設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷-機械振動理論概述

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設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷condition detection and fault diagnosis for equipment,第2講 機械振動理論概述,機械振動分析與測量的重要性,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,機械設(shè)備出現(xiàn)的故障種類很多，很復(fù)雜，可用于測試與診斷的信息包括溫度、聲響、變形、應(yīng)力及潤滑滑的物理化學(xué)參數(shù)等。機械設(shè)備的作用是傳遞力和運動，其中任何一個運動部件或與之相關(guān)的零件出現(xiàn)故障，必然破壞機械運動的平穩(wěn)性，在傳遞力的參與下，這種力和運動的非平穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)為振動。因而在眾多的診斷技術(shù)中，沒有任何技術(shù)能比振動信號分析更深刻地了解機械設(shè)備的狀況。,機械振動分析與測量的重要性,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,另，由于機械設(shè)備在運行中易出現(xiàn)安裝質(zhì)量影響（如不對中）或受工藝外力作用（如喘振）而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象，其大小與安裝質(zhì)量和使用中的故障直接關(guān)系，由此可見，振動分析與測量在診斷機械故障中有著重要的地位。當(dāng)然，振動分析對不影響運動平穩(wěn)性的故障（如泄漏）是無能為力的。 本門課主要介紹設(shè)備診斷技術(shù)中振動分析與振動測量的基本知識。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,振動是物體運動的一種形式，物體經(jīng)過平衡位置而往復(fù)運動的過程。 機械振動是物體（或其一部分）沿直線或曲線并經(jīng)過其平衡位置所作的往復(fù)運動。 振動的參數(shù)：位移、速度和加速度三個參量表征。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,位移是振動物體離開平衡位置的距離。常用微米（um）或毫米（mm）作單位。 振動速度是振動物體位移的快慢，即位移對時間的變化率。常用毫米/秒（mm/s）為單位。 振動加速度是振動物體速度的變化率，即位移的二階導(dǎo)數(shù)，一般用g（重力加速度）表示其大小。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,振動波形是將振動參數(shù)隨時間變化的狀態(tài)畫出來，可以得到的相應(yīng)曲線。簡諧振動的波形如圖1示，它是一條正弦曲線。,圖1 簡諧振動的時域圖像,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,每個振動參量都具有三個基本要素：振幅、頻率、相位。,1.振幅X,簡諧振動位移的函數(shù)式表示為：,X—位移振幅(um/mm)；t—時間(s)；T—周期(s)；φ0—初始相位（rad）；角頻率為ω——,上述函數(shù)式也可表示為：,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,1.振幅X,簡諧振動速度的函數(shù)式表示為：,簡諧振動加速度的函數(shù)式表示為：,速度比位移的相位超前90°；加速度比位移的相位超前180 °。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,1.振幅X,與振幅有關(guān)的物理量：,速度有效值Vrms；速度的最大幅值Vp；速度平均值Vav,Ff—波形系數(shù)；Fc—波峰系數(shù),幅值反映振動的強度，振幅的平方與物質(zhì)振動的能量成正比，振動診斷標(biāo)準(zhǔn)都是用振幅來表示的。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,2.頻率f,振動物體（或質(zhì)點）一秒鐘振動的次數(shù)，單位Hz。,頻率是振動診斷中非常重要的參數(shù)，在確定診斷方案，實施狀態(tài)識，選用診斷標(biāo)準(zhǔn)時都要用到振動頻率。 對振動信號作頻率分析是振動診斷最重要的內(nèi)容，也是振動診斷的最大優(yōu)勢。,振動的概念,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,3.相位,相位由轉(zhuǎn)角ωt與初相角φ0兩部分組成 振動信號的相位，表示振動質(zhì)點的相對位置。不同振動源產(chǎn)生的振動信號都有各自的相位。由幾個諧波分量疊加而成的復(fù)雜波形，即使各諧波分量的振幅不變，僅改變相位角，也會使波形發(fā)生很大變化，甚至變得面目全非。 相位測量分析在故障診斷中亦有相當(dāng)重要的地位，一般用于諧波分析，動平衡測量，識別振動類型和共振點等許多方面。,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,各種機器設(shè)備在運行中，都不同程度地存在振動，這是機械運行的共性。 