机器振动特征分析(1)
机械振动信号的时域分析与特征提取
机械振动信号的时域分析与特征提取机械振动信号的时域分析与特征提取是振动工程领域的重要内容，它对于机械设备的状态监测、故障诊断和可靠性评估具有重大意义。
本文将从信号时域分析方法和特征提取技术两个方面来论述这一主题。
一、时域分析方法时域分析方法是对时间序列信号中各个时刻的振动参数进行研究。
最常用的时域分析方法是时域波形图和时域幅值谱图。
时域波形图是将振动信号的幅度与时间绘制在坐标系中，通过观察波形的形态，可以初步判断振动信号的稳定性和振幅大小。
时域幅值谱图则是将振动信号的振幅与时间的关系绘制成频谱图，通过分析频谱图可以得到振动信号的频率分布情况。
二、特征提取技术特征提取技术是从时域振动信号中提取出能够反映振动特性的有效参数。
常用的特征参数包括振动幅度、峰值、峰峰值、均方根值、功率谱密度、峰值因子等。
这些特征参数能够描述振动信号的强度、频率、能量等重要信息，从而为故障诊断和状态监测提供数据支持。
三、特征提取方法特征提取方法是对时域振动信号进行分析和处理的关键环节。
常用的特征提取方法包括傅里叶变换、小波变换、瞬时参数估计等。
傅里叶变换是将时域信号转换为频域信号，通过分析频谱图可以提取振动信号的频率成分。
小波变换是一种时频分析方法，可以提取振动信号的瞬时频率和瞬时幅度。
瞬时参数估计是通过对时域信号进行瞬时分析，提取振动信号的瞬时特征。
四、特征提取应用特征提取技术在振动信号分析与处理领域有广泛的应用。
在机械故障诊断方面，通过对机械设备振动信号进行特征提取，可以实时监测设备的状态，提前发现设备故障，避免设备停机造成的经济损失。
在机械设备的可靠性评估方面，通过对振动信号进行特征提取，可以评估设备的剩余寿命，优化设备维护与保养计划，提高设备的可靠性和使用寿命。
五、振动信号处理的挑战与前景虽然振动信号处理技术在工业领域应用广泛，但仍存在一些挑战。
一方面，机械设备振动信号往往与噪声混合在一起，如何有效地抑制噪声、提取有用信息是一个难点。
机械振动1
J mgSsin
圆频率和振动周期为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ mgS 0 J
m gS p J
2 J 2 p mgS
计算形状复杂的机器部件的转动惯量相当 困难。本例提供了用实验确定J的一个方法。
2.3 能量法
在阻尼略去不计的条件下，振系在自由振动时的动能与势 能之和(即机械能)保持常值。令T与U分别代表振系动能与势能， 有 T+U=常数 这就是应用于振系的能量守恒原理。对时间求导，得 d (T U ) 0 dt 以具体振系的能量表达式代入上式，化简后即可得出描 述振系自由振动的微分方程。 如在振系的动能有极大值Tm时，取势能为零；动能为零 时，势能必有极大值Um，因此 Tm=Um 只要振系的自由振动是简谐振动，则可以直接得出振系 的固有频率，不需要列出微分方程。
2．2简谐振动
由弹簧悬挂的物体沿铅垂方向的振动。 当振系成静平衡时，弹簧在物体重力mg的 作用下将有静伸长
mg s k
取铅垂坐标轴x，以静平衡位置为原点 O,向下为正。在物体从静平衡位置离开x时， 弹 簧 伸 长 δ s+x ， 作 用 于 物 体 的 力 等 于 k(δ s+x)。物体的运动微分方程为
2.3 能量法
例.铅垂圆轴，上端固定，下端装有水平圆盘组成扭摆。设有力矩使圆盘及圆 轴下端绕铅垂轴转过角度θ 后突然释放，则圆盘将在水平面内扭振。已知圆 轴的扭转弹簧系数为K，质量不计，圆盘对转轴的转动惯量为J，求扭振微分 方程及固有周期与频率。 解：用θ 表示圆盘在某瞬时t的扭角，则振系的动能与势能为 1 1 2 U K 2 T J 2 2
2．2简谐振动
凡位移可表示为时间的正弦函数的运动称为简 谐振动。 振动重复一次所需要的时间间隔称为振动周期。
机器振动特征分析(1)
不平衡振动特征
同一轴承上H与V振动相位差约为90度（+/-30度）。如果存在 1X较大的振动，但是，H与V方向振动相位差为0度或接近180 度，通常这说明是其他故障源，例如偏心。 两侧轴承的H方向振动的相位差应该接近V方向振动的相位差。 径向方向(H和V)振动通常比A方向振动大许多(除了悬臂转子 之外) 在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。 共振有时可能受不平衡的影响较大。 不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在有 些刚度较低的轴承座上，不平衡的转子尽管很小的残余不平 衡量，也还会出现不平衡振动，动平衡还是可明显减小松动 引起的振动。但是，往往无法平衡有松动的转子。
角向不对中
