《振动分析讲座》课件

振动分析讲座欢迎参加振动分析讲座本课程将系统介绍振动分析的基础知识、测量方法和应用技术，帮助您理解振动现象背后的原理，掌握振动诊断与故障分析的方法无论您是工程师、技术人员还是设备维护人员，这门课程都将为您的工作提供强有力的技术支持课程概述课程目标1本课程旨在帮助学员全面理解振动分析的原理和应用，掌握振动测量、分析与诊断的基本技能，能够独立进行简单的振动故障诊断，并为深入学习振动分析打下坚实基础学习内容2课程内容包括振动基础知识、振动测量系统、振动分析方法、常见故障诊断、振动控制技术、振动标准以及实际案例分析等通过理论学习和案例讨论相结合的方式，帮助学员深入理解振动分析技术应用领域3振动基础知识振动的定义振动的类型12振动是物体或质点围绕其平衡位按自由度分类，振动可分为单自置的往复运动从物理学角度由度振动和多自由度振动；按激看，振动是能量在势能和动能之励方式分类，可分为自由振动、间相互转换的过程在工程领强迫振动和自激振动；按振动系域，振动往往是机械系统工作状统特性分类，可分为线性振动和态的重要指标，也是诊断机械故非线性振动；按阻尼特性分类，障的有效手段可分为无阻尼振动和阻尼振动振动参数3描述振动的主要参数包括频率、振幅和相位，这三个参数也被称为振动三要素此外，还有速度、加速度、位移等物理量用于表征振动的特性不同的参数适用于不同的分析场景和故障类型简谐振动定义和特征数学表达式物理意义简谐振动是最基本的振动形式，是质简谐振动的位移方程可表示为简谐振动是理解复杂振动的基础，根xt=点在回复力与位移成正比的条件下做，其中为振幅，为角频据傅里叶理论，任何周期性振动都可A·sinωt+φAω的往复运动其特点是运动的位移、率，为初相位速度和加速度可通过以分解为一系列不同频率、振幅和相φ速度和加速度都可以用正弦或余弦函对位移方程求一阶和二阶导数得到，位的简谐振动的叠加在工程实践数表示，且振动的周期、频率和振幅分别为和中，许多机械振动可以近似为简谐振vt=A·ω·cosωt+φat=-保持不变动或简谐振动的组合A·ω²·sinωt+φ振动三要素频率1单位时间内完成振动周期的次数振幅2振动位移的最大值相位3振动相对于参考点的位置关系振动三要素是描述振动现象的基本参数，它们共同决定了振动的完整特性频率反映振动的快慢，单位为赫兹；振幅表示振动的Hz强度，常用位移、速度或加速度的峰值或有效值表示；相位则描述振动与参考振动之间的时间或角度关系在振动分析中，这三个要素具有重要意义频率常与故障类型相关；振幅的变化通常反映故障的严重程度；相位则有助于判断振动源的位置和性质，特别是在平衡和对中问题的诊断中起关键作用频率概念定义单位频率是单位时间内完成振动周期频率的国际单位是赫兹，表Hz的次数，反映了振动的快慢程示每秒钟振动的周期数在旋转度频率越高，表示振动越快；机械中，也常用转速单位频率越低，表示振动越慢机械转分钟表示，RPM/1Hz=系统中不同的部件和不同类型的在振动分析中，有时还60RPM故障往往对应着不同的频率特会用到角频率，单位是弧度秒/征，与频率的关系是rad/sω=2πf测量方法频率可通过直接测量振动周期，然后取其倒数获得；也可通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从频谱图上读取现代振动分析仪器通常采用快速傅里叶变换技术自动计算频率组成FFT振幅概念定义单位测量方法振幅是描述振动强度振动位移振幅的单位振幅测量通常使用专的物理量，表示振动通常为微米或毫用的振动传感器，如μm位移、速度或加速度米；速度振幅的加速度传感器、速度mm的最大值在简谐振单位为毫米秒传感器或位移传感/动中，振幅是质点偏；加速度振幅器测量得到的信号mm/s离平衡位置的最大距的单位为米秒经过调理和处理后，/²m/s²离在实际测量中，或重力加速度可计算出振幅值在常用峰值、峰峰值或不同时域波形上，可直接g1g≈

