振动分析的基础知识

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最简单的振动

弹簧质量块,一个质量,一个与位移反向成正比的力,给一个初始位移放开就以其固有频率做正弦振动。

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2振动都有位移、速度、加速度

任何一个振动,每个时刻都有位移、速度和加速度值,三个值都在变化,即“振动“”。每个时刻的振值连线就是波形,波形就代表一个振动是什么样的。

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一个位移正弦波,可以用下边的代数式来表示:

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知道位移波形,对时间微分得到速度波形,再微分得到加速度波形。反过来加速度积分得到速度,速度积分得到位移。

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一个设备的振动,总是同时有位移、速度、加速度,用其中任何一个波形都可以表示这个振动,都是同一个振动,是一回事儿。

3波形大小的描述方法

对任何一个波形,描述其大小,可以选择峰峰值,峰值和有效值。

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现场测量振动都是测量一段时间的波形,平均值都是0(因为滤掉了直流),画图就是以平均值的位置为0来画的。

峰值是正或负方向的最大的那个值。

峰峰值是最大到最小值的差,有的资料说应该是一个周期内的最大和最小,或者描述为峰值和其旁边的负峰值间的差,实际上测试仪器经常没有转速信息,而且只考虑一个周期的话等于忽略了低于转频的频率成分的影响,所以仪器默认给的都是整个波形时段内的最大和最小值的差(某些大机组在线系统可以选择用几个周期来计算,因为按键相采集,可以确定到每个周期),这样计算的结果会在某些特殊情况下大于转子的实际幅值,比如波形整个倾斜,有跳变等情况,这些特殊情况可以通过查看其波形很容易就能分辨。

有效值是均方根值,是波形各点幅值的平方的平均值再开方得到的,这个概念最早是从交流电等效于多少伏特的直流电来的。

对一个单一频率信号,正弦波:

峰峰值(P-P)=2*峰值(P)=2*1.414*有效值(rms或RMS)

4峰值、峰峰值和有效值的意义

对一个多频率成分的信号,波形不是正弦波,峰峰值、峰值、有效值间没有固定的比例关系,选用哪一个就要看其代表的物理意义。

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  • 位移峰峰值,代表在多大空间范围内振。
  • 速度有效值,代表振动能量的大小,因为能量是0.5mv²(动能 Ek=1/2mv^2)。
  • 加速度峰值,代表振动过程中所受的最大的力,因为f=ma,加速度波形就代表每个时刻轴承座受到的力的大小。
通频峰值和峰峰值只能在波形里测得,因为相同的分频成分、相互的相位关系不同,会影响叠加得到的峰值大小,频谱内没有相位信息,所以无法通过频谱得到峰值和峰峰值。

通频有效值可以用波形计算,但计算量很大,只能用仪表或计算机计算。也可以在频谱中由各分量的平方和再开方得到,几个简单谱线的有效值的和手动即可算出。

一个标准的振动幅值的应该写成50μmP-P、5mm/s rms或10m/s²P。

手持的简单测振表,默认的都是位移峰峰值、速度有效值、加速度峰值。其他测振设备如果没有特别说明,也可以这样认为。欧洲标准有测速度峰值和加速度有效值的,如果出现读数差别要考虑到单位选择的不同。

5位移速度加速度间的换算

如上所说,单一频率的信号,其数学表达式就是正弦函数,位移幅值微分后得到速度,其幅值就是位移乘以2πff是频率,单位是1/s。

比如50μm (P-P)的位移值,如果频率是50hz,速度就是

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换算成mm/s( rms)

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换算成加速度,速度再乘以2πf

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反过来也一样,加速度值除以2πf得到速度,速度值除以2πf得到位移,注意峰峰值,峰值和有效值的变换。

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大家可能经常见到这张图,这张图是在所有频率下速度值是5mm/s的时候,位移和加速度各是多大。意思是,如果一个速度频谱各谱线上的幅值都是5mm/s,换算成位移或加速度,每根谱线上的幅值就会对应上图的各点幅值。

就是说,一个低频信号的位移幅值很大,加速度幅值很小;一个高频信号的加速度幅值很大,位移幅值很小。这是由位移速度加速度的定义造成的,是天然的物理规律,和测什么设备,用什么传感器,用哪家的仪器等各种外部条件都没有任何关系。反过来说,位移幅值对低频信号更敏感,加速度幅值对高频信号更敏感,速度适用于中频段信号。

虽然知道任何一个参数的波形等详细信息,都可以得到另外两个,但是对状态监测和振动分析来说,使用位移、速度还是加速度监测不同频率的信号会有不同的效果,测到的幅值越大,信噪比就越高,分析就越方便。

9参数的频率适用范围

虽然位移、速度和加速度信号间是等效的可以互相换算的,但他们对不同频率信号的响应是不一样的,比如位移对低频信号更敏感,而在高频时不可能有很大的位移值。所以现场判断设备状态时,要根据可能出现的振动频率选择合适的振动参数,更方便和灵敏的指示设备状态。

VI(美国振动协会)建议的各参数适用的频率范围

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下面三个都是指测量轴承座的绝对振动时的适用范围,相互间有重叠,实际上速度在5-2000Hz都可以用。

加速度很少用到,因为在风电标准包含加速度幅值之前,基本没有加速度的标准,加速度值主要受高频的影响,这些高频值通常也不代表设备损坏需要维修。

监测滑动轴承设备都会安装电涡流传感器,高速的压缩机转速可以到一两万转。12000r/min的压缩机,监测其十倍频范围的话,频率范围也是2000Hz了,使用电涡流传感器没有问题。还有在齿轮箱内的滑动轴承上使用电涡流传感器的,不过也只监测其转频的十几倍,不测试啮合频率。

10如何选择设备的测量参数

对一台具体设备来说,先要知道可能出现的故障在什么频率范围内,然后根据它可能出现的振动频率范围选择合适的参数。

VI(美国振动协会)建议选择的设备测量参数

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  • 十倍转频,没问题,任何设备都应该测量十倍转频。
  • 三倍的啮合频率,三倍的扇叶、流道通过频率可能会比较高。
  • 10倍的轴承内环故障频率挺高的,比较少见,冲击很尖锐才可能。
  • 电机的6倍线频就是300Hz,基本上在10倍转频以内。需要注意的是电机的笼条或定子槽松动频率(个数乘以转频)可能到六七十倍转频,经常需要一个高频加速度测量。
知道设备结构,就知道了可能出现的振动频率,就可以根据需要的频率范围选择合适的测量参数了。

正文完
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