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第八章机械振动测试及分析.ppt

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第八 机械振动 测试 分析
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测试技术基础,第八章 机械振动测试与分析,1,主要内容,§8.1 概述§8.2 振动的基本知识§8.3 振动的激励§8.4 测振传感器(拾振器)§8.5 振动信号分析仪器§8.6 振动测试系统及数据处理实例§8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计§8.8 小结,2,振动的定义:力作用下物体在平衡位置附近作往复运动,1940年,美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁,尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3,振动的危害:降低设备寿命、事故、噪声振动的利用:振动机械:如打桩机、夯实等,3,二、振动测量的目的:1)测定振级2)寻找振源3)提取故障信息4)研究结构的动态特性:分析动态响应、 ? ? ?求动特性参数,固有频率、振型、刚度、阻尼比等5)隔振理论、方法、材料6)环境条件模拟和产品质量检查:地震、运输、跌落等,4,,5,振动测试的类型(三种),,,,,1) 振动基本参数的测量:对工作着的结构或部件进行实时测量和分析  测量的内容包括:振动的位移、速度、加速度、振动的强度、频谱以及更深入的分析。这些测量有助于人们了解被测件的振动状况和寻找振源,进行机械结构的故障诊断。2) 机械动力学特性参数的测量(测定结构或部件的动态特性) ? ? ? ?以某种激振力作用在被测对象上,使其产生受迫振动,同时测出输入和输出信号,通过分析确定被测件的频率响应,然后进行模态分析,求得各阶模态的动态参数。这类测试又称“频率响应试验”或“机械阻抗试验”。3) 机械动力强度和模拟环境振动试验  即按规定的振动条件,对设备进行振动例行试验,用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。,6,小轿车的乘坐舒适性试验框图,8.1 概述,7,振动研究所涉及的问题,机械振动测试系统的一般组成框图,8,振动的基本参数:,a.幅值:振动强度大小,b.频率:频谱分析寻找振源,c.相位:确定共振点、动平衡旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析,各谐波的相位关系是不可缺少的。,位移、速度、加速度,平均绝对值,波形因数,波峰因数,反映信号的中心趋势、静态部分,峰值xp /峰峰值:振动幅值的大小,峰值、有效值、平均绝对值、波形因数与波峰因数,9,8.2 振动的基本知识,,机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为:,相对测量法:测量参考点为系统中的某固定点或运动点绝对测量法:测量参考点为系统外的某一点,该点相对于地球是静止不动的。,电测法机械测量法光测法,按照测量时选择参考点的不同,可分为:,10,,,,,,,,,,1.按照振动产生的原因,自由振动,受迫振动,自激振动,振动频率和固有频率之间的关系为,其中,ωn为系统的固有频率,ζ为阻尼率,系统的振动频率为激振频率,振动频率接近于系统的固有频率。,8.2.1 ?振动的分类,系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动,系统在持续的外作用力激励下的振动,11,,2.按系统的输出分,简谐振动,周期振动,瞬态振动,随机振动,3.按系统自由度分,单自由度系统振动,多自由度系统振动,连续弹性体振动,4.按系统结构参数的特性分,线性振动,非线性振动,12,简谐振动是一种最简单的周期振动,振动量随时间成简谐函数变化,13,加速度,幅值关系:,,14,复杂周期振动非周期振动随机振动,,15,结论: ? ? ? (1)单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函数或统称为谐波函数表示的,故称为简谐振动, ? ?(2)自由振动的角频率即系统的自然频率仅由系统本身的参数所确定,而与外界激励、初始条件等均无关. ? ?(3)无阻尼自由振动的周期为 ? (4)自由振动的振幅X和初相角由初始条件所确定。 ? ?(5)单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。,16,,,,,,,,力作用在质量块上的单自由度系统,质量m在外力的作用下的运动方程为,,,拉氏变换,ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s),传递函数为,8.2.2 ?