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1、振动和振动测试的基 础 知 识,内 容 提 要, 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 振动系统 单自由度与多自由度系统 振动系统的模态 固有频率、振型、阻尼比 自由振动与强迫振动 共振, 旋转机械振动的测量 传感器及其选用 基频分量的幅值和相位 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 轴心位置图,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/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、 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 的 时 域 波 形,名 称 波 形 名 称 波 形,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.
3、707A平均值,简谐振动的幅值参数,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,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，又称烈度，单位为毫米/秒（mm/s） 加速度 峰值，单位为米/秒2（m/s2）,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。,各种振动的频谱图,名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱,时间域 频率域,振动系统及其自由度,能作振动的
4、机械系统，在力学中称为振动系统。振动系统按复杂程度分为： 单自由度系统 多自由度系统确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度。,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,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,振动系统的模态,单自由度系统有一个模态模态参数为： 固有频率 （模态频率） 阻尼比 （模态阻尼）,多自由度系统有多个模态模态参数为： 固有频率 n fn 阻尼比 n 振型各个坐标在振动 中的比例,模态参数包括：固有频率、振型 和阻尼比。按固有频率从小到大排列，称为第1阶、第2阶模态。两自由度系统共有两阶模态。,两自由度系统的模态举例,第二
5、阶模态,第一阶模态,节点,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。振型具有正交性。,节点,振动系统对激励的响应,激 励,响 应,由初始激励引起的响应，称为自由振动。 由持续激励引起的响应，称为强迫振动。 从响应中能看出系统的模态特性。,单自由度系统的自由振动,它是模态振动。振动的频率等于系统的固有频率。振幅大小决定于初始激励（初始位移和初始速度）。系统的阻尼比大，振幅衰减快； 阻尼比小，振幅衰减慢。,不同阻尼比的自由振动,由自由振动确定模态参数,系统的自由振动为各阶模态振动的叠加。它一般不再是简谐的。各阶模态振动所占成分的大小，决定于初始条件。各
6、阶模态振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼比。阻尼比大，衰减快；阻尼比小，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,单自由度系统的强迫振动,振动的频率等于激励的频率。振幅与激励的强弱成正比。激励频率接近固有频率时，发生共振现象，呈现为模态振动。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。,单自由度系统的强迫振动,由强迫振动确定模态参数,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
7、型增大而占主导地位，呈现为该阶模态振动。共振峰大小决定于该阶阻尼比和激励的位置。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,与多个固有频率对应，有多个共振峰。某一阶共振时，该阶振型占主导地位，呈现为该阶模态振动。,多自由度系统的强迫振动,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,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，
8、对小型对象有影响。,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,晶体片,晶体片,质量块,预紧环,出线口,底座,出线口,三角剪切型 中心压缩型,预压簧片,三角柱,压电加速度传感器的安装频率,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
9、测对象的电导率和导磁率有关。,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),涡流位移传感器及其前置器,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,轴承振动与轴振动的比较,基频是转速频率，记作 1R。基频分量的幅值与转子的不平衡大小有关。基频分量的相位与不平衡在转子上的方位有直接对应关系。基频大小和相位由基频分析仪或频率分析方法求得。,基频分量的幅值和相位,键相与相位参考脉冲,
10、在转子上刻印键相标记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。这在平衡和故障诊断中有重要作用。,振动信号,参考脉冲,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,旋转机械的振动图示 (定转速),波形图、频谱图及轴心轨迹,轴心轨迹阵 各转速下的轴心轨迹的组合
11、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) 各转速下的频谱图的集合轴心位置（Shaft Center Position） 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),轴心轨迹阵图,汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵,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。,三维频谱图是频谱的集合。它的第三个坐标是转速。它表明在升、降速过程中振动频谱的变化。,三维频谱图 （谱阵图）,第三个坐标也可以是
12、时间(日期)、工艺参数等。,三维频谱图 （谱阵图）,轴心位置的测定,轴心位置图可以用x-y记录仪或计算机来绘制。,从轴心位置的变化发现故障,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。,摆振信号及其来源,机械方面的原因： 不同心度 基频型 永久性弯曲 基频型 椭圆度 2X基频型 不圆及其他缺陷 基频及非基频型,电磁方面的原因： 剩磁 基频及非基频型 轴材质不均匀 基频及非基频型残余应力： 基频及非基频型,摆振信号是周期信号，以轴的转速频率为基频。在机器慢速转动时测得。,摆振信号的补偿,经补偿后，压缩机的波德图才符合实际情况。补偿方法：记下摆振信号的波形，以转速参考脉冲为基准点，从振动信号中对应减去摆振信号。,xrms 有效值xp 峰值xav 平均绝对值 平均值,无量纲时域参数,波形指标 (Shape factor) 波形与正弦波比较的偏移和歪斜。峰值指标 (Peak factor) 波形是否有冲击。脉冲指标 (Crest factor) 波形高度的指标。歪度指标 (Skewness) 以平均值为中心，波形的对称性。峭度指标 (Kurtosis) 波形的尖峭程度、有无冲击。,讲演到此结束欢迎批评指正,
