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相位在風機振動監測中的應用

發布于：2022年12月08日作者：西馬力閱讀：852

公眾號首圖.jpg

旋轉機械的振動信號中含有設備運行工況的豐富信息，因此，振動監測在石油、化工、電力等各個行業的設備監測中已得到廣泛應用。但是，在對旋轉機械進行監測時，監測人員只注重振動的幅值和譜圖，以振動的大小為依據，來判斷故障所在或是故障的嚴重程度，盡管在多數情況下有效，但也有很多故障利用這種辦法不能確定其原因，出現不了了之的現象。

振動有3個要素，即振動的幅值、頻率和相位，忽視任何一個要素都是不各項指標的。某些機械故障與相位有著密切的確定關系，某些故障與相位變化有關。因此，從相位的角度來分析振動問題更有效、更直接。

一、忽視振動相位的原因

1. 對振動的認識不足

機械振動是指，質點（或任何物體）在其穩定平衡位置附近所做的周期性往復運動。它是一種特殊而又廣泛存在的運動形式，描述振動的物理量有位移、速度和加速度。較簡單的振動是簡諧振動，其數學表達式為

振動是一個具有大小和方向的物理量，是一個矢量，其特性取決于振動的3個要素。振幅A 表示振動的大小，角頻率ω 表示振動的快慢，初始相位角表示振動物體的初始位置。這3個參數在設備診斷中有著重要的意義，忽視任何一個要素，就意味著失去一部分振動故障信息。

2. 儀器沒有測試相位的功能

由于儀器功能所限，不能測試振動相位，根據相位進行故障診斷也就無從談起。

3. 測試人員的懶惰

測試振動相位需要兩個傳感器，期間的跨距有時較大，一人操作不安全，信號傳輸線容易纏繞轉子，再加上測試人員的懶惰心理，即使儀器能測試相位，也懶得去理會，僅僅根據振動的大小和頻譜來診斷。

二、振動相位測量原理

測量振動相位的辦法很多，不同結構的振動儀獲取基準信號的辦法和在振動信號上取點位置都不同。因此，不同型號的振動儀器盡管都是采用標準脈沖測相，但它們測得的振動相位的含義是不同的。其主要差別表現在兩個方面：

1. 標準脈沖信號導前還是滯后的差別；

2. 振動信號上取點位置不同。

這里僅介紹大家普遍采用的測量辦法。如下圖所示，在轉子上貼一反光帶或開一個鍵槽，采用光電傳感器或渦流傳感器，產生一個與轉速很好同步的脈沖信號。同時用振動傳感器測量軸的振動，得到相應的軸振信號。脈沖信號的前沿到其后振動信號較大點之間的角度差，即為振動相位。

相位測量示意圖

三、相位所包含的故障信息

1. 利用相位可區別不平衡、偏心和彎曲轉子的故障

不平衡轉子、偏心轉子和彎曲轉子都能引起較大的振動，這些故障的頻譜圖非常相似，以振動幅值和譜圖很難區分這3種故障，但是若依據振動相位加以區別，就使問題變得相當簡單和輕松。

對于雙支承轉子，若同一軸承上水平方向與垂直方向振動相位差約90°(±30°)，內側軸承與外側軸承水平方向振動的相位差接近垂直方向振動的相位差，則轉子為不平衡故障；對于懸臂轉子，如果支承轉子的兩軸承的軸向相位近似相等 (±30°)，則說明懸臂轉子不平衡。

偏心轉子同一軸承上水平方向與垂直方向振動相位差約為0°或180°。這里所說的偏心轉子指的是軸的中心線與轉子的中心不重合的轉子，也就是說旋轉體的幾何中心與旋轉軸心存在偏心距。

彎曲軸的兩個軸承之間的軸向方向相位變化接近180°，這與彎曲的程度有關。對同一軸承不同點的軸向方向做若干測量，通常會發現在軸承的左側和右側測量的相位之間發生接近180°的相位差，在同一軸承的上側與下側測量的相位之間也發生接近180°的相位差。

2. 利用相位可診斷聯軸器不對中故障

判斷不對中故障的較有效的辦法是評定聯軸器兩側的振動相位，當聯軸器兩側的相位差接近180°(±40°～50°) 時，則說明是聯軸器不對中故障，不對中程度愈嚴重，相位差愈接近180°。為了準確診斷，應該比較聯軸器兩側軸承座的水平、垂直和軸向3個方向的相位差，如果兩根軸水平方向對中良好，而垂直方向對中不良，則這兩個方向的相位差差別較大。

當聯軸器不對中時，支承聯軸器任一側轉子的兩個軸承徑向方向的相位差接近0°或180°(±30°)。在比較水平方向與垂直方向相位差時，大多數聯軸器不對中故障則表現為垂直方向與水平方向之間的相位差接近180°，也就是說，如果支承聯軸器任一側轉子的兩個軸承之間水平方向相位差為50°，則大多數聯軸器不對中轉子的垂直方向相位差約為230°。這是聯軸器不對中故障與不平衡故障在相位方面的較大區別。

振動變化在故障診斷中有很重要的作用，同樣，在診斷不對中故障時，注意相位的變化，可提高診斷的準確率。對于不對中轉子，如果設備從室溫開始升速，開始時它應該顯示不對中的征兆，當設備很好達到運行溫度時，不對中征兆便消失，比如，聯軸器兩側的相位差開始應該在150°～180°，較后可降到接近0°～30°。

3. 利用相位可以診斷軸承偏轉故障

當滑動軸承或滾動軸承不對中或是卡住在軸承上時，可引起大的軸向振動。此時，利用振動幅值或頻譜進行診斷往往不能湊效。如果在一軸承彼此間隔90°的4個點的軸向方向測量相位，上下或左右的相位差為180°，則說明該軸承偏轉或者說是卡住在軸上。

4. 利用相位可以確定轉子的實際臨界轉速

轉子在升速或者在降速過程中，利用振動幅值可以確定轉子的臨界轉速，利用振動相位的變化也可以確定轉子的臨界轉速。當機器通過臨界轉速時，在臨界轉速處振動相位準確的變化90°，直到沒有更大的放大為止，相位變化繼續變到180°。

5. 利用相位可以區別機械松動故障

結構框架或基礎松動包括4種不同的故障：

（1）結構松動或機器底腳、基礎平板和混凝土基礎弱；

（2）變形或破碎的砂漿；

（3）框架或基礎變形；

（4）地腳螺栓松動，這種類型的松動，由于具有與不平衡或不對中故障幾乎相同的振動頻譜，因此，常常被誤診為不平衡或不對中，只有仔細觀察相位特性，才能加以區別。

比較每個軸承座的水平和垂直方向相位時，如果振動非常定向，同時相位差為 0°或180°，則說明是松動故障，而不是不平衡。此時，將測量從軸承座下移到底腳、基礎平板、混凝土和周圍地板上，利用大的相位變化，可以確定故障所在。

四、結論

相位是振動分析中一個非常重要的參數。結合振動幅值，分析振動相位將使故障診斷人員走出振動診斷的誤區，對振動的認識從標量上升到矢量，使振動分析更各項指標、更準確。對于頻譜相似、幅值變化不明顯的故障，利用相位進行區別，具有一定的指導意義。

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