机械设备振动状态监测技术经典教材11193.pptx
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1、机械设备振动状态监测技术机械设备振动状态监测技术机械工程学院机械工程学院阳建宏阳建宏由于共振所产生大桥坍塌事故由于共振所产生大桥坍塌事故地震及其危害地震及其危害设备的振动设备的振动设备振动出现异常设备振动出现异常 振动的基础知识振动的基础知识 振动传感器振动传感器 振动信号的采集振动信号的采集 振动信号的分析振动信号的分析主要内容主要内容振动:振动:在一定条件下,振动体在其平衡位置附近随时间在一定条件下,振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。作来回往复变化的运动。xtATmfkx(t)什么是振动?什么是振动?幅值:幅值:振动振动能量大小能量大小频率:故频率:故障定位障定位相位相位分
2、分类类名名 称称主要特征与主要特征与说说明明按系按系统统的的自由自由度度单单自由度系自由度系统统振振动动用一个独立用一个独立变变量就能表示系量就能表示系统统振振动动多自由度系多自由度系统统振振动动须须用多个独立用多个独立变变量表示系量表示系统统振振动动连续弹连续弹性体振性体振动动须须用无限多个独立用无限多个独立变变量表示系量表示系统统振振动动按系按系统结统结构参构参数的数的特性特性线线性振性振动动可以用可以用常系数常系数线线性微分方程性微分方程来描述,系来描述,系统统的的惯惯性力、阻尼力和性力、阻尼力和弹弹性力分性力分别别与振与振动动加速度、速加速度、速度和位移成正比度和位移成正比非非线线性振
3、性振动动要用要用非非线线性微分方程性微分方程来描述,即微分方程中出来描述,即微分方程中出现现非非线线性性项项振动的分类振动的分类分分类类名名 称称主要特征与主要特征与说说明明 按按 振振 动动 产产 生生 的的 原原 因因自由振自由振动动系系统统受初始干受初始干扰扰或外部激振力取消后,或外部激振力取消后,系系统统本身由本身由弹弹性恢复力和性恢复力和惯惯性力来性力来维维持的振持的振动动。当系。当系统统无阻尼无阻尼时时,振,振动频动频率率为为系系统统的固有的固有频频率;当系率;当系统统存在阻尼存在阻尼时时,其振,其振动动幅度将逐幅度将逐渐渐减弱减弱受迫振受迫振动动由于外界持由于外界持续续干干扰扰引
4、起和引起和维维持的振持的振动动,系,系统统的振的振动动频频率率为为激振激振频频率率自激振自激振动动系系统统在在输输入和入和输输出之出之间间具有反具有反馈馈特性特性时时,在一定条,在一定条件下,件下,没有外部激振力而由系没有外部激振力而由系统统本身本身产产生的交生的交变变力力激激发发和和维维持的一种持的一种稳稳定的周期性振定的周期性振动动,其振,其振动频动频率率接近于系接近于系统统的固有的固有频频率率振动的分类振动的分类分分类类名名 称称主要特征与主要特征与说说明明 按按 振振 动动 产产 生生 的的 方方 向向横向振横向振动动振动发生在包括转轴的横向振动发生在包括转轴的横向xoy平面内平面内,
5、大多数故障,大多数故障所激发的振动为此类振动所激发的振动为此类振动轴轴向振向振动动振动发生在转轴轴线振动发生在转轴轴线z方向方向上,某些故障如不对中将上,某些故障如不对中将会激发轴向振动会激发轴向振动扭扭转转振振动动沿沿转轴轴线发转轴轴线发生的生的扭振扭振,多,多盘转盘转子的柔性子的柔性轴轴将会将会产产生扭振生扭振振动的分类振动的分类yxz0最简单的转子系统设计原因设计原因设计不当,运行时发生强迫振动设计不当,运行时发生强迫振动/自激振动自激振动结构不合理,应力集中结构不合理,应力集中设计工作转速接近或落入临界转速区设计工作转速接近或落入临界转速区热膨胀量计算不准,导致热态不对中热膨胀量计算不
6、准,导致热态不对中制造原因制造原因零部件加工制造不良,精度不够零部件加工制造不良,精度不够零件材质不良,强度不够,制造缺陷零件材质不良,强度不够,制造缺陷为什么会产生振动?为什么会产生振动?安装安装/维修的原因维修的原因机械安装不当,零部件错位,预负荷大机械安装不当,零部件错位,预负荷大轴系对中不良轴系对中不良机器几何参数机器几何参数(配合间隙、过盈量及相对位置配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当调整不当操作运行的原因操作运行的原因工艺参数工艺参数(介质的温度、压力、流量、负荷介质的温度、压力、流量、负荷)偏离设计值偏离设计值转速接近或落入临界转速区转速接近或落入临界转速区润滑或冷却不良润滑或
