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通用计量内校员资格证仪器校准管理员培训考试开始报名啦-振动测量参数的选择原则与应用

摘要：本文聚焦振动测量参数的选择，阐述了常用参数振幅、振动速度、振动加速度的概念，分析了三者区别，明确了现场选用原则，即振动位移适用于低频振动与低转速机械评定，振动速度多用于中速转动机械，振动加速度适合高频振动与高速转动机械。同时介绍了参数选择方法、判定标准及应用领域，为振动测量领域提供理论支持与实践指导。

一、引言

振动测量在众多工程领域意义重大，涵盖机械设备监测、结构健康监测、航空航天等。准确测量与分析振动参数，可预防事故、保障安全、提升设备可靠性与稳定性。在机械设备监测中，能及时发现轴承故障、不平衡等问题，避免严重后果；结构健康监测可评估建筑物、桥梁等结构安全；航空航天领域能确保飞行器零部件在极端振动条件下正常工作。因此，合理选择振动测量参数至关重要。

二、常用振动测量参数概述

2.1 振幅

振幅是振动的重要表征参数，指在波动或振动中距离平衡位置或静止位置的最大位移，数值上等于最大位移大小，是标量，单位常用米或厘米。在机械振动里，它是物体振动时离开平衡位置最大位移的绝对值，描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。例如，在交流电路中，电流振幅或电压振幅是电流或电压变化的最大值，也叫峰值；在声振动中，振幅是声压与静止压强之差的最大值，声波振幅以分贝为单位，其大小决定音强。

2.2 振动速度（振速）

振动速度反映的是振动能量的大小，用公式表示为速度V = Xω，其中X为位移，ω为角频率，且ω = 2πf（f为频率）。它与频率f成正比，在振动测量中，能体现轴承及其他相关结构所承受的疲劳应力，而疲劳应力是导致旋转设备故障的重要因素之一。国际上许多振动诊断标准采用速度有效值作为判别参数，因为它是反映诊断强度的理想参数，表征的是振动的能量。

2.3 振动加速度

振动加速度表征的是转子激振力的大小程度，公式为A = Vω = Xω²，与频率f²成正比。它反映设备内部各种力的综合作用，在工程应用中，常用峰值来表征振动中冲击力的大小。例如，对于高速转动机械或高频振动（>1000Hz）的情况，加速度参数能更有效地反映设备的振动特性。

三、位移、速度、加速度三者的区别

3.1 概念层面

位移测量可直接反映轴承、固定螺栓和其他固定件上的应力状况。以汽轮机为例，通过分析滑动轴承的位移，能了解轴承内轴杆的位置和摩擦情况。速度反映轴承及其他相关结构所承受的疲劳应力，这是旋转设备故障的重要诱因。加速度则反映设备内部各种力的综合作用，能更全面地了解设备在振动过程中的受力情况。

3.2 数学表达与相位关系

在数学表达上，位移、速度、加速度均为正弦曲线，但存在相位差。位移与速度有90度的相位差，速度与加速度有180度的相位差。这种相位关系在振动信号的分析和处理中具有重要意义，可以帮助我们更准确地理解振动的特征和规律。

3.3 现场应用差异

对于低速设备（转速小于1000rpm），位移是最佳测量方法。因为低速设备振动频率低，位移能更直观地反映设备的振动状态。对于加速度很小但位移较大的设备，一般采用速度测量，这是一种折衷的方法，能兼顾位移和速度的信息。对于高速度或高频设备，即使位移很小、速度适中，但加速度可能很高，此时采用加速度测量非常重要。例如，在高频振动（>1000Hz）的情况下，加速度能更敏感地反映设备的振动变化。

四、振动测量参数的现场选用原则

4.1 振动位移的适用场景

振动位移与频率f无关，特别适合低频振动（<10Hz）选用，一般用于低转速机械的振动评定。在低频振动情况下，振动速度较小，但位移可能很大。如果振动产生的应力超过材料的许用应力，就可能发生破坏性的故障。例如，一些大型的低速旋转设备，如大型风机、低速泵等，采用振动位移测量可以及时发现设备的异常振动，避免因应力过大而导致的设备损坏。

4.2 振动速度的选用情况

振动速度通常推荐选用，一般用于中速转动机械（或中频振动，10 - 1000Hz）的振动评定。在大多数情况下，转动机械零件所承受的附加载荷是循环载荷，零件的主要失效形式是疲劳破坏。疲劳强度的寿命取决于受力变形和循环速度，即和振动位移与频率有关，而振动速度是这两个参数的函数，振动能量与振动速度的平方成正比。所以将振动速度作为衡量振动严重程度的主要指标，能更准确地评估设备的运行状态和疲劳寿命。

4.3 振动加速度的应用范围

振动加速度特别适合高频振动选用，一般用于高速转动机械（或高频振动，>1000Hz）的振动评定，多用于滚动轴承的检测。当振动频率大于1000Hz时，动载荷表现为冲击载荷，冲击动能转化为应变能，使材料发生脆性破坏。通过测量振动加速度，可以及时发现设备在高频振动下的异常情况，如滚动轴承的磨损、故障等。

