机械设备振动状态监测技术经典教材

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,*,机械设备振动状态监测技术,机械工程学院,阳建宏,由于共振所产生大桥坍塌事故,地震及其危害,设备的振动,设备振动出现异常,振动的基础知识,振动传感器,振动信号的采集,振动信号的分析,主要内容,振动：,在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。,x,t,A,T,m,f,k,x,(,t,),什么是振动？,幅值：,振动能量大小,频率：故障定位,相位,分类,名 称,主要特征与说明,按系统的自由度,单自由度系统振动,用一个独立变量就能表示系统振动,多自由度系统振动,须用多个独立变量表示系统振动,连续弹性体振动,须用无限多个独立变量表示系统振动,按系统结构参数的特性,线性振动,可以用,常系数线性微分方程,来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比,非线性振动,要用,非线性微分方程,来描述，即微分方程中出现非线性项,振动的分类,分类,名 称,主要特征与说明,按,振,动,产,生,的,原,因,自由振动,系统受初始干扰或外部激振力取消后，,系统本身由弹性恢复力和惯性力来维持的振动,。当系统无阻尼时，振动频率为系统的固有频率；当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐减弱,受迫振动,由于外界持续干扰引起和维持的振动,，系统的振动频率为激振频率,自激振动,系统在输入和输出之间具有反馈特性时，在一定条件下，,没有外部激振力而由系统本身产生的交变力,激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固有频率,振动的分类,分类,名 称,主要特征与说明,按,振,动,产,生,的,方,向,横向振动,振动发生在包括转轴的横向,xoy,平面内,，大多数故障所激发的振动为此类振动,轴向振动,振动发生在转轴轴线,z,方向,上，某些故障如不对中将会激发轴向振动,扭转振动,沿转轴轴线发生的,扭振,，多盘转子的柔性轴将会产生扭振,振动的分类,y,x,z,0,最简单的转子系统,设计原因,设计不当，运行时发生强迫振动,/,自激振动,结构不合理，应力集中,设计工作转速接近或落入临界转速区,热膨胀量计算不准，导致热态不对中,制造原因,零部件加工制造不良，精度不够,零件材质不良，强度不够，制造缺陷,为什么会产生振动？,安装,/,维修的原因,机械安装不当，零部件错位，预负荷大,轴系对中不良,机器几何参数,(,配合间隙、过盈量及相对位置,),调整不当,操作运行的原因,工艺参数,(,介质的温度、压力、流量、负荷,),偏离设计值,转速接近或落入临界转速区,润滑或冷却不良,启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长,为什么会产生振动？,机器劣化的原因,零部件磨损、点蚀、脱落、腐蚀、产生裂纹,配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度,机器基础沉降不均匀，机器壳体变形,为什么会产生振动？,测定机械系统的,动态响应特性,，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；,分析振动产生的原因，,寻找振源,，以便有效地采取减振和隔振措施；,对运动中的机器进行,故障监控,，以避免重大事故。,为什么要研究振动？,振动的基础知识,振动传感器,振动信号的采集,振动信号的分析,主要内容,传感器类型及原理,传感器的选择,传感器的安装,传感器的标定,振动传感器,振动传感器的分类,类别,具体说明,按测量原理分,机械方法 、光学方法 、电测法,按测振参数分,位移传感器、速度传感器、加速度传感器,按转换原理分,磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式,按传感器与,被测物关系分,接触式传感器、非接触式传感器,工作原理：,当一块金属导体置于一个由通有高频电流的线圈所产生的交变磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应的作用，金属导体内将产生一个闭合的电流环，此即“电涡流”。,电涡流将产生一个与交变磁场相反的涡流磁场的变化，,从而使原线圈的阻抗、电感和品质因素都发生变化，且它们的变化量与线圈到金属导体之间的距离,x,的变化量有关，于是就把位移量变成了电量。,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器,工作原理：,电涡流效应。,根据法拉第电磁感应原理，块状,金属导体,置于,变化的磁场,中或在磁场中作,切割磁力线运动,时，导体内将产生呈,涡旋状的感应电流,，此电流叫,电涡流,，以上现象称为电涡流效应。,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。,电涡流位移传感器,将,高频,（,100kHz,左右）信号源产生的高频电压施加给电感线圈,L,时，将产生高频磁场,H,0,被测导体置于该交变磁场范围之内时，,被测导体内就产生电涡流,i,1,。,电涡流产生与,H,0,方向相反的磁场,H,1,因涡流磁场的反作用，电感线圈的电流幅度、相位等,（有效阻抗）发生改变，,经检测电路可转换成电压或电流的变化,电涡流位移传感器,通常,假定,金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，电感线圈有效阻抗的变化与金属体磁导率,、电导率,、线圈的尺寸因子,T,、电流频率,、电流强度,I,以及,线圈到金属导体表面的距离,D,等参数有关。,Z = f (, T, I, D,),控制, T, I,在一定范围内不变，则线圈阻抗,Z,就成为距离,D,的,单值函数,虽然整个函数是非线性的，其函数特征为“,S”,型曲线，但可取近似线性的一段。