7、冷却不良启停机或升降速过程操作不当,暖机不够,热膨胀不均启停机或升降速过程操作不当,暖机不够,热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长匀或在临界区停留时间过长为什么会产生振动?为什么会产生振动?机器劣化的原因机器劣化的原因零部件磨损、点蚀、脱落、腐蚀、产生裂纹零部件磨损、点蚀、脱落、腐蚀、产生裂纹配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等,破坏了配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等,破坏了配合的性质和精度配合的性质和精度机器基础沉降不均匀,机器壳体变形机器基础沉降不均匀,机器壳体变形为什么会产生振动?为什么会产生振动?测定机械系统的测定机械系统的动态响应特性动态响应特性,以便确定机器设备承受,以便确定机器
8、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;振动和冲击的能力,并为产品的改进设计提供依据;分析振动产生的原因,分析振动产生的原因,寻找振源寻找振源,以便有效地采取减振,以便有效地采取减振和隔振措施;和隔振措施;对运动中的机器进行对运动中的机器进行故障监控故障监控,以避免重大事故。,以避免重大事故。为什么要研究振动?为什么要研究振动?振动的基础知识振动的基础知识 振动传感器振动传感器 振动信号的采集振动信号的采集 振动信号的分析振动信号的分析主要内容主要内容 传感器类型及原理传感器类型及原理 传感器的选择传感器的选择 传感器的安装传感器的安装 传感器的标定传感器的标定振动传感器振动传感
9、器振动传感器的分类振动传感器的分类类别类别具体具体说说明明按按测测量原理分量原理分机械方法机械方法、光学方法、光学方法、电测法、电测法按按测测振参数分振参数分位移传感器、速度传感器、加速度传感器位移传感器、速度传感器、加速度传感器按按转换转换原理分原理分磁磁电电式、式、压电压电式、式、电电阻阻应变应变式、式、电电感式、感式、电电容式、光学式容式、光学式按按传传感器与感器与被被测测物关系分物关系分接触式接触式传传感器、非接触式感器、非接触式传传感器感器工作原理:工作原理:当一块金属导体置于一个由通有高频电流的线圈所产当一块金属导体置于一个由通有高频电流的线圈所产生的交变磁场中或在磁场中运动时,由
10、于电磁感应的作用,金属导体生的交变磁场中或在磁场中运动时,由于电磁感应的作用,金属导体内将产生一个闭合的电流环,此即内将产生一个闭合的电流环,此即“电涡流电涡流”。电涡流将产生一个与电涡流将产生一个与交变磁场相反的涡流磁场的变化,交变磁场相反的涡流磁场的变化,从而使原线圈的阻抗、电感和品质从而使原线圈的阻抗、电感和品质因素都发生变化,且它们的变化量与线圈到金属导体之间的距离因素都发生变化,且它们的变化量与线圈到金属导体之间的距离x的的变化量有关,于是就把位移量变成了电量。变化量有关,于是就把位移量变成了电量。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器电涡流位移传感器 工作原理:工作原理
11、:电涡流效应。电涡流效应。根据法拉第电磁感应原理,块状根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体金属导体置于置于变化的磁变化的磁场场中或在磁场中作中或在磁场中作切割磁力线运动切割磁力线运动时,导体内将产生呈时,导体内将产生呈涡涡旋状的感应电流旋状的感应电流,此电流叫,此电流叫电涡流电涡流,以上现象称为电涡流,以上现象称为电涡流效应。效应。根据电涡流效应制成的传感器称根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。为电涡流式传感器。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 将将高频高频(100kHz100kHz左右)信左右)信号源产生的高频电压施加号源产生的高频电压施加给电感线圈给电感线圈L L时,将产生时,将
12、产生高频磁场高频磁场H H0 0被测导体置于该交变磁场被测导体置于该交变磁场范围之内时,范围之内时,被测导体内被测导体内就产生电涡流就产生电涡流i i1 1。电涡流产生与电涡流产生与H H0 0方向相反方向相反的磁场的磁场H H1 1因涡流磁场的反作用,电因涡流磁场的反作用,电感线圈的电流幅度、相位感线圈的电流幅度、相位等等(有效阻抗)发生改变,(有效阻抗)发生改变,经检测电路可转换成电压经检测电路可转换成电压或电流的变化或电流的变化电涡流位移传感器电涡流位移传感器 通常通常假定假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,电金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,电感线圈有效阻抗的变化与金属体
13、磁导率感线圈有效阻抗的变化与金属体磁导率、电导率、电导率、线圈、线圈的尺寸因子的尺寸因子T、电流频率、电流频率、电电流流强强度度I以及以及线圈到金属导线圈到金属导体表面的距离体表面的距离D等参数有关。等参数有关。Z=f(,T,I,D)控制控制,T,I 在一定范围内不变,则线圈阻抗在一定范围内不变,则线圈阻抗Z就成就成为距离为距离D的的单值函数单值函数虽然整个函数是非线性的,其函数特征为虽然整个函数是非线性的,其函数特征为“S”型曲线,型曲线,但可取近似线性的一段。(但可取近似线性的一段。(使用时应注意线性范围使用时应注意线性范围)电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的使用注意事项
