振动监测基本常识分析
(2) 第1章振动测试的基本知识
1.2.2 有阻尼的自由衰减振动的测试 参数 m cx kx 0 x
解得x(t )
Ae
nt
sin( p n t
2 n 2
Ae Ae
nt nt
sin( Pd t sin( 2f d t
A–位移振幅，C–阻尼系数，n–衰减系数 (2n c / m)
例：
电测法 宽（大、中、小量程均有） 宽（大、中、小量程均有） 规格型号多 需要 中、小（Kistler 公司 1mm 注塑监控用力传感器） 高、中、低均有 高、中、低档均有 接触式、需考虑温度、湿 度、腐蚀及电磁干扰等影 响 伺服式加速度计 压电式加速度计 惯性式速度计 角位移计
传感器生产 商：
VdB 20 log x dB
式中：a1，v1，x1是指测量得到的有效值（或峰 值） a2，v2，x2是指某一参考值（一般取
a2=10-2mm/s2，v2=10-5mm/s，x2=10-8mm;
x1 20 log dB x2
或者取为1)
例如：声级计的p2=20μpa 有的仪表1mv 0dB 或者 1v 0dB 某放大器的增益为40dB，表示输入信号的 幅值是输入信号幅值的100倍。 这种所谓的分贝标尺起到了将大范围的变 化加以等精度压缩的作用。
| X ( f ) |与 f )都是频率 f 的实函数 | X ( f ) |—幅频曲线
f ) —相频曲线 根据振动信号的频谱，可以判断振动系统 的动力学特性。
1.3 振动测试方法及分类
机械法 — 适用被测振动频率较低、振幅
较大和精度不高的场合。
测试方法 光学法 — 可实现无接触测量，但只能作 相对测试，故需良好隔振。 电测法 — 是瞬态、冲击和随机振动等复 杂参数的唯一测试手段。
振动测量分析基础知识
图14 振动的时域和频域波形比较
由图可以注意到， 总振动波形是如何由一 系列小的振动波形构成 的，每一个小的振动波 形各自对应1XRPM、 2XRPM、3XRPM、等等。 将这些个别振动波形代 数相加就得到总振动的 波形，可在示波器上或 振动分析仪上显示出来。
什么是振动频谱（也称为“FFT”）？
利用示波器可观察振动波，将来自振动传感器的电信号加到示波器 的两极板上，这样就会将通过极板的电子束产生转移，从而在屏幕上显 示出振动波形。如下图所示。
图21是针对振动加速度的振动等级图。振动加速度分级也是具有 频率依赖性。如例如，在18000 CPM时，2g’s的振动是处于较差的范 围内，而在180000 CPM（3000Hz）时的2g’s振动侧是处于优秀的范 围内。
图17 实际振动转换成FFT的过程
什么时候使用位移、速度或加速度？
当对机器振动进行分析时，重要的一点是尽可能多地收集到有关 该机器的资料（如轴承类型和型号、每根轴的精确转速、齿轮的齿数、 叶轮的叶片数等）。不了解这些信息资料将会影响振动分析的准确性。 振动幅值是是振动分析中经常使用的重要振动参数之一，它于机器存 在的潜在故障问题的严重程度成正比，并且它也是显示机器状态的首 选参数之一。振动幅值的测量类型可以是位移、速度或加速度。但总 的来说更比较常用的是速度。 通常认为当测量的频率范围在600CPM(10Hz)以下时，采用位移测 量单位是很有利的。振动幅值必须有相应的振动频率值做补充说明才 能正确评估振动的严重程度。而只是简单地说“1X RPM 振动是2mils 是不够的，没有足够的信息评价机器的状态是好还是不好。例如，在 3600 CPM转速下振动2mils pk-pk 要比在300 CPM转速下振动2mils pk-pk 对设备的损坏程度要大得多（见图22）。所以，在整个频率范 围内，单独使用位移值是不能对机器进行评估的。
振动监测基础知识
一、名词和术语1. 振动的基本参量：幅值、周期（频率）和相位机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间变化的一种运动。
振动通常以其幅值、周期（频率）和相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。
a．幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。
机器运转状态的好坏绝大多数情况是根据振动幅值的大小来判别的。
针对机械设备的振动信号，选择有效的特征参数指标，是实现状态监测的关键，常用的特征参数包括:有量纲参数: 均方根(RMS)，峰值(Peak)，峰峰值(Peak-Peak)。
