什么是振動(dòng)？

當物體描述關(guān)于參考位置的振蕩運動(dòng)時(shí)，物體被稱(chēng)為振動(dòng)。一個(gè)完整的運動(dòng)周期在一秒內發(fā)生的次數稱(chēng)為頻率，以赫茲（Hz）為單位。

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

在實(shí)踐中，振動(dòng)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(guò)觀(guān)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(guò)繪制振動(dòng)幅度與頻率的關(guān)系來(lái)顯示。將振動(dòng)信號分解成各個(gè)頻率分量稱(chēng)為頻率分析，這種技術(shù)可被視為診斷振動(dòng)測量的基石。將振動(dòng)水平表示為頻率的函數的曲線(xiàn)圖稱(chēng)為頻譜圖。

當對機器振動(dòng)做頻率分析時(shí)，我們通常會(huì )發(fā)現幾個(gè)顯著(zhù)的周期頻率分量，這些頻率分量與機器各個(gè)部件的基本運動(dòng)直接相關(guān)。因此，通過(guò)頻率分析，我們能夠追蹤到不希望的振動(dòng)源。



振動(dòng)從何而來(lái)？

在實(shí)際操作中，避免振動(dòng)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(dòng)和摩擦接觸以及旋轉和往復構件中的不平衡力的動(dòng)態(tài)效應而發(fā)生的。通常，微小的不重要的振動(dòng)可以激發(fā)一些其他結構部件的共振頻率，并被放大成主要的振動(dòng)和噪聲源。

不過(guò)，有些工作又需要利用機械振動(dòng)。例如，我們在部件給料機、混凝土壓實(shí)機、超聲波清潔槽、鑿巖機和打樁機中故意產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)試驗機廣泛用于向產(chǎn)品和子組件施加受控水平的振動(dòng)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(dòng)環(huán)境的耐受性。

在所有振動(dòng)工作中，無(wú)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(chǎn)品的制造和維護中，一個(gè)基本要求是通過(guò)測量和分析獲得振動(dòng)的準確描述的能力。

量化振動(dòng)水平

振動(dòng)幅度是描述振動(dòng)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(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)機器部件的振動(dòng)位移對于最大應力或機械間隙時(shí)非常關(guān)鍵。

峰值對于指示短持續時(shí)間沖擊等的水平特別有用。但是，從圖中可以看出，峰值僅表示出現的最大水平，沒(méi)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，因為它與任何有用的物理量沒(méi)有直接關(guān)系。

RMS值是最有用的振幅度量，因為它既考慮了波的時(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(dòng)的破壞能力直接相關(guān)。



振動(dòng)參數：加速度、速度和位移


測量單位

當我們觀(guān)察振動(dòng)音叉時(shí)，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(lái)描述音叉的運動(dòng)。無(wú)論考慮的是位移、速度還是加速度，振動(dòng)的形式和周期都保持不變。主要區別在于如圖所示的三個(gè)參數的幅度-時(shí)間曲線(xiàn)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(guò)頻率和時(shí)間的函數在數學(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(guò)將加速度信號除以與頻率成比例的因子來(lái)獲得速度水平，也可以通過(guò)將加速度信號除以與頻率的平方成比例的因子來(lái)獲得位移。這種除法計算在測量?jì)x器中以數字方式執行。

振動(dòng)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(shuō)“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(gè)單位聯(lián)系起來(lái)，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(guò)檢測振動(dòng)加速度，我們不會(huì )單獨依賴(lài)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(dòng)計都配備了測量所有三個(gè)參數的設備。

在進(jìn)行單個(gè)寬頻帶振動(dòng)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(jīng)驗表明，在10至1000Hz范圍內測量的振動(dòng)速度的總RMS值給出了旋轉機器上振動(dòng)嚴重程度的最佳指示。一個(gè)可能的解釋是給定的速度水平對應于給定的能量水平；從振動(dòng)能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，低頻和高頻的振動(dòng)同等地加權。實(shí)際上，許多機器的速度譜相當平坦。

進(jìn)行窄帶頻率分析時(shí)，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(shí)際考慮。選用頻譜最平坦的參數可以最好地利用儀器的動(dòng)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進(jìn)行頻率分析。

因為加速度測量是可以充分顯示高頻振動(dòng)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(fā)生在低頻。因此，如果關(guān)注低頻，位移測量很重要。在考慮機器元件之間的小間隙時(shí)，振動(dòng)位移也是一個(gè)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(fā)生在軸旋轉頻率處，該頻率也是平衡目的最感興趣的頻率。