В.В.Петрхин,С.В.Петрхин

ОСНОВЫ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ
ИСРЕДСТВАИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИ

ДопщеноУчебно-методичесимобъединениемвзов
РоссийсойФедерациипонефтеазовомобразованию
вачествечебноопособия

Инфра-Инженерия
Мосва
2010

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)
УДК622.323:002.5(075.8)
ББК33.13
П31

Рецензенты:ВалинА.А.,д.т.н.,профессорТюмГНГУ;Сер-
еевС.А.,.т.н.,диреторТюменсоочебнооцентраОАО
"Сибнефтепровод".

ПЕТРУХИНВ.В.,ПЕТРУХИНС.В.
П31
Основывибродианостииисредстваизмерениявиб-
рации:чебноепособие.-Мосва:Инфра-Инженерия,
2010.-176с.:ил.

ISBN978-5-9729-0026-8

Приведенытеоретичесиеосновымеханичесихолебаний,
терминыипонятиявибрационнойдианостии.Рассмотренысред-
стваиметодыизмерениявибрации,приведенаихлассифиация.
Описаносостояниесовременноорынаотечественныхприборов
дляизмерения,обработииисследованиявибрационныхпара-
метров.Рассмотреныосновныеприемыиметодывибродианос-
тии,приведенытипичныеслчаинеисправностеймашин,поста-
новадианозаметодамивибродианостии.
Восновпособияположеныновейшиестатьииматериалыве-
дщихотечественныхизарбежныхфирм-дианостовипроизво-
дителейсредствизмеренияиобработивибросиналов.
Предназначенодляинженерно-техничесихспециалистов,за-
нимающихсяразработойипроизводствомпромышленнообалан-
сировочноообордованияивиброизмерительнойаппаратры,а
тажедлястдентов,обчающихсяпоспециальностям,связан-
нымсэсплатациейидианостиоймашиниобордования.

©ПЕТРУХИНВ.В.,ПЕТРУХИНС.В.,авторы,2010
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2010

ISBN978-5-9729-0026-8

Справочниеолоанефтеазоразведи:нефтеазопромысловаяеолоияиидроеолоия

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ......................................................................... 5

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕОСНОВЫ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ .................................... 7
1.1.Простейшееармоничесоеолебание .................. 7
1.2.Уравненияолебаний .............................................. 9
1.3.Динамиамеханичесихсистем .............................. 11
1.4.Измеренияамплитдывибрации ............................. 11
1.5.Понятиефазы ........................................................... 13
1.6.Единицыизмерениявибрации ................................ 14
1.7.Сложныевидывибрации ......................................... 18
1.8.Собственныечастоты ............................................... 20
1.9.Линейныеинелинейныесистемы .......................... 21
1.10.Нелинейныесистемы ............................................. 2 2
1.11.Нелинейностироторныхмашин ............................ 23
1.12.Резонанс ................................................................. 24
1.13.Частотныйанализ .................................................... 26
1.14.Типысиналов ........................................................ 28
1.15.Примерывременныхреализаций
иихспетров ......................................................... 30
1.16.Модляция ............................................................... 34
1.17.Амплитднаямодляция ......................................... 35
1.18.Биения..................................................................... 36
1.19.Лоарифмичесаячастотнаяшала ....................... 38
1.20.Отавныйи1/3-отавныйанализ .......................... 39

2.СРЕДСТВАИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИИШУМА .................................... 45

3.СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕРЫНКА
 ПРИБОРОВВИБРОДИАГНОСТИКИ .................... 80
3.1.Современноесостояниетехничесих
средстванализавибрации ....................................... 83

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)

3.2.Вибропреобразователи ............................................ 84
3.3.Простейшиесредстваизмерения
ианализавибрации ................................................. 99
3.4.Стационарныесистемымониторина
идианостии………….. ........................................... 102
3.5.Портативныесистемымониторина
идианостии…………… ........................................... 106
3.6.Исследовательсиеприборыисистемы ................. 111