均方根(RMS):表征信号的能量，其定义为:均方根是对机组进行状态监测最重要的指标，由于均方根振动信号的能量，当机组正常运转时，振动信号的能量处于比较稳定的状态，当机组某个零部件出现异常后，信号的能量增加，当增知到超过设定阅值时，就可以判断出机组出现异常、对于速度信号的评估，通常用均方根表示。
均方根的稳定性和趋势性较好，许多标准都采用均方根来作为状态监测的参数.ISO 10816是针对通用机械的状态监测标准，采用速度信号的RMS作为特征参数。
VDI 3834作为唯一一个针对风电机组的振动标准，采用速度和加速度的RMS作为监测指标.峰值是指某段采集的信号中的最高值和最低值，其中，最高值表示为Peak(+)，最低值表示为Peak(-)，由于加速度信号主要表征受力的大小，因此通常用峰值来表征加速度的大小.峰峰值(Peak-Peak)是指某段采集的信号中，最高值和最低值之间的差值，它是峰值(+)和峰值(-)之间的范围，由于峰峰值描述的是信号值的变化范围大小，因此对于位移信号，通常用峰峰值表示。
峰－峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰－峰值的 1/2。
只有在纯正弦波的情况下，均方根值才等于峰值的0.707 倍，平均值等于峰值的0.637倍。
而平均值在振动测量中一般则很少使用。
振动测量基础知识
在垫板（BASE PLATE)和支 承混凝土基础（CONCRETE BASE)之间存在着显著的振动幅 值和相位的变化，这说明，很可 能是由于在两部件间的水泥灌浆 不充分所引起的。
不对中问题的相位表现
联轴节两侧轴承的振动相位差接近180°。振动幅值和相位角的测量 应该在联轴节相邻的两个轴承座的4个象限位置进行。
• 即使机器稳态运行，也不是完全重复性周期 • 其它力的响应
– 共振，外界干扰，管道扰动等随机因素
旋转机器可视为机械振荡器 所有机器的振动表现为稳态随机振动
随机振动和冲击脉冲
• 随机振动不能重复自身，不能确定频率
– 流体漩涡，紊流，摩擦，风，轮胎噪声，泵气穴
• 真正的随机振动在频域表现为水平线，如果观察时间 足够，如2分钟，所有频率将出现。 • 冲击脉冲是单事件瞬态过程
• 推荐应用在振源频率超 过5000Hz以上，如齿轮 啮合频率、电机笼条通 过频率、叶片通过频率 等，这些振源在很多情 况下会产生多阶谐频
水平安装转动机械振动 加速度/速度等级图表
振动速度幅值直接与机 器的状态有关
振动速度在10-2000Hz频 率范围内不存在对频率 的依赖关系。振源频率 范围5-5000Hz时，一般 选择测量振动速度 一台转速为1800 RPM的 机器，7.6mm/s的振动与 另一台转速为10000 RPM，振动也为 7.6mm/s的机器，具有同 样的振动损坏程度。
不平衡的相位表现
比较转子两端轴承座上水平和垂直相位差，确认不平衡 1XRPM振动幅值肯定是较高的，并且在两个轴承座上水平方向的振 动相位差等于垂直方向的振动相位差（±30°）。这说明，转子 的运动状态在水平方向和垂直方向是相同的，否则，其主要问题 可能就不会是不平衡问题了。
振动监测基础知识
一、名词和术语1. 振动的基本参量：幅值、周期（频率）和相位机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间变化的一种运动。
振动通常以其幅值、周期（频率）和相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。
a．幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。
机器运转状态的好坏绝大多数情况是根据振动幅值的大小来判别的。
针对机械设备的振动信号，选择有效的特征参数指标，是实现状态监测的关键，常用的特征参数包括:有量纲参数: 均方根(RMS)，峰值(Peak)，峰峰值(Peak-Peak)。
均方根(RMS):表征信号的能量，其定义为:均方根是对机组进行状态监测最重要的指标，由于均方根振动信号的能量，当机组正常运转时，振动信号的能量处于比较稳定的状态，当机组某个零部件出现异常后，信号的能量增加，当增知到超过设定阅值时，就可以判断出机组出现异常、对于速度信号的评估，通常用均方根表示。
均方根的稳定性和趋势性较好，许多标准都采用均方根来作为状态监测的参数.ISO 10816是针对通用机械的状态监测标准，采用速度信号的RMS作为特征参数。
