振动分析可以检测到什么？

Michael Haralson

当你想到振动分析时，你会想到什么？它正在成为结构工程中一种非常普遍的识别方法，以确定潜在的结构完整性问题，如隐藏的物体或空隙。

它是一种有效的识别机械的问题的方法，如果不加以检查，可能会造成灾难性的破坏。那么，振动分析可以检测到什么？

振动分析是一个过程，通过仔细观察振动，可以得出关于潜在存在的隐藏物体、结构中的空隙或裂缝，或其他异常情况的数据。

振动分析可以发现异常情况、潜在裂缝和隐藏的物体。它也是识别机械中的结构问题和弱点的有效方法。

振动分析的工作方式是通过各种传感器，如加速度计或嵌入式麦克风，仔细观察振动。此外，工程师可以使用高精度、高速、直接测量的加速度计，称为三轴加速度计。

振动分析使用结构或机器中振动的频率、振幅和方向来寻找其中可能的缺陷。

如果一个机器部件在整个结构的共振频率下发生故障，整个机器就会发生危险的振动。利用振动信号，有可能找到隐藏在家具或其他物体后面的任何东西，否则就很难接近。

让我们仔细看一下。

目录

• 哪些传感器是用于收集振动数据？
• 振动设备和分析工具的类型
• 通过振动分析发现结构和机械问题原因的5种方法
• 我们可以使用哪种机械进行振动分析？
• 我们可以通过振动分析检测哪些常见故障？
• 为什么振动监测很重要？
• 振动分析的实际应用
• 哪些是振动分析的工业应用？
• 电机和结构振动监测
• 振动分析与轴结构
• 振动分析能预测故障吗？- 预测性维护
• 振动的三个主要特征是什么？
• 振动信号
• 什么是飞机的振动？
• 振动分析的图表控制

哪些传感器是用于收集振动数据的？

有几种不同的传感器可用于收集振动数据。下面是一些最常见的传感器的列表。

加速计-

这些类型的传感器在一个、两个或三个方向测量和输出加速度。最常用的类型是三轴加速度计，它同时对X、Y和Z轴进行加速。为了检测沿直线的振动，可以使用单轴加速度计。

陀螺仪-

这些传感器检测角加速度或旋转运动。陀螺仪可以检测任何方向的振动，并能承受高冲击和温度。由于这个原因，它们经常被用于结构振动分析。

换能器-

这些传感器将能量从一种形式转换为另一种形式。传感器的一个常见用途是噪声和振动分析，其中声音振动信号被转换为另一种格式，如电压或数字信号。

指向性麦克风-

这些传感器可以高精度地检测声音的方向，因此可以在确定机器部件中声音的位置时使用。它们产生的信号可以进行分析，通过比较振动随时间的变化和趋势来确定机器结构是否有缺陷。

一个典型的振动分析系统框图将包括三个主要部分：数据采集、计算和解释。

光谱仪-

光谱仪用于分析信号的强度，如声学或振动信号随时间的变化。它们可以显示特定频率的信号随时间变化的强度，这对确定某些问题的来源很有用。

图像：当用横断面图分析频谱数据时，数据会沿着选定的垂直和水平线显示为热图。

数据采集-

有许多不同的方法来获取振动分析的数据。最常见的方式是通过模数转换器，将来自传感器的信号转换为数字格式，可以方便地保存和分析以后的趋势和其他数据。

另一种获取数据的方式是通过实时采集（RTA），它使用复杂的计算方法将模拟信号实时转换成数字信号。

振动设备和分析工具的类型

目前监测现场振动问题的解决方案使用超声波、加速度计和基于微机电系统（MEMS）的传感器的组合。传感器的高分辨率使你可以看到机器及其部件的动态行为。

这个过程包括：

在过去的几年里，各种来源对振动分析进行了研究，包括敏感的计算机测振仪，能够用很少的设备检测到非常小的位移，显示精度测量到百万分之一英寸或更好。计算机三维分析工具最近也进入了这个市场。

振动分析师的需求已经改变，以反映振动分析日益增长的重要性。准确测量整个机器或部件的振动的能力正变得越来越重要。用户必须快速识别机器中所有的冲击和共振源，以定位问题并在损害发生之前进行补救。

最近，数字振动分析（DVA）等方法已经被开发出来，以帮助工程师和设计师更好地了解这些来源。这些方法使用计算机软件来进行许多非常快速的测量，每次都能在几秒钟内收到结果。

