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      解密關于振動測量的基本概念

      發布時間:2022.04.07 閱讀量:699

      什么是振動?

      當物體描述關于參考位置的振蕩運動時,物體被稱為振動。一個完整的運動周期在一秒內發生的次數稱為頻率,以赫茲(Hz)為單位。

      該運動可以由以單個頻率出現的單個分量組成,例如與音叉一樣,或者由以不同頻率同時出現的多個分量組成,例如與內燃機的活塞運動一起。

      在實踐中,振動信號通常由許多同時發生的頻率組成,因此我們不能僅通過觀察時間模式立即看出有多少分量以及它們發生在什么頻率。

      這些分量可以通過繪制振動幅度與頻率的關系來顯示。將振動信號分解成各個頻率分量稱為頻率分析,這種技術可被視為診斷振動測量的基石。將振動水平表示為頻率的函數的曲線圖稱為頻譜圖。

      當對機器振動做頻率分析時,我們通常會發現幾個顯著的周期頻率分量,這些頻率分量與機器各個部件的基本運動直接相關。因此,通過頻率分析,我們能夠追蹤到不希望的振動源。



      振動從何而來?

      在實際操作中,避免振動是非常困難的。這通常是由于制造公差、間隙、機器部件之間的滾動和摩擦接觸以及旋轉和往復構件中的不平衡力的動態效應而發生的。通常,微小的不重要的振動可以激發一些其他結構部件的共振頻率,并被放大成主要的振動和噪聲源。

      不過,有些工作又需要利用機械振動。例如,我們在部件給料機、混凝土壓實機、超聲波清潔槽、鑿巖機和打樁機中故意產生振動。振動試驗機廣泛用于向產品和子組件施加受控水平的振動能量,其中需要檢查它們的物理或功能響應并確定它們對振動環境的耐受性。

      在所有振動工作中,無論是在利用其能量的機器的設計中,還是在平穩運行的機械產品的制造和維護中,一個基本要求是通過測量和分析獲得振動的準確描述的能力。

      量化振動水平


      振動幅度是描述振動嚴重程度的特征,可以以幾種方式量化。圖中顯示了正弦波的峰峰值、峰值、平均值和RMS值之間的關系。

      峰-峰值的價值在于它指示了波的最大偏移,這個量在例如評價機器部件的振動位移對于最大應力或機械間隙時非常關鍵。

      峰值對于指示短持續時間沖擊等的水平特別有用。但是,從圖中可以看出,峰值僅表示出現的最大水平,沒有考慮波的時間歷程。

      另一方面,整流平均值確實考慮了波的時間歷程,但只有有限的實際意義,因為它與任何有用的物理量沒有直接關系。

      RMS值是最有用的振幅度量,因為它既考慮了波的時間歷程,又給出了與能量含量直接相關的振幅值,從而與振動的破壞能力直接相關。



      振動參數:加速度、速度和位移


      測量單位

      當我們觀察振動音叉時,我們認為波的振幅是音叉末端向靜止位置兩側的物理位移。除了位移外,我們還可以用它的速度和它的加速度來描述音叉的運動。無論考慮的是位移、速度還是加速度,振動的形式和周期都保持不變。主要區別在于如圖所示的三個參數的幅度-時間曲線之間存在相位差。

      對于正弦信號,位移、速度和加速度幅度通過頻率和時間的函數在數學上相關,如圖所示。如果忽略相位,如在進行時間平均測量時總是這樣,則可以通過將加速度信號除以與頻率成比例的因子來獲得速度水平,也可以通過將加速度信號除以與頻率的平方成比例的因子來獲得位移。這種除法計算在測量儀器中以數字方式執行。

      振動參數幾乎都是按照ISO要求以公制單位測量的,這些參數如表所示。然而,重力常數“g”或更準確地說“gn”仍然廣泛用于加速度水平,盡管它不屬于國際標準單位制。幸運的是,該常數數值上接近10(9.80665)可將兩個單位聯系起來,如果2%的偏差可接受可以快速心算。



      選擇加速度、速度或位移參數

      通過檢測振動加速度,我們不會單獨依賴于該參數。我們可以將加速度信號轉換為速度和位移。大多數現代振動計都配備了測量所有三個參數的設備。

      在進行單個寬頻帶振動測量的情況下,如果信號具有許多頻率的分量,則參數的選擇是重要的。位移測量將給予低頻分量較大的權重,相反,加速度測量給予高頻分量較大權重。

      經驗表明,在10至1000Hz范圍內測量的振動速度的總RMS值給出了旋轉機器上振動嚴重程度的最佳指示。一個可能的解釋是給定的速度水平對應于給定的能量水平;從振動能量的觀點來看,低頻和高頻的振動同等地加權。實際上,許多機器的速度譜相當平坦。

      進行窄帶頻率分析時,參數的選擇將僅反映在顯示屏或報告上。因此我們需要考慮影響參數選擇的實際考慮。選用頻譜最平坦的參數可以最好地利用儀器的動態范圍(可測量的最小值和最大值之間的差)。因此,通常選擇速度或加速度參數進行頻率分析。

      因為加速度測量是可以充分顯示高頻振動分量,所以加速度傾向于用在需覆蓋高頻的情況下。

      但要注意機械系統的可感知的位移通常只發生在低頻。因此,如果關注低頻,位移測量很重要。在考慮機器元件之間的小間隙時,振動位移也是一個重要的考慮參數。位移也常用作旋轉機器部件中不平衡的指標,因為相對大的位移通常發生在軸旋轉頻率處,該頻率也是平衡目的最感興趣的頻率。
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