9.8m/s²有效值表示振的测量对象和故障类读取峰值或峰峰值；RMS幅大小型，关注的振幅参数通过统计计算，可得可能不同到有效值相位概念定义单位测量方法相位表示振动在一个周期内所处的位置，也反相位通常用角度°或弧度rad表示，360度相相位测量需要使用相位参考信号，如安装在旋映了不同测点振动之间的时间或角度关系相当于2π弧度，对应一个完整的振动周期在振转轴上的键相传感器提供的脉冲信号通过比位可用角度表示，一个完整周期对应360度动测量中，0度相位点通常由触发信号如转速较振动信号与参考信号的时间关系，可确定相相位差是判断振动传递路径和振源位置的重要信号或参考测点决定，其他测点的相位相对位角现代振动分析仪通常集成了相位测量功依据于此参考点计算能，能同时显示幅值和相位信息振动波形时域波形频域波形波形分析时域波形展示了振动随时间变化的情频域波形即频谱图，是通过傅里叶变换振动波形分析是将时域和频域信息结合况，横轴为时间，纵轴为振动的位移、将时域信号转换得到的，横轴为频率，起来，综合判断振动特性和可能的故障速度或加速度时域波形可直观显示振纵轴为对应频率成分的振幅频谱图清原因通过分析特征频率、谐波成分、动的周期性、幅值变化以及冲击成分等晰显示了振动信号中包含的各频率成分边频带等，可识别不平衡、不对中、松特征，但对于复杂的振动信号，仅通过及其强度，是故障诊断的重要依据动、轴承故障等各类问题，是振动诊断时域波形难以辨别各频率成分的核心技术傅里叶变换应用2识别振动信号中的频率成分原理1将时域信号分解为不同频率的正弦波叠加FFT提高计算效率的快速算法3傅里叶变换是振动分析中的核心数学工具，它基于任何复杂的周期性信号都可以分解为一系列不同频率、振幅和相位的简谐振动的叠加这一原理通过傅里叶变换，可以将时域信号转换为频域信号，便于识别振动中的各频率成分在实际应用中，快速傅里叶变换算法大大提高了计算效率，使得实时频谱分析成为可能分析的结果通常以频谱图的形式呈现，FFT FFT横坐标为频率，纵坐标为振幅，能够直观地显示振动信号的频率构成，是设备故障诊断的重要依据频谱分析频谱分析是振动诊断的核心技术，通过分析频谱图中各频率成分的分布和强度，可以识别设备的运行状态和潜在故障频谱图是傅里叶变换的图形化表示，横轴为频率，纵轴为振幅，清晰地显示了振动信号中包含的各个频率成分及其强度不同类型的故障通常表现出不同的频谱特征不平衡故障表现为与转速一致的高峰值；不对中故障通常在倍和倍转速处有明12显峰值；轴承故障则在特定的轴承特征频率处产生峰值；齿轮故障则在啮合频率及其谐波处有特征性表现熟悉这些特征是准确诊断机械故障的关键振动测量系统传感器将振动信号转换为电信号，常用的有加速度传感器、速度传感器和位移传感器传感器的选择取决于测量对象、频率范围和环境条件信号调理对传感器输出的原始信号进行处理，包括放大、滤波、积分等操作，使信号满足后续分析的要求信号调理的质量直接影响分析结果的准确性数据采集通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，并存储到计算机中采样率、分辨率和动态范围是数据采集系统的关键指标，需根据具体应用合理设置完整的振动测量系统还包括分析软件，用于处理采集到的数据并进行频谱分析、故障诊断等一些高级系统还集成了专家诊断系统和预测性维护功能，能够自动识别潜在故障并提出维护建议振动传感器加速度传感器速度传感器基于压电效应原理，将振动加基于电磁感应原理，将振动速速度转换为电信号特点是频度转换为电信号特点是中频率响应范围宽通常为范围灵敏度高，输1Hz-10Hz-1kHz，适合高频振动测量，出信号强，不需外部电源常20kHz结构坚固，安装方便广泛用用于风机、泵等转速较低的设于轴承