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相位在风机振动监测中的应用

发布于：2022年12月08日作者：西马力阅读：645

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旋转机械的振动信号中含有设备运行工况的丰富信息，因此，振动监测在石油、化工、电力等各个行业的设备监测中已得到广泛应用。但是，在对旋转机械进行监测时，监测人员只注重振动的幅值和谱图，以振动的大小为依据，来判断故障所在或是故障的严重程度，尽管在多数情况下有效，但也有很多故障利用这种办法不能确定其原因，出现不了了之的现象。

振动有3个要素，即振动的幅值、频率和相位，忽视任何一个要素都是不各项指标的。某些机械故障与相位有着密切的确定关系，某些故障与相位变化有关。因此，从相位的角度来分析振动问题更有效、更直接。

一、忽视振动相位的原因

1. 对振动的认识不足

机械振动是指，质点（或任何物体）在其稳定平衡位置附近所做的周期性往复运动。它是一种特殊而又广泛存在的运动形式，描述振动的物理量有位移、速度和加速度。较简单的振动是简谐振动，其数学表达式为

振动是一个具有大小和方向的物理量，是一个矢量，其特性取决于振动的3个要素。振幅A 表示振动的大小，角频率ω 表示振动的快慢，初始相位角表示振动物体的初始位置。这3个参数在设备诊断中有着重要的意义，忽视任何一个要素，就意味着失去一部分振动故障信息。

2. 仪器没有测试相位的功能

由于仪器功能所限，不能测试振动相位，根据相位进行故障诊断也就无从谈起。

3. 测试人员的懒惰

测试振动相位需要两个传感器，期间的跨距有时较大，一人操作不安全，信号传输线容易缠绕转子，再加上测试人员的懒惰心理，即使仪器能测试相位，也懒得去理会，仅仅根据振动的大小和频谱来诊断。

二、振动相位测量原理

测量振动相位的办法很多，不同结构的振动仪获取基准信号的办法和在振动信号上取点位置都不同。因此，不同型号的振动仪器尽管都是采用标准脉冲测相，但它们测得的振动相位的含义是不同的。其主要差别表现在两个方面：

1. 标准脉冲信号导前还是滞后的差别；

2. 振动信号上取点位置不同。

这里仅介绍大家普遍采用的测量办法。如下图所示，在转子上贴一反光带或开一个键槽，采用光电传感器或涡流传感器，产生一个与转速很好同步的脉冲信号。同时用振动传感器测量轴的振动，得到相应的轴振信号。脉冲信号的前沿到其后振动信号较大点之间的角度差，即为振动相位。

相位测量示意图

三、相位所包含的故障信息

1. 利用相位可区别不平衡、偏心和弯曲转子的故障

不平衡转子、偏心转子和弯曲转子都能引起较大的振动，这些故障的频谱图非常相似，以振动幅值和谱图很难区分这3种故障，但是若依据振动相位加以区别，就使问题变得相当简单和轻松。

对于双支承转子，若同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约90°(±30°)，内侧轴承与外侧轴承水平方向振动的相位差接近垂直方向振动的相位差，则转子为不平衡故障；对于悬臂转子，如果支承转子的两轴承的轴向相位近似相等 (±30°)，则说明悬臂转子不平衡。

偏心转子同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为0°或180°。这里所说的偏心转子指的是轴的中心线与转子的中心不重合的转子，也就是说旋转体的几何中心与旋转轴心存在偏心距。

弯曲轴的两个轴承之间的轴向方向相位变化接近180°，这与弯曲的程度有关。对同一轴承不同点的轴向方向做若干测量，通常会发现在轴承的左侧和右侧测量的相位之间发生接近180°的相位差，在同一轴承的上侧与下侧测量的相位之间也发生接近180°的相位差。

2. 利用相位可诊断联轴器不对中故障

判断不对中故障的较有效的办法是评定联轴器两侧的振动相位，当联轴器两侧的相位差接近180°(±40°～50°) 时，则说明是联轴器不对中故障，不对中程度愈严重，相位差愈接近180°。为了准确诊断，应该比较联轴器两侧轴承座的水平、垂直和轴向3个方向的相位差，如果两根轴水平方向对中良好，而垂直方向对中不良，则这两个方向的相位差差别较大。

当联轴器不对中时，支承联轴器任一侧转子的两个轴承径向方向的相位差接近0°或180°(±30°)。在比较水平方向与垂直方向相位差时，大多数联轴器不对中故障则表现为垂直方向与水平方向之间的相位差接近180°，也就是说，如果支承联轴器任一侧转子的两个轴承之间水平方向相位差为50°，则大多数联轴器不对中转子的垂直方向相位差约为230°。这是联轴器不对中故障与不平衡故障在相位方面的较大区别。

振动变化在故障诊断中有很重要的作用，同样，在诊断不对中故障时，注意相位的变化，可提高诊断的准确率。对于不对中转子，如果设备从室温开始升速，开始时它应该显示不对中的征兆，当设备很好达到运行温度时，不对中征兆便消失，比如，联轴器两侧的相位差开始应该在150°～180°，较后可降到接近0°～30°。

3. 利用相位可以诊断轴承偏转故障

当滑动轴承或滚动轴承不对中或是卡住在轴承上时，可引起大的轴向振动。此时，利用振动幅值或频谱进行诊断往往不能凑效。如果在一轴承彼此间隔90°的4个点的轴向方向测量相位，上下或左右的相位差为180°，则说明该轴承偏转或者说是卡住在轴上。

4. 利用相位可以确定转子的实际临界转速

转子在升速或者在降速过程中，利用振动幅值可以确定转子的临界转速，利用振动相位的变化也可以确定转子的临界转速。当机器通过临界转速时，在临界转速处振动相位准确的变化90°，直到没有更大的放大为止，相位变化继续变到180°。

5. 利用相位可以区别机械松动故障

结构框架或基础松动包括4种不同的故障：

（1）结构松动或机器底脚、基础平板和混凝土基础弱；

（2）变形或破碎的砂浆；

（3）框架或基础变形；

（4）地脚螺栓松动，这种类型的松动，由于具有与不平衡或不对中故障几乎相同的振动频谱，因此，常常被误诊为不平衡或不对中，只有仔细观察相位特性，才能加以区别。

比较每个轴承座的水平和垂直方向相位时，如果振动非常定向，同时相位差为 0°或180°，则说明是松动故障，而不是不平衡。此时，将测量从轴承座下移到底脚、基础平板、混凝土和周围地板上，利用大的相位变化，可以确定故障所在。

四、结论

相位是振动分析中一个非常重要的参数。结合振动幅值，分析振动相位将使故障诊断人员走出振动诊断的误区，对振动的认识从标量上升到矢量，使振动分析更各项指标、更准确。对于频谱相似、幅值变化不明显的故障，利用相位进行区别，具有一定的指导意义。

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