1、湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术1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
2、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
3、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
4、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 92 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。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术2二、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 91)
5、。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 92 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(t+)式中 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； 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。
6、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。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术3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
7、，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 95 是三种不同振动的时域波形(波形图)及频谱图。对于单一简谐振动来说，其频谱图是一条直线(图 9-5)，fo 代表这个振动的频率，直线的高度代表振动的幅值。一个复杂周期振动(图 9-6)，它是由两个简谐振动合成的，其频谱图就是两条直线,fo 为它的基频，与之对应的直线高度就是基波
8、的幅值。2f0 就是它的二次谐波的频率。同样， 对于一个方波，也可以把它分解出一个基波及几个高次谐波(图 9-5)。由此可见，用频谱图来描述一个复杂的振动信号，可以很清楚地看出组成这个振动信号的各个谐波频率及大小。因此，它是振动分析中常用的方法。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术43，振动的 3 个特征量 式 9-1 是简谐振动位移量与时间的关系式，若将此式做一次微分，即可得出振动速度与时间的关系式，二次微分，即可得出振动加速度与时间的关系式，即Uxosin（t/2) (92)a2XoSin(t 十) (93)以时间为横坐标，分别以位移、速度和加速度为纵坐标，就可得到相应的
9、波形图(图 9-6)。比较三个关系式及波形图可知，振动的位移，速度和加速度的频率总是一样的， 只是速度比位移超前 90 度，加速度比位移超前 180 度。因此，在研究物体振动时，可用位移、速度或加速度中的任一个量与时间的关系来描述。这样就给振动测试带来很大的方便。在选定一种参数的传感器后，可以利用积分，微分的原理(借助电子线路)得到另两个量与时的关系曲线。4幅值的各种表示法 振幅值是用来描述振动强度的特性。但根据不同的需要，它的描述量也不同。表 91是常用的几种描述周期性振动幅值的名称，幅值计算、物理概念及它们间的相互关系。 湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术5第三节 振动
10、测试仪器振动测试的目的是对机器设备的振动量进行定量地测量，进而分析产生振动的原因，找出发生故障的部位。为实现这一目的，往往需要把若干个仪器组成一个测试系统。完整的振动测试系统一般由图 97 所示的四个部分组成。 随着采用传感器的不同，测量的要求不同，测量系统的组成有所差别。最简单的测量系统仅由一个传感器和一个测量表头组成。一、传感器 传感器的作用是采集机器的振动信号，并把这个信号转换成相应的电信号。传感器的输出电量和输入振动量的瞬时值之间保持一定的比例关系。在旋转机械测试中，常用的传感器有 3 种类型。 1磁电式速度传感器这种传感器是基于电磁感应原理(图 98)；当运动的导体在固定磁场里切割磁