4.АНАЛИЗСОВРЕМЕННЫХМЕТОДОВ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ ........................................ 122
4.1.Общийобзорсовременных
методовдианостии ............................................... 122
4.2.Методоценитехничесоо
состояниямашин ..................................................... 131
4.3.Основыанализаданныхипоиса
неисправностей ........................................................ 144
4.4.Примерыиздианостиимашин
иобордования ........................................................ 153

ЛИТЕРАТУРА ..................................................... 167

ВВЕДЕНИЕ 
 
________________________________________________________________ 
 
 
 
 
Со времени начала промышленного производства и эксплуатации 
различных машин и оборудования с механическим приводом инженеры- 
конструкторы и эксплуатационники занимаются вопросами, связанными с 
уменьшением механических колебаний и виброизоляцией техники. 
Необходимость точного измерения и анализа механических колеба-
ний возникла с первых шагов разработки и конструирования, учитываю-
щих вопросы длительной, безаварийной эксплуатации машин и увеличе-
ния их ресурса. Исследование механических колебаний тихоходных ма-
шин 
основывалось 
на 
опыте 
многолетней 
работы 
инженеров-
конструкторов и операторов с применением простейших оптических при-
боров, измеряющих характеристики  механических колебаний. 
В последние 15-20 лет измерительная и анализирующая техника и 
аппаратура стремительно развивалась и претерпела значительные измене-
ния как в точности и универсальности, так и в конструктивном отношении. 
Применение пьезоэлектрических акселерометров (датчиков вибра-
ции), преобразующих механические колебания в электрические сигналы, 
раскрыло новые возможности точного измерения и анализа механических 
колебаний электронными измерительными приборами - сначала аналого-
выми, затем цифровыми. Появление и широкое распространение микро-
процессоров открыло новую эру измерительной техники: высокоточной, 
универсальной, миниатюрной и легкой, применяемой для измерения и 
анализа механических колебаний любых современных быстродействую-
щих машин и оборудования. 
Избежать механических колебаний на практике почти нельзя, так как 
они обусловлены динамическими явлениями, присутствием допусков, за-
зоров и поверхностных контактов отдельных деталей машин и механиз-
мов, а также сил, возникающих при вращении и возвратно-поступательном 
движении неуравновешенных элементов и деталей. Даже механические 
колебания с малой амплитудой часто вызывают резонансные колебания 
других элементов конструкций, усиливаются и становятся важным источ-
ником вибрации и шума. 
Механические колебания могут также быть полезными помощника-
ми человека. На применении искусственно генерируемых механических 
колебаний основываются вибрационные питательные устройства, уплот-
нители для бетона, вибросита для очистки жидкостей от крупных твердых 
частиц, ультразвуковые ванны для очистки деталей, перфораторы и другие 

инструменты. Вибростенды, вибраторы и другие возбудители механиче-
ских колебаний находят широкое применение при исследованиях и испы-
таниях изделий, узлов и деталей, подвергаемых воздействию точно опре-
деленных механических колебаний с целью измерения и анализа их физи-
ческой и эксплуатационной характеристики и оценки их стойкости в от-
ношении влияний механических колебаний и ударов. 
Основой  работ при конструировании и разработке машин и обору-
дования, относящихся к надежности, является оценка механических коле-
баний, возникающих в них, для чего необходимо точное определение па-
раметров этих механических колебаний путем их измерения и анализа. 
Тело считают вибрирующим, если оно совершает колебательное 
движение относительно нейтрального (опорного) положения равновесия. 
Число полных циклов движения тела за единицу времени называется час-
тотой колебаний. 
Движение может быть простым и содержать составляющую с одной 
частотой, например колебания камертона, или сложным, с несколькими 
составляющими, развивающимися одновременно на нескольких частотах. 
Примерами  могут служить колебательные процессы в любых машинах и 
механизмах. 
Встречающиеся на практике вибрации обычно являются сложными 
механическими колебаниями со многими составляющими на разных час-
тотах, поэтому только на основе измеренной величины вибропараметра 
или амплитудно-временной диаграммы нельзя определить ни число, ни 
частоты отдельных составляющих сложного колебательного процесса. От-
дельные составляющие сложных механических колебаний можно обнару-
жить и определить путем исследования зависимости их амплитуд от часто-
ты. Разложение механических колебаний в индивидуальные частотные со-
ставляющие называется частотным анализом. Частотный анализ является 
основным методом диагностики, главной задачей которой является иссле-
дование механических колебаний. График зависимости амплитуды или 
уровня определенной величины механических колебаний от частоты назы-
вается частотной спектрограммой. 
Частотный анализ механических колебаний машин и механизмов по-
зволяет обнаружить ряд выраженных частотных составляющих периоди-
ческого характера, непосредственно связанных с основными движениями 
отдельных узлов и деталей исследуемой машины или механизма, дает воз-
можность обнаружения отдельных источников механических колебаний и 
их особенностей, соответствующих определенным дефектам машины, а 
также  развития этих дефектов. 
 
