狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術第三章振動監(jiān)測技術

1、第三章振動監(jiān)測技術第一節(jié)機械振動基礎一、引言在機械設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術中，振動監(jiān)測是普遍采用的基本方法。當機械內部發(fā)生異常時，一般都會隨之出現(xiàn)振動加大和工作性能的變化。因此，根據(jù)對機械振動信號的測量和分析，不用停機和解體方式，就可對機械的劣化程度和故障性質有所了解。另外，振動的理論和測量方法都比較成熟，且簡單易行。機械振動：表示機械系統(tǒng)運動的位移、速度、加速度量值的大小隨時間在其平均值上下交替重復變化的過程。機械振動可分為確定性的振動和隨機振動兩大類，前者可用下列簡單的數(shù)學解析式表示，即d=D(t)(3-1)式中d-振動位移，它是時間t的函數(shù)。隨機振動不能用此式來描述，其振動波形呈不規(guī)

2、則的變化，可用概率統(tǒng)計的方法來描述。在機械設備的狀態(tài)監(jiān)測中，常遇到的振動多為周期振動、準周期振動、窄頻帶隨機振動和寬頻帶隨機振動等，以及其中幾種的組合。讀者可以通過圖3-1了解各種振動的特征。二、簡諧振動簡諧振動是機械振動中最簡單最基本的振動形式。圖3-2所示由彈簧系數(shù)為K和質量為M所組成的質量彈簧系統(tǒng)。若拉下重錘，當自然長度達到D時放開，則重錘即作周期性的上下振動。此時如取時間d對時間t形成了可以用正t為橫軸，則重錘在任何時間的位置便可用圖中實線的正弦波表示。這樣位移弦曲線表示的振動，這種簡單的可用正弦表示的周期振動稱為簡諧振動，它表示為d=Dsin(2無/T*t+)(3-2)式中D-最大振

3、幅，又稱峰值，2D稱為雙峰值，其單位為mngm（mm=10的-3立方mm;T-振動的周期，即再現(xiàn)相同振動狀態(tài)的最小時間間隔，單位為秒（s）。振動周期的倒數(shù)稱為振動頻率，單位為赫茲（Hz）即f=1/T（Hz）（3-3）頻率f又可用角頻率來表示，即3=2天/T（rad/s）（3-4）3和f的關系為3=2無f（rad/s）（3-5）f=3/2無（Hz）將式（3-4）代入式（3-2）可得d=Dsin（3t+?。?-6）此處令q=31+小（3-7）式中q-簡諧和振動的相位，是時間t的函數(shù)，弧度（rad）;6-初始相位；3-角速度，rad/s。描述機械振動的三個基本要素即是上述的振幅、頻率和相位。簡諧振

4、動除可用式（3-2）位移表示外，同樣可用相應的速度和加速度表示。簡諧振動的速度v（cm/s）,加速度a（cm/s的平方）可由式（3-6）經過一、二次微分求得。V=dd/dt=D3cos(3t+<j)=Vsin(wt+無/2+<j)=Vcos(wt+<j)(3-8)即速度v為比位移d的相位超前M2的正弦波。a=dv/dt=-32Dsin（3t+<j）=Asin（wt+x+（j）（3-9）加速度a是比位移d的相位超前天的正弦波，在圖3-2上表示出了三者的關系。由式3-8）、（3-9）和頻率f可求得3-6）、表示：V=3D=2無fDA=32D=(2無f)2D為計算上和工程使用

5、上的方便，加速度A以重力加速度值(3-10)980cm/s的平方為單位，即以它的倍數(shù)G=A(cm/s2)/980(cm/s2)=A/980(3-11)因此，如位移D用gm表小，則速度和加速度可表不為V=2無fDX6.28fDX10-4(cm/s)(3-12)A=(2xf)2DX10-4(cm/s)或A=(2xf)2D/980X10-4=4.02f2DX10-6(G)(3-13)式（3-12）和式（3-13）在工程實用上是十分重要的，可根據(jù)位移D和頻率f計算出速度V和加速度A,反之亦然。另外，在實用上為了節(jié)省計算時間，可作成如圖3-3所示的振動換算表。利用此圖表換算時，應注意以下兩點：第一，用振

