机械故障诊断技术

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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。
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。
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。
图2-1 按振动规律分类
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:
2
m
d x (t )
dt
2
 kx ( t )  0
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:
n 
k
m
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,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。
(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
不平衡、不对中所引起的振动。
2
m
d x
dt
(
惯
性
力
)
2
c
dx
dt
 kx  F o sin  t
(
阻
尼
力
)
图2-2强迫振动力学模型
(
弹
性
力
)
(
激
振
力
)
由图2—3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。
图2-3 强迫振动响应过程
a)强迫振动 b)衰减振动 c)合成振动
(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。
自激振动有如下特点:
 1)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)振动系统非线性特征较强,即系统存在非线性阻尼、元件(如油膜的粘温特
性,材料内摩擦)、非线性刚度元件(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转为系统振动能量。
 3)自激振动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。
 5)振动波形在暂态阶段有较大的随机振动成分,而稳态时,波形是规则的周期
振动,这是由于共振频率的振值远大于非线性影响因素所致;与一般强迫振
动近似的正弦波(与强迫振动激励源的频率相同)有区别。
自由振动、强迫振动、自激振动这三种振动在设备故
障诊断中有各自的主要使用领域。
对于结构件,因局部裂纹、紧固松动等原因导致结构
件的特性参数发生改变的故障,多利用脉冲力所激励的自
由振动来检测,测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的
变化。
对于减速箱、电动机、低速旋转设备等机械故障,主
要以强迫振动为特征,通过对强迫振动的频率成分、振幅
变化等特征参数分析,来鉴别故障。
对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备,
除了需要监测强迫振动的特征参数外,还需监测自激振动
的特征参数。
按振动频率分类
低频振动:f<10 Hz
机械振动(按频率分类)
中频振动:f=10~1000Hz
高频振动:f>1000Hz
在低频范围,主要测量的振幅是位移量。这是因为在低频
范围造成破坏的主要因素是应力的强度,位移量是与应变、应
力直接相关的参数。
在中频范围,主要测量的振幅是速度量。这是因为振动
部件的疲劳进程与振动速度成正比,振动能量与振动速度的平
方成正比。在这个范围内,零件的疲劳破坏为主要表现,如点
蚀、剥落等。
在高频范围,主要测量的振幅是加速度。它表征振动部
件所受冲击力的强度。冲击力的大小与冲击的频率与加速度值
正相关。
振动信号的描述
构成一个确定性振动有3个基本要素,即振幅s,频率f(或ω)和相
位φ。即使在非确定性振动中,有时也包含有确定性振动。振幅、频率、
相位,这是振动诊断中经常用到的三个最基本的概念。
简谐振动可以用下面函数式表示:
S  A sin(  t   )
图2—4 简谐振动的时域图像
速度比位移的相位超前90º,加速度比位移的相位超前180º。比速
度超前90º。
必须特别说明一个与振动幅值有关的物理量即速度有效值Vrms,亦
称速度均方根值。这是一个经常用到的振动测量参数。因为它最能反映
振动的烈度,所以又称振动烈度指标。
频率f:振动物体(或质点)每秒钟振动的次数称为频率,用f表示,
单位为Hz。 振动频率在数值上等于周期T的倒数,即:
f 
1
T
式中 T——周期,即质点再现相同振动的最小时间间隔(s或ms)。
频率还可以用角频率ω来表示,即:
  2 f
相位 : 相位 由转角ωt与初相角φ两部分组成


  t  
振动信号的相位,表示振动质点的相对位置。不同振动源产生的
振动信号都有各自的相位。由几个谐波分量叠加而成的复杂波形,即
使各谐波分量的振幅不变,仅改变相位角,也会使波形发生很大变化,
甚至变得面目全非。
相位测量分析在故障诊断中亦有相当重要的地位,一般用于谐波
分析,动平衡测量,识别振动类型和共振点等许多方面。
设备状态信号的物理表现
从根本上讲,所有设备的作用都是能量转换与传
递,设备状态愈好,转换与传递过程中的附加能量
损耗愈小。随着设备的劣化,附加能量损耗快速地
增大。附加能量损耗中包括的各种物理量构成设备
的状态信息中的重要部分。
以传递力和运动的设备,如齿轮箱、轧钢机、切
削、挤压设备等,附加能量损耗的初始形式也以力
和运动表现出来,这就是振动、摩擦。附加能量损
耗的二次形式是发热,由此将损耗的能量散发出去。
设备状态信息中主要的物理量是力和运动,它也
有多种形式,包含作功的力、作功的运动(位移、
速度等)、损耗的力和运动,以振动及摩擦热的形
式表现。