第七章振動課件

在現(xiàn)代企業(yè)管理制度中，除了對各種機(jī)械設(shè)備提出低振動和低噪聲要求外，還需隨時對機(jī)器的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷，對工作環(huán)境進(jìn)行控制。為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動分析和振動設(shè)計。這些都離不開振動測試。

振動測試包括兩種方式：一是測量機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動，如振動位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測對象的振動狀態(tài)，評定等級和尋找振源，對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷和預(yù)測。二是對機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵，測量其受迫振動，以便求得被測對象的振動力學(xué)參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應(yīng)和模態(tài)等。在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)，如振動位移是研究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動速度決定了噪聲的高低，人對機(jī)械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度又與能量和功率有關(guān)，并決定動量的大小。第二節(jié)單自由度系統(tǒng)的受迫振動

為了理解并正確選用測振、激振儀器的工作原理，有必要回顧單自由度系統(tǒng)的受迫振動的原理。根據(jù)周期信號的分解和線性系統(tǒng)疊加性，有理由認(rèn)為正弦激勵對振動系統(tǒng)是一種最基本的激勵，弄清楚振動系統(tǒng)對正弦激勵的響應(yīng)，也就容易理解一般激勵的作用了。所指的正弦激勵可以是力也可以是位移。下面分析單自由度振動系統(tǒng)在兩類激勵下的響應(yīng)。一、質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動ZZZZ峰值二、由基礎(chǔ)運動所引起的受迫振動在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基礎(chǔ)的運動所引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0，則如圖慣性式拾振器的力學(xué)模型所示。質(zhì)量塊m的運動方程為：M(1)、如果考察質(zhì)量M的絕對振動：9種(2)、如果考察質(zhì)量M對基礎(chǔ)的相對振動：9種例1由幅頻特性可見，當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時，質(zhì)量塊相對于基礎(chǔ)的振動幅值為零，這意味著質(zhì)量塊幾乎跟隨基礎(chǔ)一起振動，兩者相對運動極小。而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)高于固有頻率時，A(ω)接近于1。這表明質(zhì)量塊和基礎(chǔ)之間的相對運動（輸出）與基礎(chǔ)的振動（輸入）近于相等，說明質(zhì)量塊在慣性坐標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。例2同例1第三節(jié)振動的激勵

一、穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法。它是對被測對象施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，并測定振動響應(yīng)與正弦力的幅值比與相位差。為測得整個頻率范圍的頻率響應(yīng)，必須改變激振力的頻率，這一過程稱為掃頻或掃描。值得注意的是必須采用足夠緩慢的掃描速度，以保證結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)態(tài)振動之中，對于小阻尼系統(tǒng)，尤其應(yīng)該注意這一點。二、

隨機(jī)激勵

隨機(jī)激勵一般用偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為信號源，是一種寬帶激振的方法。它使被測對象在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生偽隨機(jī)振動。與譜分析儀相配合，獲得被測對象的頻率響應(yīng)。

