1、第第8章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析主要研究内容主要研究内容：1.1.了解测振传感器的基本结构和原理了解测振传感器的基本结构和原理2.2.了解振动测量的工程应用了解振动测量的工程应用 3.3.了解振动实验装置了解振动实验装置8.1 振动测量基础知识振动测量基础知识一、振动的基本参数一、振动的基本参数幅值：振动强度大小幅值：振动强度大小频率：频谱分析寻找振源频率：频谱分析寻找振源相位：确定共振点、振型测量等相位：确定共振点、振型测量等二、研究振动测试的重要性1.为进行机械结构的振动分析或振动设计服务，以实现低振级、低噪声的要求；2.为改善现成的机构或结构的抗振性能，也需测量振动。风洞
2、实验等风洞实验等(赛车机构设计赛车机构设计,飞机飞机)3,振动振动,噪声对环境噪声对环境/人体的影响人体的影响三、振动的分类机械振动按振动产生原因自由振动强迫振动自激振动按振动系统结构参数分类按振动的时间规律按确定振动的独立坐标数分类线性振动非线性振动确定性振动随机振动简谐振动周期振动非周期振动单自由度振动多自由度振动连续弹性体振动四、振动测试内容1.振动基本参数的测量 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，以判别振动的强度（振级），找出振动根率和相位，以判别振动的强度（振级），找出振动根源，加以克服或改进。源，加以克服或改进。2.结构或
3、部件动态特性的测定（激振实验）输入激振力系统响应确定被测件的n、fn、目的：通过动特性测定，以判定结构的抗振能力目的：通过动特性测定，以判定结构的抗振能力这种试验称为这种试验称为频率响应试验或机械阻抗试验频率响应试验或机械阻抗试验五、振动测量分类测量原理机械式 适用被测振动频率较低、振幅 较大和精度不高的场合。光学式 可实现无接触测量，但只能作 相对测量，故需良好隔振。电气式 是瞬态、冲击和随机振动等复 杂参数的位移测量手段。振动测量参考坐标振动测量参考坐标绝对式 选惯性空间（大地）作 测量时的参考坐标相对式 选空间动点或不动点作 测量时的参考坐标六、一般振动测试系统的组成1.振动参数测量系统
4、被测振动传感器中间变换器预处理电路振动分析仪器显示2.频率响应实验测量系统例：典型机床频响测试系统在振动测试中要注意两个问题：1.干扰干扰 振动分析仪器应能在噪声背景下检测出有用的信息。2.匹配匹配 振动分析仪器中得到的各环节串联而成的整个系统的特征。最理想的各个环节应是 A()=A0 ()=0七七 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 质量块受力时产生的受迫振动质量块受力时产生的受迫振动力平衡方程式力平衡方程式式中：式中：c 阻尼系数阻尼系数 k 弹簧刚度弹簧刚度 f(t)系统输入系统输入 z 系统输出系统输出 受力激振时，以位移为响应时的频率响应特性幅频特性相频特性式中 振动系统的
5、阻尼比，激振力的圆频率 n 振动系统的固有频率，质量块受力时产生的受迫质量块受力时产生的受迫振动的加速度频响曲线振动的加速度频响曲线位移共振频率位位移移共共振振频频率率 输入为力，输出为振动位移时，幅频特性上幅值最大处的频率rz；响应是位移的幅频特性：位移共振频率：速度共振频率速速度度共共振振频频率率 输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率rv。响应是振动速度的幅频特性：速度共振频率：加速度共振频率加速度共振频率加速度共振频率 输入为力，输出为振动加速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率ra。响应是振动加速度的幅频特性：加速度共振频率：相位共振 从幅频特性上看，当很小，