11、力线时，导体两端就感应产生电动势。在磁通密度与导线长度一定时，此电动势与导线切割磁力线的速度成正比。 由此可知，这种传感器有两个基本元件：线圈和磁铁(一般采用永久磁铁，以产生恒定的永久磁场)。根据线圈运动方法的不同，这类传感器又可分为相对式和惯性式两种。图 99 为惯性式速度传感器的结构图。永久磁铁 2 用铝架 4 固定在壳体 6 里。工作线圈 7、阻尼器 3 通过芯杆与连在一起，再通过弹簧片 1 和 8 悬挂在传感器的外壳上。使用时，振动传感器与被测振动体固紧在一起。当被测振动体振动时，壳体也随之振动，线圈阻尼器与壳体间产生相对运动，从而切割磁力线产生感应电动势，此电动势通过接头 9 而接到
12、测量电路上。 湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术6此类传感器的特点是：不需外部电源；输出阻抗低，不易受电磁场的干扰，即使在复杂的现场，接很长的导线仍能有较高的信噪比，亦就是说，它对电缆长度的要求不高。但它不适用于测定冲击振动，惯性式速度传感器的频率范围般为 8Hz-lkHz。 2涡流式位移传感器 这是基于电磁感应原理的另一种型式的传感器(图 910)。当金属板置于变化着的磁场中时，金属板内就产生感应电流，这种电流在金属板内就要产生感应电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称之为涡流。此涡流又将产生一磁场反作用于原线圈；因此，原线圈与涡流(也可把它看做一个线圈，称之为涡流线圈
13、)形成了有定耦合的互感，互感的大小同二者间的距离及导体的材料有关。由此可见，当传感器的线圈结构与被测导体材料确定之后，它的大小只与距离有关。图 9-11 和图 9-12 为两种不同型式的涡流传感器结构图。前者是导线绕在框架上，后者是采用线圈粘贴的方式。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术7此类传感器的特点是它与被测物之间没有直接的机械接触；与其它非接触式传感器相比，频率范围宽(DC10kHz)，线性度好，在其线性范围内灵敏度不随初始间隙大小而，改变。因此，广泛用于转子轴的监测及转子轴的平均静位移。但在安装使用这类传感器时要注意在传感器端部附近除了被测物体表面外，不得有其它导体
14、与之靠近，以免传感器端部线圈磁通有一部分从其他导体穿过，改变了线圈与被测物的耦合状态，从而不能得到正确反映间隙变化的输出(图 913)。同时还要注意，被测物体是何种导体材料，因为不同材料对高频磁场的电感效应和涡流损耗也不同，故在使用中要及时进行灵敏度标定。 3,压电式加速传感器 这种传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电材料(包括压电晶体和压电陶瓷两类)在承受一定方向的外力或变形时，其晶面或极化面上会产生电荷，这种现象称为正压电效应。实验证明，在晶体片上积聚的电荷量与作用力成正比。常用的压电式加速度传感器的结构有两种：中心压缩式和剪切式，剪切式又有环形剪闭式与三角剪切式两种(图
15、9-14)。图 9-14a 为中心压缩式加速度传感器结构图。两晶体片 1 并联连接，中间隔一铜盘 2，质量块 3 借硬弹簧 4 和锁紧螺母 5 使其压紧在晶体片上(为防止测量过程中质量块脱开晶体片，必须给硬弹簧以一定的预压力)。整个组件安装在底座 6 上， 底座借助其卞的螺钉孔或永久磁铁而固定在被测物体上。当物体振动时，加速度传感器也受振动，这时个等于质量块的加速度乘以质量块质量的力作用于压电晶体片上，使压电晶体产生与其所受力成正比的电荷。剪切式的工作原理与中心压缩式相同，区别在于压电晶体是与一刚性中心支柱联接(图 9-15)，晶体受剪切力。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技
16、术8此类传感器的特点是，具有较宽的频带(02Hz10kHz)，本身质量较小(一般为250g)。动态范围大。灵敏度高(特别是在高频部分更显出其优于其它形式的传感器)。因而在振动测试中得到广泛的应用。但在选用加速度传感器时，除了应注意其工作频率范围，尽量使被测频率在传感器频率特性曲线的直线内(图 9-16)这一点之外，对传感器的安装也应给予足够的重视。安装方式木同将直接影响(限制)加速度传感器的有用频率范围。图917 为不同安装方式及其典型频率响应示意图。由图可知最理想的安装方式是图 9-17a的螺栓连接。二，放大器 测振传感器的输出信号般都是很微弱的。为了进行下一步的分析和记录，必须对此信号进行
17、放大至足够的电平和功率。因而需要配有相应的放大器。除此作用外，一般放大湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术9器还具有积分、微分等功能。常用的测振放大器有以下 3 种。1，微积分放大器在振动测量中，经常要进行位移、速度与加速度等 3 个量的相互转换。微积分放大器就是用以把测振传感器的输出信号加以积分、微分和线性放大，得到位移，速度，加速度。如，磁电式速度传感器的输出电势与振动速度成正比。为了获得位移信号，必须进行积分运算。为了获得加速度信号，必须进行微分运算。压电式加速度传感器产生的电荷与振动的加速度成正比。为获得速度或位移信号，必须进行一次或二次积分。由此可见，微积分放大器是