三、瞬態(tài)激振

瞬態(tài)激振也屬于寬帶激振法。目前常用的方法有：（一）、快速正弦掃描激振這種方式由于儀器設(shè)備的進(jìn)展應(yīng)用越來越廣。激振信號頻率在掃描周期T中呈線性地增大，但是幅值保持不變。激振函數(shù)為：…2TT3T激振力函數(shù)為：(二）、脈沖激振（1）、錘頭墊愈硬可以更換，其材料有鋼、銅、鋁、尼龍、橡膠。硬的，τ小，則激振力的頻率范圍大。使用適當(dāng)?shù)腻N頭墊材料可以得到所要求的頻帶寬度。（2）、改變配重的質(zhì)量和敲擊加速度，可調(diào)節(jié)激振力的大小。（3）、內(nèi)置壓電力傳感器(三）、階躍激振在擬定的激振點，用一根剛度大、重量輕的弦經(jīng)過力傳感器對待測結(jié)構(gòu)施加張力，使之產(chǎn)生彈性變形。然后突然切斷弦，這就相當(dāng)于對該結(jié)構(gòu)施加一個負(fù)的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振。前面曾經(jīng)指出，理想階躍響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)即為脈沖響應(yīng)。在建筑結(jié)構(gòu)的振動測試中，這種激振方法用得相當(dāng)普遍。載荷第四節(jié)、激振器激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，激起試件振動的裝置。一般激振器應(yīng)當(dāng)能夠在要求的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力，某些情況下還需施加穩(wěn)定力。穩(wěn)定力能使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷，以便消除間隙或模擬某種穩(wěn)定力(如切削力的不變成分)。為了減小激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。信號發(fā)生器功率放大器激振器一、電動式激振器1、組成：彈簧、殼體、磁鋼、頂桿、磁極板、鐵芯和驅(qū)動線圈等元件組成m被激試件NS2、模型：m—連接桿、連接骨架線圈、頂桿m被激試件NSK殼體和基礎(chǔ)的連接：（1）剛性，（2）彈性激振器m0基礎(chǔ)要求激振力的頻率遠(yuǎn)離f0，否則激振器發(fā)生共振，消耗能量因此（1）、高頻激振時：激振器試件激振器試件垂直激振水平激振（2）、低頻激振時：激振器試件激振器試件基礎(chǔ)水平激振垂直激振（3）、激振力要實測：激振器試件基礎(chǔ)測力環(huán)阻抗頭（4）、屬于接觸激振，有附加質(zhì)量的影響。二、電磁激振器電磁激振器的優(yōu)點是進(jìn)行非接觸激振，對試件無附加質(zhì)量影響。此外，它的激振力大，工作頻率范圍寬，適用于對機(jī)床現(xiàn)場激振。缺點是波形失真大、振幅小。

電磁激振器直接利用電磁鐵的磁力作為激振力。它有兩部分，不動部分為U型或E型電磁鐵，在磁鐵上繞有直流和交流線圈，可動部分為導(dǎo)磁的試件。激振器工作時，電磁鐵與試件組成閉合的磁回路，氣隙中的交變磁場使試件承受交變的電磁力，從而激起試件振動。1、組成：鐵心、勵磁線圈、測力線圈—實測激振力。位移傳感器—實測試件和激振器之間的相對位移。2、原理：波形失真、幅值很小非線性系統(tǒng)，不具有頻率保持性靜態(tài)力激振力高頻誤差靜態(tài)力激振力加直流的作用第五節(jié)、振動測量方法及測振傳感器振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換后的形式可分為：電測法、機(jī)械法和光學(xué)法。

名稱原理優(yōu)缺點電測法將被測振動量轉(zhuǎn)化成電量，然后用電量測試儀進(jìn)行測量。靈敏度高，頻率范圍、動態(tài)范圍、線性范圍寬。易受電磁干擾。目前應(yīng)用廣泛。機(jī)械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來?？垢蓴_，頻率范圍、動態(tài)范圍、線性范圍窄，有負(fù)載效應(yīng)。適合低頻大振幅測量。光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光干涉原理等進(jìn)行測量。抗干擾，精度高，非接觸測量。多用于精密測量，傳感器和測振儀的校準(zhǔn)、定度。目前廣泛使用的是電測法。本節(jié)主要討論電測法的拾振器(即測振用的傳感器)。按測振時拾振器是否與被測件接觸可將拾振器分為兩類:接觸式與非接觸式。電容傳感器、渦流傳感器常用于振動位移的非接觸測量。按所測的振動性質(zhì)可將拾振器分為:絕對式和相對式。絕對式拾振器的輸出描述被測物的絕對振動;相對式拾振器的輸出則描述被測物之間的相對振動。按振動參數(shù)分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。一、渦流位移傳感器1、相對式。測量的是相對位移。2、傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬(從直流到數(shù)千赫)、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響。3、非接觸式測量。4、表面粗糙度對測量幾乎無影響，但表面微裂縫和被測材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率對靈敏度有影響。5、被測件是小圓柱體則其直徑與線圈直徑之比對靈敏度也有影響。6、測試前最好用和試件材料相同的樣件在校準(zhǔn)裝置上直接校準(zhǔn)以取得特性曲線，并確定安裝間隙。

