振动位移、振动速度、振动加速度分析
提示：振动位移、振动速度、振动加速度基本知识
一、振动位移、振动速度、振动加速度有什么区别？及应用场合？
1.1 定义
- 振动位移：理解成路程，单位是mm，一般用于低转速机械的振动评定；
- 振动速度：理解成速度，单位是mm/s，一般用于中速转动机械的振动评定；
- 振动加速度：理解成运动加速度，单位mm/s²，一般用于高速转动机械的振动评定。
振动位移、速度和加速度的定义如下【1】。
振动物体 （或质点） 每秒钟振动的次数称为振动频率。对简谐振动而言，振动物理量加速度、速度和位移三者与振动频率存在如下关系式【1】：
1.2 应用场所
- 对于低速设备（转速小于1000RPM）来说，位移是最好的测量方法。
- 对那些加速度很小位移较大的设备，一般采用折衷的方法，即采用速度测量。
- 对于高速度或高频设备，有时尽管位移很小速度也适中，但其加速度却可能很高的设备，采用加速度测量是非常重要的手段。
1.3 性质
按频率范围分，可以分为
- 低频振动：f<10hz
- 中频振动 ：f=10~1000hz
- 高频振动：f>1000hz
振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。
也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。
1.4 振动分析
1.4.1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。
1.4.2 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。
1.4.3 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。
1.4.4 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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1.4.5 补充
1，振动位移具体地反映了震动幅度的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。也可以认为，在低频范围内振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。正是由于上述原因，在工厂的实际应用中，在通常情况下，大机组转子的振动用振动位移的峰值[μm]表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示，用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量，齿轮的振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感器来测量。原文链接
2，振动位移、速度和加速度之间虽然可以相互转换，但是由于求导过程中误差有可能会放大，一般不进行这样的转换。因为信号积分过程中误差是收敛的，所以大多采用由振动加速度积分求出速度和位移【1】。
3，运动部件的疲劳与速度成正比，振动所产生的能量则与速度的平方成正比。振动加速度表征振动部件所受冲击力的强度，冲击力的大小与加速度值正相关。振动位移量则是与应变、应力直接相关的参数。所以振动位移频谱常用来分析气息喘振、油膜涡动等振动故障，振动速度频谱常用来分析不平衡、不对中等故障，振动加速度频谱则常用来分析滚动轴承损伤引起的摩擦、齿轮啮合等振动故障【1】。
二、实验分析
1.论文中的实验
1） 某旋转机械设备振动分析例 1。某旋转机械设备振动频谱 1 如图 2 所示，位移频谱图中 10Hz、20 Hz 和 50 Hz 对应的位移分量值都为 10 μm。速度和加速度的频谱图中，这3个频率分量呈逐渐放大的趋势，50 Hz频率分量在振动速度和加速度频谱图中都得到了 “放大”，尤其是在加速度频谱图中放大更明显。10 Hz频率分量在加速度频谱图中则显得非常不明显。
2） 某旋转机械设备振动分析例 2。某旋转机械设备振动频谱2如图3所示，加速度频谱图中10Hz、20 Hz 和 50 Hz 对应的振动加速度都是 1 m/s2。速度与位移的频谱图中呈逐渐变小的趋势，低频分量在振动位移频谱中得到了 “放大”，而在高频分量中位移显得不明显。
2.论文中的结论
发现频谱中频率越高，振动加速度频谱中对高频分量的“放大”作用越明显。所以高频振动故障，宜采用加速度频谱分析比较有效。频率越低，振动位移频谱中低频分量“放大”效果越明显，对于低频振动故障，位移更能够突出反映振动变化，振动速度的频率分析范围相较而言则比较宽，在振动评价这方面振动速度用得比较多，常用振动速度的均方根值作为表征机器振动烈度的量标。
在工作中总结出了频谱分析中3种物理量的适用频率范围，按频带选择分析的振动物理参量如表1所示。
总结
全文可以在这篇论文中看到：[1]李鹏强.频谱分析中振动物理量的选择[J].中国修船,2023,36(02):37-40+46.DOI:10.13352/j.issn.1001-8328.2023.02.011