18、振动测量的重要组成部分。 一般的微积分放大器是由输入衰减器、电压放大器、微积分运算级、功率放大级及输出衰减器组成，同时配有稳压电源和标定振荡器等附属电路。2电压放大器和电荷放大枉 压电式加速度传感器输出的信号是微弱的。为了把它的高阻抗输出转换成低阻抗的信号，并送入测量仪器和分析仪器中，就需用电压或电荷放大器。电压放大器是把加速度传感器随振动变化的电荷量转变成与之相应的电压信号，经处理后给出一个与输入电压成比例的输出电压。电荷放大器则是直接随振动变化的电荷量，经处理后给出一个与输入电荷成比例的输出电压坪电压放大器结构简单，价格便宜，但其灵敏度受电缆长度影响。而电荷放大器受电缆长度的影响很小，可无
19、须考虑，故近年来此类放大器得到广泛地应用。 3，振动计(仪) 振动计是振动测试中最简单，最基本的仪器，也是应用最广泛的一种简易测试仪器。它包括加速度传感器，电荷放大器、信号检测器与指示仪表等几个基本部分：来自加速度传感器的信号，直接送入仪器内的电荷放大器，再经处理，变换后，可在指示仪表上显示出所测振动的加速度，速度或位移等 3 个特征量中任一量的峰值，有效值(通过旋钮选择)。图 9-18 是常用的一种振动仪外形。 这种振动计可与外接滤波器相连构成频率分析仪，进行频率分析。若与电平记录仪等记录仪器相连，可对振动频谱作长时间连续记录。若配以相位计及光电探头，则可对设备做现场动平衡。由此可见，振动计
20、配不同的仪器可完成多种不同的振动测量和分析工作。三、分析仪器振动信号中包含了有关设备运行状态的大量信息。分析仪器就是将所测得的振动信号进行分解，以获得各个不同频率范围的信号。根据分析数据的特征，分析仪可分为模拟式和数字式两类。1模拟式分析仪 模拟式频率分析仪是根据对信号滤波的原理进行频谱分析的。因此，它的核心是滤波器。所谓滤波，就是对原始信号进行过滤，改变其频率成分，以达到削弱干扰，突出信号的目的。图 9-19 是滤波器的工作原理图。由图可知，按某种预定方式的限制，每次只允许较窄频带范围内的信号通过。这样，就可分离出单一或一组频率的信号。连续调节即可在整个所需的频率范围内获取不同频率成分的信号
21、。滤波器根据用途不同分高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器。顾名思义，高通滤波器是允许通过某特定频率以上的全部频段。反之，低通滤波器则是允许通过某特定频率以下的频段。而带通滤波器是把所需要的频带的上部和下部都滤掉，只允许某一需要频带内的频率通过。如图 919 所示。一般较通用的是带通滤波器，它是模拟式频谱分析仪的核心。滤波器通频带的宽度决定了频率分析的精度。带宽越窄，分析结果越精确，但所需的时间也就加大。根据带宽的不同，滤波器分恒带宽和恒百分比带宽两大类。恒带宽滤波器是不管滤波器的中心频率大小，带宽总是相等的，如 3Hz；10Hz 等。恒百分比带宽滤波器的带宽是随中心频率而改变的，中心频串增加，
22、带宽也增加。但其百分比不变，如 3X、10x等。 恒带宽与恒百分比带宽分析各有其特点。恒带宽分析在低频部分分辨率低，高频部分分辨率高，在线性频率刻度的频谱图上是等间距的。恒百分比带宽分析在低频部分分辨率，而高频部分分辨率低，在线性频率刻度纸上是不等间隔的，而在对数频率刻度上是等间隔湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术10啷如图 920 所示，由于机械振动与冲击信号中校毖兴趣的是低频段，所以一般用对 根据分析信号的要求，带通滤波器可做成不连续档级的扫描式连续可调的和并联的 3 种类型。 滤波器必须与测振仪组合在一起才能构成一台完整的振动分析仪。图 921 是一种普遍应用的便携式
23、振动分析仪。 2数字式分析仪 模拟式分析仪因扫描滤波器的响应时间长，所以分析速度慢。但近年来，由于动态分析的内容增多，对分析速度和精度提出了更高的要求，同时，随着电子技术的发展，目前有不少数字式分析仪。它的特点是以微处理器为核心，以快速傅里叶变换(FFT)为基础，建立了信号时间域分析和频率域分析之间的关系，信号整个处理过程是按照数字形式进行的。因此，这种分析仪分析精度高、速度快、动态范围大，性能稳定、抗干扰性能力强，特别是分析速度远远高于模拟式分析仪，从而在振动分析中得到广泛的应用。图 922 是另一种数字式分析仪。 四、记录仪器 1、磁带记单仪(磁带机) 磁带记录仪是根据磁性物质磁化的原理，
