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第三節(jié) 設(shè)備故障診斷常用方法

這節(jié)是本章的重點和核心。振動、噪聲和溫度的測量又是這節(jié)的重點。

一、振動測量法

(一)振動的分類

根據(jù)能否用確定的時間關(guān)系函數(shù)來描述，振動分為確定性振動和隨機振動。

1、隨機振動不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，例如地震。

2、確定性振動又分為周期振動和非周期振動，周期振動又進一步分為簡諧周期振動和復(fù)雜周期振動。

確定性振動就是振動和時間的關(guān)系如果能用確定的函數(shù)來描述，如果振動和時間的關(guān)系如果不能用一個確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，那就是叫隨機振動。如汽車在一條凹凸不平的道路上行駛，它的振動就是隨機的。

簡諧周期振動，就是振動只含有一種頻率。而復(fù)雜周期振動是這種振動中，含有多種頻率的振動，其中任意兩個振動頻率之比都是有理數(shù)。有理數(shù)，就是說任意兩個振動的周期，都有一個最小公倍數(shù)。比如第一個是3π為周期，另一個是4π為周期，那么最小公倍數(shù)就是12π，因此每經(jīng)過12π，兩個振動都又回到原來的起點。那就是有一個公共的周期，這就是復(fù)雜周期振動。

非周期振動，包括準周期振動和瞬態(tài)振動。準周期振動是包含多種頻率的振動，其中至少兩個的振動頻率之比為無理數(shù)，除不盡，找不到公共周期。

瞬態(tài)振動，是可用脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動。如爆炸產(chǎn)生的沖擊振動就是瞬態(tài)振動。

(二)振動的基本參數(shù)

振幅、頻率和相位是振動的基本參數(shù)。振動可以通過這三個參數(shù)加以描述。以簡諧振動為例，其位移可以表示為：

式中：x(t)— 振動位移;

t—時間

A—振幅

T—振動周期

f—振動頻率;

ω—角頻率

Φ—初始相位角

1.振幅。表示振動體(或質(zhì)點)離開其平均中心的幅度。它是振動強度的標志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。

2.頻率。每秒振動的次數(shù)稱為頻率f，其單位為次/秒，用Hz表示。振動體每振動一次所需要的時間稱為周期(T)，單位為秒(s)。振動頻率與振動周期互為倒數(shù)。只要確定出振動所包含的主要頻率成分及其幅值的大小，就可以找出振源?？梢娫摿繉Σ檎耶a(chǎn)生振動的原因具有重要意義。

3.相位。表示振動的部分相對于其他振動的部分或其他固定部分處于什么位置關(guān)系的一個量。相同相位的振動可能引起合拍共振，產(chǎn)生嚴重后果。如果相位相反，則可能引起振動抵消，起到減振作用。因此，相位也是振動特征的重要信息，在查找發(fā)生異常的位置方面具有重要意義。

振動的運動規(guī)律除了可以用位移的時間歷程描述外，還可以用速度和加速度的時間歷程來描述。振動位移對時間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)是加速度。加速度對時間積分得速度、速度對時間積分得位移。

因此，位移、速度、加速度這三者，只要測出其中的一個參數(shù)，就可以通過微分、積分電路得到其他兩個參數(shù)。

而且，由三者之間的微分關(guān)系可以得知：

速度的最大值超前位移最大值90°

加速度最大值位移最大值180°。

(三)常用的測振傳感器

振動測量有機械方法、光學(xué)方法和電測方法，其中，電測方法應(yīng)用最廣泛。采用電測法測量振動，傳感器的作用是感受被測振動參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為電量。主要有三種測振傳感器，分別為壓電式加速度計、磁電式速度傳感器和電渦流位移傳感器。

1.壓電式加速度計。

(1)工作原理：有些晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)就是說這種晶體在一定方向上受力，產(chǎn)生變形時候，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力去除以后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。壓電式加速度計是基于壓電效應(yīng)工作的。

(2)壓電晶體輸出的電荷與振動的加速度成正比。壓電式加速度計常見的結(jié)構(gòu)形式為中心壓縮式，分為正置壓縮型、倒置壓縮型、環(huán)形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一種，都包括壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座等基本部分。其中，壓電晶片是加速度計的核心。

(3)壓電式加速度計屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。電荷產(chǎn)生不需要外接電源，靈敏度高而且穩(wěn)定，有比較理想的線性。

突出的優(yōu)點：因為沒有移動元件，所以不會因為磨損而造成壽命降低的現(xiàn)象。

此外，壓電式加速度計使用的上限頻率隨其固定方式而變。最佳的固定方式是采用鋼螺栓固定，只有這種固定方式能達到出廠標示的上限使用頻率。

(4)小結(jié)：

第一，是利用壓電效應(yīng)工作的;

第二，輸出電荷和振動加速度成正比;