6、即小阻尼时，rz n，ra n，故常采用r作为n的估计值。从相频特性上看，不管系统的阻尼比时多少，在（/n）=1时位移始终落后于激振力900，这种现象称为相位共振相位共振，一般固有频率的估计用相频特性曲线比较准确，因为这段曲线比较陡峭，频率稍有偏移，相位就明显偏移900。八 由基础运动所引起的受迫振动力平衡方程式Z1(t)基础的绝对位移Z0(t)质量m的绝对位移Z01(t)质量m对基础的 相对位移 z01=z0-z1 幅频特性、相频特性：基础受力时产生的受迫振动基础受力时产生的受迫振动基础受力时产生的受迫振动幅频曲线基础受力时产生的受迫振动幅频曲线8.2 8.2 振动的激励与激振器振动的激励与
7、激振器a、激励方式、激励方式稳态正弦激振稳态正弦激振瞬态激振瞬态激振随机激振随机激振快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振脉冲激振脉冲激振阶跃（张驰）激振阶跃（张驰）激振一、稳态正弦激振1.逐点正弦激振单一频率正弦力系统稳态响应幅频特性、相频特性将响应纪录下来，然后作图2.慢速扫频激振 信号发生器采用无极或有极地改变正弦激振力的频率，即频率扫描，这样激振频率随时间而变化，严格讲这是一种瞬态的激振，但采用足够缓慢的扫描速度，使分析仪器有足够的响应时间，使被测对象处于稳定振动状态，这样可近似逐点正弦激振。二、随机激振1.白噪声激振白噪声的性质：1)频谱相当于所有频率成分均有；2)自相关函数=0时为陡峭的
8、峰，稍偏离0就很快衰减；3)自功率谱密度函数接近于常数。2.伪随机激振 用伪随机信号发生器或用计算机产生伪随机码来产生随机激振信号。伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号又完全相同。3.实际随机激振 三、瞬态激振 1.快速正弦扫描激振式中 a=(fmax-fmin)/T，b=fmin fmax、fmin 信号发生器所供 信号的上、下截 止频率 2.脉冲激振（冲击激振）用脉冲锤对被测对象进行敲击，脉冲力信号及各点响应信号经过电荷放大器放大，输入传递函数分析仪，从而得到传递函数的幅值、相位等特性。3.阶跃（张弛）激振激振器对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件
9、振动的装置。对激振器要求：1)能在要求的一定频率范围内产生波形良好、幅值足够且稳定的交变力；2)有时要求产生一个稳定力；3)尽量要求体积小、重量轻。b、激振器、激振器电动式激振器电动式激振器电动式激振器电动式激振器电磁式激振器电磁式激振器电液式激振器电液式激振器8.3 8.3 振动测量与测振传感器振动测量与测振传感器a、常用测振传感器惯性式测振传感器力学模型电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器磁电式相对速度传感器磁电式绝对速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器测振传感器的合理选择F直接测量参数的选择F传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标F使用的环境要
10、求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等B B、振动的测量方法、振动的测量方法1.相对式测振选择结构上的动点或不动点作为测量中的参考坐标。直接式 接触式非接触式 跟随式接触式 跟随式相对振动传感器使用条件：测量过程中顶杆始终与被测对象接触0预压缩量n 固有频率被测振动频率xm被测振幅2.绝对式测振 （惯性式拾振器）力学模型就是由基础运动引起的受迫振动的模型 当选择参数n、不同时，可以做成振幅计（位移计）、速度计和加速度计构成振幅计的条件其幅频、相频特性分别如下：构成加速度计的条件其幅频、相频特性分别如下：构成速度计的条件其幅频、相频特性分别如下：C、振动量的测量（振动位移、速度、加速度）F正弦测量
11、系统F动态应变测量系统F频谱分析系统（模拟量、数字量）D、机械振动参数的估计（固有频率、阻尼比、振型）多自由度系统的频率特性一、自由振动法1.的测定 很小时较大时2.n的测定 二、共振法系统 作出幅频、相频特性曲线 1.总幅值法从幅频曲线进行估计（1）估计n当很小时，（2）的估计2.相位共振法利用相频曲线进行估计从相频曲线=n处的斜率可直接估计阻尼比。3.分量法根据虚实部频率特性进行估计8.5 测试实例测试实例脉动法桥梁模态测试技术强迫振动时桥梁振动测试技术桥梁动挠度信号恢复技术现场桥梁动态测试技术现场桥梁动态测试技术桥梁动态测试系统被被测测桥桥梁梁程程 控控放大放大抗抗 混混滤波滤波程程 控