VDI 3834作为唯一一个针对风电机组的振动标准，采用速度和加速度的RMS作为监测指标.峰值是指某段采集的信号中的最高值和最低值，其中，最高值表示为Peak(+)，最低值表示为Peak(-)，由于加速度信号主要表征受力的大小，因此通常用峰值来表征加速度的大小.峰峰值(Peak-Peak)是指某段采集的信号中，最高值和最低值之间的差值，它是峰值(+)和峰值(-)之间的范围，由于峰峰值描述的是信号值的变化范围大小，因此对于位移信号，通常用峰峰值表示。
峰－峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰－峰值的 1/2。
只有在纯正弦波的情况下，均方根值才等于峰值的0.707 倍，平均值等于峰值的0.637倍。
而平均值在振动测量中一般则很少使用。
振动检测基础知识
基频分量的幅值和相位
基频是转速频率，记作 1R。 基频分量的幅值与转子的不平衡大小有关。 基频分量的相位与不平衡在转子上的方位有 直接对应关系。 基频大小和相位由基频分析仪或频率分析方 法求得。
键相与相位参考脉冲
参考脉冲
K’ K
t 1转
在转子上刻印键相标记K ，在轴承座上布置键相传感器K （光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。 参考脉冲是测量相位的基准。 参考脉冲也可用于测量转子的转速。
振动检测基础知识
工程技术领域中，振动现象也比比皆是。例如， 桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动，飞机和 船舶在航行中的振动，机床和刀具在加工时的振动， 各种动力机械的振动，控制系统中的自激振动，等 等。
振动测量是指检测振动变化量，将其转换为与之 对应的，便于显示、分析和处理的电信号，并从中 提取所需的有用信息的测量技术。
xav
1 T
T
x dt
0
value)
均值 (Mean value)
x 1
T
x dt
T0
又称平均值或直流分量。
有效值 (Root mean square value) xrms
1 T x2 dt T0
简谐振动的幅值参数
平均绝对值
正峰值
有效值
峰峰值
平均值
负峰值
各幅值参数是常数，彼此间有确定关系
峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A
平均绝对值 xav=0.637A
有效值
xrms=0.707A
平均值
x0
复杂振动的幅值参数
峰峰值 正峰值 xrms
负峰值
各幅值参数随时间变化， 彼此间无明确定关系
常用的幅值参数及其单位
振动测试必须知道的27个基本常识
振动测试必须知道的27个基本常识振动测试必须知道的常识1、什么是振动振动是机械系统中运动量（位移，速度和加速度）的振荡现象。
2、振动实验的目的振动试验的目的是模拟一连串振动现象，测试产品在寿命周期中，是否能承受运输或使用过程的振动环境的考验，也能确定产品设计和功能的要求标准。
振动试验的精义在于确认产品的可靠性及提前将不良品在出厂前筛检出来，并评估其不良品的失效分析使其成为高水平，高可靠性的产品。
3、振动分几种振动分确定性振动和随机振动两种。
4、什么是正弦振动能用一项正弦函数表达式表达其运动规律的周期运动。
例如凡是旋转、脉动、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。
5、正弦振动的目的正弦振动试验的目的是在试验室内模拟电工电子产品在运输、储存、使用过程中所遭受的振动及其影响，并考核其适应性。
6、正弦振动的试验条件正弦振动试验的验条件（严酷等级）由振动频率范围、振动量、试验持续时间（次数）共同确定。
7、什么是振动频率范围振动频率范围表示振动试验由某个频率点到某个频率点进行往复扫频。
例如：试验频率范围5-50Hz，表示由5Hz到50Hz进行往复扫频。
8、什么是频率频率：每秒振动的次数.单位：Hz。
9、什么是振动量振动量:通常通过加速度、速度和位移来表示。
加速度：表示速度对时间倒数的矢量。
加速度单位:g或m/s2速度：在数值上等于单位时间内通过的路程位移：表示物体相对于某参考系位置变化的矢量。
位移单位:mm10、什么是试验持续时间振动时间表示整个试验所需时间,次数表示整个试验所需扫频循环次数。