6、動計讀取位移，多數(shù)振動計讀取的是雙峰值2D,因此使用時必須除以2換成單峰值才可以計算。第二，此圖表的換算關系是對簡諧和振動而言，因此，不是簡諧振動不能使用。1 振動的幅值度 a(t)實測的機械振動信號X(t)，其振幅值如前所述有三種特征量，即位移d(t)，速度v(t)和加速幅值有三種表示法，即(1)峰值：Xp表示單峰值，Xp-p表示雙峰值。振動信號大多以單峰值表示；Xp、Xav、Xrms三者之間的關系見圖3-4對簡諧振動d=Dsin( 3t+ <j)2 .振動的頻率f頻率是振動的重要特性之一。不同的零部件，不同故障源，可能產生不同頻率的振動。因此，作為設備監(jiān)測技術，振動的頻率分析是其重要

7、內容之一。3 .相位q如圖3-1所示，簡諧振動的d與v、d與a之間的相位差分別為 無/2和無。對于兩個振源，同位相同可使振幅疊加，產生嚴重后果；反之，相位相反可能引起振動抵消，起到減振作用，因此，相位也是振動特征的重要信息。相位測量可用于：1 .諧波分析；2 .動平衡測定；3 .振型測量；4 .判斷共振點等。三、周期振動若振動波形按周期T重復相同圖形，也就是X(t)=X(t+nT)(n=0,1,2 )(3-16)成立時，稱為周期振動，相對簡諧振動而言，一般它是一個復雜的周期振動，是若干個簡諧振動疊加合成的結果。在機械設備運行中，發(fā)生周期振動或準周期振動的情況很多。準周期振動雖然不完全是周a -

8、 LZ.l 工 (g卬(tl K廿二立修H初出偏用小再暮宸聚闔龍&IK忤"鐘；等酸涓S13-5推波和包含二汽潛流的同電振動期振動，但由于包絡線處理后能夠使之人實質上變?yōu)橹芷谡駝樱史Q其為準周期振動。1分解周期振動為簡揩振動圖3-5所示為某簡諧和振動及其二次諧波之和所形成的周期振動。圖3-5(a)所示為周期振動X(t),它是由X1(t)和X2(t)兩個簡諧振動合成的結果，它們的初相位相等，如X1(t)=Xpsin2TtfotX2(t)=Xp/2xsin4Mot則周期振動為X(t)=X1(t)+X2(t)=Xpsin2無fot+Xp/2xsin4無fot這種由基波X1(t)和二次

9、諧波X2(t)疊加形成的周期振動，在發(fā)動機等往復運動機械振動監(jiān)測中?？捎鲆姷酱诵问降恼駝?。圖3-5(b)所示為基波X1(t)和初相位相差無/2的二次諧波X2(t)疊加的結果，其中X1(t)=Xpsin2TtfotX2(t)=Xp/2X(4無fot所以疊加的周期振動為X(t)=X1(t)+X2(t)=Xpsin2xfot+Xp/2Xsin(4無fxot-無/2)圖3-5(a)和圖3-5(b)初看時波形雖然很不同，但若將它分解為簡諧振動，即進行頻率分析時，則如圖3-5(c)所示，兩者在頻率fo和2fo處均成為具有相同幅值的離散頻譜。雖然這兩個周期振動的頻率成分相同，但因其相位不同，振動波形也不相同

10、。任意周期振動X(t)可以用傅里葉級數(shù)表示：X(t)=ao/2+a1cos2無fot+a2cos4無fot+a3cos6無fot+-+ancos2n無fot+b1sin2xfot+b2sin4xfot+b3sin6xfot+-+bnsin2nxfot式中ao、an、ab-傅里葉系數(shù)，可根據(jù)周期振動X(t)在周期T內積來確定。由此可知，將周期振動分解為簡諧振動，也就是進行頻率分析的計算。例一圖3-6(a)所示振幅為D的三角波。三角波位移描述為將上式畫成圖譜，即得到如圖3-6(b)所示的三角波振動的頻譜。可以看出圖3-6(a)的三角波3fo、5fo、7fo 振動中不存在余弦成分an,而正弦波中也只