角向不对中产生大的轴向方向振动，尤其是1X和2X。 假定存在大的振动前提下，轴向2X或3X幅值约是1X转数频率幅值的30 ％到50％时，说明是角向不对中。 联轴器两侧的轴向相位差为180度，是最好的检测角向不对中的指示。 一侧的每个轴承都向一个方向移动，另一侧的轴承向相反方向移动， 角向不对中的可能性较大。
引起对自由端(或外侧)的作用
由于不对中从联轴器引入的力可能足够强大，其作 用不仅是在最靠近联轴器的轴承上，同样也作用在 机器的自由端或外侧端。
振动分析
振动分析振动分析是计算机辅助工程学中的一个重要技术。
它主要是通过对系统所发生的振动进行分析和计算，得出相应的特征参数，并在此基础上提出有效的控制方法，以达到科学、合理地设计、维护和控制各种工程设备的目的。
本文将从振动分析的原理、分类、应用及其在各个领域的研究与探索等方面进行详细的解读。
一、振动分析的基本原理1.振动的概念振动是物体围绕着平衡位置做规则周期性的运动，同时这个运动方式又使得它们之间施加相应的作用力，进而导致物体发出声音、震动等现象。
换句话说，物体在空间中不断地发生快速反复的运动，这种运动方式被称之为振动。
2.振动的种类振动分为自由振动和强迫振动两种类型，其中自由振动是指的物体自身发生的无外力作用的振动；而强迫振动是指作用在物体上的外力作用下所产生的振动。
这里我们主要讲述的是自由振动，因为强迫振动需要采用不同的计算方法。
3.振动的分类根据振动的形式和性质特征，振动可以分成多种类型，如：（1）简谐振动：物体在周期内运动速度、加速度大小及方向都是相同的。
（2）非简谐振动：物体在周期内运动速度、加速度大小及方向都会变化。
（3）阻尼振动：物体进行振动时受到来自周围环境的阻力作用。
（4）无阻尼振动：物体进行振动时不受任何阻力作用。
（5）共振：外力频率与机构本身固有振动频率一致，便容易引起共振现象。
二、振动分析的分类根据振动分析的对象和方法不同，可将其分为以下几种类型：1.结构振动分析：主要研究结构物在外部激励下的应力响应及其变形等信息。
其主要应用于大型工程的设计、优化、调试等过程中，以判断各组件间的相互影响，并找出问题所在，进而提高整个结构系统的安全性、稳定性和耐久性等方面的指标。
2.机械振动分析：主要研究与机械有关的各种振动问题。
在制造和运行机械设备时，借助于振动分析手段可以有效地寻找故障出现的原因，并及时采取相应的维修措施，以确保机械的正常运转。
3.流体振动分析：主要研究流体中所发生的各种形式的振动问题。
振动分析的这6个步骤
振动分析的这6个步骤现场故障分析时，首先对设备要有一个宏观了解，根据表现出的外在特征得出表层原因；然后对其主要振动特征进行机理分析，从而判断深层次原因。
如何判断的前提条件是熟悉设备结构、检修工艺、运行方式及用途、检修及运行历史、振动过程等等。
一、了解振动历史情况当机器振动突然增大或是振动逐渐增大，判断期间振动是否稳定，若不稳定，其与哪种参数相关联等等。
例，振动突然增大可能为转子突然失衡、刚度突然减弱；振幅不稳定是否与负荷调整、温度变化、启停机等有关联。
二、了解检修情况振动开始前后是否进行过检修，若检修前振动不大，那么本次检修的经过及更换的部件必须十分清楚，类似于这种情况，往往从检修过程中就能找到故障原因。
假如检修前就振动大，检修后振动无显著变化，这样也可排除已经检修过的内容。
三、对设备的外部观察和测试了解设备的基本参数，如设备的温度、声音、压力、转速、负荷、油温、振动等，快速了解设备的整体运转情况，大概确定是什么故障类型，对一些常见故障来说，甚至可以就此做出精准诊断，而单纯依靠信号分析反而容易将简单问题复杂化。
四、确定故障部位通常，故障部位在具有最大振幅位置。
随着与故障源距离的增加，激振力会逐渐衰减。
当然，这个规则也有例外，例如立式设备，由于高度与刚度的关系，被牵引部分的故障会导致上部的电机振动最大。
五、简易判断故障原因可根据各参数与振动的关系，以及振动的方向，准确判断一些故障原因。
例如，水平方向和垂直方向振动幅值相比较就可基本确定部分故障原因，但之前必须清楚设备的安装结构，也就是应该对水平方向和垂直方向的相对刚度有个感性认识。
设备安装在坚固的或刚性的支承上，与安装在弹性支撑上是不一样的，在此只讨论刚性基础的设备。
假设风机安装在刚性混凝土基础上，设备垂直刚度会大于水平刚度。
这时，对于如质量不平衡这样的普通故障，一般水平方向振幅大于垂直方向振幅。
假如垂直方向振动大于水平方向振动，说明垂直方向刚度小于水平刚度，可能是由于松动或配合间隙过大造成的。
机械振动学中的固有频率与振型分析
机械振动学中的固有频率与振型分析机械振动学是研究机械系统在受到外界激励作用下产生振动现象的一门学科。
在机械系统中，固有频率与振型分析是非常重要的内容，可以用来描述系统的动态特性和振动行为。