、齿轮等高频故障的诊备振动监测，适合识别不平衡、断不对中等故障位移传感器主要有涡流式和电容式两种，直接测量振动位移特点是低频响应好通常为，能测量静态位移，适合测量轴的相对位移广泛应0-1kHz用于大型旋转机械的轴振动监测和轴承间隙测量传感器选择选择标准频率响应灵敏度传感器选择应考虑多方面因素测量不同传感器的频率响应范围不同加灵敏度表示传感器输出信号与输入振对象如轴承、齿轮的特性；故障类型速度传感器通常覆盖，适动量之间的比例关系，单位因传感器1Hz-20kHz如不平衡、松动的频率特点；设备运合高频故障；速度传感器覆盖类型而异高灵敏度传感器适合测量10Hz-行环境温度、湿度、腐蚀性条件；安，适合中频振动；位移传感器则微弱振动，但易受干扰；低灵敏度传1kHz装位置的可访问性；以及测量系统的主要适用于的低频振动选择感器适合强振动环境，但可能忽略微0-1kHz成本预算等不同类型的传感器适用传感器时，其频率响应范围必须覆盖弱信号应根据振动强度选择合适灵于不同的应用场景预期故障的特征频率敏度的传感器信号调理放大传感器输出的原始信号往往很微弱，需要通过放大电路增强信号强度，使其达到后续处理所需的电平放大倍数应适当，过高会引入噪声，过低则信号可能被淹没放大电路的设计需考虑信噪比、线性度和带宽等因素滤波滤波用于去除信号中的无用成分和干扰，增强有用信息常用的滤波器有低通滤波器去除高频噪声、高通滤波器去除直流和低频漂移和带通滤波器只保留特定频段滤波器的选择取决于关注的频率范围和需要抑制的干扰积分积分电路用于将加速度信号转换为速度信号，或将速度信号转换为位移信号这一处理在分析低频振动时特别有用，因为加速度传感器在低频段的响应通常较弱积分操作可以通过模拟电路或数字信号处理实现数据采集采样率分辨率动态范围采样率是单位时间内分辨率指数据采集系动态范围是系统能够对信号进行采样的次统能够区分的最小电处理的最大信号与最数，单位为根据压差，通常以位小信号之比，通常以Hz bit奈奎斯特采样定理，表示位可将分贝表示大的16ADC dB采样率应至少为最高信号分为个动态范围使系统能同2¹⁶=65536感兴趣频率的两倍，等级，位则可时处理强弱不同的信24ADC以避免混叠效应实分为万个等号，无需调整增益设2²⁴≈1670际应用中，为了获得级高分辨率有助于置位采集卡的理24更精确的结果，采样捕捉微弱的振动信论动态范围约为率通常设为最高分析号，特别是在早期故，实际使用中144dB频率的倍或更障诊断中非常重要受噪声等因素影响会

2.56高略低振动分析方法时域分析1直接分析振动的时间历程，计算峰值、均方根等统计参数频域分析2通过傅里叶变换分析振动的频率构成，识别特征频率时频分析3同时分析振动的时间和频率特性，适用于非平稳信号振动分析方法的选择取决于故障类型和信号特性对于简单的监测任务，时域分析可能已经足够；对于复杂的故障诊断，则需要结合频域分析；而对于变工况设备或瞬态事件，时频分析则提供了更全面的信息现代振动分析通常综合运用多种方法，结合设备知识和历史数据，对振动状态进行全面评估高级分析还可能涉及阶次分析、包络分析、倒频谱分析等专业技术，以应对特定类型的问题时域分析峰值均方根值12峰值是振动波形中的最大值，反均方根值是振动信号能量RMS映了振动的极限强度峰值参数的度量，计算方法是对振动波形包括正峰值、负峰值和峰峰值最平方后取平均值再开平方RMS大正峰与最大负峰之差峰值对值能够反映振动的整体能量水瞬时冲击特别敏感，常用于检测平，与机械损伤和疲劳程度相齿轮啮合、轴承滚动等过程中的关由于它对振动信号的整体评冲击现象，是早期故障诊断的重估，值是国际标准中振动严RMS要指标重度评估的主要参数波形因子3波形因子是峰值与均方根值的比值，反映了波形的尖锐程度正常运行的机械设备波形因子通常在到之间较高的波形因子表示存在冲击成分，

2.

