搜索振動(dòng)分析基礎(chǔ)知識(shí)：振動(dòng)相位的測(cè)量及其分析
2017-07-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
來源:本文根據(jù)普迪美科技的PPT講義《振動(dòng)測(cè)量相位分析基礎(chǔ)知識(shí)》整理而成
振動(dòng)就是機(jī)器或機(jī)零件從其平衡位置所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
振動(dòng)有三個(gè)重要的可測(cè)量的參數(shù):幅值、頻率、相位。
圖1 質(zhì)量塊位于平衡位置且沒有任何力的作用
振動(dòng)傳感器安裝在軸承座上,傳感器將拾取振動(dòng)信號(hào),并將此振動(dòng)信號(hào)通過電纜線傳入到振動(dòng)分析儀,如上圖所示,這個(gè)在機(jī)器軸承座上測(cè)量振動(dòng)的過程可模型化為一個(gè)質(zhì)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(dòng)相位是一個(gè)振動(dòng)部件相對(duì)于機(jī)器的另一個(gè)振動(dòng)部件在某一固定參考點(diǎn)處的相對(duì)移動(dòng)。也就是說振動(dòng)相位是某一位置處的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于另一位置處的振動(dòng)運(yùn)動(dòng),對(duì)所發(fā)生位置變化程度的度量。振動(dòng)相位是一個(gè)很有用的設(shè)備故障診斷工具。如下圖所示,給出了兩個(gè)彼此同相位振動(dòng)的系統(tǒng),即兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)以零度相位差運(yùn)動(dòng)。
圖2 兩個(gè)同相位振動(dòng)的質(zhì)量塊振動(dòng)系統(tǒng)
振動(dòng)相位是以角度為單位,通常是利用頻閃燈或光電頭測(cè)量得到。
下圖給出了,振動(dòng)相位與機(jī)器振動(dòng)間的關(guān)系。
在左側(cè)圖中,機(jī)器上的軸承1和軸承2之間的振動(dòng)相位差為0度(同相振動(dòng)),而在右側(cè)圖中的機(jī)器,軸承1和軸承2之間的振動(dòng)相位差為180度(反相振動(dòng))。
圖3 振動(dòng)相位與機(jī)器振動(dòng)間的關(guān)系
相位是機(jī)器某一部分的振動(dòng)與另一部位振動(dòng)的相互關(guān)系。
相位分析是一個(gè)強(qiáng)有利的工具,可用于協(xié)助查找故障源,例如,有許多設(shè)備問題都會(huì)引起工作轉(zhuǎn)速下的較大振動(dòng)(如,不平衡、不對(duì)中、偏心、軸彎曲、軟地腳、齒輪斷齒、共振、緊固螺栓松動(dòng)等)。同樣,也有些問題可以在2X或3X RPM處產(chǎn)生較大的振動(dòng)。面對(duì)這些問題及可能產(chǎn)生的頻率成分,振動(dòng)分析師很難確定振動(dòng)的原因。然而,若振動(dòng)分析師能在每個(gè)軸承座上測(cè)量振動(dòng)相位,則能使問題的確定容易些。
使用光電頭測(cè)量振動(dòng)相位要比手持閃光燈的測(cè)量方法精確得多,手持閃光燈是由人通過參考標(biāo)記來讀取相位角,所以誤差較大。
為了有效地測(cè)量相位角,必須首先將頻閃燈調(diào)到你所要求的閃光頻率(通常是軸的轉(zhuǎn)速頻率),振動(dòng)幅值和相位讀數(shù)必須同時(shí)記錄。振動(dòng)傳感器必須從一個(gè)軸承座移到另一個(gè)軸承座,測(cè)量水平、垂直、和軸向方向的數(shù)據(jù)。在每次將傳感器移到一新位置或方向時(shí),這時(shí)就要找到和記錄相位參考標(biāo)記新的位置的角度。測(cè)量時(shí)操作閃光燈能更清楚地觀察到參考標(biāo)記,但此時(shí)振動(dòng)傳感器必須牢固地安裝在每個(gè)測(cè)量位置或方向上。
然而,使用光電頭進(jìn)行相位測(cè)量,光電頭和振動(dòng)傳感器必須都可靠固定好,在進(jìn)行不同位置和不同方向測(cè)量時(shí),只需將振動(dòng)傳感器移動(dòng)到下一個(gè)位置。
這里我們研究一個(gè)軸承座是做前后振動(dòng)(如圖4所示)還是做扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(如圖5所示)。
圖4 軸向振動(dòng)相位顯示軸承座是在做平面運(yùn)動(dòng)
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(dòng)
分析可能存在的軸承翹起或軸彎曲的例子
如圖4所示,當(dāng)測(cè)量軸向振動(dòng)的相位數(shù)據(jù)時(shí),振動(dòng)傳感器應(yīng)該安置在1、2、3和4的測(cè)點(diǎn)上,如圖4顯示,軸承座是在做平面運(yùn)動(dòng)。
如果,在這相同的四個(gè)測(cè)點(diǎn)上產(chǎn)生如圖5所示的測(cè)量結(jié)果,即每個(gè)測(cè)點(diǎn)與下一個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)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(cè)點(diǎn)相位相差180度,說明軸承存在上、下翅起,如果在測(cè)點(diǎn)2、和測(cè)點(diǎn)4之間的相位相差180度,說明軸承座左右扭曲振動(dòng),可能是由于軸彎曲或軸承翅起引起。
