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【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动

(2017-03-27 23:18:58)
标签:

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工业

振动监测

设备管理

nvh

分类: 振动监测理论
一、机器的振动

我们知道,很多机器都是由转子和定子组成的,转子在转动,定子固定不动,但是由于积灰、不对中、不平衡等等原因,使得机器的整个身子都会发生振动:


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图1 - 振动的机器


有的振动我们可以听到,有的可以摸到或者看到,但不管怎么样,振动变大了,总不是什么好事情,可能预示着某种故障,如果长时间工作下去,机器就要报销了。。。


当然,有些时候,我们也会故意制造一些振动,如手机的振动,减脂机的振动,或是。。。(哎呦,你猜我要说什么),此时,振动当然越大越好啦!


对于非故意设计的振动,我们就要进行监视,其中蕴含了丰富的信息,可以帮助我们分析机器的工作状态哦。



二、如何描述振动

就像“温度”是用数值方式来科学地描述“冷、热”一样,振动也有一套自己的描述语言,其中最基本的两个数值是——振幅和频率。


1.振幅

振幅,表示振动的范围和强度的物理量。在机器振动中,振幅就是物体振动时离开平衡位置最大的“位移”的绝对值:


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图2 -振幅


2.频率

频率,是单位时间内完成周期性振动的次数,单位为赫兹,符号为Hz

比如,物体的振幅从平衡位置,到最高点,经过平衡位置,到最低点,再回到平衡位置,就是一个周期了。单位时间内有多少个周期,就是频率:


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图3 – 频率和周期


真实的机器振动形式很复杂,但往往可以被分解为一个个周期性的、具有固定振幅的小振动,而且每个小振动在数学上可以用“正弦函数”表示。


三、位移、速度和加速度

还记得中学物理吗,振动也脱离不了牛顿运动定律,我来帮你回忆一下:

  • 位移:表示物体的位置变化,如前面说的“振幅”,就是位移的最大值。

  • 速度:表示位移变化快慢的物理量。

  • 加速度:表示速度变化快慢的物理量。


三者的关系是:

  • 加速度与时间的积分,就是当前的速度;速度与时间的积分,就是当前的位移。

  • 换句话说,速度是位移对于时间的一阶导数,加速度是位移对于时间的二阶倒数。


OK,如果物体振动的位移随着时间的变化,符合一个正弦函数的曲线的话,那么,它的速度和加速度的变化,是什么样的呢?


请看下图:

【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图4 – 位移、速度、加速度


你猜对了吗?请注意几点:

  • 知道其中一个变量,就能推算出另外两个变量;

  • 位移和速度的相位差90度,速度和加速度的相位差90度;

  • 纵坐标上,三者的单位不同,对于机器振动来说,位移通常是‘µm’(微米),速度是‘mm/s’,加速度是‘m/s2’;



四、频率啊频率

那么,既然位移、速度、加速度可以相互换算,我们应该用哪个来描述振动呢?

答案是,取决于振动的频率。


第二节的图片是用“位移”来展示振动的,因为在振动比较慢的情况下,物体的振幅是我们可以亲眼看见的,但如果振动快起来,用“速度”甚至“加速度”来描述振动,可能更为合适。


这里引入一个数字——7.6 mm/s,这是业内认为大多数旋转型机器振动在10Hz~1KHz情况下的典型速度数值。


如果从频谱的角度去看,位移、速度、加速度的关系如下:

【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图5 – 频率的影响

说明如下:

  • 在10Hz~1KHz情况下,振动的速度保持7.6mm/s,所以振幅为一根水平直线;

  • 位移的振幅,随着频率增高而下降(周期短了嘛,同样的速度也跑不了多远,不是吗);

  • 加速度的振幅,随着频率增高而增高(周期短了,速度变化更快,对吧);


为了获得最好的信噪比,应取频谱上较为水平的数据作为分析依据,比如,振动速度7.6mm/s的情况下,如果不用“速度”作为分析依据,你会不会把1KHz的“位移”数据或者10Hz的“加速度”数据当做噪声呢?


通常的选择标准是,低频时,选用“位移”作为分析依据;中频时,选用“速度”作为分析依据;高频时,选用“加速度”作为分析依据!


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图6 – 位移、速度、加速度和频率



五、振动传感器

对于位移、速度和加速度,也分别有三种传感器。


1.位移传感器

位移传感器利用涡电流效应,即当大块导体放在磁场中相对运动时,在导体中也会出现感应电流,这使得线圈的阻抗也会随之改变,最终能够通过电信号来反映物体位移的变化。

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图7 – 位移传感器


位移传感器是非接触式的,这使得它适合测量转动轴的振动情况。不过,位移传感器的频率响应相对较低。


2.速度传感器

速度传感器内有永磁体和线圈,线圈由弹性装置支持,随着监测物体的运动,线圈和永磁体之间也发生相对运动,这种相对运动产生的电信号能够用来反映物体速度的变化。

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图8 – 速度传感器


内部机械式的弹性结构使得传感器无法获得很高的频响特性,不过目前也有基于压电工艺的速度传感器,甚至还有基于激光多普勒技术的速度传感器,当然,后者价格非常贵啊。


3.加速度传感器

加速度传感器内部结构里有质量块(mass)和压电材料(piezoelectric),随着监测物体的运动,质量块对压电材料会施加压力,从而获得能够反映加速度变化的电信号。

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图9 – 加速度传感器


加速度传感器可以获得比较宽的频响特性,下图红色曲线尖头处为它的共振频率,一般有效带宽为共振频率的三分之一,而接近共振频率的部分传感器的灵敏度就会大打折扣了:


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图10 – 频响特性


今天的分享,就到这里。


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