旋转机械振动测量知识

机械中一般包括不运动的结构部分和运动的动力系统,本篇主要针对后者。

机械结构的常见动力系统

1
动力系统

动力系统主要包括:

  • 动力源:电动机、内燃机等;

  • 传动部件:转轴、齿轮、凸轮、联轴节、链条、皮带等;

  • 运动部件:完成各种运动的部件,如叶片、刀具、车轮、活塞;

  • 支承零件:滚动轴承、滑动轴承、液压系统等。

2
运动形式

主要有两种运动形式:

  • 旋转运动:动力源、传动部件、旋转的运动部件、轴承的内圈和滚珠等;

  • 往复运动:内燃机内部的凸轮活塞、磨床的运动部分。

3
常关心零件

常常关心的零件有:转子、转轴、齿轮、轴承、叶片等。

旋转机械振动特点

1
强迫振动
  • 周期性的强迫振动;  

  • 往复运动:转子质量偏心(不平衡)、不对中、油膜非线性力;

  • 松动:摩擦、碰撞等;

  • 共振。

2
以转速为参考

基本周期:旋转周期→转频,一般以转速形式呈现。

X r/min → X/60r/sec → X/60Hz

3
特征频率

各种部件的振动频率,多数与旋转频率有关,可以事先计算出来。在频谱图上查找这些特征频率,以判断振动产生的部件和原因。

常用频率:

  • 旋转频率:fr = X r/min→ X/60Hz;

  • 倍频:n fr;

  • 分频: fr/n;

  • 齿轮啮合频率:Z fr

  • 边频:Z fr ± n fr

  • 滚动轴承频率:内圈、外圈、滚动体、保持架。

振动响应测试

1
各部件的自由振动测试
  • 非工作状态,以锤击、激振器等激励,测量自振频率和模态振型;

  • 临界转速:转轴系统的各阶自振频率对应的转速。

2
结构部件的强迫振动测试

工作状态下,测量振动响应。

3
旋转部件的振动测试

工作状态下,测量振动响应,关心各特征频率,分析系统工作状态,判别故障部件和原因。

转子现场动平衡

1
目的

测量转子的偏心角度和偏心量,以便在反相位上进行补偿,消除转子不平衡振动。

2
平衡分类
  • 静平衡:刚性转子(单盘转子,长度远小于直径,转速较低);

  • 动平衡:柔性转子(多盘转子,长度不远小于直径,转速较高);

单盘转子

多盘转子

d 同量级

3
动平衡方法
  • 平衡试验机:拆下旋转部件系统,安装到平衡机上;

  • 现场动平衡:正常安装条件下,现场进行平衡测试。

4
现场动平衡步骤
  • 测量原始振动幅度和角度;

  • 在各转盘上的某个角度,加上试验配重,测量振动幅度和角度;

  • 使用影响系数法,计算原始的转子偏心大小和角度;

  • 在反方向上加上补偿配重后,验证测量及再平衡。

测试传感器和安装

1
测量位置和方向

旋转振动,需要同时测量垂直的两个方向,X和Y方向,X-Y图。

2
非接触振动测量

使用电涡流传感器,对准旋转部位,防止两个电涡流传感器太近引起相互干扰。

径向X/Y振动测量

轴向Z振动测量

3
接触式振动测量

使用加速度传感器,安装在轴承座上,注意安装角度。

4
转速和相位测量
  • 转速:电涡流、光电、编码器等测量转速脉冲,然后根据RRP和单位时间内脉冲数计算;

  • 相位:键相信号来确定振动的相位;

  • PPR:每转脉冲数,如齿轮100个齿,则PPR=100。

利用光电或电涡流传感器,测量键相或齿轮脉冲,获得转速。

利用键相信号确定振动信号的相位

常用分析方法

  • 频谱分析:寻找特征频率;

  • 启停机过程分析:伯德图、跟踪滤波、幅值转速曲线、阶次分析、时间谱阵分析;

  • 阶次分析:阶次谱阵、涡动比;

  • 轴心轨迹分析:X-Y图轴心轨迹、二维全息谱、三维全息谱、全息瀑布图;

  • 幅域参量统计:有效值、峰值因数、裕度因数、偏态因数等;

  • 倒频谱分析;

  • 共振解调分析:寻找轴承故障频率。

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