11、什么是扫频循环扫频循环：在规定的频率范围内往返扫描一次：例如：5Hz→50Hz→5Hz,从5Hz扫描到50Hz后再扫描到5Hz。
12、什么是重力加速度重力加速度：物体在地球表面由于重力作用所产生的加速度。
1gn=10m/s2（GB/T 2422-1995 电工电子产品环境试验术语）13、扫描方式分几种线性扫描：是线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。
振动分析基础知识
旋转机械振动分析基础汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械，是电力、石化和冶金等行业的关键设备。
这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济损失。
振动在设备故障中占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。
振动又是设备的“体温计”，直接反映了设备健康状况，是设备安全评估的重要指标。
一台机组正常运行时，其振动值和振动变化值都应该比较小。
一旦机组振动值变大，或振动变得不稳定，都说明设备出现了一定程度的故障。
振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在：(1)振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。
(2)过大振动将会造成通流部分磨损，严重时将会导致大轴弯曲。
统计数据表明，汽轮发电机组 60％以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。
(3)振动过大还将使部件承受大幅交变应力，容易造成转子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。
正因为振动对设备安全运行相当重要，人们对振动问题都很重视。
目前大型机组上普遍安装了振动监测系统，并将振动信号投了保护。
振动超标时，保护动作，机组自动停机，从而保证设备的绝对安全。
一、振动分析基本概念振动是一个动态量。
图所示是一种简单的振动形式－简谐振动，即振动量按余弦（或正弦）函数规律周期性地变化，幅值反映了振动大小；频率反映了振动量动态变化的快慢程度；相位反映了信号在t=0时刻的初始状态。
可见，为了完全描述一个振动信号，必须同时知道幅值、频率和相位这三个参数，人们称之为振动分析的三要素。
振动是一个动态变化量。
为了突出反映交变量的影响，振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值，又称为峰峰值。
简谐振动是一种简单的振动形式，实际机组上发生的振动比简谐振动要复杂得多。
不管振动多么复杂，由信号分析理论可知，都可以将其分解为若干具有不同频率、幅值和相位的简谐分量的合成。
旋转机械振动分析离不开转速，为了方便和直观起见，常以 1x 表示及转动频率相等的频率，又称为工（基）频；以 0.5x、2x、3x 等表示及转动频率的 0.5 倍、2 倍和 3 倍等相等的频率，又称为半频、二倍频、三倍频。
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② 机 械 设 备 故 障 的 前 期 表 现 振 动 过 大 局 部 温 度 升 高 油 液 污 染 不 正 常 音 响 过 程 参 数 变 化： 压 力、 应 力、 扭 矩、 电 参 数… 表 面 形 貌 改 变： 变 形、 裂 纹、 斑 点、 色 泽 变 化…
3
③ 故 障 诊 断 的 方 法 与 技 术
A0 cos(0t ) A0 sin(0t 2 ) vx
2 2 a x A0 sin(0t ) A0 sin(0t )
9
1 k 1 • 周 期 T f f 2 2 m 2f • 峰 值 xmax A ， 峰- 峰 值 2 xmax 2 A
• 平 均 值
x AV
2
1 T
T
2
0
A sin 0 tdt
• 有 效值 xrms
T
0
A2 sin 2 0tdt A 2
10
②
有 阻 尼 的 强 迫 振 动 及 其 特 性
• f (t ) F0 sin t ，c 0
F0 2px p x sin t • x m
它 的 解 为：
x c1 sin pt c2 cos pt A sin( pt )