不同的機器，或同一臺機器的不同部位，以及機器在不同的時刻或不同的狀態(tài)下，其產(chǎn)生的振動形式又往往是有差別的，這又體現(xiàn)了設(shè)備振動的特殊性。 1.按振動規(guī)律分類：,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,上述的分類方式，主要是根據(jù)振動在時間歷程內(nèi)的變化特征來劃分的。 大多數(shù)機械設(shè)備的振動是幾種不同類型振動的組合。 設(shè)備在實際運行中，其表現(xiàn)的周期信號往往淹沒在隨機振動信號之中。若設(shè)備故障程度加劇，則隨機振動中的周期成分加強，從而整臺設(shè)備振動增大。 因此，從某種意義上講，設(shè)備振動診斷的過程，就是從隨機信號中提取周期成分的過程。,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,2.按產(chǎn)生振動的原因分類,機器產(chǎn)生振動的根本原因，在于存在一個或幾個力的激勵。不同性質(zhì)的力激起不同的振動類型：,（1）自由振動：系統(tǒng)在初始干擾的作用后，僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動形式。系統(tǒng)中不存在阻尼的叫無阻尼自由振動，而有阻尼的則稱之為有阻尼自由振動。 （2）受迫振動：元件或系統(tǒng)的振動是由周期變化的外力作用所引起的，如不平衡、不對中所引起的振動。,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,2.按產(chǎn)生振動的原因分類,（3）自激振動：在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)自身的原因所產(chǎn)生的激勵而引起的振動，如油膜振蕩、喘振等。 由機械故障而產(chǎn)生的振動，多屬于受迫振動和自激振動。,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,3.按振動頻率分類,按頻率的高低，通常把振動分為3種類型。,目前，對劃分頻段的界限，尚無嚴(yán)格的規(guī)定和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同的行業(yè)，或同一行業(yè)中對不同的診斷對象，其劃分頻段的標(biāo)準(zhǔn)都不盡一致，在各類文獻中可見到多種不同的劃分方法。,振動的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在低頻范圍，主要測量的振幅是位移量。這是因為在低頻范圍造成破壞的主要因素是應(yīng)力的強度，位移量是與應(yīng)變、應(yīng)力直接相關(guān)的參數(shù)。 　　在中頻范圍，主要測量的振幅是速度量。這是因為振動部件的疲勞進程與振動速度成正比，振動能量與振動速度的平方成正比。在這個范圍內(nèi)，零件的疲勞破壞為主要表現(xiàn)，如點蝕、剝落等。 　　在高頻范圍，主要測量的振幅是加速度。它表征振動部件所受沖擊力的強度。沖擊力的大小與沖擊的頻率與加速度值正相關(guān)。,1.質(zhì)量 質(zhì)量（mass）是慣性（inertia）元件，國際單位kg。 根據(jù)牛頓第二運動定律（Newton’s second law of motion）,機械振動系統(tǒng)的基本構(gòu)成元素,機械振動,質(zhì)量是振動的執(zhí)行元件。質(zhì)量在振動系統(tǒng)中常簡化為剛體（rigid body）。具有速度的質(zhì)量具有動能（kinetics）,質(zhì)量是振動系統(tǒng)中必需的元素，是承載運動的實體。在振動系統(tǒng)中，質(zhì)量的速度是變化的，其動能也隨之變化。,2.彈簧 彈簧（spring）是具有彈性的元件，彈性的大小用剛度表示。彈簧的變形產(chǎn)生彈性力：,機械振動系統(tǒng)的基本構(gòu)成元素,機械振動,k為彈簧剛度（spring stiffness），其單位為N/m。 彈簧是儲能元件，對彈簧做功（work），彈簧發(fā)生變形將功轉(zhuǎn)化為勢能（potential energy）。,3.阻尼 振動中把振動系統(tǒng)中的動能和勢能轉(zhuǎn)化為熱能、噪聲等其他形式的能量的元件為阻尼（damp）。振動系統(tǒng)中的阻尼一般認(rèn)為是粘性阻尼（viscous damping）,機械振動系統(tǒng)的基本構(gòu)成元素,機械振動,c為粘性阻尼系數(shù)，其單位為N·s/m。 系統(tǒng)中任意兩點x1和x2間由粘性阻尼力所做的功為：,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,一、單自由度無阻尼線性系統(tǒng)的振動,單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動的力學(xué)模型,l0—彈簧的原長；δst—彈簧在重物作用下的靜伸長量；x—彈簧的伸長量（平衡位置處x的取值為0）;K—系統(tǒng)彈性系數(shù)；m—重物質(zhì)量,當(dāng)系統(tǒng)受到外界的某種初始擾動時，系統(tǒng)的靜平衡條件受到破壞，彈性力不再與重力平衡，而產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，系統(tǒng)將圍繞其靜平衡位置作往復(fù)運動，亦即自由振動。