振动与动态测量

机器总是试图告诉我们它们的感受，但它们说着自己的语言。如果我们能够理解机器的语言，我们的生活就会容易得多，机器的寿命也会更长。简单地说,机器因作用于其上的力而振动,振动的特性可以告诉我们关于它们状态的重要信息。

回顾历史振动测量你可以在下面的图片中看到这两位技术人员使用的两种方法比你想象的要常见得多。

左边的技术员正在使用鱼尾法:鱼尾也被称为轴棒——鱼尾只是一块带有v形缺口的木头，正好与旋转的轴相吻合。木材被浸泡在润滑油中，这样它就不会粘在轴上或与轴摩擦。摩擦加热产生少量烟是正常的)。技术人员(小心地)将操纵杆靠在旋转轴上，通过感觉或使用安装在操纵杆顶部的简单机械或电子传感器来判断振动程度。以今天的标准来看，这种方法似乎很粗糙，但它确实提供了某种程度的振动数据采集在当时。

右侧的技术人员正在使用螺丝刀。他正在用螺丝刀把机器振动的位置隔离开来。所述螺丝刀提供导电路径，将可听到的振动传递到技术人员的耳朵。这种方法确实有一定的价值，但主要的缺点是它取决于技术人员的经验和记忆。

这是当数据只是作为一种模糊的声音描述而存在时，量化数据是不容易的。这两种方法对微小的变化不是很敏感，而且观察的人不同，结果也会有很大的不同。它们不能提供非常可靠的指示，表明机器状况正在恶化。最后，机器是我们的孩子，我们要确保他们过上健康的生活!但问题是，我们该怎么做?

有了现代技术，可以使用电子传感器来检测和记录振动信号，而不仅仅是用螺丝刀来听。

机器的振动可以告诉我们有关其健康状况的重要信息，振动的特征可以帮助我们在症状变得严重之前发现和诊断症状。振动是作用在机器上的力的反应。机器的振动方式不同，因此可以使用不同的振动传感器。

本文将重点关注:

• 振动基础
• 传感器类型
• 如何选择最适合自己的工具

首先，让我们定义振动:

振动是一种相对于参考测量平面的振荡运动，最重要的是它是力的结果。

机器振动的测量和报告通常用位移，速度,和加速度。

• 位移是走过的距离。对于汽车，我们使用大单位，如公里或英里。对于振动，距离非常小，所以我们通常使用微米(1/1000毫米)或密尔(1/1000英寸)。
• 速度为位移的时间变化率。对于运输，我们使用大单位，如公里/小时或英里/小时。对于振动，测量单位为mm/s或IPS。
• 加速度是时间速度变化率。对于运输，我们使用大单位，如m/s2, ft/s2，或重力加速度“G”。对于振动，我们使用m/sec2, in/sec2，或者最常见的重力加速度G。

还记得这种振动不仅仅是大小，它还包括一个方向——类似于汽车行驶的向东或向西方向，或者由下图所示的机械振动传感器测量的垂直轴。

同时具有大小和方向的量称为“矢量”，位移、速度和加速度都是矢量。

在汽车的例子中;在你启动你的车后，你首先使用加速座加速，然后你获得速度达到你想要的距离。所以，加速度导致速度，速度导致位移。

下面的图称为时基图，它具有振幅轴时光流逝轴。时间从左向右增加，我们可以看到加速度的正峰值出现在速度之前，速度的正峰值出现在位移之前。

当我们测量机器外壳的运动时，我们测量的是由力引起的运动。这些力通过轴承传递到机壳上，使其根据力的大小和机壳的质量而加速。

加速度(是力的函数)导致外壳运动的速度(与疲劳成正比)和外壳的位移(与应力成正比)。

人们过去常常问;“振动有多大?”真的!这就像问一个人多大了，然后假设一个21岁的年轻人一定很健康一样。振动的程度本身并不是机器健康状况的指标。我们首先需要了解一些背景。

在现实中;我们需要知道5个参数来描述一个振动信号并将它们与工艺参数相关联，以正确管理我们的机器。这些都是:

• 直接的振幅-测量原始信号的总振幅。例如，下图中的波形是直接的或未经滤波的波形，我们可以测量从pk到pk的振幅为2.9 mils Pk-Pk。

• 频率-信号的内容可以为我们提供线索，了解机器正在经历的可能故障的类别。波形是由多个频率组成的复杂波形，一些经验丰富的技术人员可以分辨出它是1X和5X，然而，它更容易-也更可靠-从另一个叫做频谱图的图中得到这些信息。（提示还有一个2X组件，你注意到了吗?)
• nX振幅和相位当我们把振动信号分解成离散的频率分量时，我们可以测量它们的幅值和相位。下图中的波形是前面提到的波形(上图)的1X WF滤波后的波形，我们可以看出振幅为2.0 mils pk-pk。此外，由波形上的小点表示的键相量®信号被认为是时序参考。已知完整的振动周期为360度，并且从关键相量事件到下一个正峰值测量相位，我们可以知道相位为~10度。