83.2可能表明轴承或齿轮存在早期故障波形因子的变化趋势往往比绝对值更有诊断意义频域分析频谱图功率谱密度倒频谱频谱图是振动信号经傅里叶变换后得功率谱密度描述了振动信号功率倒频谱是对振动信号自相关函数进行PSD到的频率振幅关系图，横轴为频率，在频率上的分布情况，单位通常为傅里叶变换得到的，主要用于提取周-纵轴为振幅通过频谱图可以清晰地分析特别适用于随机振动期性成分倒频谱对隐藏在噪声中的g²/Hz PSD看出振动信号中包含的各个频率成分信号，如流体引起的振动或宽带噪周期信号特别敏感，能有效识别齿轮及其强度，是故障诊断的核心工具声通过分析，可以确定哪些频和轴承的故障特征在轴承故障早期PSD不同类型的故障在频谱图上表现出不率包含了最多的振动能量，有助于识诊断中，倒频谱分析比常规频谱分析同的特征模式，如不平衡在转速频率别谐振和共振问题更为有效处有高峰时频分析短时傅里叶变换小波分析短时傅里叶变换是将长时间小波分析使用不同尺度的小波函数STFT的信号分割成较短的时间段，对每对信号进行分解，提供了多分辨率段分别进行傅里叶变换结果通常分析能力小波变换在时域和频域以时频谱图瀑布图形式呈现，横轴都有良好的局部化特性，特别适合为时间，纵轴为频率，颜色表示振分析瞬态和非平稳信号小波分析幅适用于分析随时间变化的能够精确定位故障发生的时间和频STFT振动特性，能够识别瞬态事件和非率特征，在轴承冲击故障、齿轮啮平稳过程中的频率变化合异常等问题诊断中表现优异希尔伯特-黄变换希尔伯特黄变换先通过经验模态分解将信号分解为一系列内在模-HHT EMD态函数，再通过希尔伯特变换获取瞬时频率和振幅特别适用于非线IMF HHT性和非平稳信号的分析，能够处理传统方法难以应对的复杂振动现象，是振动分析领域的前沿技术旋转机械振动特征不对中不对中是联轴器连接的轴系中常见问题，包括角向不对中和平行不对中特征是在频谱中同时出不平衡松动现1倍和2倍转速频率的显著峰值，有时还有3倍不平衡是旋转机械最常见的振动源，表现为与转频分量轴向振动往往比径向振动更明显，相位机械松动通常表现为丰富的谐波频率成分，在频速相同的径向振动频谱上在1倍转速频率处有差通常接近180度严重时会导致轴承过载和联谱上可见多个转速频率的整数倍严重松动还可显著峰值，振幅随转速平方增加振动方向通常轴器磨损能产生分数次谐波和噪声底板升高松动通常分为径向，相位随转速变化不大不平衡分为静不为结构松动、转子松动和轴承座松动三类，不同平衡、偶极不平衡和动不平衡三种类型类型的松动在频谱和相位上有不同表现213不平衡振动原因1不平衡主要由质量分布不均导致，常见原因包括设计和制造缺陷，如铸造缺陷、加工误差；安装问题，如键槽未考虑平衡；使用过程中的磨损、腐蚀和积垢；维修不当，如更换部件后未重新平衡；以及转子材料不均匀或几何形状不规则等因素特征2不平衡振动的主要特征是在频谱中出现与转速频率一致的显著峰值振动方向主要为径向，振幅随转速平方增加相位相对稳定，在水平和垂直方向通常相差约90度不平衡振幅通常在机械结构的固有频率附近达到最大值，表现为共振现象诊断方法3不平衡诊断首先通过频谱分析确认1倍转速频率处的峰值然后结合相位分析，在不同转速下测量振幅和相位的变化规律动平衡测量需要使用相位参考，通过测量不同位置的振动相位，确定不平衡量和角位置，进而确定校正质量和位置不对中振动原因特征诊断方法不对中通常由安装误差、热膨胀、基础不对中的频谱特征是同时存在倍和倍不对中诊断首先分析振动频谱中倍和1212变形或轴弯曲等引起角向不对中是两转速频