,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,響應(yīng)的一般形式為：,,—系統(tǒng)的固有頻率，rad/s,A—振幅，mm,—初相位角，rad,單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動是一簡諧振動。 振動的固有頻率 ，僅與系統(tǒng)的質(zhì)量m和剛度K來決定，而與初始條件無關(guān)，是系統(tǒng)所固有的。 常力只改變系統(tǒng)的靜平衡位置，而不影響系統(tǒng)的固有頻率、振幅和初相位，即不影響系統(tǒng)的振動。,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,二、單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動,實際的結(jié)構(gòu)在振動時，會受到種種阻尼力的作用。如材料內(nèi)部由于材質(zhì)不均而發(fā)生的微塑變形產(chǎn)生的阻力，或由于存大量細(xì)小的裂縫而產(chǎn)生摩擦力，以及外部空氣阻力，元件接點摩擦等。,F=-cV,F—空氣阻力，N；V—振動物體的速度，mm/s；c—比例系數(shù),振動系統(tǒng)有兩個重要參數(shù)：,阻尼系數(shù)：,阻尼比：,阻尼系數(shù)或阻尼比越大，表示阻尼越大。,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,二、單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動,1.弱阻尼狀態(tài)（ ，即 ）,（1）系統(tǒng)的振動不再是等幅的簡諧振動，而是振動按規(guī)律 衰減的振動。,自由衰減振動曲線,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,二、單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動,1.弱阻尼狀態(tài)（ ，即 ）,（2）阻尼系統(tǒng)的振動名義周期略為增大。,（3）阻尼使系統(tǒng)振動的振幅按幾何級數(shù)衰減。,減幅系數(shù),自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,二、單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動,2.強阻尼狀態(tài)（ ，即 ）,系統(tǒng)不再具有振動特性，其位移按指數(shù)規(guī)律衰減。,強阻尼狀態(tài)下的響應(yīng)曲線,自由振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,二、單自由度有阻尼線性系統(tǒng)的振動,3.臨界阻尼狀態(tài)（ ，即 ）,系統(tǒng)不再具有振動特性。,臨界阻尼狀態(tài)下的響應(yīng)曲線,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,一、簡諧力作用下單自由度系統(tǒng)的強迫振動,1.強迫振動的響應(yīng),當(dāng)質(zhì)量塊m上作用簡諧力F后，可得強迫振動響應(yīng)方程為：。,簡諧激振力學(xué)模型,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,初相位角：,振幅：,其中，,稱為靜變位,稱為頻率比,稱為阻尼比,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,強迫振動的一些普遍性結(jié)論：,（1）振動頻率 系統(tǒng)在簡諧激振力作用下的強迫振動是與激振力同頻率的簡諧振動。 （2）激振力幅值的影響 當(dāng)其他條件不變時，強迫振動的振幅與激振力的幅值成正比。 （3）頻率比的影響 頻率比對振幅的影響關(guān)系復(fù)雜，為此，需引入一個新的變量—振幅的放大因子β,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,幅頻特性曲線,當(dāng) 時， ，即此時的振幅B與激振力幅值作用引起的靜變位差不多，這說明激振力變化緩慢，對振動影響不大； 當(dāng) 時， ，這說明當(dāng)激振力頻率很高時，系統(tǒng)由于慣性跟不上迅速變化的激振力，此時，振動消失。 當(dāng) 時，β可能很大，這種現(xiàn)象稱為共振，由于阻尼較小時，對共振頻率影響不大，所以一般稱 為共振頻率。,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,強迫振動的一些普遍性結(jié)論：,（4）阻尼的影響 阻尼對振幅的影響只在共振區(qū)附近起作用，當(dāng)0.7<λ<1.25時，阻尼比ξ越大，共振振幅越??；當(dāng)偏離共振區(qū)較遠(yuǎn)時，阻尼的影響不大。此外，阻尼的存在還使共振峰向左移動，即最大振幅不是發(fā)生在λ=1處，而是發(fā)生在λ<1的位置。 （5）相頻特性 強迫振動的位移響應(yīng)落后于激振力F，它們之間有一個相位差φ0，可用相頻特性曲線描述。,強迫振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,相頻特性曲線,所有曲線都過（1,π/2）點，即共振時的相差差為π/2，而與阻尼比無關(guān)，這是共振的一個顯著特點。,自激振動（self excited vibration）指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到自身控制的激勵作用時所引起的振動 。 