机械振动与信号

在冶金、化工、机械等企业中旋转机械设备约占80％，这些旋转设备主要包括发电机、电动机、透平制氧机、鼓风机、大型轧钢机等，在众多的诊断技术中，没有任何技术能比振动信号分析对机器设备状况提供更深刻的了解。另外，由于旋转机械设备在运行中易出现不对中或受外力作用而产生振动的现象，其大小与安装质量和使用中的故障有直接关系。由此可见，振动分析及测量在诊断旋转机械中有着重要的地位。

一般所进行的振动测量大致有以下两方面的内容：

● 振动基本参数的测量，测量振动构件上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，用于识别该构件的运动状态是否正常。

● 结构和部件的动态特性测量，这种测量方式以某种激振力作用在被测体上，使被测件产生受迫振动，测量输入（激振力）和输出（被测体振动响应），从而确定被测体的固有频率、振型等动态参数。

一、机械振动的分类

1.按振动规律分类

这种分类，主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的。

2.按振动的动力学特征分类

(1) 自由振动与固有频率

(2) 强迫振动和共振

(3) 自激振动

自激振动有如下特点：

随机性。因为能引发自激振动的激励（大于阻尼力的失稳力）一般都是偶然因素引起的，没有一定规律可循。

● 振动系统非线性特征较强，即系统存在非线性阻尼、元件（如油膜的粘温特性，材料内摩擦）、非线性刚度元件（柔性转子、结构松动等）才足以引发自激振动，使振动系统所具有的非周期能量转为系统振动能量。

● 自激振动频率与转速不成比例，一般低于转子工作频率，与转子临界转速相符合。只是需要注意，由于系统的非线性，系统固有频率会有一些变化。

● 转轴存在异步涡动。

● 振动波形在暂态阶段有较大的随机振动成分，而稳态时，波形是规则的周期振动，这是由于共振频率的振值远大于非线性影响因素所致；与一般强迫振动近似的正弦波（与强迫振动激励源的频率相同）有区别。

● 自由振动、强迫振动、自激振动这三种振动在设备故障诊断中有各自的主要使用领域：

● 对于结构件，因局部裂纹、紧固松动等原因导致结构件的特性参数发生改变的故障，多利用脉冲力所激励的自由振动来检测，测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的变化。

● 对于减速箱、电动机、低速旋转设备等机械故障，主要以强迫振动为特征，通过对强迫振动的频率成分、振幅变化等特征参数分析，来鉴别故障。

● 对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备，除了需要监测强迫振动的特征参数外，还需监测自激振动的特征参数。

按振动频率分类

二、振动信号的描述

构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅s，频率f (或ω) 和相位φ。即使在非确定性振动中，有时也包含有确定性振动。振幅、频率、相位，这是振动诊断中经常用到的三个基本的概念。

三、设备状态信号的物理表现

以传递力和运动的设备，如齿轮箱、轧钢机、切削、挤压设备等，附加能量损耗的初始形式也以力和运动表现出来，这就是振动、摩擦。附加能量损耗的二次形式是发热，由此将损耗的能量散发出去。

设备状态信息中主要的物理量是力和运动，它也有多种形式，包含作功的力、作功的运动（位移、速度等）、损耗的力和运动，以振动及摩擦热的形式表现。

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