4.4 工程诊断中的最佳参数选择

工程上对于大多数机器来说，最佳诊断参数是速度（速度的有效值）。因为速度有效值是反映诊断强度的理想参数，能准确表征振动的能量。国际上许多振动诊断标准都采用速度有效值作为判别参数，例如ISO2372和ISO3945等标准。虽然振幅相同的设备振动状态可能不同，但引入振速可以更全面地评估设备的振动情况。加速度的峰值则主要用于表征振动中冲击力的大小，在特定的故障诊断中具有重要作用。

五、振动测量参数的选择方法

5.1 测量位置的选择

测量位置应选择在振动的敏感点，传感器安装要方便，且对振动信号干扰小。例如，轴承的附近部位通常是振动的敏感点，在这里安装传感器可以更准确地获取振动信息。同时，要考虑不同故障引起的振动方向不同，一般需要测量互相垂直的三个方向的振动，即轴向（A向）、径向（H向、水平方向）和垂直方向（V向）。比如，对中不良会引起轴向振动，转子不平衡会引起径向振动，机座松动会引起垂直方向振动。

5.2 测量方向的确定

高频或随机振动通常测量径向，因为径向振动能更有效地反映高频振动下的设备状态。而低频振动要测量三个方向，以全面描述设备的振动状态。例如，对于一些低速旋转设备，三个方向的振动都可能对设备的运行产生影响，只有综合测量三个方向的振动，才能准确判断设备的故障情况。

六、振动测量参数的判定标准

6.1 国际通用标准

国际通用标准如ISO2372和ISO3945等，是针对某类机器长期使用、维修、测试的经验总结，由行业协会或国家制定成图表形式的标准。使用时，将测出的振动值与相同部位的判断标准的数值相比较来做出判断。例如，ISO2372标准对不同类型的机械设备规定了不同的振动速度有效值限值，通过与标准值对比，可以判断设备的振动状态是否正常。

6.2 相对比较判定法

在相同工作条件下，对多台相同规格的运行设备的同一部位进行振动测量，根据结果判断。如果某台设备的振动值超过其余设备的振动值一倍以上，则视为异常。这种方法适用于没有标准可参考的情况，通过设备之间的相对比较，可以及时发现异常设备。例如，在一个生产车间中，有多台相同型号的电机同时运行，通过测量它们的振动值并进行比较，可以找出可能存在故障的电机。

6.3 颜色标识法

一般采用统一的颜色来表示设备的运行振动状态，如深红色表示劣化状态。这种方法可以直观地反映设备的振动情况，便于工作人员快速识别设备的状态。例如，在设备上贴上不同颜色的标签，工作人员可以通过观察标签颜色，迅速了解设备的振动状态，及时采取相应的措施。

6.4 标准选择与修正

以上的各种判断标准要根据不同设备、不同使用条件、不同的环境选择合适的标准。同时，要以总结实践经验和参照维修数据进行分析，丰富和修正使用的标准。因为不同的设备具有不同的特点和运行环境，只有选择合适的标准并进行修正，才能更准确地判断设备的振动状态。例如，对于在恶劣环境下运行的设备，可能需要调整标准值，以适应实际情况。

七、振动测量参数的应用领域

7.1 机械设备监测

振动检测技术可实时监测机械设备的运行状态，预防事故发生，提高设备可靠性和稳定性。通过测量和分析设备的振动数据，能及时发现轴承故障、不平衡、松动等机械问题。例如，在大型工业生产中，对关键设备进行振动监测，可以提前发现设备故障隐患，安排维修计划，避免设备故障导致生产中断。

7.2 生产线监控

在生产线上，振动检测技术可用于监控和优化生产过程。通过监测生产设备的振动情况，可以预测和防止机器故障，提高生产效率和产品质量。例如，在汽车制造生产线上，对焊接设备、装配设备等进行振动监测，及时发现设备异常，保证生产过程的顺利进行，提高产品的质量稳定性。

7.3 结构健康监测

振动检测技术可用于监测和评估建筑物、桥梁等工程结构的振动性能。通过收集和分析振动数据，可以确定结构的自然频率、模态形态和振动幅值，以便进行结构设计和安全评估。例如，对大型桥梁进行长期振动监测，可以了解桥梁在不同荷载和环境条件下的振动特性，及时发现桥梁的安全隐患，采取措施保障桥梁的安全。

7.4 其他领域

振动检测技术在道路桥梁监测、车辆状态监测、飞行器监测、风力发电设备监测、产品可靠性评估、设备研发与生产、振动现象分析等领域也有广泛应用。在道路桥梁监测中，可实时监测桥梁的承载能力和安全性能；在车辆状态监测中，能及时发现车辆故障和安全隐患；在飞行器监测中，可保障飞行器的安全运行；在风力发电设备监测中，能提高设备的可靠性和稳定性；在产品可靠性评估中，可确定产品的耐用性和稳定性；在设备研发与生产中，能检测设备的性能；在振动现象分析中，可揭示各种振动现象的特征和规律。

八、结论

振动测量参数的选择对准确评估设备振动状态和保障工程安全至关重要。常用的振幅、振动速度和振动加速度参数各有特点，在概念、数学表达、现场应用等方面存在差异。现场选用参数时，需根据设备的转速、振动频率等因素，遵循振动位移适用于低频低转速设备、振动速度适用于中速设备、振动加速度适用于高频高速设备的原则。同时，要合理选择测量位置和方向，采用合适的判定标准。振动测量参数在多个领域有广泛应用，未来随着技术的不断发展，其在工程领域的应用将更加深入和广泛，为保障工程安全和提升设备性能发挥更大的作用。