解密關(guān)于振動測量的基本概念

什么是振動？

當(dāng)物體描述關(guān)于參考位置的振蕩運(yùn)動時(shí)，物體被稱為振動。一個(gè)完整的運(yùn)動周期在一秒內(nèi)發(fā)生的次數(shù)稱為頻率，以赫茲（Hz）為單位。

該運(yùn)動可以由以單個(gè)頻率出現(xiàn)的單個(gè)分量組成，例如與音叉一樣，或者由以不同頻率同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)分量組成，例如與內(nèi)燃機(jī)的活塞運(yùn)動一起。

在實(shí)踐中，振動信號通常由許多同時(shí)發(fā)生的頻率組成，因此我們不能僅通過觀察時(shí)間模式立即看出有多少分量以及它們發(fā)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(guān)系來顯示。將振動信號分解成各個(gè)頻率分量稱為頻率分析，這種技術(shù)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(shù)的曲線圖稱為頻譜圖。

當(dāng)對機(jī)器振動做頻率分析時(shí)，我們通常會發(fā)現(xiàn)幾個(gè)顯著的周期頻率分量，這些頻率分量與機(jī)器各個(gè)部件的基本運(yùn)動直接相關(guān)。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(shí)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(jī)器部件之間的滾動和摩擦接觸以及旋轉(zhuǎn)和往復(fù)構(gòu)件中的不平衡力的動態(tài)效應(yīng)而發(fā)生的。通常，微小的不重要的振動可以激發(fā)一些其他結(jié)構(gòu)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(jī)械振動。例如，我們在部件給料機(jī)、混凝土壓實(shí)機(jī)、超聲波清潔槽、鑿巖機(jī)和打樁機(jī)中故意產(chǎn)生振動。振動試驗(yàn)機(jī)廣泛用于向產(chǎn)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(yīng)并確定它們對振動環(huán)境的耐受性。

在所有振動工作中，無論是在利用其能量的機(jī)器的設(shè)計(jì)中，還是在平穩(wěn)運(yùn)行的機(jī)械產(chǎn)品的制造和維護(hù)中，一個(gè)基本要求是通過測量和分析獲得振動的準(zhǔn)確描述的能力。

量化振動水平

振動幅度是描述振動嚴(yán)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(guān)系。

峰-峰值的價(jià)值在于它指示了波的最大偏移，這個(gè)量在例如評價(jià)機(jī)器部件的振動位移對于最大應(yīng)力或機(jī)械間隙時(shí)非常關(guān)鍵。

峰值對于指示短持續(xù)時(shí)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(xiàn)的最大水平，沒有考慮波的時(shí)間歷程。

另一方面，整流平均值確實(shí)考慮了波的時(shí)間歷程，但只有有限的實(shí)際意義，因?yàn)樗c任何有用的物理量沒有直接關(guān)系。

RMS值是最有用的振幅度量，因?yàn)樗瓤紤]了波的時(shí)間歷程，又給出了與能量含量直接相關(guān)的振幅值，從而與振動的破壞能力直接相關(guān)。



振動參數(shù)：加速度、速度和位移


測量單位

當(dāng)我們觀察振動音叉時(shí)，我們認(rèn)為波的振幅是音叉末端向靜止位置兩側(cè)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(yùn)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(qū)別在于如圖所示的三個(gè)參數(shù)的幅度-時(shí)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(shí)間的函數(shù)在數(shù)學(xué)上相關(guān)，如圖所示。如果忽略相位，如在進(jìn)行時(shí)間平均測量時(shí)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(jì)算在測量儀器中以數(shù)字方式執(zhí)行。

振動參數(shù)幾乎都是按照ISO要求以公制單位測量的，這些參數(shù)如表所示。然而，重力常數(shù)“g”或更準(zhǔn)確地說“gn”仍然廣泛用于加速度水平，盡管它不屬于國際標(biāo)準(zhǔn)單位制。幸運(yùn)的是，該常數(shù)數(shù)值上接近10（9.80665）可將兩個(gè)單位聯(lián)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(shù)

通過檢測振動加速度，我們不會單獨(dú)依賴于該參數(shù)。我們可以將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度和位移。大多數(shù)現(xiàn)代振動計(jì)都配備了測量所有三個(gè)參數(shù)的設(shè)備。

在進(jìn)行單個(gè)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(shù)的選擇是重要的。位移測量將給予低頻分量較大的權(quán)重，相反，加速度測量給予高頻分量較大權(quán)重。

經(jīng)驗(yàn)表明，在10至1000Hz范圍內(nèi)測量的振動速度的總RMS值給出了旋轉(zhuǎn)機(jī)器上振動嚴(yán)重程度的最佳指示。一個(gè)可能的解釋是給定的速度水平對應(yīng)于給定的能量水平；從振動能量的觀點(diǎn)來看，低頻和高頻的振動同等地加權(quán)。實(shí)際上，許多機(jī)器的速度譜相當(dāng)平坦。

進(jìn)行窄帶頻率分析時(shí)，參數(shù)的選擇將僅反映在顯示屏或報(bào)告上。因此我們需要考慮影響參數(shù)選擇的實(shí)際考慮。選用頻譜最平坦的參數(shù)可以最好地利用儀器的動態(tài)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(shù)進(jìn)行頻率分析。

因?yàn)榧铀俣葴y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(jī)械系統(tǒng)的可感知的位移通常只發(fā)生在低頻。因此，如果關(guān)注低頻，位移測量很重要。在考慮機(jī)器元件之間的小間隙時(shí)，振動位移也是一個(gè)重要的考慮參數(shù)。位移也常用作旋轉(zhuǎn)機(jī)器部件中不平衡的指標(biāo)，因?yàn)橄鄬Υ蟮奈灰仆ǔ０l(fā)生在軸旋轉(zhuǎn)頻率處，該頻率也是平衡目的最感興趣的頻率。