 
 
 

Глава 1   
 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ 
__________________________________________________________ 
 
 
 
1.1. Простейшее гармоническое колебание 
 
 
Вибрация (колебания) - это движение точки или механической сис-
темы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание по 
времени, по крайней мере, одной координаты. Другими словами, вибрация 
- это механические колебания точки или механической системы [1]. 

Самый простой вид вибрации -  колебание или повторяющееся дви-
жение объекта около положения равновесия. Этот тип вибрации называет-
ся общей вибрацией, потому что тело перемещается как единое целое и все 
его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Поло-
жением равновесия называют такое положение, в котором тело находится 
в состоянии покоя, или положение, которое оно займет, если сумма дейст-
вующих на него сил равна нулю.  

Колебательное движение твердого тела может быть полностью опи-
сано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступатель-
ного - в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декарто-
вых координатах) и вращательного - относительно трех взаимно перпенди-
кулярных осей (Ох, Оу, Оz). Любое сложное перемещение тела можно раз-
ложить на эти шесть составляющих, т.е. такие тела имеют шесть степеней 
свободы. 

В качестве примера можно привести колебания корабля на волне, ко-
торый может перемещаться в направлении оси "корма-нос" (прямо по кур-
су), подниматься и опускаться вверх-вниз, двигаться в направлении оси 
"правый борт – левый борт", а также вращаться относительно вертикаль-
ной оси и испытывать бортовую и килевую качку. 

Вибрация тела всегда вызывается какими-то силами возбуждения. 
Эти силы могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри 
него самого. Вибрация конкретного объекта полностью определяется си-
лой возбуждения, ее направлением и частотой. Именно по этой причине 
вибрационный анализ позволяет выявить силы возбуждения при работе 
машины. Эти силы зависят от состояния машины, и знание их характери-
стик и законов взаимодействия позволяет диагностировать дефекты по-
следней. 
 

Самыми простыми из существующих в природе колебательных дви-
жений являются упругие прямолинейные колебания тела на пружине 
(рис.1.1). Если отвести тело на некоторое расстояние от положения равно-
весия и отпустить, то пружина вернет его в точку равновесия. Однако тело 
приобретет при этом определенную кинетическую энергию, проскочит 
точку равновесия и деформирует пружину в противоположном направле-
нии. После этого скорость тела начнет уменьшаться, пока оно не остано-
вится в другой крайней позиции, откуда сжатая или растянутая пружина 
опять начнет возвращать тело назад в положение равновесия. 
 

 
    Рис. 1.1.  Пример простейшего колебания 

 

 Такая механическая система обладает одной степенью свободы.  

 Процесс будет повторяться вновь и вновь, при этом происходит не-
прерывное перетекание энергии от тела (кинетическая энергия) к пружине 
(потенциальная энергия) и обратно. 

   На рис.1.1 представлен график зависимости перемещения тела от 
времени. Если бы в системе отсутствовало трение, то колебания продол-
жались бы непрерывно и бесконечно долго с постоянными амплитудой и 
частотой. В реальных механических системах такие идеальные гармониче-
ские движения не встречаются. Любая реальная система обладает трением, 
которое приводит к постепенному затуханию амплитуды и превращает 
энергию колебаний в тепло. Простейшее гармоническое перемещение опи-
сывается следующими параметрами:  Т - период колебаний,     F - частота 
колебаний, 

F = 1/Т . 
 

