振动基础知识一、振动的种类及其特点各种机器设备在运行中，都不同程度地存在振动，这是运行机械的共性。

然而，不同的机器，或同一台机器的不同部位，以及机器在不同的时刻或不同的状态下，其产生的振动形式又往往是有差别的，这又体现了设备振动的特殊性。

我们可以从不同的角度来考察振动问题，常把机械振动分成以下几种类型。

1.按振动规律分类按振动的规律，一般将机械振动分为如图2-2几种类型这种分类，主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的。

大多数机械设备的振动类型是周期振动，准周期振动，窄带随机振动和宽带随机振动，以及某几种振动类型的组合。

一般在起动或停车过程中的振动信号是非平稳的。

设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号之中。

若设备故障程度加剧，则随机振动中的周期成分加强，从而整台设备振动增大。

因此，从某种意义上讲，设备振动诊断的过程，就是从随机信号中提取周期成分的过程。

2.按产生振动的原因分类机器产生振动的根本原因，在于存在一个或几个力的激励。

不同性质的力激起不同的振动类型。

据此，可将机械振动分为三种类型：（1）自由振动给系统一定的能量后，系统所产生的振动。

若系统无阻尼，则系统维持等幅振动；若系统有阻尼，则系统为衰减振动。

（2）受迫振动元件或系统的振动是由周期变化的外力作用所引起的，如不平衡、不对中所引起的振动。

（3）自激振动在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。

因机械故障而产生的振动，多属于受迫振动和自激振动。

3.按振动频率分类机械振动频率是设备振动诊断中一个十分重要的概念。

在各种振动诊断中常常要分析频率与故障的关系，要分析不同频段振动的特点，因此了解振动频段的划分与振动诊断的关系很有实用意义。

按着振动频率的高低，通常把振动分为3种类型：图2-2 振动按规律分类这里应当指出，目前对划分频段的界限，尚无严格的规定和统一的标准。

不同的行业，或同一行业中对不同的诊断对象，其划分频段的标准都不尽一致，我们在各类文献中可见到多种不同的划分方法。

在通常情况下进行现场振动诊断，我们可参照这里介绍的资料使用。

二、振动三要素及其在振动诊断中的应用机械设备的振动形式是多种多样的，所以从时域上显示的振动波形千姿百态，几乎找不到振动形态完全相同的两个振动。

造成这种情况的内在原因，在于决定振动的基本要素不同。

构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅d ，频率f 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最基本的概念。

现在，我们以确定性振动中的简谐振动为例，来说明振动三要素的概念、它们之间的关系经及在振动诊断中的应用。

1. 振幅d简谐振动可以用下面函数式表示：)2sin(φπ+=t TD d （2-1）式中D ——最大振幅，指振动物体（或质点）在振动过种中偏离平衡位置的最大距离。

（在振动参数中有时也称峰峰值或单峰值。

2D 称为峰峰值、双峰值或简称双幅）（um ，或mm t ——时间（s ）T ——周期，振动质点（或物体）完成一次全振动所需要的时间(s)φ——初始相位(rad)由于 T π2 可以用角频率ω表示，即Tπω2=，所以式（2-1）又可写成： )sin(φω+=t D d （2-2）简谐振动的时域图像如图2-3所示。

图2-3 简谐振动的时域图像振幅不仅用位移，还可以用速度v 和加速度a 表示。

将简谐振动的位移函数式（2-1） 进行一次微分即得到速度的函数式：)2sin()cos(φπωφω++=+=t V t V v （2-3） 式中v ——速度最大幅值（mm/s ）。

再对速度函数式（2-3）进行一次微分，即得到加速度的函数式：)sin(φπω++=t A a （2-4） 式中——加速度最大幅值（m/s 2）。

从式（2-2）、式（2-3）、式（2-4）可知，速度比位移的相位超前900；加速度比位移的相位超前1800，比速度超前900，参见图2-3。

在这里，必须特别说明一个与振动幅值有关的物理量即速度有效值Vrms ， 亦称速度均方根值。

这是一个经常用到的振动测量参数。

目前许多振动标准都是采用Vrms 作为判别参数，因为它最能反映振动的烈度。

对于简谐振动来说，速度的最大幅值V P (峰值)与速度有效值Vrms 、速度平均值Vav 之间的关系如图2-4所示。

可见，速度有效值是介于幅值和平均值之间的一个参数值。

用代数式表示，三者有如下关系： P V Vav Vrms 2242==π (2-5)幅值反映振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正比，振动诊断标准都是用振幅来表示的。

2. 频率ƒ振动物体（或质点）每秒钟振动的次数称为频率，用ƒ表示，单位为Hz 。

振动频率在 数值上等于周期T 的倒数，即：ƒ=T 1 (2-6)式中T ——周期，即质咪再现相同振动的最小时间间隔（s 或ms ）频率还可以用角频率ω来表示，即：ƒ =πω2 (2-7)我国交流电源的频率为50周波，即50Hz 。

如果一台机器的转速为1500r/min ，那么其 转速频率（简称转频）r f =25 Hz 。

频率是振动诊断中一个最重要的参数，确定诊断方案，实施状态识别，选用诊断标准 等各个环节都与振动频率有关。

对振动信号作频率分析是振动诊断最重要的内容，也是振动诊断的最大优势。

3. 相位ϕ设（2-2）式中的ϕφω=+t ，则得ϕsin D d = （2-8） 式中ϕ——振动物体的相位（rad ）。

相位是时间t 的函数。

振动信号的相位，表示振动质点的相对位置。

不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。

相位相同的振动，会引起合拍共振，产生严重的后果；相位相反的振动引起振动互相抵消，起到减振的作用。

由几个谐波分量叠加而成的复杂波形，即使各谐波分量的振幅不变，仅改变相位角，也会使波形发生很大变化，甚至变得面目全非。

相位测量分析在故障诊断中亦有相当重要的地位，一般用于谐波分析，动平衡测量时，识别振动类型和共振点等许多方面。

在图2-3中，标明了同一振动信号的位移、速度、加速度三者之间的相位关系。

三、振动信号处理20世纪七、八十年代，设备诊断技术在工矿企业中的应用才刚刚起步，仪器的研制水平相当低（尤其是国产仪器），当时用于现场诊断的便携式仪器大多只能进行一些幅值测量工作，对设备状态一般只能从总体上判断其“好”与“坏”。