11、有奇次諧波：例二圖3-7表示了振動監(jiān)測中經常出現(xiàn)的脈沖周期振動，圖3-7(a)為脈沖波形，即為寬度Tc、周期To的矩形的脈沖波。圖3-7(b)為其頻譜，是個無限繼續(xù)下去的離散頻譜。此外，圖3-7(c)為衰減振動De-at按周期循環(huán)出現(xiàn)的情況，圖3-7(d)為其頻譜。這種振動在軸承的振動監(jiān)測與診斷中經常遇到。軸承的沖擊振動，用包絡線處理時出現(xiàn)類似的波形。2 準周期的振動在滾動軸承、齒輪裝置和往復機械的振動監(jiān)測中，經常遇到如圖3-8(a)所表示的振動形式。這種周期脈沖振動，嚴格地說不是周期振動。在設備診斷中，多數(shù)情況下都希望知道周期脈沖的周期Ts，但頻譜上反映不出對應的頻率fs分量。對周期脈沖波形

12、進行絕對值處理，則波形帶有周期性，出現(xiàn)了與沖擊周期Tc相當?shù)念l率，如圖3-8(b)所示，由于這也不是完全的周期信號，所以不像三角波和矩形波那樣成為整齊的離散頻譜。對這種絕對值處理后的信號再通過低通濾波器進行包絡線處理，如圖3-8(c)所示。這個信號大體具有周期信號性質，頻譜圖上fs、2fs、3fs處出現(xiàn)峰值分量。.圖廣9前個不同參教描述的假創(chuàng)譜第二節(jié)振動監(jiān)測參數(shù)與標準一、監(jiān)測參數(shù)及其選擇對振動監(jiān)測儀器最重要的要求之一，就是能夠在足夠寬的頻率范圍內測量包括所有主要分量在內的信號，其中包括那些與失衡、不同軸、滾珠及滾道損傷、齒輪嚙合、葉片共振、軸承元件徑向共振等有關的頻率成這個頻率范圍一般為10-

13、1OO00HZ,甚至更高一些。往往在機器內部損傷還未影響到機器實際工作能力之前。高頻分量就已包含了缺損的信息。僅僅當內部缺損已發(fā)展為較大時，才可從低頻信息上反映出來，因此，為了預測機器是否損壞，高頻信息是非常重要的。如前所述，機器的振動信號中包含了豐富的頻率成分，各個振動分量的幅值是隨頻率而變的。因此要求測量儀器的有效動態(tài)范圍在整個頻率范圍內都能容納得下這些量級。一般監(jiān)測振動的幅度動態(tài)范圍在1000:1之內。我們知道，通常用來描述振動響應的三個參數(shù)是位移、速度和加速度。一般情況下，低頻時的振動強度由位移值度量；中頻時的振動強度由速度值度量；高頻時的振動強度由加速度值度量。在實際測量中，可由所測

14、得的振動譜來確定應采用的"最佳參數(shù)"。圖3-9是用兩種振動量描述的同一部機器的同一工況下的譜。若從每個譜的底部畫一條直線、就會發(fā)現(xiàn)譜峰的相對高度是一樣的，二者均可用于機器狀況的監(jiān)測。但是，參數(shù)I給出了一個水平方向的譜，這樣所需動態(tài)范圍小，因此對這一實際測量來說，參數(shù)I被稱為"最佳參數(shù)"。對參數(shù)I的譜，其動態(tài)范圍工已包括了信號各分量的大小。而對參數(shù)口的情況來說，為了描述所有分量的變化，必須采用大得多的動態(tài)范圍口。對大多數(shù)機器來說，最佳參數(shù)是速度，這是許多標準（如VD12056）采用該參數(shù)原因之一。但是另外一些標準（如VD12059標準）卻采用相對位移參數(shù)進

