搜索振動分析基礎知識：振動相位的測量及其分析
2017-07-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
來源:本文根據普迪美科技的PPT講義《振動測量相位分析基礎知識》整理而成
振動就是機器或機零件從其平衡位置所做的往復運動。
振動有三個重要的可測量的參數:幅值、頻率、相位。
圖1 質量塊位于平衡位置且沒有任何力的作用
振動傳感器安裝在軸承座上,傳感器將拾取振動信號,并將此振動信號通過電纜線傳入到振動分析儀,如上圖所示,這個在機器軸承座上測量振動的過程可模型化為一個質量塊懸掛在彈簧上。在沒有力的作用之前,它一直保持靜止處于平衡位置處。
振動相位是一個振動部件相對于機器的另一個振動部件在某一固定參考點處的相對移動。也就是說振動相位是某一位置處的振動運動相對于另一位置處的振動運動,對所發(fā)生位置變化程度的度量。振動相位是一個很有用的設備故障診斷工具。如下圖所示,給出了兩個彼此同相位振動的系統(tǒng),即兩個振動系統(tǒng)以零度相位差運動。
圖2 兩個同相位振動的質量塊振動系統(tǒng)
振動相位是以角度為單位,通常是利用頻閃燈或光電頭測量得到。
下圖給出了,振動相位與機器振動間的關系。
在左側圖中,機器上的軸承1和軸承2之間的振動相位差為0度(同相振動),而在右側圖中的機器,軸承1和軸承2之間的振動相位差為180度(反相振動)。
圖3 振動相位與機器振動間的關系
相位是機器某一部分的振動與另一部位振動的相互關系。
相位分析是一個強有利的工具,可用于協助查找故障源,例如,有許多設備問題都會引起工作轉速下的較大振動(如,不平衡、不對中、偏心、軸彎曲、軟地腳、齒輪斷齒、共振、緊固螺栓松動等)。同樣,也有些問題可以在2X或3X RPM處產生較大的振動。面對這些問題及可能產生的頻率成分,振動分析師很難確定振動的原因。然而,若振動分析師能在每個軸承座上測量振動相位,則能使問題的確定容易些。
使用光電頭測量振動相位要比手持閃光燈的測量方法精確得多,手持閃光燈是由人通過參考標記來讀取相位角,所以誤差較大。
為了有效地測量相位角,必須首先將頻閃燈調到你所要求的閃光頻率(通常是軸的轉速頻率),振動幅值和相位讀數必須同時記錄。振動傳感器必須從一個軸承座移到另一個軸承座,測量水平、垂直、和軸向方向的數據。在每次將傳感器移到一新位置或方向時,這時就要找到和記錄相位參考標記新的位置的角度。測量時操作閃光燈能更清楚地觀察到參考標記,但此時振動傳感器必須牢固地安裝在每個測量位置或方向上。
然而,使用光電頭進行相位測量,光電頭和振動傳感器必須都可靠固定好,在進行不同位置和不同方向測量時,只需將振動傳感器移動到下一個位置。
這里我們研究一個軸承座是做前后振動(如圖4所示)還是做扭轉振動(如圖5所示)。
圖4 軸向振動相位顯示軸承座是在做平面運動
圖5 軸向相位顯示,由于軸彎曲或軸承翅起引起的扭曲振動
分析可能存在的軸承翹起或軸彎曲的例子
如圖4所示,當測量軸向振動的相位數據時,振動傳感器應該安置在1、2、3和4的測點上,如圖4顯示,軸承座是在做平面運動。
如果,在這相同的四個測點上產生如圖5所示的測量結果,即每個測點與下一個測點產生的相位相差90度,這說明有可能存在軸彎曲或軸承翅起的問題。
如果,1、3兩測點相位相差180度,說明軸承存在上、下翅起,如果在測點2、和測點4之間的相位相差180度,說明軸承座左右扭曲振動,可能是由于軸彎曲或軸承翅起引起。
圖6 徑向振動相位測量,用于分析不平衡問題