• 位置是位移传感器的直流元件，这将在本文的接近传感器部分进行讨论。位置信息在分析某些机器故障(例如，不对准和不稳定)时非常重要。
• 形状或形式——就像一个人的照片。我们不能仅凭体重和身高来描述一个人。我们可以，但你很难确定一个人的身份。眼睛的大小和颜色、发型和长度、鼻子等等呢?了解振动形状的细微变化，可以更准确地诊断振动的来源、根本原因，然后采取适当的行动。同样的,振幅，频率和相位信息结合起来给我们一个振动的特征形状或形式。振动信号的形式有时可以突出单个信号测量可能无法单独完成的重大变化。

因此，我们可以用位移，速度和加速度来测量振动。但我们如何准确地收集和传输这些测量值?使用什么传感器?它们是如何工作的?了解振动信号的来源将有助于诊断振动问题，并区分仪器问题和实际振动问题。

我们将一个接一个地讨论振动换能器，所以让我们从位移开始。

这是一个典型的内华达本特近距离传感器，由一个Proximitor组成近距离传感器、延长线和探头。但它是如何工作的呢?是什么让它成为非接触式探针?

Proximitor†传感器有两个基本功能:首先，作为一个调谐振荡器，产生射频(RF)信号。该信号在探针尖端周围产生低能电磁场。

然后，Proximitor†传感器作为一种特殊的解调器电路，对射频信号进行调节，从反馈中提取可用的位移信号。当射频场中存在导电材料时，交变电磁场在轴的表面诱导出小涡流流。涡流的穿透深度取决于材料的电导率和磁导率。

当轴(或导电材料)在探头的线性范围内时，涡流在轴材料表面流动，射频幅值会降低。因此，下面的第一个探头显示了探头离轴很远的情况，这意味着射频幅度最大。这是安装探针之前的情况。

当你的仪器团队安装探针，他们试图保持轴与探头尖端之间的间隙在线性范围的中间因此，当轴向或远离探头振动时，它会保持在传感器可以看到的范围内。这意味着涡流现在在轴表面生成，这就是为什么RF振幅在下一张图像中较低的原因。

最后，当轴振动时，如下图所示，轴靠近和远离探头，导致射频被调制为相同的振动幅值。

解调器电路(在Proximitor†中)从射频信号中提取调制信号。就像你车里的收音机一样，解调器电路的功能和收音机接收器一样。主要区别在于无线电接收器放大提取的调制信号(音乐或声音)，并通过扬声器播放给我们听的乐趣，而Proximitor†传感器将提取的振动信号发送给传感器振动监测和机器保护系统。

如右图所示，红色波形将振动表示为AC和DC两个重要参数。交流分量表示振动，而直流分量表示交流的平均值离零的距离。所以,直流分量可以告诉我们振动时轴离探头尖端有多远。在“停止状态”下，交流电将为零，直流电将告诉我们探头和轴之间的间隙。

• 时变(AC)值是振动信号
• 平均(DC)值为间隙电压

传统的振动测量并不是接近探头的唯一应用;它们可以用于许多其他应用:

• 径向振动——这是轴的运动，如前所述。
• 轴向或推力运动-这将发生在旋转设备和测量中。这是分析和保护的重要指标。由于高压将轴推向低压侧，右侧的压缩机通常会由于工艺负荷而从右向左移动。

• 关键相位-这是一个每转一次的参考信号，用来测量相位和速度。我们可以通过在探针目标区域中有一个单缺口或投影来获得KPH参考，这将在旋转过程中以与轴相同的角度给出脉冲。当KPH信号与振动信号相结合时，我们可以判断出轴在靠近振动探头时的角度。这叫做绝对相位角。
• 杆的下落和杆的位置这是往复式机械的特殊测量，如果只垂直测量，它会显示杆下降了多少，如果用两个探头测量，它会显示杆的实际位置。
• 微分展开——这测量转子和机匣之间的膨胀差异。对于某些机器，如燃气轮机和蒸汽轮机，这是一个非常重要的参数。
• 偏心,这个度量表示轴弓。有些机器会受到转子弯曲的影响，比如汽轮机，我们需要在启动机器之前测量转子弯曲的程度。显然，严重的弯曲会在启动过程中损坏机器。