第三，組成都包括了壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座，其中壓電晶片是加速度計的核心;

第四，屬于能量轉(zhuǎn)換型，不需要外接電源;

第五，內(nèi)部沒有移動元件，所以不容易發(fā)生磨損;

第六，是上限頻率和固定的方法有關(guān)。

2.磁電式速度傳感器。

(1)原理：利用電磁感應(yīng)原理，把振動速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動勢。

測振時，將傳感器固定或緊壓在被測設(shè)備的指定位置，磁鋼與殼體一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動，線圈和磁場之間產(chǎn)生相對運動，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而輸出與振動速度成正比的電壓。它的工作也不需要外加電源，而是直接從被測對象吸取機械能量，并將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。因此，它也是一種典型的能量轉(zhuǎn)換型傳感器。

(2)特點：輸出功率大，性能比較穩(wěn)定;

不足就是傳感器中存在著機械運動的部件，所以壽命比較短。

3.電渦流位移傳感器。

(1)原理：它基于金屬體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)工作，屬于能量控制型傳感器。測量時， 將傳感器頂端與被測對象表面之間的距離變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號。

電渦流位移傳感器必須借助電源才能將振動位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，屬于能量控制型傳感器?/p>

(2)特點：渦流位移傳感器屬于非接觸式測量。這種傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點。電渦流位移傳感器被廣泛用來測量汽輪機、壓縮機、電動機等旋轉(zhuǎn)軸系的振動、軸向位移、轉(zhuǎn)速等。

小結(jié)：

三種傳感器的主要特點對比：

1、壓電式加速度傳感器和磁電式的速度傳感器，都是能量轉(zhuǎn)換型，而電渦流位移傳感器，是能量控制型，需要外接電源，這是這三種振動傳感器最大的不同。

2、就是在磁電式速度傳感器中有運動元件，所以壽命受到影響。

3、電渦流位移傳感器是非接觸式測量，所以它可以適用于高溫或者受污染的對象。

(四)異常振動分析方法

分析方法有三種：振動總值法，頻譜分析法和振動脈沖測量法。

1、振動總值法：就是對照“異常振動判斷基準”，判別實際測量值到底是不是超過極限值，也就是規(guī)定的值，從而評價設(shè)備工作狀態(tài)是正常還是出現(xiàn)異常。振動值可用加速度、速度或位移來表示，通常都用振動速度這個參數(shù)。

2、通過頻譜分析診斷異常振動。

可以用振動總值法判別整機或者部件的異常振動，如果要進一步查出異常的原因和位置，就要對振動信號進行頻譜分析。

頻譜分析就是將時域信號變換為頻域信號(在時域信號中，橫坐標是時間;而在頻域信號中，橫坐標是頻率或圓頻率。)，得到頻譜圖，從而獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)(組成信號的各個頻率分量及振動能量在各頻率分量上的分布)。

頻譜分析通常由專用的頻譜分析儀來完成。數(shù)字式頻譜分析儀具體的過程：通常先采用測振儀，進行振動總值的檢測，如果發(fā)現(xiàn)振動總值超出最大允許值，或者增長速度比較快，就要對它進行頻譜分析。在頻譜分析過程中，放大器的作用，是把輸入信號放大到所需要的這種幅度。而濾波器，則是用于濾去高頻成分，防止高頻成分產(chǎn)生干擾。A/D轉(zhuǎn)化就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量;因為后面的高速數(shù)據(jù)處理器只認數(shù)字量。高速數(shù)據(jù)處理器用來完成頻譜分析，它可以是一臺微型計算機，也可以是專用的硬件電子線路來完成。

3、振動脈沖測量法：專門用于進行滾動軸承的磨損和損傷的故障診斷。

其原理是利用滾動軸承失效時由于滾道產(chǎn)生點蝕、剝落等缺陷使軸承內(nèi)外環(huán)上出現(xiàn)凹痕，每當與滾珠接觸時，都會發(fā)生一個沖擊力，雖然這也增加了振動的有效值，但影響最大的是峰值。這種沖擊脈沖波經(jīng)設(shè)備本體傳至壓電式傳感器，傳感器輸出的信號峰值，基本上只與脈沖波的幅值有關(guān)，對其他因素相對來說并不敏感，因此當測量系統(tǒng)對沖擊效應(yīng)進行放大時，不會受普通機器振動的影響。

根據(jù)實際沖擊水平與正常沖擊水平之差(即沖擊水平增加值)來判斷軸承性能的好壞。

【例題5•單選題】下列關(guān)于渦流測振傳感器的敘述中，正確的是( )(2005)

A. 是基于電磁感應(yīng)原理工作的接觸式測振傳感器

B. 屬于相對式測振傳感器

C. 屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器

D. 適于測量旋轉(zhuǎn)軸系的振動速度和轉(zhuǎn)速<

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