旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動常用術(shù)語——相位：詳解及其應(yīng)用

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

來源:摘錄自阿爾斯通創(chuàng)為實(shí)技術(shù)發(fā)展(深圳)有限公司沈立智的《大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測與故障診斷講義》

相位

相位是在給定時刻振動體被測點(diǎn)相對于固定參考點(diǎn)的位置,單位是度[°]。

相位是振動在時間先后關(guān)系上或空間位置關(guān)系上相互差異的標(biāo)志(例如同一部件不同位置處的振動或不同部件之間的振動),相位在判斷振動故障的類型中有著非常重要的作用,在動平衡技術(shù)中更是必不可少。

把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的時間看成是360°,兩個振動之間的相位差就是轉(zhuǎn)過此角度的時間差。通過角度不僅表示空間、而且表示時間,這便是相位的奧妙之處。

鍵相器

鍵相器是由探頭(如渦流式、光電式等)與軸上固定標(biāo)志(如鍵槽、凹孔、反光板等)所組成的相位測量儀表。

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當(dāng)軸上固定標(biāo)志經(jīng)過鍵相探頭時,鍵相器便會觸發(fā)一個脈沖信號,脈沖信號是確定各測點(diǎn)(如1H、1V、2H、2V…)、各選頻振動(如工頻、二倍頻、0.5倍頻…)相位的基準(zhǔn),脈沖頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率完全同步。

絕對相位

絕對相位是指從鍵相器脈沖信號觸發(fā)到各選頻振動信號第一個正峰值之間的角度。

絕對相位是具體測得的相位,習(xí)慣上簡稱相位。說“某測點(diǎn)、某頻率的相位為某某度”指的就是絕對相位,也就是相對于軸上固定標(biāo)志通過鍵相探頭的那一時刻及位置,此頻率的最大振動與該測振探頭之間的角度。

如果沒有指明,相位角度增加的方向總是與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。

由鍵槽和鍵相探頭的位置及轉(zhuǎn)子旋向,絕對相位還能給出最大振動具體的空間方位。例如,在上圖中,由于在H點(diǎn)測得的工頻相位為45°,V點(diǎn)相位為135°,因此,工頻的最大振動方位(即轉(zhuǎn)子與測振探頭距離最近時的角位置,又稱高點(diǎn))與軸上鍵槽的夾角為180°。而且,再進(jìn)一步,還可以根據(jù)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子狀況指出不平衡量(又稱重點(diǎn))的具體方位,例如剛性轉(zhuǎn)子高點(diǎn)與重點(diǎn)大致在同一方向,撓性轉(zhuǎn)子在高于并遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速后高點(diǎn)與重點(diǎn)相差180°。

相位差、相對相位

相位差是兩個振動的相位之差。

相對相位是兩個選頻振動信號波形最近對應(yīng)點(diǎn)(如正峰與正峰)之間的角度。

在實(shí)際應(yīng)用中,往往并不講相對相位,而只講相位差,是因為實(shí)際上已經(jīng)將相對相位所強(qiáng)調(diào)的“最近的對應(yīng)點(diǎn)”溶進(jìn)了相位差中。例如,假設(shè)H點(diǎn)、V點(diǎn)工頻相位分別為3°、358°,它們之間的相位差既可以講為355°,也可以講為5°,而講相位差為5°可能更使問題清晰。

通過相位(差),可以很具體地想象到兩個振動矢量在時間和空間上的相互關(guān)系:

誰先誰后:相位小的在先、稱超前,相位大的在后、稱滯后,因為相位小的先到達(dá)第一個正峰、即最大振動點(diǎn)處;
相差的時間t:t=相位差×周期/360=相位差/(工頻×360),實(shí)際中很少算,主要是由相位差(角度)的大小想象兩者間隔時間的長短;
空間位置:相位差就是空間方向差夾角的角度。

相位差表面上看是一個角度,實(shí)際上是反映了兩個振動在時間先后關(guān)系上或空間位置關(guān)系上,是否存在差異、存在什么差異、存在多大差異。在分析振動原因和判斷振動故障類型時,往往更關(guān)注相位差,而不是相位。

例如,對于工頻異常的振動故障,在分析振動原因、區(qū)分故障類型時,相位差可以更清晰地表明振動過程中各位置處的相互關(guān)系。仍然拿上圖中測得的工頻相位來說,測點(diǎn)H處的相位為45°,測點(diǎn)V處的相位的為135°,H點(diǎn)處的振動超前 V點(diǎn)處90°,倆測點(diǎn)的相位差為90°,表明H、V處的最大振動不同時,相差的時間正好是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過倆測點(diǎn)的時間(倆測點(diǎn)相互垂直,正好是90°),很可能是不平衡問題;另外,假設(shè)H點(diǎn)、V點(diǎn)工頻相位都為0°,那么則表明在H點(diǎn)、V點(diǎn)測得的工頻最大振動是同時、同方位的,此工頻的最大振動方位始終在垂直方向的上方,與鍵相探頭成90°夾角,因此,肯定不可能是不平衡問題,而可能是軸承的間隙或剛度、或支承剛度在垂直方向上有問題。

同相振動、反相振動

當(dāng)兩個振動的相位相同、即相位差為0°(或360°)時,則稱此兩振動為同相振動。

當(dāng)兩個振動的相位相反、即相位差為180°時,則稱此兩振動為反相振動。

同相振動、反相振動十分清晰地表明了兩個振動在時間和空間上的相同或相反的相互關(guān)系,因此常用來說明同一振動不同測點(diǎn)之間、不同部件之間的這種相同或相反的特殊關(guān)系。例如確定具體的振型、不對中類型等。