• 接近探头的线性范围取决于探头尖端的直径。探头尖端直径越大，可以测量的线性范围越长。例如，与5mm探头相比，50mm探头可以测量更长的范围。此外，根据特定的目标材料和系统长度对近端仪进行校准，这就是探头长度+延长线长度的原因必须匹配近端校准长度，我们必须使用针对目标材料校准的近端仪。

• 设计:移动线圈传感器或带有板载集成电路的加速度计
• 操作:动圈设计是自供电，而压电设计需要电源

速度传感器传统上被用于机械状态监测，早期的设计使用了一个线圈，它相对于一个永久磁铁移动，你可以看到在左边。动圈式速度传感器提供非常强的低噪声信号，使其成为低频应用的理想选择。

较新的压电速度传感器简单在传感器外壳内集成信号集成电路的加速度计。这些装置提供的输出信号已经被集成到速度单位中。

事实上，加速度到速度的积分步骤是由传感器内部的机载电子设备消除了噪声沿传感器和监测系统之间的现场布线引入的机会。

上面你可以看到两个传感器的细节。

动圈式传感器仅在其设计的方向角度内准确。例如，如果设计用于垂直操作的传感器水平安装，那么精密的弹簧可能会使线圈对磁铁产生物理阻力，从而产生较大的响应误差。

移动线圈传感器是“自我产生”的设备，这意味着它们不需要外部电源就能产生信号。

另一方面，在较新的压电设计中，振动引起内部压电晶体元件的周期性变形，从而在元件的相对面之间产生电荷差。这种与加速度相关的微小电荷差被放大(并通过内部电路集成为速度)，电流或电压信号可以通过现场电缆有效地传输到振动监测系统。

压电式速度传感器需要外部电源使电子放大器和集成电路工作。然而，它们是一种“固态”设备，没有活动部件，因此非常坚固可靠。

作为旁注，也可以用加速度计传感器检测振动，然后将信号集成到振动监测仪器中的速度单位，或者通过振动分析软件。但是，在传感器外壳内执行这种集成的优点是，加速度信号只需要行进非常小的距离就可以到达集成电路，因此外部噪声被引入信号的机会要少得多。

加速度计也利用压电晶体元件，因此振动引起内部晶体元件的周期性变形，从而在元件的相对面之间产生电荷差。这种与加速度相关的微小电荷差随后被放大为更大的电流或电压信号，该信号可以通过现场电缆有效地传输到振动监测系统。

上面的这些插图显示了两者之间的区别左边是旧的压缩型设计和右图为压电加速度计的新型剪切式设计。压缩设计中的传感元件被压缩在参考质量和传感器外壳的底部之间。剪切式加速度计包含一个安装在圆柱柱上的环形元件。它被环形参考质量包围，并由夹紧带预加载。剪切型传感器不易受热应力和下传感器壳体变形的影响。

加速度计、压电速度传感器和动圈传感器都被称为地震传感器。右图中的通用换能器响应曲线比较了三种通用地震换能器在宽振动频率范围内的特性。

加速度计通常具有比压电速度传感器更广泛的高频能力，而移动线圈传感器具有非常有限的线性范围。

• 加速度计:最高频率响应。用于齿轮啮合、脉冲等高频应用。
• Piezovelocity传感器:较低的高频响应，但更少的噪音比使用外部积分放大器与加速度计。
• 动圈式传感器:更多的限频响应，但不需要外部电源。

注:在振动分析的历史上，早在压电传感器完善之前，动圈式速度传感器就被发明和使用了。因此，多年来对速度数据的分析和研究已经产生了振动监测指南(例如一些振动标准)，其中包括基于速度而不是加速度单位的推荐严重程度。

无论我们使用哪种类型的地震传感器，在机器上安装地震传感器时，通常在每个轴承上安装3个传感器记录三个关键指标:水平、垂直和轴向。

传感器应该尽可能靠近轴承吗，并在最直接的点传递力从转子到机匣。重要的是要避免将它们安装在机器的某些部分(如检修盖)上，这些部分可能会产生局部共振，而这些共振并不代表轴承壳的振动。以下是推荐地点的例子*。

