机械故障诊断技术2_机械振动及信号
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1、第二章 机械振动及信号在冶金、化工、机械等企业中旋转机械设备约占80，这些旋转设备主要包括发电机、电动机、透平制氧机、鼓风机、大型轧钢机等，在众多的诊断技术中，没有任何技术能比振动信号分析对机器设备状况提供更深刻的了解。另外，由于旋转机械设备在运行中易出现不对中或受外力作用而产生振动的现象，其大小与安装质量和使用中的故障有直接关系。由此可见，振动分析及测量在诊断旋转机械中有着重要的地位。 振动测量就是通过对机械设备所表现的振动信号进行检测、分析，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命。一般所进行的振动测量大致有以下两方面的内容：1振动基本参数的测量。测量振动构件上某点的位移、速度、加速度、频率
2、和相位，用于识别该构件的运动状态是否正常。2结构和部件的动态特性测量。这种测量方式以某种激振力作用在被测体上，使被测件产生受迫振动，测量输入(激振力)和输出(被测体振动响应)，从而确定被测体的固有频率、振型等动态参数。这类测量称为“频率响应试验”或“机械阻抗试验”。2.1 机械振动基础各种机器设备在运行中，都不同程度地存在振动，并且这些振动往往与机器的运行状态相关，为了能从不同角度来研究振动问题，首先介绍机械振动的3种分类方法：按振动规律分类，按振动的动力学特征分类，按振动频率分类。1.按振动规律分类这种分类，主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的。 大多数机械设备的振动是左图所示几种振
3、动中的一种，或是某几种振动的组合。 设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号中，而当设备故障程度加剧时，随机振动中的周期成分加强。因此，从某种意义上讲，设备振动诊断过程，是从随机信号中提取周期成分的过程。2. 按振动的动力学特征分类（1）自由振动与固有频率 这种振动靠初始激励（通常是一个脉冲力）一次性获得振动能量，历程有限，一般不会对设备造成破坏，不是现场设备诊断所需考虑的目标。描写单自由度线性系统的运动方程式为：式中x-振动位移量 通过对自由振动方程的求解，我们导出了一个很有用的关系式：无阻尼自由振动的振动频率为: 式中：m物体的质量、k物体的刚度 这个振动频率与物体的初始情
4、况无关，完全由物体的力学性质决定是物体自身固有的称为固有频率固有频率，这个结论对复杂振动体系同样成立。它揭示了振动体的一个非常重要的特性。许多设备强振问题，如强迫共振、失稳自激、非线性谐波共振等均与此有关。0)()(22tkxdttxdmmkn 阻尼 振动体在运动过程中总是会受到某种阻尼作用，如空气阻尼、材料内摩擦损耗等，只有当阻尼小于临界值时才可激发起振动。临界阻尼Ce：振动体的一种固有属性。kmCe2eCC阻尼比：实际阻尼系数C与临界阻尼Ce之比。 当阻尼比1时，为一种振幅按指数规律衰减的振动，其振动频率与初始振动无关，振动频率略小于固有频率n； 当1时，物体不会振动，而是作非周期运动。n
5、n,12(2) 强迫振动和共振物体在持续的周期变化的外力作用下产生的振动叫强迫振动，如由不平衡、不对中所引起的振动。图2为强迫振动的力学模型。（惯性力）（阻尼力）（弹性力）（激振力）tFkxdtdxcdtxdmosin22图22强迫振动力学模型图23 强迫振动响应过程a)强迫振动 b)衰减振动 c)合成振动 由图23所见，衰减自由振动随时间推移迅速消失，而强迫振动则不受阻尼影响，是一种振动频率和激振力同频的振动。从而可见，强迫振动过程不仅与激振力的性质（激励频率和幅值）有关，而且，与物体自身固有的特性（质量、弹性刚度、阻尼）有关，这就是强迫振动的特点。强迫振动的特点：1）物体在简谐力作用下产生
6、的强迫振动也是简谐振动，其稳态响应频率与激励频率相等。)sin()1sin()(2tBtAetxntn由强迫振动的运动方程式知，其解由通解和特解组成，即 通解部分为衰减自由振动，特解部分为稳态强迫振动。式中 A-自由振动的振幅， B-强迫振动的振幅。-阻尼比，,-初相角。2）振幅B的大小除与激励力大小写成正比、与刚度成反比外，还与频率比、阻尼比有关。 （a）当激励力的频率很低时，即/n很小时：强迫振动的振幅接近于静态位移（力的频率低，相当于静力），即振幅B与静力作用下的位移比值=1。 （b）当激励力的频率很高时：0，即物体由于惯性原因跟不上力的变化而几乎停止不动。 （c）当激励力的频率与固有频
7、率相近时：若阻尼很小，则振幅很大，为共振现象。共振频率为nnr21此时共振振幅为：212urB共振区角频率：一般为(0.71.4)n3) 物体位移达到最大值的时间与激振力达到最大值的时间是不同的，两者之间存在有一个相位差，这个相位差同和频率比与阻尼比有关。当=r时，即共振时，相位差等于90。 当r时，相位差180。(3) 自激振动自激振动是在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。自激振动是一种比较危险的振动。设备一旦发生自激振动，常常使设备运行失去稳定性。 比较规范的定义定义是：在非线性机械系统内，由非振荡能量转变为振荡激励所产生的振动称为自激振动
8、。自激振动的特点：自激振动的特点： 1）随机性随机性。因为能引发自激振动的激励（大于阻尼力的失稳力）一般都是偶然因素引起的，没有一定规律可循。 2）振动系统非线性非线性特征较强，即系统存在非线性阻尼存在非线性阻尼、元件（如油膜的粘温特性，材料内摩擦）、非线性刚度元件非线性刚度元件（柔性转子、结构松动等）才足以引发自激振动，使振动系统所具有的非周期能量非周期能量转为系统振动能量。 3）自激振动频率频率与转速不成比例，一般低于转子工作频率，与转子第一临界转速相符合。只是需要注意，由于系统的非线性，系统固有频率会有一些变化。 4）转轴存在异步涡动异步涡动。 5）振动波形在暂态阶段暂态阶段有较大的随机
