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细说振动位移、速度、加速度

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-06-15  浏览次数:110

在轴承的状态监测和故障诊断中,经常会使用振动信号进行分析。振动分析常用的量包括振动的位移、振动的速度和振动的加速度。

在以前的文章中我们介绍过振动位移、速度、加速度信号在进行振动分析中的选择及其原则。事实上,只要了解这三者的本质含义和差异,那么这些对应的选择问题就迎刃而解了。因此本文从振动的位移、速度、加速度的含义和关系方面进行一定的介绍。


振动位移、速度、加速度的定义以及关系



上图为一个简单振动的示意图,我们用这个图来说明一些概念。

首先,假设某质点初始位置为横轴上某个位置,当振动开始之后,质点在任意时刻距离在振动方向上和初始位置之间的距离差A就是位移。质点到达这个位置所有时间t,那么此时这个质点的速度就是A对t的微分。同样的逻辑,质点振动速度对于时间的微分就是振动的加速度。相反的,振动的加速度是振动速度对时间的积分,振动的速度是振动位移对时间的积分。



上面的图是这个振动的时域图,不难发现,这个振动中,质点距离原始点最大的距离A是正弦波的幅值。这个质点在通过0位置的时候,速度达到最大值。质点在前一个峰值的地方,达到加速的最大值。换言之就是振动的速度超前位移90°,振动的加速度超前速度90°。


振动位移为什么用峰峰值?

从前面的定义可以看出,振动的位移是振动中质点距离初始位置之间的距离。在整个时域中,振动的位置不断变化,每时每刻都有一个位移值。其中,质点距离初始位置最远的距离,对于机械设备来说,在整个振动所有位移值中,是影响最大的。同时对于一个振动而言,设备经历的最大变形量是两个峰值之间的距离,也就是这个振动位移量的峰峰值。在上图的振动波形中就是横轴两侧,振动幅值的绝对值之和。设备经历振动的最大变形量对设备自身的影响最大,因此在对振动进行位移值测量的时候,一般取峰峰值。

振动的速度为什么用有效值?

在振动速度的含义里我们介绍了,振动的位移对时间的微分就是振动的速度。从物理含义上来看,振动的速度涵盖了振动的位移和频率两个因素。有效值的概念其实是一个等效的概念,将一个交变的量等效为一个等效值。对于振动而言,我们知道振动速度是一个往复交变量,因此我们用一个有效值等效速度实际值,代表这段时间内振动的速度情况。

当然速度值也有峰峰值,可是对于一个时间段内,速度的峰峰值对设备的影响在峰峰值出现的时候发生,无法描述振动速度的总体,因此我们用有效值来等效。

振动的加速度为什么用峰值?

在一段振动中,质点速度的变化越剧烈,对材质本身的影响越大,考虑振动对设备的影响,取振动加速度的峰值来衡量振动加速度对设备的影响。

事实上,如果读者用质点质量乘以加速度就会得到一个力的单位。不难发现,振动的加速度实际上是振动的“冲击性”,对设备的最大冲击,就是这个冲击量的峰值。

为什么低速振动用位移信号?中速运动用速度信号?高速运动用加速度信号?

从振动位移、速度、加速度量的介绍中我们知道:

振动的位移量主要考虑了振动的幅值;

振动的速度考虑了振动幅值和频率;

振动的加速度考虑了振动的幅值、频率以及频率变化。

因此可以发现,振动的加速度对振动的频率敏感性最高,速度其次,再次是位移。


 
 
 

 
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