振动究竟是什么？

ike944

　　(经作者同意，由本人首发于此，共勉。)
　　振动，想说爱你不容易
　　李怀刚
　　状态监测，故障诊断，都与一个物理名词密不可分，这个我们熟悉又陌生的名词叫振动。
　　现在企业大力推广设备点检，大力推广状态监测，推广故障诊断，因为预知维修、设备资产管理、提高设备管理水平等等一系列极具诱惑的概念让我们不得不与振动这个物理量打交道，我们把振动形容为机器的脉搏，我们把从事设备状态监测与故障诊断的人称之为设备医生，我们期望能够通过振动这一“脉搏”来诊断出机器是否健康、是否存在或潜在某种“疾病”，毕竟振动给了我们太多的诱惑。
　　随着时间的变迁，参与这个行当的人越来越多，但是心存疑惑的人同样有增无减。“振动，到底是怎么一回事呢?”同样一个问题如同甲流一样在许多企业从事设备状态监测与故障诊断的人员中流传，他们原来期望的那种“仪到病除”的目标离他们越来越远，有些人甚至失去了信心。
　　在这里本人想做一个善意的提醒，既然你选择了设备医生这个行当，系统的学习还是需要的，而且是必须的。过去我们耻笑那些医术不精又不爱学习的人为“学医三年，以为天下没有不治之症”，但人家毕竟是系统地学习了三年，我们买了一台仪器就想当设备医生，这种想法是很天真的。正如我们不可能依靠买一台B超之类的仪器就开医院一样，把解决问题的希望全部寄托在某件仪器上也是不现实的。
　　如果你随便问一个人，“你知道状态监测吗”，他肯定会说“知道”。但是你若进一步与之沟通，你就会发现他知道与振动有关的东西并不多。
　　我们经常说“知道”某事，但要细说时却又觉得无从开口。比如我们问振动究竟是什么，我不知道能有多少朋友可以从容不迫地、细致地解释清楚。可见知的程度决定了道的深度，粗浅的了解不等于知，知之不深便不好意思道，这便是“知不到”而不敢道，不是“知不道”。
　　现在提及振动这个看似简单的问题，是因为在2009年的现场技术支持中，发现越是“简单”的问题往往越是容易被忽视，反之，复杂一些的东西倒是大多会引起人们的关注。
　　我想先问第一个问题：为什么用位移、速度和加速度描述振动这一个物理量?
　　这个问题有N多个人问过我，他们的困惑是用三个单位衡量一个物理量太麻烦，而且容易形成混乱。为什么不用一种单位来衡量呢?
　　我想回答这个问题，绝不是一句话就能说清楚的。
　　我们应该首先从振动的本质来说。振动是怎么产生的?肯定是因为有力的影响。力是引起振动的根源。从力的角度来说，有有害的力，也有有益的力，非常遗憾的是在这两个力的较量中，从来都是有害的力占上风，因此产生振动就是一个难免的物理现象了。有害的力如不平衡引起的离心力、预负荷等，有益的力则是系统自身的刚度形成的弹性力、阻尼形成的阻尼力等。有了这个简单的了解，我们就可以进一步来说明振动的本质了。
　　我们可以将机器看作一个系统，这个系统由质量、刚度和阻尼三个主要影响因素构成，换句话说这三个因素会影响振动的大小。
　　我们用三句话来说明这三个影响因素：
　　第一句话：质量与加速度有关，即F=ma，质量与加速度产生的是惯性力，这一点我们在中学物理中就学过了，是牛顿定律之一;
　　第二句话：刚度与位移有关，二者产生的力为弹性力;
　　第三句话：阻尼与速度有关，二者形成的为阻尼力。
　　不要小看了这三句话，这可是我们分析振动问题的“宝典”。这三个影响因素形成了转子动力学理论，被人们形容为“转子动力学中的欧姆定律”。
　　我们可以这样想象一下，如果质量很大的物体，要想使它具有较大的加速度，力量小了是不行的，因此在质量很大的机器上测量振动加速度可能就不合适了;如果物体的弹性很好，给它施加一个不大的力就有可能产生较大的位移，反之就会产生较小的位移，就想我们给一个金属片施加一个力，它就会产生较大的位移，但如果给一片木头施加同样的力，那么它产生的位移就小到你无法察觉。可见位移大小取决于物体的弹性;物体在同样大小力的作用下，阻尼越大，其运动速度越低，反之，运动速度越高。
　　现在我们把上面说的东西总结一下：因为力与不同的影响因素有关，不同的计量单位反映了不同的影响因素，所以：用位移来衡量系统弹性力的影响、用速度衡量阻尼力的影响、用加速度衡量惯性力(质量)的影响时合适的。换个角度来说，如果我们测量的振动位移较大，说明被测体具有较大的弹性，而弹性与被测物体的材质有关，这样我们就通过测量振动找到振动过大的原因了。
　　有一篇文章中说到，人们为了用振动速度还是振动加速度而争论，都认为自己说的有道理。坚持用速度的人说，既然振动时因力而生，那么恒定的力产生恒定的速度，这句话没有错吧?坚持用加速度的人则反驳说，F=ma，这个在牛顿定律中就说明了，还用得着讨论吗?乍一听，似乎觉得都有道理，但是前者说的力和后者说的力并不是一种力，前者是阻尼力，后者是惯性力，此力非彼力呀!