（,使用时应注意线性范围,）,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器的使用注意事项,（,1,）被测体材料对传感器的影响,传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关,当被测体为,导磁材料,（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，涡流效应减弱，,传感器灵敏度降低,。,而当被测体为,弱导磁材料,（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此,传感器感应灵敏度要高,。,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器的使用注意事项,（,2,）被测体表面平整度对传感器的影响,不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对,被测体表面应该平整光滑,，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。,一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在,0.4um,0.8um,之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在,0.4um,1.6um,之间。,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器的使用注意事项,（,3,）被测体表面磁效应对传感器的影响,涡流在金属导体中的深度方向分布是按指数规律衰减的。,电涡流效应主要集中在导体表面。（集肤效应）,。,加工过程中可能形成的,残磁效应,，以及,淬火不均匀,、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。振动测量时，若被测体表面残磁效应过大，会导致测量波形畸变。,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器的使用注意事项,（,4,）被测体表面镀层对传感器的影响,被测体表面的镀层对传感器的影响,相当于改变了被测体材料,，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。,电涡流位移传感器,电涡流位移传感器的使用注意事项,（,5,）被测体表面尺寸对传感器的影响,在线圈轴线附近，涡流密度非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线圈外径,1.8,倍处,涡流将衰减到最大值的,5,。,被测体表面为平面时，被测面直径应大于线圈直径的,1.5,倍；,当被测体为圆轴且轴线与线圈中心线正交，一般要求被测轴直径为线圈直径,3,倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。,优点：,能实现非接触式测量,灵敏度高、频响范围宽、测量范围大,抗干扰能力强、结构简单、容易标定,可以实现静态和动态测量,缺点：,对被测材料敏感,对同一材料，若被测表面的材质不均，或内部有裂纹等缺陷，都会影响测量结果。（可用此进行无损探伤）,被测体的形状对测量结果也有影响。,电涡流位移传感器,磁电式速度传感器,当穿过匝数为,w,线圈的磁通,发生变化时，其感应电动势为,置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为,磁电式绝对速度计,1,、,9,弹簧片；,2,磁靴；,3,阻尼环；,4,外壳；,5,铝架；,6,磁钢；,7,线圈；,8,线圈架；,10,导线；,11,接线座,磁电式速度传感器,磁电式速度传感器,振动监测,优点：,输出信号与振动速度成正比，因此较好的兼顾了高频与低频振动,由永久磁铁感应出电动势，传感器本生不需要电源，使用方便,磁钢,-,线圈型结构容易获得高灵敏度，可测量微小振动,缺点：,体积大，重量大，不适合狭小空间和轻小设备的测量,动态范围有限，低频线性差,难以实现静态测量,对安装角度要求较高，有的型号只适用于垂直安装，而有的型号只适用于水平安装,磁电式速度传感器,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器结构图,压电式传感器,压电效应：,某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态的现象称为压电效应。,压电式加速度传感器：,以压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。,石英晶体,(a),晶体外形；,(b),切割方向；,(c),晶片,压电式加速度传感器,33,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器信号需要经过的后续的,电荷放大器,才能进入数据采集器,ICP,型,，放大电路内置的压电式传感器，美国,PCB,公司第一次使用。,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器,思考：,用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？,由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；,而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。,优点：,频带极宽（,0.220kHz,）；,本身质量小,(250 g),；,动态范围很大；,缺点：,会受电场的干扰，且有电荷泄露；,某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。