12、控放大放大抗抗 混混滤波滤波16路路模模拟拟开开关关采采样样/保持保持A/D板板接接口口电电路路PCI总总线线主机主机输入设备输入设备输出设备输出设备传传感感器器桥梁动态测试系统硬件组成桥梁动态测试系统硬件组成 开开 始始用户密码校验用户密码校验密码正确？密码正确？结结 束束双通道频谱双通道频谱分析显示分析显示单点时域单点时域波形显示波形显示互谱分析和相互谱分析和相干函数分析干函数分析单点信号单点信号时频域分析时频域分析桥梁实验资料输入桥梁实验资料输入数据处理报告输出数据处理报告输出实验报告归入数据库实验报告归入数据库结结 束束YN动挠度波形动挠度波形恢复恢复相邻测点信号相邻测点信号差值时频域
13、分析差值时频域分析桥梁损伤桥梁损伤分析显示分析显示应变应变/曲率曲率模态分析模态分析桥梁模态桥梁模态分析显示分析显示传感器校验传感器校验信号读入信号读入传感器时域传感器时域数据校验数据校验传感器频域传感器频域性能校验性能校验桥梁测试数据的分析处理和显示模块的流程图 工字钢梁实验现场测点布置工字钢梁实验现场仪器设备三峡覃家沱大桥实验三峡覃家沱大桥实验80m130m80m58m100m0#3#2#1#1/4s13/4s11/4s21/2s23/4s21/4s31/2s31/4s3s1s2s31#2#3#0#纵截面图垂直振动模态检测的测点分布图0#3#2#1#3#2#1#0#覃家沱大桥竖向一阶、二阶
14、模态振型一阶：模态频率：1.16Hz阻尼比：0.00962二阶：模态频率：1.962Hz阻尼比：0.00656深圳梅林2#、3#人行过街桥实验振动筛振动测试实验GW型振动筛的动态特性测试研究型振动筛的动态特性测试研究离线激振试验离线激振试验在线振动实测在线振动实测固有频率、阻尼、动刚度、东质量、固有频率、阻尼、动刚度、东质量、振型：特征点的振动幅、速度、加速振型：特征点的振动幅、速度、加速度；相位度；相位特征点的运动轨迹、速度、加速度；特征点的运动轨迹、速度、加速度；筛箱应变、应力；筛网受力；噪声；筛箱应变、应力；筛网受力；噪声；电机与轴成温电机与轴成温动态特性动态特性动态参数动态参数传递特性
15、传递特性参数优选参数优选动态设计动态设计提高筛分效率提高筛分效率GW型振动筛动态测试型振动筛动态测试M1420AM1420A万能外圆磨床振动测试与分析（上海）万能外圆磨床振动测试与分析（上海）测点布置测点布置1 1：砂轮主轴箱上部：砂轮主轴箱上部2 2：砂轮主轴箱侧面：砂轮主轴箱侧面3 3：砂轮架侧面：砂轮架侧面4 4：砂轮架上部：砂轮架上部5 5：导轨电机座：导轨电机座6 6：导轨电机外壳上部：导轨电机外壳上部1 12 23 34 45 56 6测试现场测试现场现场测试现场测试CKA6136CKA6136数控车床振动测试与分析（上海）数控车床振动测试与分析（上海）测试现场测试现场1:1:主轴
16、主轴 2:2:导轨导轨 3:3:刀架刀架测点布置测点布置现场测试现场测试CM6140CM6140普通车床振动测试与分析（上海）普通车床振动测试与分析（上海）机箱机箱主轴主轴导轨导轨刀架刀架测试现场与测点布置测试现场与测点布置现场测试现场测试变速器封闭实验全貌变速器封闭实验全貌 该实验台主要由液压泵站、冷却系统、该实验台主要由液压泵站、冷却系统、调速电机、加载器、传感器、离合器、主试调速电机、加载器、传感器、离合器、主试箱和陪试箱等部分组成。箱和陪试箱等部分组成。汽车齿轮箱测试分析与故障诊断汽车齿轮箱测试分析与故障诊断 16T-18016T-180同步器型变速箱封闭实验台现场测试同步器型变速箱封闭实验台现场测试 变速箱封闭实验台油路系统现场测试变速箱封闭实验台油路系统现场测试 石油机械动态测试与分析石油机械动态测试与分析测试现场测试现场现场测试现场测试
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