本文将介绍机械振动学中固有频率与振型分析的基本概念和应用。
一、固有频率固有频率是指机械系统在没有外界激励下自由振动的频率。
对于一个简单的振动系统，其固有频率可以通过运动方程的解析解求得。
固有频率是系统的固有特性之一，可以用来描述系统的动态响应特性和结构的刚度、质量、阻尼等参数。
在实际工程应用中，固有频率的计算对于系统结构设计和振动控制至关重要。
通过对系统的固有频率进行分析，可以避免共振现象的发生，减小系统动态响应，提高系统的稳定性和可靠性。
二、振型分析振型分析是指对机械系统的振动模式和振动幅值进行分析和描述。
振型是指系统在特定频率下的振动模式，可以通过振动实验和有限元分析等方法得到。
振型分析可以提供系统的模态形式和振动幅值信息，有助于分析系统的受力情况和结构设计。
振型分析在工程实践中具有广泛的应用，可以用于评估系统的结构健康状况、辅助设计优化和振动控制。
通过对系统的振型进行分析，可以找到系统的薄弱环节和潜在问题，及时进行改进和优化，提高系统的性能和可靠性。
三、结语固有频率与振型分析是机械振动学中重要的内容，对于机械系统的设计和性能评估具有重要意义。
通过对系统的固有频率和振型进行分析，可以优化系统的结构设计，降低系统的动态响应，提高系统的稳定性和可靠性。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解机械振动学中固有频率与振型分析的相关知识。
实际生活中的机械振动以及利用有益的振动
实际生活中的机械振动以及利用有益的振动陈欣20110238（一）实际生活中的机械振动振动是日常生活和工程实际中普遍存在的一种现象。
实际上，人类就生活在振动的世界里，地面上的车辆、空气中的飞行器、海洋中的船舶等都在不断振动着。
房屋建筑、桥梁水坝等在受到激励后也会发生振动。
就连茫茫的宇宙中，也到处存在着各种形式的振动，如风、雨、雷、电等随时间不断变化，从广义的角度来解释，就是特殊形式的振动（或波动），而电磁波不停地在以振动的方式发射和传播。
就人类的身体来说，心脏的跳动、肺叶的摆动、血液的循环、胃肠的蠕动、脑电的波动、肌肉的搐动、耳膜的振动和声带的振动等，在某种意义上来说也是一种振动，就连组成人类自身的原子，也都在振动着。
所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复运动。
在机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移，速度，加速度等）将时而增大、时而减小地反复变化。
在工程实际中，机械振动是非常普遍的，钟表的摆动、车厢的晃动、桥梁与房屋的振动、飞行器与船舶的振动、机床与刀具的振动、各种动力机械的振动等，都是机械振动。
工程中有大量的振动问题需要人们研究、分析和处理，特别是近代机器结构正向大功率、高速度、高精度、轻型化、大型化和微型化等方向发展，振动问题也就越来越突出，因此掌握振动规律就显得十分重要了。
只有掌握了振动规律和特征以后，才能有效地利用振动的有益方面并限制振动的有害方面。
（二）利用有益的振动在日常生活中，人们往往只看到了振动带了的危害。
例如，运载工具的振动会使乘客感到不舒服；环境噪声使人烦躁不安；共振及次谐波共振会引起机械设备、桥梁结构及飞机的破坏；地震使人民的生命财产遭受巨大的损失。
对于有害振动来说，往往需要采取有效措施对振动加以限制以至消除。
但是振动并非都是有害的，在许多方面合理地利用振动也能给人类造福，改善人民的生活。
例如，拨动琴弦能发出美妙动人的乐章，使人心旷神怡；在医疗方面，利用超声波能够诊断、治疗疾病；在土建工程中，振动打桩、振动拨桩以及混凝土灌注时的振动捣固等能够提高工作效率；在电子和通信工程方面，录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子元件以及电子计时装置和通信系统使用的谐振器等都是由于振动才有效地工作的；在工程地质方面，利用超声波进行检测、地质勘探和油水混合及油水分离；在石油开采上，还可以利用振动提高石油产量；海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在许多工矿企业，可以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率。
机械振动测试与分析.docx机械振动测试与分析.docx
第8章机械振动测试与分析8.1 概述机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。
各种机器、仪器和设备运行时，不可避免地存在着诸如回转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、润滑状况的不良及间隙等原因而引起受力的变动、碰撞和冲击，以及由于使用、运输和外界环境下能量传递、存储和释放都会诱发或激励机械振动。