圖6 徑向振動(dòng)相位測(cè)量,用于分析不平衡問題
對(duì)于不平衡問題,通常在相鄰且位置相差90度的測(cè)點(diǎn)上,測(cè)量得到的振動(dòng)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(gè)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(zhuǎn)子的兩個(gè)軸承座上測(cè)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(dòng)不平衡的典型測(cè)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(rèn)是否有不平衡問題的存在。比較好的做法是測(cè)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(dòng)幅值肯定是較高的,并且在兩個(gè)軸承座上水平方向的振動(dòng)相位差等于垂直方向的振動(dòng)相位差(±30°)。這說明,轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)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(huì)是不平衡問題了。例如,見圖7的表C,注意到在電機(jī)的兩個(gè)軸承上,水平方向的振動(dòng)相位差是90°-30°=60°,垂直方向的相位差是180°-120°=60°,這強(qiáng)有力地說明是不平衡問題。
有些機(jī)械松動(dòng)問題,通過振動(dòng)相位測(cè)量是可以發(fā)現(xiàn)的,已經(jīng)可靠緊固的機(jī)械部件應(yīng)該是與其它部件間同步運(yùn)動(dòng),在各個(gè)零部件之間不應(yīng)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(dòng)幅值和相位的變化,那么機(jī)械松動(dòng)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(chǔ)(CONCRETE BASE)之間存在著顯著的振動(dòng)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(dòng)問題的相位測(cè)量
通過振動(dòng)相位測(cè)量來發(fā)現(xiàn)不對(duì)中問題是較為常用的監(jiān)測(cè)方法之一,無論是平行不對(duì)中還是角不對(duì)中,通過振動(dòng)相位測(cè)量,都是可以檢測(cè)到的。圖9 描述了兩種不對(duì)中問題的含意。
圖9 軸角不對(duì)中和軸平行不對(duì)中的示意圖
不對(duì)中問題的振動(dòng)相位特點(diǎn)是,在聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)的振動(dòng)相位差接近180°。振動(dòng)幅值和相位角的測(cè)量應(yīng)該在聯(lián)軸節(jié)相鄰的兩個(gè)軸承座的4個(gè)象限位置進(jìn)行。為了檢測(cè)不對(duì)中情況的存在,要測(cè)量的兩個(gè)軸承座應(yīng)該是處在聯(lián)軸節(jié)的兩側(cè)。徑向振動(dòng)相位對(duì)軸平行不對(duì)中問題比較敏感,而軸向振動(dòng)相位對(duì)軸角不對(duì)中問題比較敏感。在進(jìn)行振動(dòng)相位測(cè)量比較時(shí),重要的一點(diǎn)是,要遵守振動(dòng)傳感器的安裝方向的規(guī)定。(若振動(dòng)傳感器,安裝方向搞反,會(huì)導(dǎo)至180°的相位移動(dòng),從而導(dǎo)至不對(duì)中的錯(cuò)誤指示。另一個(gè)需要注意的是,四個(gè)測(cè)量象限的位置要從同一個(gè)參考方向觀察確定如圖10所示,避免相位數(shù)據(jù)的混亂。
圖10 在聯(lián)軸節(jié)相鄰兩軸承座上測(cè)量相位的坐標(biāo)
在軸承座A,位置2處所進(jìn)行的相位測(cè)量必須與軸承座B位置2處所進(jìn)行的相位測(cè)量相比較。圖11是一個(gè)聯(lián)軸節(jié)不對(duì)中的例子,為簡化起見,只是測(cè)量了軸向方向的振動(dòng)相位。
圖11 診斷角不對(duì)中問題的軸向相位比較
如圖11所示,電機(jī)軸承1和軸承2振動(dòng)方向相互之間一致,軸承3和軸承4也是同相振動(dòng),這說明電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在內(nèi)部不對(duì)中、軸彎曲和軸承翅起等問題。然而,在聯(lián)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(duì)中問題。
注意大多數(shù)的不對(duì)中問題是平行不對(duì)中和角不對(duì)中同時(shí)存在的,單純的角不對(duì)中或平行不對(duì)中是很少見的。同時(shí)也要注意到,兩個(gè)軸承座間的相位差不會(huì)正好是0°或180°,通常在兩軸承間所測(cè)量的相位值差是在30°之內(nèi)就認(rèn)為是近似同相位。然而測(cè)量的相差越是接近180°,不對(duì)中的可能性就越大,不管這個(gè)相位差是軸向測(cè)量的還是徑向測(cè)量的。
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