Период - это интервал времени, который необходим для завершения  
одного цикла колебания, то есть это время между двумя последовательны-
ми моментами пересечения нулевой точки в одном направлении. В зави-
симости от быстроты колебаний, период измеряют в секундах или милли-
секундах. 
Частота колебаний – величина, обратная периоду, определяет коли-
чество циклов колебания за период, она измеряется в герцах (1 Гц= 
1/секунду).  

Когда рассматриваются вращающиеся машины, то частота основного 
колебания соответствует частоте вращения, которая измеряется в об/мин 
(1/мин) и определяется как 

ω= F · 60, 
 
где F - частота в Гц,  т.к. в минуте 60 секунд. 

 

1.2.  Уравнения колебаний 

 

Если по вертикальной оси графика отложить положение (смещение) 
объекта, испытывающего простые гармонические колебания, а по горизон-
тальной шкале - время (см. рис.1.1), то результатом будет синусоида, опи-
сываемая уравнением 

 
    d=D·sin(ω·t), 

 
где  d - мгновенное смещение; 

        D - максимальное смещение; 
        ω= 2·π·F - угловая (циклическая) частота, π=3,14. 
 
Это обычная синусоида, известная из тригонометрии. Ее можно счи-
тать простейшей и основной временной реализацией вибрации. В матема-
тике функция синуса описывает зависимость отношения катета к гипоте-
нузе от величины противолежащего угла. Синусоидальная кривая при та-
ком подходе является просто графиком синуса в зависимости от величины 
угла. В теории вибраций синусоидальная волна также является функцией 
времени, однако один цикл колебания иногда рассматривают также как 
изменение фазы на 360 градусов. 

Скорость движения определяет быстроту изменения положения тела. 
Скорость (или быстрота) изменения некоторой величины относительно 

времени, как известно из математики, определяется производной по вре-
мени: 

 

ν=dd/dt= ω·Dcos(ω·t), 

 
где ν - мгновенная скорость. 

Из этой формулы видно, что скорость при гармоническом колебании 
также ведет себя по синусоидальному закону, однако, вследствие диффе-
ренцирования и превращения синуса в косинус  скорость сдвинута по фазе 
на 90° (то есть на четверть цикла) относительно смещения.  

 
Ускорение - это скорость изменения скорости: 

 
a=d ν /dt=- ω 2·Dsin(ω·t), 

 
где а - мгновенное ускорение. 

 

Ускорение сдвинуто по фазе еще на 90 градусов, на что указывает 
отрицательный синус (то есть на 180 градусов относительно смещения). 

Из приведенных уравнений видно, что скорость пропорциональна 
смещению, умноженному на частоту, а ускорение - смещению, умножен-
ному на квадрат частоты.  

Это означает, что большие смещения на высоких частотах должны 
сопровождаться очень большими скоростями и чрезвычайно большими ус-
корениями. Например, вибрирующий объект, который испытывает смеще-
ние 1 мм с частотой 100 Гц. Максимальная скорость такого колебания бу-
дет равна смещению, умноженному на частоту: 

 
   ν =1х100=100 мм/с . 
 
Ускорение равно смещению, умноженному на квадрат частоты: 
 
а = 1 х (100)2 = 10000 мм/с2 = 10 м/с2 . 

 
    
 Ускорение свободного падения g равно 9,81 м/с2. Поэтому в едини-
цах g полученное выше ускорение приблизительно равно  10/9,811g. 

 

При увеличении частоты произойдет следующее:  до 1000 Гц 
   

ν =1 x 1000 = 1000 мм/с =1 м/с, 

 
    а = 1 x (1000)2 = 1000000 мм/с2 = 1000 м/с2 = 100 g . 

 
           Таким образом,  высокие частоты не могут сопровождаться боль-
шими смещениями, поскольку возникающие в этом случае огромные уско-
рения вызовут разрушение системы. 

 
1.3.  Динамика механических систем 

 

Небольшое компактное тело  можно представить как простую мате-
риальную точку. Если приложить к ней внешнюю силу, она придет в дви-
жение, которое определяется законами Ньютона. В упрощенном виде  за-
коны Ньютона гласят, что покоящееся тело будет оставаться в покое, если 
на него не действует внешняя сила. Если же к материальной точке прило-
жена внешняя сила, то она придет в движение с ускорением, пропорцио-
нальным этой силе. 

