振动的“峰峰值” 不简单

holyshitone

“ 振动‘峰峰值’的概念，大部分资料是从单一正弦波出发进行讲解的。现实的振动测量中，振动信号要复杂得多，包含丰富的频率。充分理解现实条件中的‘峰峰值’概念和使用，对诊断和故障定位至关重要。”

我们再拿振动的“峰峰值”作一篇文章。

以前的几篇文章中，都有提到“峰峰值”的概念，是从单一正弦波出发进行讲解的。现实的振动测量中，振动信号要复杂得多，包含丰富的频率。充分理解现实条件中的“峰峰值”概念和使用，对诊断和故障定位至关重要。

01、“峰峰值”定义

在《位移、速度、加速度，这是咋回事儿？》这篇里，我们对振动幅值的“峰峰值”有简单图形化的描述。

这个描述针对单一频率，直观简洁，容易理解。

拿日常生活中的交流电举例，交流电只有单一频率50Hz，所以幅值之间（“峰值”、“峰峰值”、“有效均方根值”等等）转换就非常容易。220伏实际上就是“有效均方根值”。“峰值”就是220*1.414≈310伏。“峰峰值”就是两倍的“峰值”，为620伏。

这里说明一点：我们目前只讨论一维情况下的“峰峰值”，有关于两维情况下的“峰峰值”定义，请参考国际标准ISO 7919的最新版本。再说明一点：《振动值的转换和应用》中做了分析，振动信号中，“峰峰值”主要是在表述位移时候使用，我们也着重谈位移“峰峰值”。

对“峰峰值”词条进行检索查询，大致可以获得以下两种定义：

定义一：“峰峰值”是指波形图中最大的正值和最大的负值之间的差。

定义二：“峰峰值”是指一个周期内信号最高值和最低值之间差的值，就是最大和最小之间的范围。

第一种定义，我们前面已经使用了。

后一种定义，相对定义一有了两个改进。一是加上了时间维度的限制；第二是改正负概念为大小概念，增加了适用性。

笔者倾向于第二种定义方法。在使用中，还需要具体问题具体分析。

02、获得“峰峰值

在日常工作中，我们获得振动读数，会使用各种仪器仪表。对于一些常用的仪器仪表如何获得“峰峰值”，我们来进行一些基于逻辑的正常推理。

首先，我们来看看振动测试最常用的便携式仪器。

便携式也有档次的差别，简单的振动笔到高级的多通道频谱分析仪。但有一点，这些仪器绝大多数使用加速度传感器采集振动数据。换而言之，采集的原始数据是加速度值。

仪器内部数据转换，通常采用的方法是：利用模拟或数字“积分电路”将加速度值转换为速度值；利用“有效均方根检测电路”获得速度的有效均方根值；假定速度信号符合单一正弦波关系，可以得到其余速度的“峰值”、“峰峰值”等；如果需要位移“峰峰值”，此时再引入“积分电路”成本高误差大，通常就设定一个单一的正弦波频率，直接用公式估算了。

由于国际标准ISO 10816评判设备状态的标准以速度“有效均方根值”为准，其余的各种值也就是个参考，仪器厂家的设计思路可以理解。有些仪器会标明其获得振动值方法，我对此非常尊重。用户可能缺乏这方面的知识，但作为厂家做事决不能含糊。

其次，我们来看看振动保护领域的涡流探头和振动变送器。

以GE本特利为代表的涡流探头系列产品，是“停机保护系统”中高端市场的主流。有关涡流探头的原理，大家可以查询相关的资料。涡流探头测得的是转轴的相对位移。位移信息被转换为电压值。振动变送器可以利用“峰峰值检测电路”来获得位移“峰峰值”。下图就是简化的“峰峰值检测电路”。

这里需要说明的是，利用类似“峰峰值检测电路”，电容的充放电特性决定了“峰峰值”的时间属性。换一种表达，电路的物理特性确定后，是多长时间内的“峰峰值”就决定了。这种方法并不符合定义二。但实际使用中，能够满足需求。

究其根源，在于涡流探头和振动变送器组成的系统，并不知道设备的转速，也就不能确定周期。由于需要考虑产品的适用性，所以，把定义二中的“一个周期”改成了“一段时间”。

最后，我们来看看XG 9900的工作原理。

XG 9900的前端接的是振动变送器的模拟输出，获得涡流探头的原始信号。利用边缘计算算法，获得设备的转速信息。有了转速信息，就能确定周期。利用周期窗口扫描原始信号，获得所有窗口内的最大“峰峰值”作为最终输出。