　　因为影响振动的力类型不同，所以很难用一个计量单位来衡量振动，因为每一种计量单位仅仅反映了一项影响因素。
　　这就是我们对第一个问题的答案。
　　现在问第二个问题：用峰值还是用有效值?
　　曾经有很多人问我，不是说振动速度用有效值吗?怎么有的资料又建议用峰值呢?
　　这个同样是一个不能用一句话来回答的问题。
　　有效值与平均能量有关，所以振动烈度(振动速度的有效值)就代表了振动的平均能量。一般来说，振动能量大小与机器状态时密切相关的，我们不希望看到机器具有较大的振动能量，除非是破碎机之类的用振动工作的机器。另外有效值相对稳定，不会大起大落，因此用于机器保护是一个理想的计量单位;但我们也要看到有效值有它不足的地方，比如说滚动轴承或齿轮在故障初期其振动有效值并不高，倒是峰值变化很明显，因此从预警角度来说，峰值可能比有效值更有效。
　　峰值和有效值变化所处的状态阶段不同，滚动轴承或齿轮故障初期峰值首先变大，等到有效值开始增大，说明局部故障已经扩展到较大的范围内，形成了磨损，因此平均振动能量增大，这个阶段就是故障发展期了;如果到故障后期，峰值就不在增大了，有效值继续增大，磨损进一步加剧，振动平均能量很大，这个阶段是我们更换部件的时机之一。我们在研究“整机状态评价体系”时就把峰值和有效值都用上了，而且是根据二者不同的变化阶段给出机器状态评价结论的，感觉还很好用。
　　本人觉得同时用两种计量单位来衡量振动，不就把所有的需求都满足了吗?再说，峰值和有效值还是峭度指标和峰值因数的计算基础，丢了谁也不合适。
　　振动真是一个不让人省心的物理量，性质复杂，计量复杂，分析起来也复杂。但是如果我们静下心来，倒也不是让人掉进云里雾里，还是有规律可循的。一般来说，太简单的东西隐含的信息也很少，越是复杂的东西一定隐含了丰富的信息。
　　最后一个问题是，振动朝着哪个方向振?
　　我们来设想这样一个问题，如果你测量机座某一点振动较大，比如说垂直方向较大，你认为是地脚螺栓松动呢还是基础内部有空洞呢?显然这是两种性质完全不同的故障，处置的方法也完全不同。要回答这个问题，振动的绝对方向就要确定，否则我们即便是把故障说对了，那我也认为是“蒙对的”。
　　确定振动的绝对方向，即知道振动朝着哪个方向振，对于诊断故障是至关重要的。
　　你有没有看过这样的波形：如果以零点为界画一条线，振动波形表现为一边大一边小，或者说波形严重不对称，不但幅值不同，有时形态也是不一样的，所以我没有说以零点为中心。这样的振动波形您肯定见过不少，但有没有仔细琢磨一下这究竟是怎么一回事呢?
　　如果你把传感器安装好了，那么正幅值表示朝向传感器的，负幅值表示背离传感器。我们回到机座振动的例子上来，如果正峰值较大，说明振动主要是朝着传感器方向的，或者是是朝上的，说明这个方向上的约束较小，造成这种现象的问题只有一个，就是地脚螺栓松动了;如果相反，则说明机座内部有空洞之类的缺陷，使得这个方向的约束较小。我在一家企业现场测试时，就遇到了这种问题，结果我们顺利地确定了基础刚性太差的结论，就是依靠振动绝对方向来分析诊断的。
　　我们在整机状态评价中基础状态评价的逻辑中就应用了这一逻辑，通过数值化指标，综合得出基础的状态结论。
　　而且利用这一特性，诊断滚动轴承故障，特别是严重的故障，具有非常高的诊断准确度。
　　张仲景在《伤寒论》中说过，脉乃气血先见。我们也可以说振动乃机器状态之先见，所以比较复杂，没有一个能够表现完整信息的参量来衡量它。为了能够利用振动信息给机器诊断故障，我们不应怕麻烦，从解决问题的角度看问题，世上就不存在麻烦的事情，再复杂的事情也是简单事情的组合。如果我们开始因怕麻烦而省了一点点功夫，那么就会在后续的环节中出现更多的麻烦。
　　关于振动，我们仍然还有很多问题需要了解，我们还会继续有许多疑问：
　　你测量的振动信号正确吗?
　　能够满足诊断故障的需要吗?
　　在什么地方测量会得到最好信噪比的信号?
　　采样频率高了好还是低了好?
　　采样长度长了好还是短了好?
　　……
　　正因为我们有回答不完的问题，越说明我们应当继续深入了解振动这一物理现象。虽然我们说“振动，想说爱你不容易”，但一旦爱上了它，我们就要有信心，有恒心，最终我们会真正爱上它，因为这是做一名设备医生必须要做到的。
　　2010年1月5日
　　[ 本帖最后由 ike944 于 2010-1-5 09:55 编辑 ]