15、行測量，這在發(fā)電、石化工業(yè)的機組振動監(jiān)測中用的最多。這個標準主要用于失衡和不同軸故障的監(jiān)測，這時略去了大部分高頻小振幅的頻率分量。相反地對于來自軸承滾動部件的高頻振動監(jiān)測來說，加速度卻是最合適的監(jiān)測參數(shù)。二、振動量及其量級振動量的表示有絕對單位制與相對單位制。絕對單位制能夠客觀地評定振動的大小，一般用MKS制表示，即位移d的單位以m表示；速度v的單位以m/s表示；加速度a的單位以rn/s2表示。如前所述，工程上位移單位常以微米（gm）表示，速度單位以厘米/秒（cm/s）表示，加速度單位以重力加速度G(980cm/s2)來表示相對單位制用"級"來表示，級又分為算術級和幾何級兩

16、種形式。算術級又稱為倍數(shù)級，用一倍，二倍。十倍、百倍等等表示。幾何級又稱為對數(shù)級，以分貝(dB)表示。機械設備的振動監(jiān)測技術通常多采用分貝，使數(shù)量級大大縮小，同時使計算過程簡化，使乘除關系變成加減運算。按IS0R1683標準規(guī)定：振動力級LF=20lg(F/F0),F0=10-6N;振動位移級Ld=201g(d/d0),d0=1012m；振動速度級Lv=20lg(v/v0),v0=10-5m/s；振動加速度級La=201g(a/a0),a0=106m/s2。三、機械設備振動標準衡量機械設備的振動，國際上通常采用IS0DR2372和IS0DR3945轉速為600-12000rmin機械振動評定標

17、準。我國目前正在逐步制定有關行業(yè)的振動標準，其基本內容與ISO標準一致，現(xiàn)介紹如下：1 適用范圍頻率在10-1000HZ的機械振動。2 量標選用用振動強度vm來表示，即式中Nvk2vyNvz-x,y,z三個方向上測得的振動速度有效值(vrms)之和;Nx，Ny，Nz-三個方向上測點數(shù)目。3 測點選擇評定機械設備振動能量的大小，僅僅測一點，往往是片面的，不能正確反映總體情況。只有對尺寸很小的設備，才允許只測一點，用三個方向振動來評定。對于外形尺寸較大的設備，一般應環(huán)繞機器外部，在一些有代表性的分散點，測量其相互垂直的三個方向上的振動量值。無論是柔性或剛性安裝支承點，如機座、軸承座，一般都選為典型

18、測點。通常對于大型機械設備，則必須在機器的前中后、上下左右等部位上設點進行測量。在監(jiān)測中還可按實際需要和經驗增加特定測點。4 測量儀器所選用的儀器下限工作頻率要低于10Hz,最好選用速度型測振儀，如用加速度型測振儀，則要配用電荷放大器和積分線路，以便獲得速度量級。在發(fā)電、石化、冶金工業(yè)中，對大型機組的監(jiān)測多采用位移型的監(jiān)測系統(tǒng)。5 機械設備分類為了使各種各樣精度不一的機械設備適用同一個標準，應把機器分檔歸類。各種振動標準分類方法略有差異，國際標準IS0分成六類：I類：小型機械，15kW以下的電機等；口類：中型機械，15-75kW電機等；W舉；剛性安裝的大型機械等。第三節(jié)設備的振動監(jiān)測一、振動電

19、平值監(jiān)測旋轉機械振動電平值監(jiān)測是測量機器上某些特定測點處的總振級大小。這是一種最簡單最常用的方法，一般只需在機器某些特征點處安裝傳感器，利用簡單的振動計定期巡回檢測就行了。振平可用有效值或峰值。如前所述振動位移、速度或加速度均可作為振平監(jiān)測的參數(shù)，具體選用什么參數(shù)，既要考慮機器振動的特點，還要看什么樣參數(shù)能最好地反映狀態(tài)和故障特征。在評定振動級值時，僅僅尋找振動高峰級值不一定可靠。因為對于機器來說，給定點的導納之差可能達到1000:1,這樣在某個頻率f上的較大激勵力分量，由于受到低導納的影響，可能在振動譜該頻率位置上看不到特別顯著的高峰，如圖3-10(a)所示"基準"或級值