,压电式加速度传感器,传感器类型及原理,传感器的选择,传感器的安装,传感器的标定,振动传感器,传感器的选择,灵敏度,从一定角度讲，传感器的灵敏度越高越好，灵敏度越高意味着传感器能够感知的变化量越小，被检测的参数稍有微小变化就能被检测出来。,但是，,当灵敏度很高时，与测量信号无关的外界噪声容易混入,，并且会被电子系统进一步放大。这时就要求提高信噪比。,量程,也是限制灵敏度的另一个因素。,当被测量是一个,单向向量,时，要求传感器单向灵敏度愈高愈好，横向灵敏度愈低愈好；如果被测量是,二维或三维向量,，对传感器还应要求交叉灵敏度愈低愈好。,精确度,表示,输出与被测物理量的对应程度,。,与精确度相对应的是误差，在工程中常用误差指标来代替精确度指标。精确度有,绝对精确度,和,相对精确度,两个指标。,精确度越高，价格越贵,，因此要从实际需要出发来选择传感器精度。在实际工程测试中，一般情况下要求精度达到,1.5%,左右即可，有时甚至,3%,5%,也是可以接受的。,传感器的选择,线性即传感器输出与输入成比例关系，任何传感器都有一定的线性工作范围，,线性范围愈宽，表明传感器的工作量程愈大,。,传感器在线性区内工作，是保证测量精度的基本条件,，但保证绝对工作在线性范围内是不容易的，在某些情况下，在许可限度内也可以取其近似线性区域。如电涡流传感器，其工作区间选在初始间隙附近，选用时必须考虑被测量变化范围，保证其非线性误差在允许限度内。,传感器的选择,线性范围,稳定性表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。,影响传感器稳定性的因素主要有时间、环境等,。,为保证稳定性，在选择传感器时应考虑其使用环境，以选择合适的传感器类型。在工程实际应用往往要求传感器能长期使用而,不需经常更换或校准,，在这种情况下，对传感器的稳定性有严格的要求,。,传感器的选择,稳定性,频率响应特性是指在所测评论范围内，,传感器的输出能够真正反映被测参数而不失真，,是传感器的主要动态指标。,任何传感器的频率范围都有一定的限定范围，如：,位 移传感器,为,0,10kHz,，能给出准确的低频振幅及相位,速 度传感器,为,5,2kHz,，能对中频的振动产生较强的信号,加速度传感器,为,5,20kHz,，高频范围信号较强。,应根据被测对象及其,可能发生故障的性质,选择适用的传感器。,传感器的选择,频率响应特性,传感器的测量方式也是选用传感器时应考虑的重要因素。如,接触与非接触,，,在线与离线,测量，条件不同，对传感器的要求亦不同,对,运动部件,的测量一般应采用非接触测量方式。此时采用电容式、电涡流式等非接触传感器比较方便,测量对象的不同与使用场合的不同，所采用的传感器往往也不同。例如：,对,大型、高精度、价值高和关键,的设备，测试时往往选用精度高，稳定性好的传感器；,对,长期连续工作的监测系统,，应重点考虑传感器的稳定性；,高温场合,应重点考虑传感器的耐温性能，强电干扰场合，不应选用磁电式或霍尔元件传感器。,传感器的选择,测量方式与使用场合,传感器类型及原理,传感器的选择,传感器的安装,传感器的标定,振动传感器,尽可能地避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量结果的有效性,对各测点做出标记,，以保证每次测量的部位不变,测量部位的,表面应是光滑洁净,的，避免脏物对振动传递造成衰减,对于,低频振动,，应在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时，还应在轴向进行测量；而对于,高频振动,，则只需在一个方向进行测量。,H,V,传感器安装位置的选择,测量,转轴,时 通常是在一个平面内正交的两个方向分别安装一个探头,即两个测点相差,90,度。,轴颈的径向振动测量,传感器安装位置的选择,在测,轴承,的振动时，测量点应尽量靠近轴承的承载区；与被监测的转动部件最好只有一个界面，测量点必须要有足够的刚度。,传感器安装位置的选择,1,2,3,4,测量径向振动，在承载区最合适,测量轴向振动，路径最短最合适,？,2024/9/28,加速度传感器的安装方式,暂时安装：,所使用的方法应具有良好的可重复性,振动探针,磁铁,快速连接装置,例如：振动探针安装,仅用于难以接近的测点和,铝制,表面，不能测量低于,10HZ,的振动，共振频率范围,800-1500HZ,加速度传感器的安装方式,磁铁固定,可以在有微小曲面的机器表面安装,机器表面和磁性必须保持清洁和良好的维护，所有沙粒、金属颗粒、毛刺都必须去除,黄油、蜂蜡等耦合剂经常与有平坦底部的磁体一起使用,注意：,磁铁安装座具有很强的磁性，当把它安装到机器上时，应先放在设备的边缘上然后,慢慢移动到目标位置,，否则由于巨大的磁性冲击力作用可能会导致传感器的损坏,分类：,两极磁铁：用于不规则表面或曲面,平面磁铁：用于平坦表面,加速度传感器的安装方式,永久螺栓固定,通过在设备外壳上钻螺纹孔，用双头螺栓与设备直接连接，能获得最高的频率范围,可以用环氧树脂粘合垫子来代替钻孔，将传感器安装到垫子上，如果安装合理的话，也能达到接近双头螺栓安装的效果,双头螺栓固定,粘合垫子,加速度传感器的安装方式,目前最好的安装方式采用,双头螺栓,直接将传感器与机器表面连接起来，其它安装方式会引入安装共振。,加速度传感器的安装方式,安 全 性：,安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安全,最短路径：,在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径,防 共 振：,不能将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等部件,加速度传感器的安装方式,(,小结,),传感器类型及原理,传感器的选择,传感器的安装,传感器的标定,振动传感器,用高精度的测量仪器标定低精度的测量仪器,振动：激振器,建立电压变化与实际物理量变化的关系,曲线拟合,最小二乘,电压,(V),加速度,(mm/s,2,),振动传感器的标定,振动的基础知识,振动传感器,振动信号的采集,振动信号的分析,主要内容,