黑云

受益了，谢谢！

huang9057

一篇写得很不错的文章！

yangzhi6853

学习了!谢谢!

qiankaifeng

真是一遍很不错的文章，心得。谢谢！
希望楼主能继续写下去：
         你测量的振动信号正确吗？
         能够满足诊断故障的需要吗？
         在什么地方测量会得到最好信噪比的信号？
         采样频率高了好还是低了好？
         采样长度长了好还是短了好？

ChaChing

个人以为作者的确牛! 许多比喻可真是恰如其分! 五体投地了

tjxz888

写的不错。发挥一下，振动以一句话来说，或者可以说振动的本质：振动就是力与刚性相互作用的结果。再说到振动位移、速度、加速度其实就是系统受力的表现形式，即弹性力（与刚性有关KX）、阻尼力（与系统运动速度有关CV，C阻尼系数）、惯性力（与质量及加速度有关MA）。与大家共享！

SHF1972

好文章，一篇生动、一篇精辟！！

总是一个人玩

生动的比喻，形象的说明了一些抽象的问题，把一些容易蒙混过去的概念说正了

Elephent

作者能不能说明并分析一下，在振动故障诊断领域中，对振动力的参数之间的微分、积分关系？以便提高我们的认识。

dumingyang

针对不同的设备，所用的传感器是不一样的，也就是振动信号的提取关键，同一设备测点选择，希望下次楼主，针对测点讲一下

batlive

不错，领教了

bluezaggio

作者的思维方式很独到，值得我们好好学习，也谢谢楼主的分享！

hnbobo

很好，受益匪浅，继续革命

学海无涯123

谢谢，谢谢写的真好，很有指导性。