率的显著峰值，严重时还有倍频倍转速频率的峰值比例然后进行相位3轴的轴线交于一点，形成一定角度；平分量轴向振动通常比径向振动更为明分析，对轴承两侧测点的径向和轴向振行不对中是两轴线平行但有径向偏移；显，尤其对于角向不对中相位分析显动相位进行比较现代对中检测通常使复合不对中则是角向和平行不对中的组示，相对两侧测点在径向或轴向上的相用激光对中仪，通过测量轴的相对位置，合不对中还可能由轴承装配不良、轴位差接近度，这是判断不对中的重要计算出角向和平行偏移量，并给出校正180承座变形等间接原因导致依据建议轴承故障振动故障类型特征频率诊断技术滚动轴承的主要故障包括外圈故轴承故障产生一系列特征频率，包轴承故障诊断常用技术包括包络分障，如表面剥落、点蚀或裂纹；内圈括外圈故障频率、内圈故障析，去除正常振动信号，突出故障冲BPFO故障，通常由疲劳、磨损或安装不当频率、滚动体故障频率和击；高频共振技术，利用轴承故障激BPFI BSF引起；滚动体故障，如磨损、变形或保持架故障频率这些频率可通发的高频共振；倒频谱分析，提取周FTF断裂；保持架故障，如磨损、变形或过轴承几何参数和转速计算得出故期性冲击信号；小波分析，识别非平断裂此外，还有润滑不良、污染、障初期，这些频率在频谱中不明显，稳信号中的故障特征；声发射技术，过载和安装不当等引起的综合性故但可通过包络分析和高频共振技术检捕捉超声波信号，实现早期故障诊障测断齿轮故障振动故障类型齿轮常见故障包括齿面磨损，表现为均匀材料损失；点蚀，表面出现小坑；剥落，大块表面材料脱落；断齿，部分或整个齿断裂；齿轮偏心，安装误差导致旋转中心偏离；齿隙过大或过小，引起冲击或干涉不同故障类型产生不同振动特征，通过分析可区分故障性质特征频率齿轮啮合频率GMF是齿轮振动的主要特征频率，等于齿数乘以转速频率故障齿轮通常在频谱中显示GMF及其谐波，并伴有侧频带侧频带间隔等于故障齿轮的转频，是故障定位的关键齿轮偏心则表现为在转频处调制GMF，产生丰富的侧频带诊断技术齿轮故障诊断技术包括时域统计分析，如峭度和波形因子；频谱分析，观察GMF及谐波；倒频谱分析，提取周期冲击；时频分析，如小波变换，观察瞬态特征；阶次分析，消除转速波动影响；包络分析，突出调制特征结合多种技术可提高诊断准确性电机故障振动定子故障转子故障诊断方法定子常见故障包括绕组转子故障主要包括转子电机故障诊断综合采用短路、绝缘损坏和铁芯断条、偏心和不平衡振动分析、电流分析和松动这些故障通常导转子断条会产生以转速温度监测等方法振动致倍电源频率通常为频率为间隔的侧频带，分析关注特征频率及其2或的振动围绕电源频率分布转谐波和侧频带；电流分100Hz120Hz增强，特别是在径向子偏心则产生由极对数、析检测电流波形中的特严重的定子故障还可能滑差和电源频率决定的征频率，尤其对转子故引起温度升高和噪声增特征频率此外，转子障敏感；温度监测则可加定子故障的振动特故障还可能引起转速频发现绝缘和过载问题征还与电机的极对数和率及其谐波的振动增强，结合这些方法可提高诊槽数相关，可形成复杂伴随着特殊的相位关系断准确性，及早发现电的频谱模式机潜在故障共振危害2振幅急剧增大导致部件疲劳或断裂定义1外部激励频率接近系统固有频率时能量积累避免方法改变结构刚度或增加阻尼3共振是机械系统中一种重要的振动现象，当外部激励频率接近系统固有频率时，即使很小的激励力也能引起很大的振动响应共振点通常表现为振幅频率曲线上的峰值，峰值的高度与系统阻尼成反比实际机械系统通常有多个固有频率，分别对应不同的振动模态-避免