通过振动分析发现结构和机械问题原因的5种方法

第一步是利用振动分析找到问题所在，这里有一些波形和频率分析的提示。

振动分析可以从几个方面帮助发现结构问题的原因：

1）确定问题是出在材料性能还是装配上，然后确定是否需要对材料进行改变，或者是否需要改变其装配或配置。

2）找到结构上哪里有高振动能量，增加磨损，或产生疲劳破坏。这样的区域也可能造成振动问题。

3）对于复杂的结构，它可以经常定位到在多个部件组中存在着相互影响的共振频率。

4）振动分析也可以是有用的，因为它可以检测出由部件故障导致的潜在结构问题。这样，机械振动分析可以用来发现可能对安全、可靠性和功能不利的机械问题。

5) 振动分析还可以揭示复杂机械组件的问题,例如组件之间的连接数量不正确或组件本身的故障。

振动暴露试验（VET）是一个常见的例子，上面没有列出。VET经常在桥梁上进行，只要高大结构可能因风荷载而经历高应力，就应该强制进行VET（例如，桥梁设计问题）。

我们可以使用哪种机械进行振动分析？

各种各样的机械都可以用于振动分析，包括：

• 自动机器和设备，如气动工具、液压升降机和工业压力机的自动控制。
• 石油工业中使用的设备，如石油钻机。
• 金属铸件和锻件，如大型外燃机部件或内燃机气缸盖。
• 石油钻机和管道。
• 涂料机，在维修工作结束后为表面涂上油漆或蜡，使表面稳定。
• 建筑业中的机械，在维修后用于干墙制造或地板安装，或使新产品得以生产。

我们可以通过振动分析检测哪些常见故障？

以下所有的故障都可以通过振动分析来发现：

• 有缺陷的轴承或齿轮
• 不平衡的旋转机器或轴承所连接的质量
• 松动的螺栓、螺母和其他部件
• 金属铸件和锻件的裂缝和断裂，或金属接头或螺栓组件的错误焊缝。

如果一个机器部件在整个结构的谐振频率上出现故障，整个机器就会发生危险的振动。根据使用机器的行业，它可能有不同的影响和使用情况。

https://youtu.be/swY6WobWUks

为什么振动监测很重要？

如今，声音振动技术的使用被解释为许多不同的方式。然而，每个人都同意，它可以成为沟通和分析的宝贵工具。更重要的是，它可以帮助节省资金，帮助防止机械或结构的损坏。

振动监测仪是非常重要的，因为它们允许我们听到所有可能的噪声源，其中可能有隐藏的问题。它们使我们能够发现不寻常的声音，如空洞的音符或钟表的滴答声，表明机器或结构本身存在严重的结构完整性问题。

振动监测器还可以监测其他机器和环境，如果不定期检查，可能会对生命和财产构成风险。有几种不同类型的监测器，可用于不同的目的，包括以下几种：

• 占空比监测器通常用于监测高能耗的设备，如传送带。
• 运动监视器允许用户评估急剧的运动，这可能导致损坏。
• 振动监测器也可以检测和记录机器或结构内的噪音。

振动分析的实际应用

振动分析被用于许多不同的项目和应用中，以确定潜在的结构完整性问题。一些最常见的项目类型是。

研究涉及新的或未经测试的振动的做法，如石油钻探中的再生塑料，防止石油泄漏：

寻找机械的结构问题，如挖掘机处理重物的能力。

找出建筑物的结构问题，如濒临倒塌的建筑物。

检查航运集装箱和桥梁的潜在弱点，如果不加以检查，可能会造成灾难性的破坏。

振动分析应用的一些例子：

• 检测和分析建筑机械（如卡车、起重机和推土机）中使用的轴承内的缺陷。
• 检测旋转设备的问题，如发电机由于安装在其中的不平衡的旋转体。
• 识别必须对使用振动的系统进行维护的区域，如小车系统或服务电梯。

用于振动分析的小工具包括：

• 麦克风- 这些是小型设备，可以采集振动并将其转换成声音。它们可以是手持式或安装在吊杆的末端。这些东西的使用不限于振动分析，它们可以用于监测。
• 便携式测振仪- 这种设备类似于地震仪，测量环境中的地震波，以确定干扰源和任何可能发生的破坏，如果不加以检查。
• 声学自动驾驶仪-该设备允许人们使用其机载麦克风记录声音，以听取他们脚下或机器内的情况。
• 自动声学监测- 一个计算机化的系统，使用振动分析方法来监测和探测周围环境的变化。它可能会导致结构完整性问题等问题。同时，它存储数据，以便日后检索和审查。
• 噪声测量仪- 与便携式测振仪一样，该设备在产生噪声的地方测量声级。它可以在室内和室外使用。
• 地震仪- 地震仪用于记录世界范围内的地震活动，以确定其来源以及如果不检查的话可能造成的损害。

图像：了解振动分析可以将运行到故障的系统改变为基于条件的主动维护计划。

哪些是振动分析的工业应用？

在石油和天然气开采中，振动分析准确地确定了井场的地面状况。首先，这将确定正在钻探的井是否处于具有大量弹性能量的岩层中。这种能量通常意味着钻井现场存在着石油和天然气。

为了准确地确定这些条件，工程师使用振动分析，结合地震成像和分形分析。

一旦测量到振动，它们可以被转换成深度图。如前所述，这将有助于确定石油或天然气矿藏位于地下多深。通常情况下，油井会有5层或7层的岩石供开采。

电机和结构振动监测

任何带有电机、电机载体和传动系统的设备都容易受到电机振动的影响。这些振动是微小的，但它们的发生方式与地震相同；井下有小型的爆发性地震，随着时间的推移而发生。它们的强度足以毁坏设备，导致安全问题，并给周围工作的人员增加额外压力。