自激振動與周期激勵的響應(yīng)相比，仍然是一種周期振動，它也是靠外界能源的驅(qū)動形成的，不同的是其能源是一個能量不變的能源，能源本身不直接給系統(tǒng)提供周期性變化的能量，系統(tǒng)振動能量的周期性變化是靠系統(tǒng)固有的某種自動調(diào)節(jié)機制、周期性地向能源和環(huán)境吞吐能量形成的。 振動系統(tǒng)周期性地向能源吸收能量而能源的能量保持不變，這只能在能源的能量大大超過振動能量的前提下才能近似實現(xiàn)，這是自激振動系統(tǒng)的另一個特征。,自激振動概述,機械振動,圖1的電鈴系統(tǒng)是一個自振系統(tǒng)的實例。對電鈴而言，能量為直流電源，在一定時期內(nèi)，能量近似恒定，接通電源后，鈴錘在電磁力作用下，彎曲敲擊銅鈴，同時電路觸點斷開，電磁吸力消失；在這個過程中，振系從能源吸收電能，一部分轉(zhuǎn)化為鈴錘的動能和彈性勢能，另一部分由于材料阻尼、敲擊等因素而耗散。,自激振動的機理,機械振動,圖1 電鈴,接下來的過程是，彈性勢能使鈴錘恢復(fù)形狀，使電源再次接通，完成一次振動，并開始下一次振動。 自激振動的形成過程和機理是：振系在某些初始激勵下能作往復(fù)運動，同時振系內(nèi)有一個固有的自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)起作用，它能自動感知振系狀態(tài)，根據(jù)振系狀態(tài)自動調(diào)節(jié)能量的吸收，并能使振系在每個往復(fù)運動中吸收的能量逐漸等于耗散的能量，從而使振系的能量和狀態(tài)周期性變化，即形成自激振動。,自激振動的機理,機械振動,自激振動形成的機理：,自激振動的機理,機械振動,能源,調(diào)節(jié)器,振動系統(tǒng),狀態(tài)反饋,,,,,,圖中的調(diào)節(jié)器是前述的自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，對于某些振系，調(diào)節(jié)器是一個實際存在的裝置，如電鈴，其調(diào)節(jié)器為電磁斷續(xù)器，而對很多振系，調(diào)節(jié)器并不是一個明確的裝置，而是系統(tǒng)自身的特征和參數(shù)綜合形成的一個自動控制環(huán)節(jié)。,自激振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在非線性機械系統(tǒng)內(nèi)，由非振動性能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝蛹钏a(chǎn)生的振動稱為自激振動。 自激振動也稱為負(fù)阻尼振動，這是因為這種振動在振動體運動時非但不產(chǎn)生阻尼力來阻止振動，反而按振動體運動周期持續(xù)不斷地輸入激勵能量來維持物體的振動動。物體產(chǎn)生自激振動時，很小的能量即可產(chǎn)生強烈振動。只是由于系統(tǒng)的非線性，振幅才被限制在一定值之內(nèi)。常見的自激振動如油膜振蕩、喘振等。 自激振動，常使設(shè)備運行失去穩(wěn)定性，因此必須引起注意。,自激振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,自激振動有如下特點： （1）隨機性。因為能引發(fā)自激振動的激勵力（大于阻尼力的失穩(wěn)力）一般都是偶然因素引起的，沒有一定規(guī)律可循。 （2）振動系統(tǒng)非線性特征較強，即系統(tǒng)存在非線性阻尼元件（如油膜的粘溫特性，材料內(nèi)摩擦）、非線性剛度元件（柔性轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)松動等）時才足以引發(fā)自激振動，使振動系統(tǒng)所具有的非周期能量轉(zhuǎn)為系統(tǒng)振動能量。,自激振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,自激振動有如下特點： （3）自激振動頻率與轉(zhuǎn)速不成比例，一般低于轉(zhuǎn)子工作頻率，與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速相符合。但由于系統(tǒng)的非線性，系統(tǒng)固有頻率會有一些變化。 （4）轉(zhuǎn)軸存在異步渦動。 （5）振動波形在暫態(tài)階段有較大的隨機振動成分，而穩(wěn)態(tài)時，波形是規(guī)則的周期振動，這是由于共振頻率的振值遠(yuǎn)大于非線性影響因素所致；與一般強迫振動近似的正弦波（與強迫振動激勵源的頻率相同）有區(qū)別。,自激振動,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,對于結(jié)構(gòu)件，因局部裂紋、緊固件松動等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的特性參數(shù)發(fā)生改變的故障，多利用脈沖所激勵的自由振動來檢測，以測定構(gòu)件的固有頻率、阻尼系數(shù)等參數(shù)的變化。 對于減速箱、電動機、低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等的機械故障，主要以強迫振動為特征，通過對強迫振動的頻率成分、振幅變化等特征參數(shù)的分析，來鑒別故障。 對于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及能被工藝流體所激勵的設(shè)備，除了需要監(jiān)測強迫振動的特征參數(shù)外，還需監(jiān)測自激振動的特征參數(shù)。,