分為：1、磁電式絕對速度計

2、磁電式相對速度計

（一）、磁電式絕對速度計（屬于慣性拾振器）一次敏感元件敏感元件二、磁電式速度傳感器1、組成：1、彈簧片2、磁靴3、阻尼杯6、磁鋼7、線圈8、線圈架9、彈簧片mNSm—芯軸、線圈架、阻尼環(huán)、線圈2、原理輸入輸出傳感器輸入輸出傳感器敏感元件：磁電式一次敏感元件：慣性系統(tǒng)同例2+反向器3、應(yīng)用：（二）、磁電式相對速度計（不屬于慣性拾振器）將殼體固定在一試件上，通過壓縮彈簧片，使頂桿以F力頂住另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件的相對速度，速度計的輸出電壓與兩試件的相對速度成比例。

x彈簧特性輸出的電荷量與輸入的加速度成正比三、壓電式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)形式S是彈簧，M是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。

多功能轉(zhuǎn)子臺現(xiàn)場動平衡儀2、原理輸入輸出傳感器m—質(zhì)量塊m壓電晶體輸入輸出傳感器慣性系統(tǒng)彈性系統(tǒng)慣性系統(tǒng)彈性系統(tǒng)3、分析鋼螺栓31kHz絕緣螺栓28kHz薄臘層29kHz粘結(jié)劑10kHz粘結(jié)螺栓10kHz磁鐵7kHz探針2kHz4、壓電加速度計的靈敏度壓電傳感器可以看成電荷源，也可以看成電壓源。因此它的靈敏度可以用電荷靈敏度（Sq）或電壓靈敏度（Su）表示：被測對象傳感器前置放大器四、伺服式加速度傳感器1、組成：質(zhì)量塊、彈簧、位移傳感器、放大器力發(fā)生器：線圈、磁鐵2、原理：位移傳感器、放大器慣性系統(tǒng)M位移傳感器放大器力發(fā)生器慣性系統(tǒng)位移傳感器、放大器3、特點：固有頻率高，線性范圍廣，測量精度高。五、壓阻式加速度計應(yīng)變式加速度計屬于慣性式傳感器。它主要由殼體，質(zhì)量塊，應(yīng)變梁組成，內(nèi)部用硅油做阻尼劑。質(zhì)量塊固定在應(yīng)變梁的懸臂端，梁上安裝了應(yīng)變片，測量其彎曲應(yīng)變。當(dāng)傳感器受到與應(yīng)變梁垂直方向的振動時，若滿足f<<fn及ζ=0.7的條件，應(yīng)變值與傳感器的加速度成正比。此種傳感器的低頻響應(yīng)好，例如BAR-6型傳感器，固有頻率為150Hz，可測頻率范圍為0～100Hz，可測加速度達(dá)2g。

六、阻抗頭在激振試驗中還常用一種名為阻抗頭的裝置，它裝在激振器頂桿和試件之間。阻抗頭前端是力傳感器，后面為測量激振點響應(yīng)的加速度計。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)使兩者盡量接近。激振器試件基礎(chǔ)阻抗頭七、測振傳感器的合理選擇1、直接測量參數(shù)的選擇：作為拾振器的被測量是位移、速度或加速度。它們是頻率的等比數(shù)列，能通過微積分電路來實現(xiàn)它們之間的換算。考慮到低頻時加速度的幅值和高頻時位移的幅值有時可小到與測量噪聲相當(dāng)?shù)某潭?，因此如用加速度計測量低頻振動的位移，會因低信噪比使測量不穩(wěn)定和增大測量誤差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器測高頻位移有類似的情況發(fā)生。對于微積分放大器，因它的輸入飽和量是隨頻率變化的，帶有二次積分網(wǎng)絡(luò)的電荷放大器，其加速度、速度、位移的可測量程和頻率范圍隨積分次數(shù)的增加而減小，使用中要充分注意這一點。傳感器選擇時還應(yīng)力圖使最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測得。例如考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時，宜作加速度測量;考察振動環(huán)境(振動烈度以振動速度的均方根值來描述)時，宜作振動速度的測量;要監(jiān)測機(jī)件的位置變化時，宜選用電渦流或電容傳感器作位移的測量。

2、要綜合考慮傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo)

各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的頻率范圍，在前面已作過詳細(xì)論述。對于慣性式拾振器，一般重量大的拾振器上限頻率低、靈敏度高;重量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計為例，作超低振級測量的都是重量超過100g靈敏度很高的加速度計，作高振級(如沖擊)測量的都是小到幾克或零點幾克的加速度計。