XG 9900获得的“峰峰值”与振动变送器的输出比较，会有差别。为何有差别？请参考下面的仿真案例。

03、“峰峰值”仿真一

上一节的讲解过于枯燥。我们用数据仿真来帮助大家理解。

《认识“受迫振动”》这篇文章中，提出过“如果有振动，寻找是什么外力强迫其振动，并且识别出这个周期性外力，就是振动分析和故障诊断的主要任务。”

而且，大部分的周期性外力，其周期是与设备的转速相关联的。有的就是设备转速，如“转子不平衡”、“轴弯”、“偏心轮”等；有的和设备转速成比例关系，如“滚动轴承缺陷”、“不对中”等。获得设备转速信息，是振动分析和故障诊断的基础和关键。

“峰峰值”应该用转速频率倒数的时间周期来框定。

为简化模型，我们假设设备转速为3000转每分钟，即50Hz，该频率的振动幅值为10微米；同时，有叠加两倍频50Hz的振动，幅值为5微米。

会发现，合成波形保持了波形的对称，峰峰值为25.98微米。

如果两个信号之间加入相位差45度，获得下面的波形。

这个合成波形，失去了波形的对称性，峰峰值为25.10微米。

如果两个信号相差90度呢？

这个合成波形，也不具备对称性，峰峰值为22.5微米。

可以进一步尝试135度相位差，和45度相位差的结果类似。180度的相位差，与初始无相位差的结果类似。当然，可以观察到，后面得到的图形都是前面图形的镜像。

到这一步，我们得出这样的结论：频率成分相同、幅值相同的信号合成后，能量是一定的，可以通过“有效均方根值”体现。但由于存在不同的相位关系，导致波形叠加时，“峰峰值”会有较大的变化。因此，在多频率成分的条件下，无论是“峰值”还是“峰峰值”，都不可能仅通过“有效均方根值”进行计算。

04、“峰峰值”仿真二

接下来我们来讨论时间段的问题。前一节的例子，第二频率是转速频率的整数倍。频率叠加后，每个转动周期的波形是重复一致的。如果第二频率不是转速频率的整数倍呢？

建立模型，我们假设设备转速为3000转每分钟，即50Hz，该频率的振动幅值为10微米；同时，有叠加11Hz的振动，幅值为5微米。

如果以50Hz即0.02秒的时间窗，观察这个时间段内“峰峰值”，大致仍然在20微米左右。但如果是长的时间，例如0.1秒，则“峰峰值”将会在30 微米左右。

上面这种情况，第二个频率小于转速频率。如果第二频率大于转速频率呢？

再建立模型，我们假设设备转速为3000转每分钟，即50Hz，该频率的振动幅值为10微米；同时，有叠加113Hz的振动，幅值为5微米。

如果以50Hz即0.02秒的时间窗，扫描整个时域波形，获得所有“峰峰值”的最大值，大致可以逼近30微米左右。如果是取长的时间段，例如0.1秒，“峰峰值”将也会在30 微米左右。

到这一步，我们得出这样的结论：取一段时间和取转速周期扫描（绝大多数情况是时间段长于转速周期），获得的“峰峰值”，前者大于等于后者。叠加频率小于转速频率时，这种现象更加明显。换而言之，振动变送器测量“峰峰值”的方式偏保守。

05、使用“峰峰值”

大型旋转机械的停机保护系统，多数就是用位移“峰峰值”来触发的。例如，英格索兰的空压机，通常在“峰峰值”20微米左右报警，在“峰峰值”25微米左右停机。

国际标准ISO 7919中，有定义“峰峰值”的有关门限值。这些值，为了适应面更广些，相对而言就比较宽松。实际检测时，需要酌情提级处理。

在振动分析和故障振动过程中，还可以巧妙比较实测“峰峰值”和计算“峰峰值”，获得更多对振动波形的认识。下图是XG 9900系统的振动参数表。图中“位移峰峰值”这个参数，就是实际测量的“峰峰值”；而“位移通频值”这个参数，就是根据波形能量计算获得的“峰峰值”。

如果“位移通频值”稳定，而“位移峰峰值”变化大，说明整个时域波形的频率成分和能量是相对稳定的，但频率之间的相位差在不停变化。从故障诊断角度，多为被动型故障，如摩擦、松动等。结合上面的案例，发现“转速次同步”处的能量也非常突出，可以怀疑油膜不稳定导致的碰摩现象。