旋轉機械振動常用術語——相位：詳解及其應用

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

來源:摘錄自阿爾斯通創為實技術發展(深圳)有限公司沈立智的《大型旋轉機械狀態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相對于固定參考點的位置,單位是度[°]。

相位是振動在時間先后關系上或空間位置關系上相互差異的標志(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,在動平衡技術中更是必不可少。

把轉子旋轉一圈的時間看成是360°,兩個振動之間的相位差就是轉過此角度的時間差。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)與軸上固定標志(如鍵槽、凹孔、反光板等)所組成的相位測量儀表。

旋轉機械振動常用術語——相位：詳解及其應用Pumplinx旋轉機構有限元分析圖片1

當軸上固定標志經過鍵相探頭時,鍵相器便會觸發一個脈沖信號,脈沖信號是確定各測點(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,脈沖頻率與轉子旋轉頻率完全同步。

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,習慣上簡稱相位。說“某測點、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子的旋轉方向相反。

由鍵槽和鍵相探頭的位置及轉子旋向,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點測得的工頻相位為45°,V點相位為135°,因此,工頻的最大振動方位(即轉子與測振探頭距離最近時的角位置,又稱高點)與軸上鍵槽的夾角為180°。而且,再進一步,還可以根據轉速以及轉子狀況指出不平衡量(又稱重點)的具體方位,例如剛性轉子高點與重點大致在同一方向,撓性轉子在高于并遠離臨界轉速后高點與重點相差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點(如正峰與正峰)之間的角度。

在實際應用中,往往并不講相對相位,而只講相位差,是因為實際上已經將相對相位所強調的“最近的對應點”溶進了相位差中。例如,假設H點、V點工頻相位分別為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第一個正峰、即最大振動點處;
相差的時間t:t=相位差×周期/360=相位差/(工頻×360),實際中很少算,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,實際上是反映了兩個振動在時間先后關系上或空間位置關系上,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系。仍然拿上圖中測得的工頻相位來說,測點H處的相位為45°,測點V處的相位的為135°,H點處的振動超前 V點處90°,倆測點的相位差為90°,表明H、V處的最大振動不同時,相差的時間正好是轉子轉過倆測點的時間(倆測點相互垂直,正好是90°),很可能是不平衡問題;另外,假設H點、V點工頻相位都為0°,那么則表明在H點、V點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系,因此常用來說明同一振動不同測點之間、不同部件之間的這種相同或相反的特殊關系。例如確定具體的振型、不對中類型等。

相位的應用

相位在振動領域有著許多重要的應用,主要用于比較不同振動運動之間的關系,比較不同部件的振動狀況,比較激振力與響應之間的關系,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系

例如,在簡諧振動的彈簧質量塊系統中,當質量塊向上振動、通過0點時,位移為零,速度為正方向最大,加速度為零;在質量塊由0向上的過程中,位移為正、變大,速度為正、變小,加速度為負、變大;當質量塊振動到上限位置時,位移為正方向最大,速度為零,加速度為負方向最大;當質量塊向下通過 0點時,位移為零,速度為負方向最大,加速度為零;當質量塊振動到下限時,位移為負方向最大,速度為零,加速度為正方向最大。依此關系,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系:

旋轉機械振動常用術語——相位：詳解及其應用Pumplinx旋轉機構有限元分析圖片2

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,相位差則無此關系。

(2) 比較激振力與響應在空間上的相互關系

旋轉機械振動常用術語——相位：詳解及其應用Pumplinx流體分析圖片3

例如,運行轉速小于臨界轉速時,轉子因不平衡質量偏心e產生的離心力、即激振力Meω2,與所引起的響應、即振動矢量y方向基本相同。其中,慢轉速(300~600r/min)下激振力與響應的相位完全相同;大于慢轉速后,隨ω增高,激振力Meω2增大,引起響應y隨之變大并超過偏心距e,由y產生的離心力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,于是激振力與響應之間有了相位差,而且相位差隨轉速增高而增大。

在通過臨界轉速時,兩矢量的相位差達90°,方向發生翻轉變化,此時振幅y達最大。大于臨界轉速后,轉速越變越高,激振力與響應之間的相位差越變越大,遠離臨界轉速后兩矢量為相位差為 180°,激振力與響應方向完全相反。在此過程中,轉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,質心G趨近于幾何中心O,此即所謂撓性轉子的自動定心。

不平衡矢量與振動響應(此響應為工頻振動)之間的相位差會隨轉速而變,遠離臨界轉速后相位差趨于180°,變化趨于不明顯。也就是說,工頻的相位與不平衡量有關,并且隨轉速而變,遠離臨界轉速后變化不明顯。如果轉子的平衡狀態發生改變,如損傷脫落、結垢,質心的角位置必然變化,工頻的相位也隨之改變;因此,聯系轉速看工頻相位是否發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動的方位

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

再例如由基礎或底座松動引起的振動、尤其是結構共振,整個機組上各個測點的振動相位都是相同的。

(4) 確定轉子振型

對剛性轉子,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,在大機組在線狀態檢測系統中,如果不設置鍵相器,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,經專業技術處理后顯示的某些基本圖譜(如頻譜圖),也會因轉速波動、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;在機器存在兩個或兩個以上不同轉速的軸系時,轉速不同的軸系應設置各自獨立的鍵相器。

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