3、要考慮具體使用的環(huán)境要求、價格、壽命、可靠性、維修、校準(zhǔn)等。

例如激光測振盡管有很高的分辨力和測量精確度，由于對環(huán)境(隔振)要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴，它只適用于實驗室作精密測量或校準(zhǔn)。電渦流和電容傳感器均屬非接觸式，但前者對環(huán)境要求低而被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場對機(jī)器振動的測最中。如大型汽輪發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)組振動監(jiān)測中用的拾振器、要能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下長期可靠地工作，常選用電渦流傳感器。對相位有嚴(yán)格要求的振動測試項目(如作虛實頻譜，幅相圖、振型等測量)，除了應(yīng)注意拾振器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)放大器的相頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因為測得的激勵和響應(yīng)之間的相位差包括了測試系統(tǒng)中所有儀器的相移。第六節(jié)、振動的分析方法與儀器從拾振器檢測到的振動信號和激振點檢測到的力信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚商崛「鞣N有用的信息。最簡單的指示振動量的測振儀把拾振器測得的振動信號以位移、速度或加速度的單位指示出它們的峰值，峰--峰值、平均值或有效值。這類儀器一般包括微積分電路、放大器、電壓檢波和表頭，它只能獲得振動強(qiáng)度（振級）的信息，而不能獲得振動其他方面的信息。為了獲得更多的信息，常將振動信號進(jìn)行頻譜分析。時域記錄只能給出振動強(qiáng)度的概念，經(jīng)過頻譜分析則可以估計其振動的根源，因此可以用于故障分析和診斷。在用激振方法研究機(jī)械的動態(tài)特性時需要將所測振動和振動激勵聯(lián)系起來以求出系統(tǒng)的幅、相頻特性。某外圓磨床在空運轉(zhuǎn)時工作臺的橫向振動的記錄曲線

27.5Hz是砂輪不平衡所引起的振動，329Hz則是由于油泵脈動所引起。50,100和150Hz的振動都和工頻干擾及電動機(jī)振動有關(guān)。500Hz以上的高頻振動原因比較復(fù)雜，有軸承噪聲也有其它振源，有待進(jìn)一步試驗和分析。1020501002005001000最簡單的振動測量系統(tǒng)振動計振動物體加速度計一、常用振動測試系統(tǒng)測量記錄系統(tǒng)電荷放大器磁帶記錄儀加速度計電荷放大器磁帶記錄儀分析儀常用測試系統(tǒng)信號發(fā)生器功放激振器測試對象傳感器中間轉(zhuǎn)換電路振動分析儀器記錄儀器隨機(jī)信號發(fā)生器功放激振器測試對象壓電加速度計電荷放大器振動分析儀器記錄儀器第七節(jié)、機(jī)械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計

機(jī)械系統(tǒng)振動的主要參數(shù)是其固有頻率、阻尼比和振型等。實際上一個機(jī)械系統(tǒng)的振動模型都是多自由度的，它有多個固有頻率，在幅頻特性曲線上會出現(xiàn)許多"共振峰"。一般說來，系統(tǒng)的這些特性與激振方式、測點布置無關(guān)。在多自由度線性振動系統(tǒng)中，任何一點的振動響應(yīng)可認(rèn)為是反映該系統(tǒng)特性的多個單自由度系統(tǒng)響應(yīng)的疊加。對于小阻尼系統(tǒng)，在某個固有頻率附近與其相對應(yīng)的該階振動響應(yīng)特別大，以致可以忽略其它各階振動響應(yīng)，并以該階振動響應(yīng)來代替系統(tǒng)的總響應(yīng)。因此，本節(jié)只討論單自由度振動參數(shù)—固有頻率和阻尼比的估計。這些方法可用來近似地估計多自由度振動系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。至于多自由度系統(tǒng)的振型則依靠布置多個測點并在系統(tǒng)的各個固有頻率條件下來測定各點的振動而后確定之。測定單自由度系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，常用自由振動法和共振法。

一、自由振動法：見第二章

二、共振法：1、從幅頻曲線進(jìn)行估計

當(dāng)阻尼比比較小時：2、從相頻曲線進(jìn)行估計

從單自由度受迫振動的位移響應(yīng)的相頻可以看到，不管阻尼比大小如何，當(dāng)激振頻率和固有頻率相同時，位移的相角滯后總是90o，因此通過所測得的相頻曲線可以直接確定系統(tǒng)的固有頻率。

因此從所測相頻特性曲線，求得