對于不平衡問題,通常在相鄰且位置相差90度的測點上,測量得到的振動相位相差約90度。如果此相位角較大地偏離90度,這就意味著存在著一個除不平衡以外的其它問題。說明存在不平衡問題的最有力的指示是比較在支承轉子的兩個軸承座上測量得到的相位值。如圖7所示。
圖7 診斷靜不平衡、力偶不平衡、動不平衡的典型測量
如圖7所示,比較在輸入端和輸出端軸承座上水平和垂直相位差角,來確認是否有不平衡問題的存在。比較好的做法是測量和比較輸入端和輸出端軸承座上水平方向的相位差角的值,如果存在一定程度的不平衡問題,1XRPM振動幅值肯定是較高的,并且在兩個軸承座上水平方向的振動相位差等于垂直方向的振動相位差(±30°)。這說明,轉子的運動狀態(tài)在水平方向和垂直方向是相同的,否則,其主要問題可能就不會是不平衡問題了。例如,見圖7的表C,注意到在電機的兩個軸承上,水平方向的振動相位差是90°-30°=60°,垂直方向的相位差是180°-120°=60°,這強有力地說明是不平衡問題。
有些機械松動問題,通過振動相位測量是可以發(fā)現的,已經可靠緊固的機械部件應該是與其它部件間同步運動,在各個零部件之間不應該存在顯著的幅值和相位的變化,如果在相互配合的零部件之間(見圖8)存在振動幅值和相位的變化,那么機械松動問題的存在是值得懷疑的。見圖8,在墊板(BASE PLATE)和支承混凝土基礎(CONCRETE BASE)之間存在著顯著的振動幅值和相位的變化,這說明,很可能是由于在兩部件間的水泥灌漿不充分所引起的。
圖8 松動問題的相位測量
通過振動相位測量來發(fā)現不對中問題是較為常用的監(jiān)測方法之一,無論是平行不對中還是角不對中,通過振動相位測量,都是可以檢測到的。圖9 描述了兩種不對中問題的含意。
圖9 軸角不對中和軸平行不對中的示意圖
不對中問題的振動相位特點是,在聯軸節(jié)兩側的振動相位差接近180°。振動幅值和相位角的測量應該在聯軸節(jié)相鄰的兩個軸承座的4個象限位置進行。為了檢測不對中情況的存在,要測量的兩個軸承座應該是處在聯軸節(jié)的兩側。徑向振動相位對軸平行不對中問題比較敏感,而軸向振動相位對軸角不對中問題比較敏感。在進行振動相位測量比較時,重要的一點是,要遵守振動傳感器的安裝方向的規(guī)定。(若振動傳感器,安裝方向搞反,會導至180°的相位移動,從而導至不對中的錯誤指示。另一個需要注意的是,四個測量象限的位置要從同一個參考方向觀察確定如圖10所示,避免相位數據的混亂。
圖10 在聯軸節(jié)相鄰兩軸承座上測量相位的坐標
在軸承座A,位置2處所進行的相位測量必須與軸承座B位置2處所進行的相位測量相比較。圖11是一個聯軸節(jié)不對中的例子,為簡化起見,只是測量了軸向方向的振動相位。
圖11 診斷角不對中問題的軸向相位比較
如圖11所示,電機軸承1和軸承2振動方向相互之間一致,軸承3和軸承4也是同相振動,這說明電機轉子和風機轉子不存在內部不對中、軸彎曲和軸承翅起等問題。然而,在聯軸節(jié)兩端存在180°的相位變化,這說明在軸承2和軸承3之間存在不對中問題。
注意大多數的不對中問題是平行不對中和角不對中同時存在的,單純的角不對中或平行不對中是很少見的。同時也要注意到,兩個軸承座間的相位差不會正好是0°或180°,通常在兩軸承間所測量的相位值差是在30°之內就認為是近似同相位。然而測量的相差越是接近180°,不對中的可能性就越大,不管這個相位差是軸向測量的還是徑向測量的。
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