振动基础知识教材课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,振动,和,振动测试,的,基 础 知 识,振动和振动测试的基 础 知 识,1,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,内 容 提 要 简谐振动三要素 旋转机械振动的测量,2,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,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,振幅 A (Amplitude)简谐振动的三要素,3,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,振动位移、速度、加速度之间的关系 振动位移 (Displac,4,振 动 的 时 域 波 形,名 称 波 形 名 称 波 形,振 动 的 时 域 波 形 名 称 波,5,正峰值,负峰值,平均绝对值,有效值,平均值,峰峰值,各幅值参数是常数，彼此间有确定关系,峰值,x,p,=A,;,峰峰值,x,p,-,p,=,2,A,平均绝对值,x,av,=,0.637,A,有效值,x,r,ms,=0.707,A,平均值,简谐振动的幅值参数,正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值 各幅值参,6,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,正峰值,负峰值,峰峰值,x,rms,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正,7,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/s,2,）,常用的幅值参数及其单位 位移,8,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,9,各种振动的频谱图,名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱,各种振动的频谱图名称 波 形 频 谱,10,时间域 频率域,FFT,IFFT,时间域 频率域FFTIFFT,11,振动系统及其自由度,能作振动的机械系统，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。,振动系统及其自由度能作振动的机械系统，在力学中称为振动系统。,12,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,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,13,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,多自由度振动系统图中数字为系统的自由度数53226,14,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,f,n,阻尼比,n,振型,各个坐标在振动,中的比例,振动系统的模态单自由度系统有一个模态多自由度系统有多个模态,15,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,第二阶模态,第一阶模态,节点,模态参数包括：固有频率、振型 和阻尼比。两自由度系统的模态举,16,三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,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,17,振动系统对激励的响应,振动系统,单自由度 多自由度,强迫振动,自由振动,持续激励,初始激励,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。,振动系统对激励的响应强迫振动自由振动持续激励初始激励激 励,18,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。,单自由度系统的自由振动它是模态振动。,19,不同阻尼比的自由振动,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,不同阻尼比的自由振动初始位移初始速度a 无阻尼,20,由自由振动确定模态参数,由自由振动确定模态参数,21,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,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。多自,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振动的频率等于激励的频率。,23,单自由度系统的强迫振动,幅频特性,相频特性,激励频率,激励频率,响应幅值,响应位相,单自由度系统的强迫振动幅频特性相频特性 激励频率激励频率响,24,由强迫振动确定模态参数,由强迫振动确定模态参数,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，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,振动的频率等于外激励的频率。多自由度系统的强迫振动,26,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,激励频率,f,振幅,第1阶共振,第3阶共振,第2阶共振,与多个固有频率对应，有多个共振峰。多自由度系统的强迫振动激励,27,磁带记录仪,频谱分析仪,打印机,存储设备,绘图仪,测量电路,基频检测仪,记录仪,数据采集和,分析系统,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,磁带记录仪频谱分析仪打印机存储设备绘图仪测量电路基频检测仪记,28,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：,10,Hz1000Hz,典型线性范围：,02,mm,典型灵敏度 ：,20,mV/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。,磁电速度传感器接收形式：惯性式测量非转动部件的绝对振动的速度,29,典型的磁电速度传感器及其特性,典型的磁电速度传感器及其特性,30,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：,0.2,Hz10kHz,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。,压电加速度传感器接收形式：惯性式测量非转动部件的绝对振动的加,31,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典型结构晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座,32,压电加速度传感器的安装频率,预紧环,底座,质量块,出线口,晶体片,压电加速度传感器的安装频率预紧环底座质量块出线口晶体片,33,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,。,接收形式：相对式,变换形式：电涡流,典型频率范围：,020,kHz,典型线性范围：,02,mm,典型灵敏度 ：,8.0,V/mm,(,对象为钢),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,34,涡流位移传感器及其前置器,涡流位移传感器及其前置器,35,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,涡流传感器的工作原理输出电压 u 正比于间隙 d,36,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）,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,37,轴承振动的测点布置,轴承振动的测点布置,38,轴振动的测点布置,轴振动的测点布置,39,轴承振动与轴振动的比较,轴承振动与轴振动的比较,40,基频,是,转速频率,，记作 1,R,。,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,基频是转速频率，记作 1R。基频分量的幅值和相位,41,键相与相位参考脉冲,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,键相与相位参考脉冲在转子上刻印键相标记K ，在轴承座上布置,42,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,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,43,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 (Wave)旋转机械的振动图示 (定转速),44,波形图、频谱图及轴心轨迹,波形图、频谱图及轴心轨迹,45,轴心轨迹阵,各转速下的轴心轨迹的组合,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),轴心轨迹阵旋转机械的振动图示 (变转速),46,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,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,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。,波德图和极坐标图波德图(Bode Plot)和极坐标图(Po,48,三维频谱图是,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）,三维频谱图是频谱的集合。三维频谱图 （谱阵图）,49,第三个坐标也可以是,时间,(日期)、工艺参数等。,三维频谱图 （谱阵图）,第三个坐标也可以是时间(日期)、工艺参数等。三维频谱图 （谱,50,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。,涡流传感器,的输出信号,动态,部分,静态,部分,轴心,轨迹,轴心,位置,间隙,变化,平均,间隙,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。涡,51,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,。,从轴心位置的变化发现故障汽轮发电机中压缸轴承,52,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,2,X,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。,摆振信号及其来源机械方面的原因：电磁方面的原因：摆振信号是周,53,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。,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。,54,x,rms,有效值,x,p,峰值,x,av,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。,xrms 有效值无量纲时域参数 波形指标 (Shape f,55,讲演到此结束,欢迎批评指正,讲演到此结束,56,