20、基準向上增加6倍(16dB)應該給予重視。若增加100倍(40dB)應檢修。機器狀態(tài)最可靠的描述方法是通過振動量值的相對變化來表示，即用參考增加10倍(20dB),則意味著機器需要修理，這是ISO和有關標準的建議。如4000Hz以上的頻率分量,圖3-11為一般機械振動極限圖。的振動容許限度。圖中縱坐標是以毫米(它適用于振動不直接影響加工質量的機器，能用來判定這類機器mm)表示的峰-峰值的位移，橫坐標的單位是每分鐘周數(shù)(r/min),其中各斜線將圖表分成振動嚴重程度不等的各級區(qū)域。這些等級是根據(jù)大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)劃分的。表3-1各類典型機器的軸承振動判據(jù)(10HZ10kHz)。此表是摘自加拿大政府C

21、DA/MS/NVSH107"維護振動極限"。表3-1軸承振動測量值的判據(jù)(10Hz-10kHz)用于下列機器的總振動速度均方根值的允許值新機器舊機器(全速全功率)長壽命1(VdB.mm/s)短壽命2(VdB.mm/s)檢查界限值3(VdB.mm/s)修理界限值4(VdB.mm/s)燃氣輪機(>20000HP)1387.9145181451815032(6-20000HP)1282.5135101401014518(<=5000HR)1180.791303.21355.614010汽輪機(>20000HP)1251.8145181451815032(6-20

22、000HP)1201.01355.61451815032(<=5000HR)1150.561303.21401014518壓氣機(自由活塞)14010150321503215556(高壓空氣、空調)1334.5140101401014518（低壓空氣）（電冰箱）1231151.40.561351355.65.614014010101451451818柴油發(fā)電機組1231.4140101451815032離心機油分離器1231.4140101451815032齒輪箱(>10000HP)1201.0140101451815032(10-10000HP)1150.561355.61451

23、815032(<=10HP1100.321303.21401014510鍋爐（輔助）1201.01303.21355.614010發(fā)電機組1201.01303.21355.614010泵(>5HP)1231.41355.61401014010(<=5HPP1180.791303.21355.614010風扇(<1800r/min)1201.01303.21355.014010(>1800r/min)1150.561303.21355.614010電機(>5HP或>1200r/min)1080.251251.81303.21201.0(<5HP或&

24、lt;1200r/min)1030.141251.81303.21201.0變流機(>1kVA)1030.14-1150.561201.0(<1kVA)1000.10-1100.321101.0二、轉速振平圖監(jiān)測轉速振平圖監(jiān)測主要用于升速和降速試驗。在升速、降速或開停機過程中測量或記錄振平值隨軸速變化的曲線（即轉速振平圖），利用這些曲線判斷機器的故障ffls-n開迪過程閡鞋遮見好國錢事圖3T4用莉擔分析汕謎行且期故障檢觀圖3-12是一臺50萬kWt勺渦輪交流發(fā)電機在三次降速試驗中所記錄的轉速振平圖。傳感器安裝在主軸承架上，振動信號經放大后由磁帶記錄儀記錄。圖3-12(a)為正常的轉速振平圖。圖3-12(c)是第三次降速試驗的轉速振平圖，由該曲線可見，約在1500r/min處，轉速振平圖有一高峰，經診斷為鄰近的低壓轉子出了毛病。實際上圖3-12(b)已預示出故障的發(fā)展趨向。圖3-13是離心式空氣壓縮。在升速試驗中記錄的各種轉速振平圖。圖中縱坐標為振平(振速或位移的振幅值或有效值)，橫坐標是轉速，正比于升速時間t。圖3-13(a)曲線表明，振平不隨轉速而變化，較大的振動可能是由其它設備引起的。圖3-13(b)曲線表明，振平隨開機或升機過程而改變，并且轉速越低振平越小。一般這是由于轉子動平衡不佳或軸承座與基礎剛度太小