*这些例子的参考是ISO标准10816-3

旋转机械有许多不同的设计，用于不同的应用，如小型电动机，泵，压缩机，大型汽轮机，发电机等等。机器结构可以根据所使用的轴承类型分为几类。

然而，有许多类型的轴承，我们将讨论工业中使用的两种主要轴承类型:流体膜轴承和滚动元件轴承(REB)。

液膜轴承(这是在左边这里)通常传递一个相对较小的振动从转子到机匣。这是因为转子由流体楔支撑，没有金属对金属的接触当机器正常运行时，在轴承和转子之间。在这种情况下;传递给流体的相对大量的振动能量被耗散，而没有传递到机器外壳。

滚动轴承由于轴承元件的直接金属对金属接触，通常提供从转子到机匣的高度振动传递，因为转子与由滚动元件支撑的轴承内圈紧密相连。滚动元件将转子的负荷转移到外圈。外套圈由轴承座支撑，轴承座通常与外套圈压合。

我们还需要考虑机匣与转子的质量比和轴承支撑刚度。

重机壳/轻转子:这是机匣与转子比大于10:1的情况。在这种情况下，起源于转子的振动不太可能传递到机匣。

同样的,当支持是“硬”,套管将经历最小的运动;因此，XY接近传感器是合适的选择。

轻机壳/重转子:这是机匣与转子比小于5:1的情况。在这种情况下，转子有可能产生足够的力使机匣振动。

同样的,当支持是“软”(又名投诉支持)可能会发生重大的套管运动。建议使用双XY探头，测量轴的绝对振动。双XY探头包括测量套管振动和轴的相对振动，以确定轴的绝对振动。

下面的流程图总结了的选择标准机结构:

液膜轴承根据机匣与转子的比率和支撑刚度，只配备接近探头或轴绝对探头;而滚动轴承都配备了安装在外壳上的传感器。

*当有高比率或刚性支撑时，滚动元件轴承安装有一个不太常见的条件。然而,在这种非常特殊和罕见的情况下，需要将接近探头安装在离轴承略远的外壳上由于轴承振动不会显示任何显著的振动幅值。

在选择换能器之前，我们还需要知道我们要检测哪些故障。有两类:

1. 转子相关故障振动的来源是转子本身，或主要涉及转子的某种动作或运动。例如，不对准，不平衡，流体诱导不稳定，摩擦，裂纹转子和转子弯曲是转子故障的常见例子。
2. 住房或支持方面的故障:通常可以直接在机壳上观察到由外壳或支架相关故障引起的振动。这些振动可能是由机壳外部或内部的来源引起的，例如:滚动元件轴承，管道力，结构共振，支撑或基础恶化，转子/轴承状况(松或紧)，摩擦和热翘曲

为了确保振动测量的质量信息，一个重要的因素是使用能够覆盖机器/故障可能产生的预期振动频率的传感器系统。为此，我们需要考察以下几个方面:

• 基于机器设计的预期故障频率
• 振动传感器的频率响应
• 换能器安装对其线性范围的影响

在数学上，位移、速度和加速度之间的关系是通过积分和微分来定义的。然而，从实际的角度来看，关系的重要部分总结如下表:

最后,所选择的换能器必须能够承受其必须工作的环境，并且需要考虑物理约束，因为必须有足够的空间在适当的位置安装换能器。

电缆的固定和布线、密封连接和支架设计也必须考虑在内。

如果一台机器的设计和制造是为了在某些位置接受某种类型，那么使用这些位置和传感器总是最容易的。然而，使用这些预先存在的安装点在精度方面可能不是最好的。因此，应始终考虑根据机器结构、预期故障和频率响应来选择标准。记住，只有正确的换能器，正确地安装在正确的位置，才能提供良好的效果。

这是一个典型的机器列车的例子，驱动器，驱动和变速箱之间，所有的轴承都是流体膜品种。在这种情况下，我们通常会使用以下命令:

• 2个关键相量(HSS一个，LSS一个)
• 每个方位的X&Y接近探头
• 每个推力轴承上有2-3个推力探头
• 加速计将安装在变速箱(一个在HSS，另一个在LSS，以检测齿轮问题，通常发生在高频)

我们希望这些信息对您有用。正如我们从这篇博文中看到的，振动和动态测量的研究是一个复杂的问题，在每个机械安装示例中都有多种因素在起作用。由于这种程度的差异，很少有“一刀切”的解决方案来满足您的企业状态监视需求。为此，本特利内华达公司欢迎有机会与您讨论您的振动测量问题，并将很乐意帮助您制定一个覆盖关键资产的计划，并改进您的整体状态监测策略。随时与我们联系，就您的状态监测需求展开对话。

这个培训博客是与本特内华达机械诊断团队的视频培训系列一起开发的。这些信息也可以在我们的网络研讨会点播平台上找到在这里。