为 初 相 角， A 振 幅， p 为 角 频 率（ 固 有 频 率）， 令
0 p ;
k 则： 0 p m
当 初 始 条 件：t
0 x A
0 时， x
:
x A sin 0t
确 定 振 动 分 析 方 案
监 测:
•
• • •
测 测 绝 测 数 信
试 试 对 试 据 号
的 参 振 振 类 检
工 况（ 转 速、 负 荷）； 测 点 位 置； 数（ 振 动 位 移、 速 度、 加 速 度）； 动、 相 对 振 动 动 的 方 向（H/V/A） 型（ 幅 值、 频 谱、 波 形） 测 类 型： 峰 值、 峰 峰 值、 有 效 值
振 动 监 测 基 本 常 识
一、设 备 故 障 诊 断 技 术 与 预 测 维 修
1.1、故障诊断与预测维修的概念
① 故 障 ： 设 备 由 于 某 种 原 因“ 丧 失 了 应 有、 规 定 的 功 能”
② 故 障 诊 断： 判 定、 分 析 设 备 故 障 的 过 程。 故 障 的 部 位： 指 导 维 修 引 起 故 障 的 原 因，判 断 故 障 周 期 ③ 维 修 体 制： 事 后 维 修 计 划 维 修 预 测 维 修： 趋 势 分 析、 状 态 监 测 主 动 维 修： 消 除 隐 患。 如 用 动 平 衡 机 →不 平 衡； 对 中 仪→不 对 中；油 液 分 析 仪→ 油 液 污 染
4
②
振 动 分 析 的 过 程： 问 诊→ 监 测→ 诊 断→ 措 施
问 诊：了 解 设 备 背 景， 列 出 可 能 引 起 振 动 的 原 因
•
•
•
设 备 结 构 （ 传 动 链 参 数， 如 齿 轮 齿 数、 轴 承 型 号、 皮 带 轮 直 径 等）、设 备 的 动 态 特 性 等 信 息; 设 备 运 行 工 况，过 程 参 数：温 度、压 力、转 速、 负 荷 设 备 维 修 档 案
7
2.2、单 自 由 度 振 动 问 题 及 其 基 本 概 念
cx kx f ( t ) mx
惯 性 力 阻 尼 力 弹 性 力 干 扰 力
8
①
简 谐 振 动 及 其 基 本 特 性
• f (t ) 0， c 0
• x
k m
x0
2 x p x0
x e pt A0 sin( pd t 0 ) A sin(t )
瞬 态 解 稳 态 解
其 中 有 阻 尼 情 况 下 的 固 有 频 率： pd p 1 2 p
2
1.2、 故 障 诊 断 的 手 段 与 方 法
① 机 械 设 备 故 障 的 起 因 起 因
腐 疲 过 过 卡 磨 污 蚀 劳 热 应 力 死 损 染 性 腐 蚀
部 位
轴 承、 液 压 系 统、 燃 气 轮 机 叶 片、 传 动 件、 轴 承、 齿 轮、 曲 轴 轴 承、 火 花 塞 齿 轮 的 齿、 紧 固 螺 栓 轴 承、 联 轴 节 传 动 件、 离 合 器、 轴 承、 齿 轮 螺 旋 桨、 液 压 系 统、轴 承
措 施：给 出 结 论
• •
继 续 运 行； 还 能 运 行 多 久? 维 修、 检 查； 部 位?
6
二、 振 动 分 析 基 础
2.1、
机 械 振 动 的 意 义 及 其 类 型
稳 态 振 动 周 期 振 动 简 谐 振 动 周 期 振 动 非 周 期 振 动 衰 减 振 动 准 周 期 振 动 随 机 振 动 稳 态 振 动 非 稳 态 振 动
5
②
振 动 分 析 的 过 程： 问 诊→ 监 测→ 诊 断→ 措 施
诊 断：引 起 振 动 的 原 因 和 部 位
• • • • •
•
• •
振 相 频 包 频 瞬 模 诊
动 波 形 识 别 关 时 差 定 位 谱 与 倒 谱 分 析 络 分 析 响 特 性 与 相 干 分 析 时 频 率 变 化 与 相 位 分 析 糊、 灰 色 方 法 分 析 断 的 专 家 系 统
振 油 红 人
动 液 外 工
分 分 测 经
析： 振 动 的 程 度、 振 动 的 起 因 析 温 验 分 析 诊 断： 听、 看、 触 摸
1.3、 振 动 分 析 方 法 简 介
①
分 析 方 法 幅 值 分 析：振 动 总 值（ 振 动 水 平、烈 度）、变 化 趋 势、机 械 动 态 特 性 频 谱 分 析：引 起 设 备 振 动 原 因 的 具 体 分 析 相 位 分 析：共 振（ 相 频 特 性）、 动 平 衡 分 析 波 形 分 析：振 动 总 值（ 峰 值、 峰 峰 值…）、 周 期、 拍 节 包 络 谱 分 析：轴 承、 齿 轮…