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1、振动和振动测试的基础知识,1,振动和振动测试的基 础 知 识,振动和振动测试的基础知识,2,本 章 内 容, 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 系统对激励的响应 单自由度系统 多自由度系统 自由振动，模态 强迫振动，共振 幅频响应和相频响应, 旋转机械振动测量框图 传感器及其选用 基频分量幅值和相位的测量 旋转机械的振动图示 定转速：波形图、频谱图、 轴心轨迹 变转速：波德图和极坐标图、 三维频谱图、坎贝尔图 轴心位置图,振动和振动测试的基础知识,3,振幅 A (Amplitude) 偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。 频率 f (Frequency) 描述振动的快慢。单位为次/
2、秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态。,简谐振动的三要素,振动和振动测试的基础知识,4,振动位移、速度、加速度之间的关系,振动位移 (Displacement) 速度 (Velocity) 加速度 (Acceleration),位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 三者的幅值相应为A、A、A 2。 相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。,x,v,a,x,v,a,振动和振动测试的基础知识,5,振 动 的
3、 时 域 波 形,名 称 波 形 名 称 波 形,振动和振动测试的基础知识,6,若干幅值参数的定义,瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。 峰值 (Peak value) 振动离平衡位置的最大偏离。 平均绝对值 (Average absolute value) 均值 (Mean value) 又称平均值或直流分量。 有效值 (Root mean square value),xp,x = x(t),振动和振动测试的基础知识,7,各幅值参数是常数，彼此间有确定关系 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平
4、均值,简谐振动的幅值参数,振动和振动测试的基础知识,8,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,振动和振动测试的基础知识,9,常用的幅值参数及其单位,位移 峰峰值。单位为微米（m） 速度 有效值。单位为毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值。单位为米/秒平方（m/s2）,振动和振动测试的基础知识,10,振动信号的频率分析,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。,振动和振动测试的基础知识,
5、11,各种振动的频谱图,名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱,振动和振动测试的基础知识,12,时间域 频率域,振动和振动测试的基础知识,13,系统对激励的响应,自激振动,激 励,响 应,振动和振动测试的基础知识,14,单自由度振动系统,确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度,振动和振动测试的基础知识,15,多自由度振动系统,图中数字为系统的自由度数,5,3,2,2,6,振动和振动测试的基础知识,16,单自由度系统的自由振动,系统在没有激励下，由初始条件引起的振动，称为自由振动。,初始位移初始速度,a 无阻尼 b 小阻尼 c 临界阻尼 d 大阻尼,振动和振动测试的基础知识,17,单自
6、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（初始位移和初始速度）。 系统的阻尼大，振幅衰减快；阻尼小，振幅衰减慢。 阻尼系数 = 1 称为临界阻尼。,振动和振动测试的基础知识,18,由自由振动确定固有频率和阻尼,振动和振动测试的基础知识,19,系统有多个固有频率。从小到大，称为第1阶、第2阶等等。 每个频率有一对应的振型和阻尼值。 同一阶的固有频率、振型 和阻尼值一起，称为模态。,两自由度系统的模态举例,第二阶模态,第一阶模态,振动和振动测试的基础知识,20,三自由度系统的模态举例,第二阶模态,第三阶模态,第一阶模态,振型是各自由度坐标的比例值。振型具有正交
7、性。,振动和振动测试的基础知识,21,系统的自由振动为各阶自由振动的叠加。振动一般不再是简谐的。 各阶自由振动所占成分的大小，决定于初始条件。 各阶自由振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼。阻尼大，衰减快；阻尼小，衰减慢。 在衰减过程中，各阶的振型保持不变，即节点位置不变。,多自由度系统的自由振动,振动和振动测试的基础知识,22,单自由度系统的强迫振动,振动的频率等于激励的频率。 振幅大小与激励的大小成正比。 激励频率接近固有频率时，发生共振现象。 阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。 位相上说，振动落后于激励。 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。,振动和振动测
8、试的基础知识,23,单自由度系统的强迫振动,振动和振动测试的基础知识,24,由强迫振动确定固有频率和阻尼,振动和振动测试的基础知识,25,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阻尼值和激励的位置。 作用在某阶节点上的激励力，不能激起该阶振动。,多自由度系统的强迫振动,振动和振动测试的基础知识,26,汽轮机 齿轮增速箱 压缩机 涡流传感器 速度传感器 加速度传感器 键相传感器,旋转机械振动测量框图,振动和振动测试的基础知识,27,磁电
9、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 典型线性范围：02mm 典型灵敏度 ：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。,振动和振动测试的基础知识,28,典型的磁电速度传感器及其特性,振动和振动测试的基础知识,29,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
10、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。,振动和振动测试的基础知识,30,压电加速度传感器的典型结构,振动和振动测试的基础知识,31,压电加速度传感器的典型特性,振动和振动测试的基础知识,32,涡流位移传感器,不接触测量，特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),振动和振动测试的基础知识,33,涡流位移传感器 及前
11、置器,振动和振动测试的基础知识,34,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,振动和振动测试的基础知识,35,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）,振动和振动测试的基础知识,36,轴承振动的测点布置,振动和振动测试的基础知识,37,轴振动的测点布置,振动和振动测试的基础知识,38,轴承振动与轴振动的比较,振动和振动测试的基础知识,39,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,振动和振动测试的基础知识,40,键
12、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。 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,振动和振动测试的基础知识,41,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,振动和振动测试的基础知识,42,波形图 (Wave) 时间域内的振动波形 频谱图 (Spectrum) 组成振动的各谐波成分 轴心轨迹 (Orbit) 转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两方向波形合成,旋转
13、机械的振动图示 (定转速),振动和振动测试的基础知识,43,波形图、频谱图及轴心轨迹,振动和振动测试的基础知识,44,轴心轨迹的测定,轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。 轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。,振动和振动测试的基础知识,45,轴心轨迹阵 波德图与极坐标图 (Bode & Polar Plot) 升（降）速时，基频幅值和相位的变化 三维频谱图 (Cascade) 坎贝尔图 (Campber) 各转速下的频谱图的另一种表示 轴心位置 判定轴颈静态工作点和油膜厚度,旋转机械的振动图示 (变转速),振动和振动测试的基础知识,46,轴心轨迹阵图,汽轮发
14、电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵,振动和振动测试的基础知识,47,波德图和极坐标图,波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。,振动和振动测试的基础知识,48,三维频谱图是频谱的集合。 本图的第三个坐标是转速。 本图表明在升、降速过程中振动频谱的变化。 第三坐标也可是时间、工艺参数等。,三维频谱图 （谱阵图）,振动和振动测试的基础知识,49,本图的第三个坐标是时间(日期)，反映频谱的趋势。,三维频谱图 （谱阵图）,振动和振动测试的基础知识,50,坎贝尔(Campber)图,注：圆圈直径代表振动的大小；斜线代表谐波次数。,振动和振动测试的基础知识,51,轴心位置的测定,轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。,振动和振动测试的基础知识,52,轴心位置的变化,汽轮发电机中压缸轴承 升速时轴心位置逐渐升高。 到工作转速时，偏心率为0.66；偏位角32。属正常。 以后数月，轴承基础下沉，导致轴心上浮，偏心率减少，偏位角接近90。 发生了油膜振荡。 监测轴心位置有助于发现机器的故障。,