Большинство механических систем являются более сложными, чем 
простая материальная точка, и они совсем необязательно будут переме-
щаться под воздействием силы как единое целое. Роторные машины не яв-
ляются абсолютно твердыми, и отдельные их узлы имеют различные жест-
кости. Как мы увидим далее, их реакция на внешнее воздействие зависит 
от природы самого воздействия и от динамических характеристик механи-
ческой конструкции, причем эту реакцию очень тяжело предсказать. Про-
блемы моделирования и предсказания реакции конструкций на известное 
внешнее воздействие решаются с помощью метода конечных элементов 
(МКЭ) и модального анализа. Здесь мы не будем подробно останавливать-
ся на них, так как они достаточно сложны, однако, для понимания сущно-
сти вибрационного анализа машин полезно рассмотреть, как взаимодейст-
вуют между собой силы и конструкции.  

 

1.4.   Измерения амплитуды вибрации 

 

     
Для описания и измерения механических вибраций используются 
следующие понятия (рис. 1.2). 
           Максимальная амплитуда (пик) - это максимальное отклонение от 
нулевой точки, или от положения равновесия. 

Размах (пик-пик) - это разница между положительным и отрица-
тельным пиками. Для синусоидального колебания размах в точности равен 
удвоенной пиковой амплитуде, так как временная реализация в этом слу-
чае симметрична, но  в общем случае это неверно. 

Среднеквадратическое значение амплитуды (СКЗ) равно квадратно-
му корню из среднего квадрата амплитуды колебания. Для синусоидальной 
волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значения. 

    
 СКЗ является важной характеристикой амплитуды вибрации. Для ее 
расчета необходимо возвести в квадрат мгновенные значения амплитуды 
колебаний и усреднить получившиеся величины по времени. 

 

 
Рис. 1.2.  Описание и измерение механических вибраций 

 
     
Для получения правильного значения  интервал усреднения должен 
быть не меньше одного периода колебания. После этого извлекается квад-
ратный корень и получается СКЗ (рис.1.3). 

 
Рис. 1.3.  Среднеквадратичное значение (закрашенные площади равны) 
 

СКЗ должно применяться во всех расчетах, относящихся к мощности 
и энергии колебания. Например, сеть переменного тока 220В. 220В - это 
среднеквадратичное значение напряжения, которое применяется для рас-
чета мощности (Вт), потребляемой включенными в сеть приборами.  
 
1.5.  Понятие фазы 
 
Фаза есть мера относительного сдвига во времени двух синусои-
дальных колебаний. Хотя по своей природе фаза является временной раз-
ностью, ее почти всегда измеряют в угловых единицах (градусах или ра-
дианах), которые представляют собой доли цикла колебания и, следова-
тельно, не зависят от точного значения его периода. 
Разность фаз двух колебаний часто называют сдвигом фазы. Сдвиг 
фазы в 360 градусов представляет собой временную задержку на один 

 
Рис. 1.4.  Понятие фазы: задержка ¼ периода равна сдвигу 
 по фазе на 90 градусов 
 
цикл, или на один период, что, по существу, означает полную синхрон-
ность колебаний. Разность фаз в 90 градусов соответствует сдвигу колеба-
ний на ¼ цикла друг относительно друга и т.д. Сдвиг фазы может быть по-
ложительным и отрицательным, то есть одна временная реализация может 
отставать от другой или  наоборот, опережать ее. 

     
Фазу можно также измерять по отношению к конкретному моменту 
времени. Примером этого является фаза дисбалансовой компоненты (тя-
желого места) вращающейся детали (ротора), взятая относительно поло-
жения какой-то его фиксированной точки. Для измерения этой величины 
необходимо сформировать прямоугольный импульс, соответствующий оп-
ределенной опорной точке на валу. Этот импульс может генерироваться 
тахометром или любым другим магнитным или оптическим датчиком, 
чувствительным к геометрическим или световым неоднородностям на ро-
торе, и называется иногда тахоимпульсом. Измеряя задержку (опережение)