单自由度系统的受迫振动,激振力,z(t)系统的输出,c为粘性阻尼系数,k为弹簧刚度,17,令s=jω,则,力作用在质量块上的单自由度系统,,系统的固有频率,系统的阻尼率,18,,,,,,,,,幅频曲线,相频曲线,19,,,,,,,,在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率 ωr,,随着的阻尼的增加,共振峰向原点移动;,当无阻尼时,位移共振频率ωr即为固有频率ωn,当系统的阻尼ζ很小时,位移共振频率ωr接近系统的固有频率ωn,可用作为的估计值。,幅频曲线,20,不管系统的阻尼率为多少,在ω/ωr=1时位移始终落后于激振力90o,此现象称为相位共振。,相频曲线,利用相频特性来确定固有频率比较准确,幅频曲线,21,由基础运动所引起的受迫振动——振动测试的力学原理,,,,,单自由度系统的基础振动,力作用在质量块上的单自由度系统,22,,单自由度系统的基础振动,设基础的绝对位移为Z1,质量m的绝对位移为Z0,则系统的振动可用方程式表示为:,,拉氏变换并,令s=jω,,得系统的幅频特性和相频特性,23,幅频曲线,相频曲线,24,多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组,通过座标变换,可以把系统的振动方程变成一组相互独立的二阶常微分方程组,其中的每一个方程式可以独立求解,系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数。,多自由度系统在特定条件下,都按某一阶固有频率进行简谐振动,这种振动称为主振型,二自由度系统振型,8.2.3 ?多自由度系统振动,25,例:自由矩形板,激励一点,用传感器测量板上一点的响应(如图1)。但激励频率改变时,测量到的响应时域曲线如图2。可以看出,在激励频率改变的范围内,有四处振动幅值明显很大,它们对应板的前四阶模态。,,图1,图2,26,测量板的频响函数,其幅频特性曲线如图3。在此曲线上,清晰地看出对应这四阶模态有四个共振峰。,图3,对应这四阶模态的共振频率和振型如图4~7。,27,图4,,28,图5,,29,图6,,30,图7,,31,振动测试系统及拾振器,32,机械振动测量,1.测振动的响应,结构,传感器,测振仪,分析,显示,,,,,2.测结构动态参量,结构,传感器,放大器,信号分析仪(频响分析仪),激振器,功放,,,,,,传感器,放大器,,,,33,机械阻抗:,线性动力学系统在各种激励的情况下,在频域内激励与响应之比,K(s)=F(s)/Y(s),传递函数,频率响应函数,H(s)=Y(s)/F(s),H(ω)=Y(ω)/F(ω),机械系统框图,机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数,K(ω)=F(ω)/Y(ω),机械阻抗的倒数为频率响应,又称为机械导纳,8.2.4 ?机械阻抗的概念,34,机械导纳与阻抗:力与响应的关系,点导纳(同一点力与响应)传递导纳(某一点力与另一点响应)同方向 ? ? ?直接导纳不同方向 ? ?交叉导纳,35,设激振力为?(t)=F0ejωt ? ? 机械阻抗分别为:,位移阻抗,速度阻抗,加速度阻抗,位移导纳,速度导纳,加速度导纳,36,8.3 ?振动的激励,1)激励部分 ? ? ? ? ?实现对被测系统的激励(输入),使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。 ? ?2)拾振部分 ? ? ? ? 检测并放大被测系统的输入、输出信号,并将信号转换成一定的形式(通常为电信号)。它主要由传感器、可调放大器组成。 ? ?3)分析记录部分 ? ? ? ? ?将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。,37,稳态正弦激振,施加一个稳定的单一频率的正弦激振力,?(t)=F0sinωt。,随机激振,优点:设备通用,可靠性较高,缺点:需要较长的测定时间,一般进行扫频激振,通过扫频激振获得系统的大概特性,而在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态特性,用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振,Sxy (jf)=H(jf) ·Sx(jf),该方法具有快速实时的优点,但设备较复杂,价格昂贵.,——带宽激振法,8.3.1 ?激振的方式,38,瞬态激振,① 快速正弦扫描激振,②脉冲激振,③阶跃激振,采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励,?(t+T)= ?(t)=A0sin2π(at+b)t ?(0