14、电涡流位移传感器的使用注意事项(1)被测体材料对传感器的影响)被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关当被测体为当被测体为导磁材料导磁材料(如普通钢、结构钢等)时,(如普通钢、结构钢等)时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,涡流效应减弱,于涡流效应,涡流效应减弱,传感器灵敏度降低传感器灵敏度降低。而当被测体为而当被测体为弱导磁材料弱导磁材料(如铜,铝,合金钢等)(如铜,铝,合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此此传感
15、器感应灵敏度要高传感器感应灵敏度要高。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的使用注意事项电涡流位移传感器的使用注意事项(2)被测体表面平整度对传感器的影响)被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对误差,因此对被测体表面应该平整光滑被测体表面应该平整光滑,不应存,不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在在0.4um0.8um之间;对于位移测量被测表面粗之间;对于位移测量被测表面粗糙度
16、要求在糙度要求在0.4um1.6um之间。之间。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的使用注意事项电涡流位移传感器的使用注意事项(3)被测体表面磁效应对传感器的影响)被测体表面磁效应对传感器的影响涡流在金属导体中的深度方向分布是按指数规律涡流在金属导体中的深度方向分布是按指数规律衰减的。衰减的。电涡流效应主要集中在导体表面。(集电涡流效应主要集中在导体表面。(集肤效应)肤效应)。加工过程中可能形成的加工过程中可能形成的残磁效应残磁效应,以及,以及淬火不均淬火不均匀匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。振动测量时
17、,若被均匀等都会影响传感器特性。振动测量时,若被测体表面残磁效应过大,会导致测量波形畸变。测体表面残磁效应过大,会导致测量波形畸变。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的使用注意事项电涡流位移传感器的使用注意事项(4)被测体表面镀层对传感器的影响)被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了相当于改变了被测体材料被测体材料,视其镀层的材质、厚薄,传感器的,视其镀层的材质、厚薄,传感器的灵敏度会略有变化。灵敏度会略有变化。电涡流位移传感器电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的使用注意事项电涡流位移传感器的使用注意事项(5)被测体
18、表面尺寸对传感器的影响)被测体表面尺寸对传感器的影响在线圈轴线附近,涡流密度非常小,愈靠近线圈的外在线圈轴线附近,涡流密度非常小,愈靠近线圈的外径处,涡流的密度愈大,而在等于线圈外径径处,涡流的密度愈大,而在等于线圈外径1.81.8倍处倍处,涡流将衰减到最大值的涡流将衰减到最大值的5 5。被测体表面为平面时,被测面直径应大于线圈直径的被测体表面为平面时,被测面直径应大于线圈直径的1.51.5倍;倍;当被测体为圆轴且轴线与线圈中心线正交,一般要求当被测体为圆轴且轴线与线圈中心线正交,一般要求被测轴直径为线圈直径被测轴直径为线圈直径3 3倍以上,否则传感器的灵敏倍以上,否则传感器的灵敏度会下降,被
19、测体表面越小,灵敏度下降越多。度会下降,被测体表面越小,灵敏度下降越多。优点:优点:能实现非接触式测量能实现非接触式测量灵敏度高、频响范围宽、测量范围大灵敏度高、频响范围宽、测量范围大抗干扰能力强、结构简单、容易标定抗干扰能力强、结构简单、容易标定可以实现静态和动态测量可以实现静态和动态测量缺点:缺点:对被测材料敏感对被测材料敏感对同一材料,若被测表面的材质不均,或内部有裂纹等对同一材料,若被测表面的材质不均,或内部有裂纹等缺陷,都会影响测量结果。(可用此进行无损探伤)缺陷,都会影响测量结果。(可用此进行无损探伤)被测体的形状对测量结果也有影响。被测体的形状对测量结果也有影响。电涡流位移传感器
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