機(jī)械振動(dòng)測(cè)試與分析

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)械與電子工程學(xué)院，主要內(nèi)容，7.1 7.2振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)概述，7.3振動(dòng)測(cè)量傳感器，7.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其校準(zhǔn)，7.5振動(dòng)測(cè)試設(shè)備和振動(dòng)信號(hào)介紹，7.6機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼率估算概述，7.7汽車平順性測(cè)試框圖，7.1概述，1。機(jī)械振動(dòng)是工程技術(shù)和日常生活中常見的現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的。振動(dòng)經(jīng)常損害機(jī)器的正常工作。振動(dòng)的動(dòng)載荷加速了機(jī)械的故障，降低了機(jī)械設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)致?lián)p壞和事故。振動(dòng)也可用于一方面，如運(yùn)輸、壓實(shí)、夯實(shí)、清潔、脫水、老化等。第二，機(jī)械運(yùn)行期間產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲通常具有相同的頻率成分。盡管它們各自頻率分量之間的傳輸模式和強(qiáng)度比不同，但它們的頻譜都在一定程度上反映了機(jī)器的運(yùn)行狀況，并可用作監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況和評(píng)估運(yùn)行質(zhì)量的測(cè)試參數(shù)。振動(dòng)研究中涉及的問題，機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖，7.2振動(dòng)的基本知識(shí)，機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量方法分為：相對(duì)測(cè)量方法：測(cè)量參考點(diǎn)是系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的固定點(diǎn)或絕對(duì)測(cè)量方法；測(cè)量參考點(diǎn)是系統(tǒng)外的一個(gè)點(diǎn)，相對(duì)于地球是靜止的。電氣測(cè)量法機(jī)械測(cè)量法光學(xué)測(cè)量法，根據(jù)測(cè)量過程中選擇的不同參考點(diǎn)，可分為：根據(jù)振動(dòng)的原因，自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)，振動(dòng)頻率與固有頻率的關(guān)系為，其中，n為系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼率，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為激勵(lì)頻率，振動(dòng)頻率接近系統(tǒng)的固有頻率。7.2.1振動(dòng)的分類，根據(jù)系統(tǒng)的輸出，簡(jiǎn)諧振動(dòng)，周期振動(dòng)，瞬態(tài)振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)的自由度，單自由度系統(tǒng)振動(dòng)，多自由度系統(tǒng)振動(dòng)，連續(xù)彈性體振動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn)，線性振動(dòng)，非線性振動(dòng)，作用在單自由度系統(tǒng)質(zhì)量上的力，質(zhì)量m在外力作用下的運(yùn)動(dòng)方程是，其中，c是粘性阻尼系數(shù)，k是彈簧剛度。(t)是系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，z(t)是系統(tǒng)的輸出。拉普拉斯變換，ms2z(s) csz(s) kz(s)=f(s)，傳遞函數(shù)為，7.2.2單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，因此，S=J，然后，力作用于單自由度系統(tǒng)的質(zhì)量、系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的阻尼率、振幅-頻率曲線、相位-頻率曲線、振幅-頻率曲線上最大振幅處的頻率稱為位移共振頻率，并作為阻尼無阻尼時(shí)，位移諧振頻率r為固有頻率 n，當(dāng)系統(tǒng)阻尼很小時(shí)，位移諧振頻率r接近系統(tǒng)固有頻率n，可作為估計(jì)值。當(dāng)/r=1時(shí)，無論系統(tǒng)的阻尼率如何，幅頻曲線總是滯后于激振力90。這種現(xiàn)象被稱為相位共振。相頻曲線，利用相頻特性精確確定固有頻率，幅頻曲線，基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng)，單自由度系統(tǒng)受力于質(zhì)量塊，基礎(chǔ)振動(dòng)，如果基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為Z1，質(zhì)量m的絕對(duì)位移為Z0，系統(tǒng)的振動(dòng)可用以下方程表示：拉普拉斯變換，s=J，系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，幅頻特性通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在特定條件下，多自由度系統(tǒng)按照一定的固有頻率進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)。這種振動(dòng)稱為主振動(dòng)模式、二自由度系統(tǒng)的振動(dòng)模式、7.2.3多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)、機(jī)械阻抗：線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在頻域中各種激勵(lì)條件下的激勵(lì)和響應(yīng)比、K(s)=F(s)/Y(s)、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、H(s)=Y(s)/F(s)、H()=Y()/F()、機(jī)械系統(tǒng)框圖也稱為機(jī)械導(dǎo)納，7.2.4機(jī)械阻抗的概念，將激振力設(shè)置為(t)=f0ej t，位移阻抗，速度阻抗，加速度阻抗，位移導(dǎo)納，速度導(dǎo)納，加速度導(dǎo)納，也稱為“振動(dòng)傳感器”，根據(jù)振動(dòng)測(cè)量的機(jī)械原理，慣性(絕對(duì))振動(dòng)傳感器和相對(duì)振動(dòng)傳感器可根據(jù)測(cè)量過程中振動(dòng)傳感器是否與被測(cè)物體接觸分為相對(duì)型和絕對(duì)型。 