相位的應(yīng)用

相位在振動領(lǐng)域有著許多重要的應(yīng)用,主要用于比較不同振動運(yùn)動之間的關(guān)系,比較不同部件的振動狀況,比較激振力與響應(yīng)之間的關(guān)系,確定不平衡量的方位,等等,例如:

(1) 比較同頻率振動在時間上的先后關(guān)系

例如,在簡諧振動的彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)中,當(dāng)質(zhì)量塊向上振動、通過0點(diǎn)時,位移為零,速度為正方向最大,加速度為零;在質(zhì)量塊由0向上的過程中,位移為正、變大,速度為正、變小,加速度為負(fù)、變大;當(dāng)質(zhì)量塊振動到上限位置時,位移為正方向最大,速度為零,加速度為負(fù)方向最大;當(dāng)質(zhì)量塊向下通過 0點(diǎn)時,位移為零,速度為負(fù)方向最大,加速度為零;當(dāng)質(zhì)量塊振動到下限時,位移為負(fù)方向最大,速度為零,加速度為正方向最大。依此關(guān)系,可畫出三者的振動波形圖,得到三者之間在相位上的以下關(guān)系:

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簡諧振動中,振動速度超前振動移位移90°,振動加速度超前振動度速度90°,振動加速度超前振動位移180°。

再例如,同為工頻振動,由于產(chǎn)生的原因不同,兩個相互垂直的探頭測得的相位差是不一樣的:由不平衡引起的工頻振動,相位差應(yīng)該等于或接近于90°;而由軸承偏心類、支承剛度異常類引起的工頻振動,相位差則無此關(guān)系。

(2) 比較激振力與響應(yīng)在空間上的相互關(guān)系

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例如,運(yùn)行轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子因不平衡質(zhì)量偏心e產(chǎn)生的離心力、即激振力Meω2,與所引起的響應(yīng)、即振動矢量y方向基本相同。其中,慢轉(zhuǎn)速(300~600r/min)下激振力與響應(yīng)的相位完全相同;大于慢轉(zhuǎn)速后,隨ω增高,激振力Meω2增大,引起響應(yīng)y隨之變大并超過偏心距e,由y產(chǎn)生的離心力Myω2也就比激振力Meω2大。離心力屬慣性力,離心力越大、慣性就越大。響應(yīng)Myω2因為慣性大會跟不上激振力Meω2的變化而滯后,于是激振力與響應(yīng)之間有了相位差,而且相位差隨轉(zhuǎn)速增高而增大。

在通過臨界轉(zhuǎn)速時,兩矢量的相位差達(dá)90°,方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)變化,此時振幅y達(dá)最大。大于臨界轉(zhuǎn)速后,轉(zhuǎn)速越變越高,激振力與響應(yīng)之間的相位差越變越大,遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速后兩矢量為相位差為 180°,激振力與響應(yīng)方向完全相反。在此過程中,轉(zhuǎn)子受到的離心合力逐步變小,振幅y逐步變小、趨近于偏心e,質(zhì)心G趨近于幾何中心O,此即所謂撓性轉(zhuǎn)子的自動定心。

不平衡矢量與振動響應(yīng)(此響應(yīng)為工頻振動)之間的相位差會隨轉(zhuǎn)速而變,遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速后相位差趨于180°,變化趨于不明顯。也就是說,工頻的相位與不平衡量有關(guān),并且隨轉(zhuǎn)速而變,遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速后變化不明顯。如果轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)發(fā)生改變,如損傷脫落、結(jié)垢,質(zhì)心的角位置必然變化,工頻的相位也隨之改變;因此,聯(lián)系轉(zhuǎn)速看工頻相位是否發(fā)生變化是判斷不平衡故障的重要手段。

(3) 比較兩個部件或多個部件之間相對運(yùn)動的方位

如剛性聯(lián)軸器,平行(徑向)不對中時兩側(cè)軸承徑向振動的相位差為180°,角度(端面)不對中時兩側(cè)軸承徑向振動的相位相同;帶中間短接的不對中齒式聯(lián)軸器不對中時兩側(cè)軸承徑向振動的相位差為180°。

再例如由基礎(chǔ)或底座松動引起的振動、尤其是結(jié)構(gòu)共振,整個機(jī)組上各個測點(diǎn)的振動相位都是相同的。

(4) 確定轉(zhuǎn)子振型

對剛性轉(zhuǎn)子,兩端軸承振動相位同相為圓柱形振動,反相為圓錐形振動。

對撓性轉(zhuǎn)子,兩端軸承振動相位同相為一階振型、三階振型、…, 反相為二階振型、四階振型、···。

(5) 在轉(zhuǎn)子動平衡中更有著必不可少、十分重要的作用

另外,需要提醒一下,在大機(jī)組在線狀態(tài)檢測系統(tǒng)中,如果不設(shè)置鍵相器,就無法獲得相位信息,許多有價值的振動分析圖譜將難以生成,經(jīng)專業(yè)技術(shù)處理后顯示的某些基本圖譜(如頻譜圖),也會因轉(zhuǎn)速波動、不平衡不明顯等客觀原因而存在瑕疵,會給故障診斷帶來困難;在機(jī)器存在兩個或兩個以上不同轉(zhuǎn)速的軸系時,轉(zhuǎn)速不同的軸系應(yīng)設(shè)置各自獨(dú)立的鍵相器。

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