所以说，任何一台运行着的机器、仪器和设备都存在着振动现象。
在大多数情况下，机械振动是有害的。
振动往往会破坏机器的正常工作和原有性能，振动的动载荷使机器加速失效、缩短使用寿命甚至导致损坏造成事故。
机械振动还直接或间接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人类的健康。
因此，要采取适当的措施使机器振动在限定范围之内，以避免危害人类和其他结构。
随着现代工业技术的发展，除了对各种机械设备提出了低振级和低噪声的要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制，这些都离不开振动测量。
为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计，找出其薄弱环节，改善其抗振性能。
另外，对于许多承受复杂载荷或本身性质复杂的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻尼系数、固有频率和边界条件等，目前尚无法用理论公式正确计算，振动试验和测量便是唯一的求解方法。
因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作用。
振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1) 检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2) 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；(3) 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；(4) 对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。
一般来讲，振动研究就是对“机械系统”、“激励”和“响应”三者已知其中两个，再求另一个的问题。
振动研究可分为以下三类：(1) 振动分析，即已知激励条件和系统的振动特性，欲求系统的响应；(2) 系统识别，即已知系统的激励条件和系统的响应，要确定系统的特性，这是系统动态响应特性测试问题；(3) 环境预测，即已知系统的振动特性和系统的响应，欲确定系统的激励状态，这是寻求振源的问题。
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故 障特征
不平衡的原因
第一部分
铸造缺陷
热膨胀
由于每个部件的 热膨胀率不同影 响转子平衡
轴孔太大
Author: F. CHAMPAVIER
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培训教材
培训教材
旋转机械振动分析
机器振动的故障特征 第一部分
故 障特征
第一部分
机器振动特征分析
¾ 转子不平衡 ¾ 不对中 ¾ 偏心 ¾ 轴弯曲 ¾ 松动
Author: F. CHAMPAVIER
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¾ 通常，首先处理力不平衡分量，然后再处理 剩下的相位差接近180度的力偶不平衡分 量，最终修正悬臂转子的不平衡
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故 障特征
不平衡的原因
第一部分
转子
机械损伤 污染物堆积 轴弯曲 轴孔偏离中心
风扇
机械损伤 污染物堆积 轴孔偏离中心
齿轮
机械损伤 轴孔偏离中心
Author: F. CHAMPAVIER
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第一部分
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故 障特征
第一部分
不平衡振动特征
1X振动（但是1x并不总是不平衡)。通常，1X振动在频谱中占优势。
当故障仅限于不平衡时，1X振动幅值通常大于或等于振动总值的80％ (如果除了不平衡之外还有其他故障，则可能仅为振动总值的5％到80 ％)。
振动幅值与质量中心离轴旋转中心线的距离成正比。当低于转子一阶 临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成比例变化。即：转速升 高3倍，将导致不平衡振动增大9倍
第一部分
11Hale Waihona Puke 故 障特征动不平衡