<>(7~8)ωn时,相位差接近-180o,此时满足测试相位不失真的条件。,使惯性式拾振器的固有频率较低,同时使系统的阻尼率在0.5~0.7之间,这样可以保证工作频率的下限到ω=1.7ωn,幅值误差不超过5%,当使用ω>(7~8)ωn进行相位测试时,需要用移相器获得相位信息。,设计和使用惯性式拾振器时,46,二、选择测振传感器的原则,1. 采用位移传感器的情况 ——低频2. 用速度传感器的情况——中频 3. 采用加速度传感器的情况——高频,1.建筑结构振动测量,加速度传感器,4-4000Hz,47,48,压电振动加速度传感器的性能指标(以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例),技术指标:灵敏度:500mV/g 量程:10g 频率范围:4-4000Hz安装谐振点:15kHz 分辨力:0.00004g 重量:40g 安装螺纹:M5 mm 线性:≤1%,49,,,50,8.5 ?振动信号分析仪器,1、振动计,2、频率分析仪,3、频率特性与传递函数分析仪,4、数字信号处理系统,51,8.6 ?振动测试系统及数据处理实例,汽车平顺性测试系统框图,52,汽车的平顺性测试过程框图,40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线,53,矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图,驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数,54,不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级,55,机械结构各模态有如下参数,固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数,对多自由度系统还有特定参数:主振型,自由振动法,估计方法,稳态正弦激励法,共振法,总幅值法,分量法,矢量法,8.7 ?机械结构的固有频率和阻尼率估计,56,,,1、总幅值法,1) 固有频率ωn的估计,① 若ζ<0.1,ωr=ωn,②若ζ不小于0.1或要精确估计ωn值,需要先估计ζ的值,幅频曲线,57,,,2)阻尼率ζ的估计,,,,幅频曲线,58,若在ωn附近取ω2-ω1=?ω,ω2+ω1=2ωn,且?ω足够小,此时ω=ω1,或ω=ω2,则,单自由度系统的幅频特性曲线,59,,由于ω在ωn附近,即ω/ωn→1,,单自由度系统的幅频特性曲线,60,,,,若,,,解上式,得,,61,,,,,,,实部部分:,虚部部分:,,2、分量法,62,,,,,,63,实部频率曲线,虚部频率曲线,64,分析,当ω=ωn时,,,当,,时,实部具有最大值;,当,时,实部具有最小值;,,,65,,,此时,,,,则,实部频率曲线,66,,在,,时,,,Im(jω)具有极小值,,虚部频率曲线,当,时,成立,67,可按如下方法求模态的固有频率和阻尼率,在同相分量曲线中,满足实部分模为零的频率为固有频率ωn ;,在正交分量曲线中,峰值对应的频率为固有频率ωn,求系统的阻尼率,实部频率曲线,虚部频率曲线,68,3、矢量法,多自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图,在M点左右任取两点求ξ值,单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图,69,8.8 ?小结,振动的基本知识,振动的分类,单自由度系统的受迫振动,多自由度系统振动,机械阻抗的概念。笔式记录仪、检流计式笔录仪和函数记录仪的基本工作原理。振动的激励激振的方式:稳态正弦、随机和瞬态激振。激振设备:电动式、电磁式和电液式激振器。 测振传感器:惯性式和压电式加速度拾振器;二者的工作原理。选择测振传感器的原则。振动信号分析仪器:振动计,频率分析仪,频率特性分析仪或传递函数分析仪,数字信号分析仪。 机械结构的特征参数固有频率和阻尼率计算方法:估计总幅值法,分量法和矢量法。,70,8.5振动的频谱分析及仪器,时域图形,测量时域图形用的是示波器,测量频域图形用频谱仪.,,71,频谱仪,频域图形 ?(频谱图),频谱图或频域图:它的横坐标为频率f,纵坐标可以是加速度,也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内,对应于每一个频率分量的幅值。,,72,频谱仪外形(续),频域图 ? (频谱图),,(参考深圳安泰信电子有限公司资料),73,爆破振动记录仪,,打印机,74,依靠频谱分析法进行故障诊断,减速箱故障分析,a)时域波形 ? ?b)频域波形,75,振动时域/频域图形(参考东方振动和噪声技术研究所资料),,不同频率的正弦波频谱变化,,76,振动时域/频域图形(续)(参考东方振动和噪声技术研究所资料),,包含高次谐波的频谱,,77,,,,地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞,当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时,海浪陡然升到十几米高,并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后,将造成重大破坏。 ? ? ? ?海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据,并传送到信息浮标,由信息浮标发送到气象卫星,再从气象卫星传送到卫星地面站。,海啸预警系统,78,
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