非接觸式振動(dòng)傳感器和接觸式相對(duì)振動(dòng)傳感器也稱為隨動(dòng)式振動(dòng)傳感器和7.3振動(dòng)測(cè)量傳感器。使用時(shí)，殼體固定在被測(cè)物體上，振動(dòng)由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)感知。也稱慣性拾振器，其外殼和測(cè)量桿在使用時(shí)分別與不同的測(cè)量部件連接，慣性拾振器的機(jī)械模型，慣性拾振器中的慣性系統(tǒng)可以看到地基運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量受迫振動(dòng)。1、振動(dòng)拾音器的工作原理、振幅頻率曲線、相位頻率曲線，從振幅頻率圖來看，只有當(dāng)/n1，即n，a()1時(shí)，滿足測(cè)試振幅失真條件；當(dāng)系統(tǒng)的阻尼比接近0.7時(shí)，A()更接近直線。從相頻圖來看，當(dāng)n時(shí)，沒有相頻曲線是斜率近似為負(fù)的直線，因此不能滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試相位不失真的條件。當(dāng)(78)n時(shí)，相位差接近-180，滿足測(cè)試相位不失真的條件。為了降低慣性拾振器的固有頻率，使系統(tǒng)的阻尼比在0.5 0.7之間，可以保證工作頻率的下限為=1.7n，振幅誤差不大于5%。當(dāng)使用(78)n進(jìn)行相位測(cè)試時(shí)，需要移相器來獲得相位信息。在設(shè)計(jì)和使用慣性拾振器時(shí)，幾種常用的傳感器，即渦流位移傳感器2、3、4、伺服加速度計(jì)5、壓阻式加速度計(jì)6、阻抗頭7、磁電式速度傳感器，利用電磁感應(yīng)原理將質(zhì)量與殼體的相對(duì)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。壓電加速度計(jì)、壓電加速度傳感器屬于慣性傳感器。它利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，主要由壓電元件、質(zhì)量塊和附加部件組成，包括壓縮彈簧和底座。如果振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率，壓電元件將產(chǎn)生與測(cè)量加速度成比例的電荷。對(duì)于由壓電材料制成的加速度計(jì)，質(zhì)量越大，靈敏度越高，但是傳感器的固有頻率將降低。傳感器的固有頻率越高，其可測(cè)量的頻率范圍就越寬。目前，最低可測(cè)頻率達(dá)到0.1赫茲。合理選擇振動(dòng)測(cè)量傳感器，(1)選擇直接測(cè)量參數(shù)，(2)綜合考慮傳感器的頻率范圍、測(cè)量范圍和靈敏度，(3)考慮具體的環(huán)境要求、價(jià)格、使用壽命、可靠性等因素。7.4振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及其校準(zhǔn)、車輛平順性測(cè)試系統(tǒng)框圖、車輛平順性測(cè)試過程框圖、40公里/小時(shí)勻速直線行駛時(shí)駕駛員座椅各方向的加速度曲線、矩形窗、漢寧窗和漢明窗的歸一化頻譜特性、駕駛員座椅橫向加速度的自功率譜密度函數(shù)、駕駛員座椅垂直加速度的自功率譜密度函數(shù)、駕駛員座椅縱向加速度的自功率譜密度函數(shù)、加權(quán)加速度首先，絕對(duì)法將校準(zhǔn)后的振動(dòng)傳感器固定在校準(zhǔn)工作臺(tái)上，用激光干涉測(cè)振儀直接測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的振幅，并與校準(zhǔn)后的振動(dòng)傳感器的輸出進(jìn)行比較，確定校準(zhǔn)后的振動(dòng)傳感器的靈敏度。絕對(duì)校準(zhǔn)法具有較高的準(zhǔn)確度，但由于設(shè)備和技術(shù)的復(fù)雜性，它適用于測(cè)量部門。其次，相對(duì)法也被稱為背靠背比較校準(zhǔn)法。待校準(zhǔn)的傳感器和國(guó)家計(jì)量部門嚴(yán)格校準(zhǔn)的傳感器背靠背安裝在振動(dòng)臺(tái)上，承受相同的振動(dòng)。通過比較兩個(gè)傳感器的輸出，可以計(jì)算出待校準(zhǔn)頻率點(diǎn)的靈敏度。然而，在實(shí)踐中，絕對(duì)振動(dòng)值通常通過信號(hào)疊加獲得。設(shè)備和技術(shù)要求相對(duì)較低，特別適合一般部門。7.5激勵(lì)測(cè)試設(shè)備和激勵(lì)振動(dòng)信號(hào)介紹，1)激勵(lì)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)(輸入)，使系統(tǒng)振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激勵(lì)裝置組成。2)振動(dòng)拾取部分檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種形式(通常是電信號(hào))。它主要由傳感器和可調(diào)放大器組成。3)分析和記錄部分記錄來自振動(dòng)拾取部分的信號(hào)，用于以后的分析或直接近線分析，并記錄處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和光譜分析設(shè)備組成。穩(wěn)定正弦激勵(lì)，施加單一頻率的穩(wěn)定正弦激勵(lì)力，(t)=f0sin T.隨機(jī)激勵(lì)，優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性高，缺點(diǎn)：測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，一般進(jìn)行掃頻激勵(lì)，通過掃頻激勵(lì)獲得系統(tǒng)的一般特性，并在接近固有頻率的重要頻段進(jìn)行穩(wěn)定的正弦激勵(lì)，獲得嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)特性，采用白