24、把随时间变化的电信号转变为沿磁带长度上剩磁的变化以实现记录的。它由磁带和磁头，记录放大器和重放放大器以及磁带的传动机构 3 部分组成。这种记录仪的特点是： 1)记录的信号能长期保存，并可根据需要随时立即重放(能重放数百次)，这对于研究分析一次性试验或较重大的试验更为有益。2)通过改变磁带记录与重放速度比可以很方便地实现记录信号的频率转移，以适应后继分析仪器对输入信号频率范围的要求。3)从电信号转换成磁信号，它的转换器(磁头)没有运动的部分。因此，它能记录频率极高的信号，记录频带很宽(从直流信号至 2 兆赫)，这是其很大的一个优点。4)能同时记录多路信号。当采用调频方式记录时，一英寸宽的磁带可记
25、录 100 多路信号，且能保证这些信号之间的时间(或相位)关系。5)记录磁带可反复使用。 6)可进行长时间记录，记录时间可长达十几小时至 1 个多月。湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术11基于上述特点，在振动测试分析中，广泛地应用磁带机，记录现场的振动信号，并送入分析仪中进行分析。 2，电平记录仪 电平记录仪(图 923)是以曲线的形式记录被测参量的。它与频谱分析仪配合，可对振动和冲击进行自动频谱分析，并将分析结果描绘在已标好频率坐标的记录纸上(即频谱图)，如图 924 所示。 根据分析工作的需要，所记信号可以是峰值，有效值或平均值。使用的座标刻度，有线性的(包括极坐标)和
26、对数的两种。当使用线性刻度时，记录曲线的高度与所测信号电压成正比。当使用对数刻度时，记录曲线的高度与所测信号电压的对数成正比，此时的电压大小常用分贝(dB)数表示，其值按下式计算：dB201gu 测/u 算式中 u 测输给电子记录仪的被测信号电压； u 算比较器的标准比较电压； 电平记录仪的特点是直接描绘出曲线，比较直观，而且可作为测试分析记录文件直接保存。五、数据采集器数据采集器是一种带计算机接口的智能比仪器：(图 925)。它和传感器、计算机三者组合在一起，成为一种新型的周期性监测系统，其系统框图如图 926 所示；其工作步骤是：1、组态 首先，选定被检测的设备(设备群)，随后确定巡回检查
27、的路线和巡回检查的周期，选定测点及各点的测量参数，并把这些信息输入计算机中存储。2巡回检查前的准备 在巡回检查前，把采集器与计算机用接口联接，利用计算机相应的软件，使采集器在开始工作前内存置为零，使其时钟与计算机时钟对准，并将上一次检测的各点数据输入给采集器。 3数据采集 根据采集器显示的测点顺序进行现场测量，并将所测数据与上次数据及报警值进行比较。如振动值有较明显地变化，则需采一段时域信号做分析用。4；数据处理 巡回检查后，把数据采集器内的数据输入计算机进行处理分析，并以各种图表形式(巡检报告总表，各测点值，测点轴心轨迹，时域图，频域图等)打印出来，同时也存入数据库。5，趋势分析 存储在数据
28、库中的数据不仅可随时调用或查阅，还可绘制成趋势图或趋势表据以了解设备的历史状况和变化趋势。 由此可见，数据采集器是一种简单、方便的仪器。它取代了大量手工读数、记录工作，湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术12可靠性亦高。因此， 日益被人们认识和采用。 六、仪器的配置 振动测试和分析的目的在于对设备运行状态进行科学地判断，对其存在问题的性质、原因及严重性作出判断，以便为检修提供可靠的依据。 一般来说，设备诊断分为两个层次：简易诊断和精密诊断。所谓简易诊断，就是通过测试和分析对设备是否处于正常状况做出迅速而准确地评价。共目的和作用在于对设备的劣化趋势进行判断。一般它是由现场人员进
29、行的。精密诊断是对经简易诊断为有异常的设备做进一步的测试和分析，找出异常的原因和部位，并对其发展趋势作出判断和预报。其目的和作用是为检修决策提供依据。图 927 是简易诊断和精密诊断间相互关系的示意图。由于诊断的目的不同，选用和配备的仪器也不相同。 1， 简易诊断简易诊断一般只需使用各种简单的，便携的振动计，定期、定点地对设备进行单一频段内的总振级测量。将测得的结果与标准进行比较，以判断设备状态。图 928 是这种方法所需配套仪器。 2，精密诊断 在进行精密诊断时，一般需将振动测量和分析仪器组合在一起使用。其组合方式有两种(图 9-29)。 1)直接分析。分析仪与传感器、放大器直接联结在一起，在进行振动测试时即进行分析工作。前述的振动汁与滤波器配套就属于此种分析形式。对于投资较少，且测点不多的湘潭钢铁集团有限公司新炼钢宽厚板项目 振动测试诊断技术13情况，这种配套形式是较经济的。 2)记录分析。此时传感器、放大器不是与分析仪连接在一起，而是与一台磁带记录仪连结，测试所得的信号用磁带记录仪记录和存储(图 929 虚线所示)，然后将所记录的信号由磁带机输送给分析仪器进行分析。此时，所用的分析仪一般均是数字式频谱分析仪。这种数字式频谱分析仪分析精度高，速度快。
