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

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

來(lái)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(cè)與故障診斷講義》

相位

相位是在給定時(shí)刻振動(dòng)體被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于固定參考點(diǎn)的位置,單位是度[°]。

相位是振動(dòng)在時(shí)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(dòng)或不同部件之間的振動(dòng)),相位在判斷振動(dòng)故障的類型中有著非常重要的作用,在動(dòng)平衡技術(shù)中更是必不可少。

把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間看成是360°,兩個(gè)振動(dòng)之間的相位差就是轉(zhuǎn)過(guò)此角度的時(shí)間差。通過(guò)角度不僅表示空間、而且表示時(shí)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(cè)量?jī)x表。

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當(dāng)軸上固定標(biāo)志經(jīng)過(guò)鍵相探頭時(shí),鍵相器便會(huì)觸發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)是確定各測(cè)點(diǎn)(如1H、1V、2H、2V…)、各選頻振動(dòng)(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(duì)相位

絕對(duì)相位是指從鍵相器脈沖信號(hào)觸發(fā)到各選頻振動(dòng)信號(hào)第一個(gè)正峰值之間的角度。

絕對(duì)相位是具體測(cè)得的相位,習(xí)慣上簡(jiǎn)稱相位。說(shuō)“某測(cè)點(diǎn)、某頻率的相位為某某度”指的就是絕對(duì)相位,也就是相對(duì)于軸上固定標(biāo)志通過(guò)鍵相探頭的那一時(shí)刻及位置,此頻率的最大振動(dòng)與該測(cè)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(duì)相位還能給出最大振動(dòng)具體的空間方位。例如,在上圖中,由于在H點(diǎn)測(cè)得的工頻相位為45°,V點(diǎn)相位為135°,因此,工頻的最大振動(dòng)方位(即轉(zhuǎn)子與測(cè)振探頭距離最近時(shí)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(duì)相位

相位差是兩個(gè)振動(dòng)的相位之差。

相對(duì)相位是兩個(gè)選頻振動(dòng)信號(hào)波形最近對(duì)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(duì)相位,而只講相位差,是因?yàn)閷?shí)際上已經(jīng)將相對(duì)相位所強(qiáng)調(diào)的“最近的對(duì)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(wèn)題清晰。

通過(guò)相位(差),可以很具體地想象到兩個(gè)振動(dòng)矢量在時(shí)間和空間上的相互關(guān)系:

誰(shuí)先誰(shuí)后:相位小的在先、稱超前,相位大的在后、稱滯后,因?yàn)橄辔恍〉南鹊竭_(dá)第一個(gè)正峰、即最大振動(dòng)點(diǎn)處;
相差的時(shí)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(shí)間的長(zhǎng)短;
空間位置:相位差就是空間方向差?yuàn)A角的角度。

相位差表面上看是一個(gè)角度,實(shí)際上是反映了兩個(gè)振動(dòng)在時(shí)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(dòng)原因和判斷振動(dòng)故障類型時(shí),往往更關(guān)注相位差,而不是相位。

例如,對(duì)于工頻異常的振動(dòng)故障,在分析振動(dòng)原因、區(qū)分故障類型時(shí),相位差可以更清晰地表明振動(dòng)過(guò)程中各位置處的相互關(guān)系。仍然拿上圖中測(cè)得的工頻相位來(lái)說(shuō),測(cè)點(diǎn)H處的相位為45°,測(cè)點(diǎn)V處的相位的為135°,H點(diǎn)處的振動(dòng)超前 V點(diǎn)處90°,倆測(cè)點(diǎn)的相位差為90°,表明H、V處的最大振動(dòng)不同時(shí),相差的時(shí)間正好是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)倆測(cè)點(diǎn)的時(shí)間(倆測(cè)點(diǎn)相互垂直,正好是90°),很可能是不平衡問(wèn)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(cè)得的工頻最大振動(dòng)是同時(shí)、同方位的,此工頻的最大振動(dòng)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(wèn)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(wèn)題。

同相振動(dòng)、反相振動(dòng)

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

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

同相振動(dòng)、反相振動(dòng)十分清晰地表明了兩個(gè)振動(dòng)在時(shí)間和空間上的相同或相反的相互關(guān)系,因此常用來(lái)說(shuō)明同一振動(dòng)不同測(cè)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(duì)中類型等。

相位的應(yīng)用

相位在振動(dòng)領(lǐng)域有著許多重要的應(yīng)用,主要用于比較不同振動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,比較不同部件的振動(dòng)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(dòng)在時(shí)間上的先后關(guān)系

例如,在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)中,當(dāng)質(zhì)量塊向上振動(dòng)、通過(guò)0點(diǎn)時(shí),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(guò)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(dòng)到上限位置時(shí),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(guò) 0點(diǎn)時(shí),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(dòng)到下限時(shí),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(dòng)波形圖,得到三者之間在相位上的以下關(guān)系:

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簡(jiǎn)諧振動(dòng)中,振動(dòng)速度超前振動(dòng)移位移90°,振動(dòng)加速度超前振動(dòng)度速度90°,振動(dòng)加速度超前振動(dòng)位移180°。

再例如,同為工頻振動(dòng),由于產(chǎn)生的原因不同,兩個(gè)相互垂直的探頭測(cè)得的相位差是不一樣的:由不平衡引起的工頻振動(dòng),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(dòng),相位差則無(wú)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(shí),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(dòng)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(guò)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?yàn)閼T性大會(huì)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(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí),兩矢量的相位差達(dá)90°,方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)變化,此時(shí)振幅y達(dá)最大。大于臨界轉(zhuǎn)速后,轉(zhuǎn)速越變?cè)礁?激振力與響應(yīng)之間的相位差越變?cè)酱?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(guò)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(dòng)定心。

不平衡矢量與振動(dòng)響應(yīng)(此響應(yīng)為工頻振動(dòng))之間的相位差會(huì)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(shuō),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(gè)部件或多個(gè)部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方位

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

再例如由基礎(chǔ)或底座松動(dòng)引起的振動(dòng)、尤其是結(jié)構(gòu)共振,整個(gè)機(jī)組上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)相位都是相同的。

(4) 確定轉(zhuǎn)子振型

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

對(duì)撓性轉(zhuǎn)子,兩端軸承振動(dòng)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)中,如果不設(shè)置鍵相器,就無(wú)法獲得相位信息,許多有價(jià)值的振動(dòng)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(huì)因轉(zhuǎn)速波動(dòng)、不平衡不明顯等客觀原因而存在瑕疵,會(huì)給故障診斷帶來(lái)困難;在機(jī)器存在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同轉(zhuǎn)速的軸系時(shí),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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