 监测振动的第一步是用测振仪来监测它们。它也被称为振动台；它将记录其任何电机开启时发生的任何运动。

下一步将是创建所有这些数据的图表，看看当电机关闭或打开时是否有任何明显的变化（查看这个网站以了解更多信息）。

振动分析和轴结构

对中国北方的一个大型输送筒仓进行了连续振动检查。通过测量正常工作状态下的轴振动，对轴进行了检查。傅里叶功率谱分析表明，干扰的频率存在于每转2~3次的附近。

这种干扰现象将增加轴承的应力，导致轴承的短寿命或其他机器部件（如齿轮、轴、联轴器和轴承）的过度振动和磨损。

图像：来自振动波形数据、功率谱和频谱图的实时图表。

振动分析能预测故障吗？- 预测性维护

根据不同的行业，振动也可以被用作未来故障的预测工具。它的范围可以从石油和天然气开采等行业到其他行业，如采矿、水处理、发电和运输。

众所周知，振动工程师以许多不同的方式使用振动分析，包括以下内容：

• 预测或防止机器和设备在高压力条件下的故障。
• 为了了解机器和设备的动态行为。
• 检测即将发生的故障的早期预警系统

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LightningChart®振动分析图表

振动的三个主要特征是什么？

振动有三个主要特征。这些包括频率、振幅和方向。频率是指每秒钟的振动次数。频率以赫兹（Hz）衡量。

振幅或强度是指振动从正常状态下波动的程度，从弱到强。振幅是以位移单位衡量的，如英寸或米。方向指的是振动是否以线性、圆形或其他非线性模式（如正弦波）移动。

有趣的是，如果绘制在图表上，这些测量值可以直观地显示我们在这篇文章中谈到的工程师的故障。

振动信号

信号是一种足以被仪器记录的振动，在振动的情况下，这通常是一个测振仪。当测振仪捕捉到一个振动信号时，它将被发送到示波器进行进一步分析。它可以通过使用模拟或数字方法来完成。

模拟方法涉及测量移动探头的尖端在响应电机振动时的移动程度。然后在示波器的屏幕上显示不同的运动速率。

数字方法包括创建一个数学公式，模拟探针的移动方式（即对电机振动的反应）。然后可以计算出针尖移动的速度，这个速度会显示在示波器的屏幕上。

从测振仪收集的数据中创建图表后进行的第二步将涉及使用趋势分析来确定任何随时间变化的振动水平。在做这项工作时，工程师将写下任何重大或异常的变化，因为它们发生。

它可以包括异常事件发生的时间，如表面噪声水平变化和电机开始异常振动的时候。工程师还将记录振动水平下降的任何时间，表明效率下降或机器可能存在缺陷。

什么是飞机的振动？

飞机的振动已经成为日常生活中的一个重要部分。它被用于检查机场、航班、飞机和直升机的控制。测试的基本用途是在飞行前发现任何不正常情况，飞行后进行更深入的分析。用于测试飞机振动的设备通常是测振仪，但也有其他可以检测振动的仪器。

测试是在各种飞机上进行的，它们包括以下内容：

• 静态测试-该测试检查是否有松动的螺栓或铆钉，这些螺栓或铆钉在飞行过程中可能起到松动的作用。它还测试安装在机身上的发动机是否有松动的螺母或螺栓，这些螺母或螺栓在燃料或发动机动力的加速下会引起振动。
• 冷试验-该试验要求飞机的发动机在低功率下运行，以检查是否有漏气现象，同时也是为了减少对结构的压力。
• 热测试-是在飞机飞行时进行的，以检查飞机不同部位暴露在高空速和压力变化下的振动和过度压力。
• 滚动试验-这可以检查飞机不同部分的任何不规则或过度的运动，这些运动可能随着时间的推移而导致结构的损坏。
• 发动机测试-通常在起飞前或降落后进行，它检查任何由灰尘、沙子、砾石或其他可能在飞行时进入发动机的颗粒造成的损害。

振动分析的制图控制

振动分析不仅仅是为了检测结构中的隐藏物体、空隙或裂缝。它也是检测机械结构问题的有效方法，如果不加检查，可能会造成灾难性的损害，如轴承和齿轮，这是预测性维修的基础。

我们在这篇文章中提到的行业--结构和机械行业、包括航空航天和赛车运动在内的汽车行业以及建筑行业都从不同案例中实施的振动分析中受益。

使用软件来绘制机器或结构引起的振动，即使其可视化，增加了对不规则振动的快速检测。

在今天这已经成为可能。如果你需要将巨大的数据集的振动数据实时可视化，请查看我们用于振动分析的图表控件并下载免费试用。

LightningChart®振动分析图表