若对振动信号进行深入细致的分析，得花费昂贵的代价购置比较精密的仪器。

在这种背景下，诊断界有人提出了设备简易诊断与设备精密诊断两个概念。

这在当时，对诊断技术的推广应用起到了一定的促进作用。

然而，设备诊断技术经过20多年的发展，诊断仪器的研制水平大大提高。

目前，那些功能单一、性能低劣的仪器逐步被淘汰，功能丰富、操作简便的便携式仪器广泛应用于现场诊断，因此，人们对简易诊断与精密诊断的概念也有了新的认识。

如今，简易诊断已不再停留在测量几个幅值参数做出大致的判断那个阶段了，它同样可以对振动信号进行多方面的分析，对设备状态作出比较细致的判断。

为了进一步提商简易诊断的水平，在现场从事简易诊断的工程技术人员也必须学习掌握有关信号处理的基础知识，尤其是时域和频域分析方面的知识。

1.一台运转中的机器设备，无论结构多么简单，从它每一个测点上所测得的振动信号（幅值或振动波形）都不是单纯的，往往是两个或两个以上信号组成的综合信号。

图2-5是一台结构十分简单的风机，我们从电动机前后轴承处测点①、②所得到的振动信号，同时包含了叶轮、前后轴承、转子、支架等多个部位的振动信号，根据测量结果，我们很难作出准确的判断，即使风机出了故障，我们也难以确定故障出在什么部位。

因此，在实施振动诊断中，必须对振动信号进行适当的处理。

所谓振动信号处理，就是对振动波形（原始振动信号）进行加工处理，抽取与设备状态有关的特征，以便对设备状态实施有效的判别。

从这个意义上说，振动信号处理，实质是一个去伪存真，去芜取精，由复杂到简单，由模糊到清晰的信处筛选和精化过程。

信号处理的基本方法有幅域分析、时域分析、频域分析和相域分析。

幅域分析是指对信号在幅值上进行各种处理；时域分析是指对信号在时间域内的分析或变换；频域分析则是确定信号的频率结构，即弄清楚信号中包含有哪些频率成分及各频率成分的幅值大小；相域分析即是进行相位值测量及对相位随时间的变化进行分析。

必须指出，不同的信号分析方法只是从不同的角度去观察、分析信号，分析的结果反映了同一信号的不同侧面，因而更真实、更全面地揭示了信号的本质特征。

不论进行何种信号处理，既不能增加，也不会减少信号中任何信息成分。

采用多种分析方法比采用单一分析方法所获得的信息更加丰富，为准确判断设备状态提供了必要而充分的科学依据。

2.时间领域内的信号处理时域信号处理亦称时域分析，它是通过观察振动信号的时间历程，对其信号的周期性及随机性给出定性评价，从而可以估计设备所处的技术状态，为状态维修提供维修策略。

如果我们能够正确地理解时域信号，就可以从中获得大量的信息，当然我们通常还要作进一步的信号分析，以便从中发现某些虽未曾被直观看到但却是很重要的征兆特征。

我们所经要采用时域分析，就是因为它尚未经过像FFT那样的信号处理，不会产生信号的泄漏或畸变，因而具备了能直观地反映信号的特征这一重要优点。

澳大利亚莫纳史大学的琼斯。

马修（J.Mathew）教授在1998年出版的“状态监测工程手册”中，较详细的介绍了时域分析的原理、内容和示例。

他指出了有些过去曾被推荐或现已应用于机械状态监测的时域分析技术如图2-6所示：现逐一对其中的各项分析技术介绍如下：1.波形分析（Wave analysis）它是把事态的时间历程记录在存储示波器或实时分析仪上。

它除了能对振动信号是正弦波还是随机波，进行直观的基本平价外，还特别适用于对非稳态以及短时瞬态脉冲的分析研究。

非稳态分析相对容易发现齿轮的个别损伤，如断齿；而瞬态脉冲分析则比较容易识别轴承的离散故障，如内圈或外圈上的裂纹等。

图2-6 时域分析技术的树状图图2-7所示案例，是一台单级齿轮箱在小齿轮上出了一个断齿后所产生的壳体振动加速度波形。

示例中的小齿轮是被直接耦合到一台5.6Kw、2865r/min主轴转速的交流电动机上。

在额定载荷下测出的轴转速约为3000r/min。

因此，当一个像断齿那样的简单离散故障发生在小齿轮上，就会在时域上产生一个周期约为20ms的脉冲，这个特征在图2-7中显示得清楚。

波形分析还能用于检验那些与轴转速不同步的节拍与振动。

在机组的降速停机分析中，波形能够指出其振点时的存在。

图2-7 齿轮故障的时域波形由于时域波形比较直观，而一些故障信号的波形具有明显特征，故可用于初步诊断。

例如，有疲劳剥落故障的齿轮和滚动轴承，在其信号中会出现冲击脉冲；回转机械有较大不平衡时，信号中就会有明显的周期成分，而当转轴有不对中故障时，则振动信号幅值在1转之中会有大小变化。