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第四章 振动测试诊断技术 第一节 概述 众所周知，设备在运转过程中都会不同程度地发生振动。对于木多数设备来说，当它们稳定工作时，振动有一个典型的极限值和一定的特性。而当设备内部的零件发生异常，即有缺陷时，振动的大小和振动的型式都会发生变化。这就表明，振动信号能真实地反映设备的运行状态。因此，对设备的振动进行测试和分析是掌握设备运行状态的重要手段之 。 传统的检查设备振动的方法是靠有经验的工人凭听觉，触觉来判断，也就是我们常说的靠耳听、手模来检查。显而易见，这种方法的检查结果不但取决于检查人员的经验，而且只能定性地确定设备状态的好坏，不能确切地分析出引起设备振动的原因，找出产生振动的部位。 随着电子工业及计算机技术的发展，现在我们可以用先进的检测和分析仪器，在不停机的情况下，对设备进行振动测量，根据测得的振动参数，分析和判断设备的运行状态，并确定其故障的部位，预测故障的发展，从而可为检修提供可靠的依据，改变过去那种以设备运行时间为主要依据的计划预修制或定期维修制。 我们所说的振动测试诊断技术是识别机器运行状态的科学。它研究的是机器运行状态变化在振动信息中的反映。它的内容包括对机器运行状态的识别，预删与监测等三方面。 第二节 振动的基本知识 一，振动的定义及分类 所谓振动，即物体围绕其平衡位置作往复运动。如将弹簧系数为k的弹簧和质量为M的重锤组成一简单的系统，如图9-1所示。拉下重锤由自然长度到某一位置后放开，重锤即沿其原静止位置的上、下做往复运动，我们就说重锤在振动。 在实际工程中和日常生活中存在着大量的振动问题。不正常的振动可绐运行设备以及人体健康带来危害。但人们也还可以利用振动来进行—些有用的工作(如振动筛等)。由于研究振动的目的和方法不同，振动的分类方法也是多种多样的。如按产生振动的原因分类，则可分为自由振动、受迫振动、自激振动；按振动系统结构参数特性分类，则可分为线性振动、非线性振动；按振动的自由度数分类，则可分为单自由度系统、多自由度系统、弹性体振动；按振动的位移特征分类，可分为扭转振动、直线振动。但就研究设备状态监测与故障诊断技术而言，一般是按振动的规律来分类，即把振动分为确定性振动与随机振动两类。确定性振动的特点是其振动量值随时间有确定的变化规律，可以用一定的函数式来描述。确定性振动又分为周期性振动和非周期性振动。随机振动的特点是其振动量值随时间的变化没有规律，不能用确定函数来描述。随机振动又可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。图9—2是按此种分类法分类的各种振动的简单定义及其波形示例。 二、振动的描述 1，波形图 前述的重锤、弹簧系统中，重锤振动可用重锤的位移与时间的相互关系来描述(横坐标为时间，纵坐标为重锤偏离静止位置距离)，(见图9—1)。这种表示法称之为波形图，它是在时间域上描述振动规律。 由图9—2亦可看出，重锤，弹簧系统的振动是最简单的一种振动形式，称之为简谐振 动，它的数学表达式为： X=x0sin(ωt+φ) 式中 ω——角频率； X0——振动体离开其平衡位置的最大位移，通常称为振幅； t——振动运动的时间； φ——初始相位。 振动运动往复一次所需的时间称为振动周期(T)，它的倒数称之为振动频率，亦就是1秒钟内振动的次数，单位为赫兹(Hz)即 f=1/T 由此可见，描述机械振动的3个基本要素是频率，幅值与相位。 但在工程实际中，往往不是单一的简谐振动。图9-3为内燃机活塞运动时活塞加速度随时间变化的波形图。由图可见，它是一个复杂周期振动。但根据傅里叶级数原理：任何周期性函数都可用傅里叶级数展开为许多简谐函数之和。这样可以认为复杂周期振动是由若干简谐振动组成的，这些简谐振动的频率之间或谐波(即整倍数)的关系。 因此，内燃机活塞运动的加速度波形就可以分解为周期为T1和T2的简谐运动(图9一4)。其中以了T1为周期的波形与原复杂周期波形的周期—致，称为基波，其频率称为基频。 以T2为周期的波形称为二次谐波，其频率f2=2f1，称为倍频。这个复杂周期振动只包含这两种频率成分。当然，有的复杂周期振动可包含很多谐波成分，这些谐波的频率均是基频的倍数，常称为高次谐波。 2，频谱图 从前例看出，复杂周期振动可由几个简谐振动组成。这样，单用时间历程来描述振动， 就不能很好地反映振动的特性、产生振动的原因及其对结构物的影响等。因此，在对振动进行分析时，常用另—种描述振动的形式——频谱图。所谓频谱图就是表示振动幅值与频率关系的图形，其横坐标为振动频率，纵坐标为幅值。它是在频率域中描述振动的规律。图9—5是三种不同振动的时