共振的基本方法包括调整系统的质量或刚度，改变其固有频率；增加系统阻尼，降低共振峰值；避免在临界转速长时间运行；使用隔振装置，阻断振动传递；实施主动控制，抑制共振振动振动分析中，频率响应函数是识别系统共振特性的有效工具FRF模态分析理论基础实验方法模态分析基于线性振动理论，研究结实验模态分析通常包括激励、响应测构的固有频率、阻尼比和振型每个量和参数识别三步激励可使用冲击模态包含一个固有频率和对应的振型，锤或振动激励器提供；响应测量使用描述了结构在该频率下的变形方式加速度传感器记录多点振动；参数识模态参数是结构动力学特性的固有属别则通过分析激励和响应之间的关系，性，只与结构本身有关，与外部激励提取模态参数常用的实验方法有冲无关模态分析可通过理论计算或实击法和正弦扫频法，各有优缺点验测量获得应用案例模态分析广泛应用于结构设计优化，避开共振频率；故障诊断，发现结构变化；振动控制，针对特定模态设计减振措施；声学分析，预测噪声辐射；有限元模型校验，提高计算精度例如，通过模态分析可确定风机叶片的危险工作转速，防止共振导致的疲劳破坏振动控制主动控制1使用传感器、控制器和执行器主动产生抵消力减振2通过增加阻尼或吸振器消耗振动能量隔振3阻断振动从源传递到受体的途径振动控制是降低或消除不需要的振动的技术和方法隔振技术通过在振动源和受体之间安装柔性元件，减少振动传递；减振技术通过增加阻尼或使用动力吸振器，减少振动能量；主动控制则利用传感器检测振动，通过控制算法计算抵消力，再由执行器产生抵消力选择合适的振动控制方法需考虑振动源特性、受体敏感度、环境条件、成本限制等因素在实际应用中，往往需要结合多种方法达到最佳效果如精密仪器防护可能同时使用隔振台和阻尼材料；大型建筑可能结合调谐质量阻尼器和主动控制系统应对风振和地震隔振技术原理设计方法应用实例隔振技术基于在振动源和受体之间插隔振器设计首先确定所需的隔振效率隔振技术广泛应用于精密仪器防入弹性元件，形成一个二阶系统当和工作频率范围，然后计算所需的刚护，如显微镜和天平；设备基础隔激励频率远高于系统固有频率时通常度和阻尼常用的设计参数包括隔振，如发电机组和压缩机；建筑结构大于倍，振动传递率显著下降，实振效率，通常要求达到以上；固隔振，减少交通和机械振动传入；车√280%现隔振效果隔振器的固有频率越有频率，通常设计为工作频率的至辆悬挂系统，改善乘坐舒适性；航空1/3低，高频隔振效果越好；但固有频率；阻尼比，通常在范围航天设备，保护精密仪器免受发射和1/

50.05-

0.2过低会导致过大的静态变形和不稳定内，过大或过小都会影响隔振效果飞行振动影响不同应用场景选择的性隔振器类型和参数各不相同减振技术阻尼动力吸振器12阻尼是将振动机械能转化为热能的动力吸振器是一种附加的质量-弹过程，通过材料内部摩擦或外部摩簧系统，其固有频率调谐至主系统擦实现常用阻尼材料包括粘弹性的振动频率，能有效抑制特定频率材料、阻尼合金、磁流变液等阻的振动吸振器类型包括无阻尼、尼处理方式包括约束层阻尼、自由阻尼和可调谐等调谐质量阻尼器层阻尼和点阻尼等增加阻尼可有TMD是其在大型结构中的应用，效降低共振峰值，但对非共振区域如高层建筑和桥梁，用于抑制风振的振动影响较小和地震响应应用实例3减振技术应用广泛汽车发动机使用橡胶减振器和平衡轴降低振动；高层建筑安装TMD抵抗风振；精密加工设备使用约束层阻尼材料提高加工精度；船舶推进系统采用动力吸振器减少螺旋桨激励振动；家用电器使用橡胶衬垫减少工作噪声不同应用需根据实际需求选择适当的减振方案。