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。 图 1振动的峰－峰值、单峰值、有效值和平均值 b．周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以 T0 表示。单位一般是用“秒”表示。例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。 c．频率：是指振动物体在单位时间（1 秒）内所产生振动的次数，即 Hz，以f0表示。很显然，f0＝1／T0。对于旋转机械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：a）转动轴的旋转频率；b）各种振动分量的频率；c）机器自身和基础或其它附着物的固有频率。 d．相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相位差。相位可用来描述某一特定时刻机器转子的位置，一个好的相位测量系统能够确定每一个传感器所在的机器转子上“高点”相对机器轴系上某一固定的标志点的位置。而平衡状态的变化将会引起“高点”位置的变化，这种变化也会通过相位角的变化而表示出来。相位的度量单位为度（°），通常振动相位在 0°～360°范围之间变化。振动的相位在振动 分折中十分重要，它不仅反映了不平衡分量的相对位置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重要作用。 2、信号类型:位移、速度、加速度 位移:适用于低频范围，转速在1500转/分以下的机组；反映质点的位能，可监测位能对设备部件的破坏。 速度:适用于中频段，转速在1500-10000转/分范围内的机组；反映质点的动能，可监测动能对设备部件的破坏。 加速度:适用于高频段，转速在10000转/分以上的机组；反映质点的受力情况受，可监测振源的冲击力对设备的破坏程度。 三者的转换关系如下。 把一个单摆横向来看，当重锤向上摆，通过起始点 0 时，其位移为零，而速 度为正方向最大，加速度为零；当重锤运动到上死点时，位移为正方向最大，此 时速度为零，加速度为负方向最大；重锤向下回零时，位移为零，速度为负方向 最大，加速度为零；当重锤运动到下死点时，位移为负方向最大，而此时速度为 零，加速度为正方向最大。 图 Error! No text of specified style in document. 振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系 结论：振动速度相位超前振动位移90°；振动加速度相位超前振动速度 90°；振动加速度相位超前振动位移180°相位如果没有明确指明，其角度增加的方向总是与转子的转动方向相反。 3、通频振动、选频振动、工频振动 通频振动表示振动原始波形的振动幅值。 选频振动表示所选定的某一频率正弦振动的幅值。工频振动表示与所测机器转子的旋转频率相同的正弦振动的幅值。对于工作转速为 6000r/min 的机器，工频振动频率是100HZ。工频振动又叫基频振动。 4、 径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动 径向振动是指垂直于机器转轴中心线方向的振功。径向振动有时也称为横向振动。水平振动是指与水平方向一致的径向振动。垂直振动是指与垂直方向一致的径向振动。轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。 5、同步振动、异步振动 同步振动是指与转速频率成正比变化的振动频率成分。一般情况（但不是全 部情况）下，同步成分是旋转频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X）……，半频（1/2X）， 三分之一倍频（1/3X）……等。 异步振动是指与转速频率无关的振动频率成份，也可称为非同步运动。 6、谐波、次谐波、亚异步、超异步 一个复杂振动信号所含频率等于旋转频率整数倍的信号分量，也称谐波、超谐波或同步。一个复杂振动信号中所含频率等于旋转频率分数倍的信号分量，也称为次谐波或分数谐波。亚异步振动是指频率低于旋转频率的非同步振动分量。超异步振动是指频率高于旋转频率的非同步振动分量。 7、相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动 转子的相对轴振动是指转子轴颈相对于轴承座的振动，它一般是用非接触式 电涡流传感器来测量。转子的绝对轴振动是指转子轴相对于大地的振动，它可用接触式传感器或用一个非接触式电涡流传感器和一个惯性传感器组成的复合传感器来测量。两个传 感器所测量的值进行矢量相加就可得到转子轴相对于大地的振动。轴承座振动是指轴承座相对于大地的振动，它可用速度传感器或加速度传感 器来测量。 8、 自由振动、受迫振动、自激振动、随机振动 自由振动一般是指力学体系在经历某一初始扰动（位置或速度的变化）后，不再受外界力的激励和干扰的情形下所发生的振动。根据扰动的类型，力学体系以自身的一种或多种固有频率发生自由振动。 受迫振动是指在外来力函数的激励下而产生的振动。通常，受迫振动按照激励力的频率振动。自激振动是指由振动体自身所激励的振动。维持振动的交变力是由运动本身产生或控制的。自激振动通常有下述特点： ① 振动频率为亚异步或超异步，与转子转速不同步。 ② 自激振动的频率以转子的固有频率为主。 ③ 多数为径向振动。 ④ 振幅可能发生急剧上升，直到受非线性作用以极限圆为界。 ⑤ 振幅的变化与转速或负荷关系密切。 ⑥ 失稳状态下的振动能量来源于系统本身。随机振动是指当描述系统振动的状态变量不能用确切