统 计算机

56、在线监测系统,监测和诊断仪器的分类和选用,仪器选用原则： 被监测对象在生产中的地位 生产的规模和产量 预计的投资 设备管理人员的水平和素质,数采离线监测系统,计算机化的监测系统框图,最简单的计算机化监测系统。 单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话等功能。,汽轮发电机组的监测系统框图,故障诊断的专家系统框图,专家系统是一个故障诊断的专用程序。 用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。,振动的常用术语,机械振动 是物体相对于平衡位置所作的的往复运动。通常用振动的基本参数、即所谓的“振动三要素” 振幅、频率、相位加以描述。 振动烈度 振动速度的均方根值，是我国及国际振动标准的通用

57、术语，是描述一台机器振动状态的特征量，无论各标准对振动测量及评定方法做了怎样的规定，几乎都用振动速度的均方根值进行度量（大机组除外）。因此，对一般转动设备，只有振动速度才有振动标准可参照，才能对机器运转状态的优劣进行评定。 刚性支承 当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，机器支承系统为刚性支承状态； 挠性支承 当支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，机器支承系统为挠性支承状态。,刚度 使弹性体产生单位变形y所需的力F称为刚度k，k=F/y 。旋转机械转子的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于结构、材质、尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与支座刚度、连接刚度等有关。 阻尼 阻

58、尼是指振动系统中的能量转换（从机械能转换成另一种能量形式，一般是热能），这种能量转换吸收、消化了振动能量，抑制了振动过程中的振幅值。 临界阻尼 临界阻尼是指系统能回到平衡位置而不发生振荡所要求的最小阻尼。 临界转速 临界转速就是转子轴承系统本身的固有频率。,刚性转子 刚性转子是指工作转速低于第一临界转速的转子。 挠性转子 挠性转子是指工作转速高于第一临界转速的转子。 通频振动 通频振动是原始的、未经傅立叶级数变换分解处理的、由各频率振动分量相互迭加后的总振动。 选频振动 选频振动是从通频振动中所分解出来的、某一选定频率（如工频、半频、二倍频等）的振动。 工频振动 工频振动是指振动频率等于转速频

59、率的选频振动。工频也称为基频、一倍频。,谐波 在通频信号中，频率等于转速频率整数倍的分量称为转速频率的谐波，简称谐波。如一倍频（1X）、二倍频（2X）、三倍频（3X）分量等。 次谐波 次谐波是指通频信号中所含频率等于转速频率整分数倍的分量，也称为分数谐波。如半频（0.5X）、三分之一倍频（1/3X）分量等。 同步振动 同步振动是指频率成分与转速频率成正比的振动。一般情况（但不是全部情况）下，同步成分是转速频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X），半频（0.5X）,三分之一倍频（1/3X）等。由不平衡、不对中所引起的振动都是同步振动。 异步振动 异步振动是频率成分指与转速频率无整数倍或者整分数倍关系的振动，也可称为非同步运动。由摩擦所引起的振动为异步振动。,亚异步振动 亚异步振动是