¾ 质量分布轴线与旋转轴线 既不平行也不相交
¾ 动不平衡基本上是力不平 衡和力偶不平衡两者的组 合。它至少需要在垂直于 轴中心线轴线的两个平面 上才能修正平衡
第一部分
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故 障特征
动不平衡特征
¾ 1X较大的振动，但是两侧轴承 座上的振动幅值略不相同。假 定没有其他明显的故障的话， 它们仍然在相同的幅值量级或 者小于3比1的比例
¾ 与力不平衡和力偶不平衡一 样，当动不平衡为主时，振动 相位还是稳定的和可重复的
第一部分
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故 障特征
动不平衡特征
第一部分
¾ 两侧轴承之间的H方向振动相位差可能是0-180度的任一角 度，这个相位差近似等于V方向振动相位差
¾ 相位差接近0度，静不平衡占优势。接近180度，力偶不平 衡占优势。
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2
故 障特征
第一部分
转子不平衡
¾ 不平衡定义： 转子质量中心线与转轴中心线不重合时便产生不平衡
¾ 不平衡类型： 静不平衡（力不平衡） 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡
Author: F. CHAMPAVIER
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故 障特征
力偶不平衡
¾ 质量分布轴线中心点与旋 转轴线中心点相交
¾ 力同时施加到两个轴承 上，但是方向相反
¾ 明显的力偶不平衡可以引 起转子严重的不稳定，使 之前后摆动
第一部分
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故 障特征
第一部分
不平衡振动特征
同一轴承上H与V振动相位差约为90度（+/-30度）。如果存在1X较 大的振动，但是，H与V方向振动相位差为0度或接近180度，通常 这说明是其他故障源，例如偏心。
两侧轴承的H方向振动的相位差应该接近V方向振动的相位差。 径向方向(H和V)振动通常比A方向振动大许多(除了悬臂转子之外) 在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。 共振有时可能受不平衡的影响较大。 不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在有些刚
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故 障特征
静不平衡
¾ 定义：转子的质量中心在两支 撑轴承中点且偏离
¾ 不在中点：准静不平衡 ¾ 一般认为W/D小于25% 纯静不
平衡 ¾ 不平衡力（离心力）同方向等
量施加到每个轴承
第一部分
Author: F. CHAMPAVIER
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故 障特征
力偶不平衡特征
¾ 力偶不平衡在两轴承座上产 生1X大的振动，可能一个轴 承座上振动略大于另一外轴 承座上的振动
¾ 明显的力偶不平衡有时可能 产生大的A向振动
¾ 两侧轴承H/V方向振动相位差 接近180度
¾ 如果是力偶不平衡（不是不 对中)，同一轴承的H和V方向 的相位差应该彼此相差90度
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故 障特征
静不平衡振动特征
¾ 1X相同的不平衡力同时出现在 两侧轴承上，然而，根据每个 方向的支承刚性，水平和垂直 方向的响应可能略不同
¾ 两侧轴承H方向振动相位相同； 两侧轴承H方向振动相位相同
第一部分
Author: F. CHAMPAVIER
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15
故 障特征
悬臂转子不平衡特征
¾ 悬臂转子可产生1X转速频率的轴向力，引起 轴向振动，这种轴向振动等于或者大于径向 振动幅值
¾ 悬臂转子往往除了产生力不平衡之外，还产 生大的力偶不平衡，这两种不平衡必须都要 修正之
¾ 对于单纯悬臂转子不平衡，在轴承1处的A方 向振动相位将近似等于轴承2处的A方向振动 相位(士30度)。这里的振动相位差取决于与 其他的诸如不对中、共振等故障相比较，不 平衡故障占优势的程度
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故 障特征
不平衡的原因
第一部分
叶轮
机械损伤 腐蚀
联轴器
机械损伤 轴孔偏离中心