基于矢量的風機振動監測與診斷

1.引言

振動直接影響到風機的安全穩定運行，嚴重時還會導致設備損壞等惡性事故的發生。在對風機振動進行監測時，廠方大都只重視振動的幅值，即以振動的大小作為振動監測、分析和狀態檢測的依據。這種方法雖然在多數情況下有效，但在一些特殊情況下，卻會掩蓋振動現象，造成技術人員的誤解。隨著現代測試技術的發展，振動相位的測量技術已越來越可靠。技術人員通過振動相位測量，對振動問題的認識將會大大加深。本文結合筆者處理過的幾臺風機振動故障，介紹了基于振動幅值和相位的矢量監測模型以及相位在振動分析中的重要性。

2.相位的概念和測量方法

如圖1所示，在旋轉軸上開一缺口，用渦流傳感器對準轉軸，當軸上缺口轉到渦流傳感器處時，渦流傳感器脈沖輸出。同時用振動傳感器測量軸的振動，得到相應的軸振信號，比較軸振信號與脈沖信號，求出脈沖到其后振動信號最大點之間的角度差，即以此為相位。鍵相脈沖的產生也可以通過在轉軸上刷黑漆和貼反光帶，利用光電傳感器光電效應的方法來獲取。

3.振動矢量的概念

振動監測時，廠方大都只重視振動的大小。當振動超過設定閾值后，就開始報警或自動停機。這種方法實際上是把振動問題簡單化，也就是把振動量作為一個標量來看待。有了相位后，對振動問題的認識除了大小外還有角度。此時振動就可以用如圖2所示的“靶圖”來表示。振動問題由此而成為一個矢量概念。在透平機械振動監測中，已有一些國家采用聯合振動幅值和角度的矢量模型對機組進行監測。這種方法是以某一區域作為安全區，一旦振動矢量點落到安全區外，機組便會報警或采取保護動作。

4.基于振動矢量的風機振動分析案例

某臺軸流壓縮機大修后開機，運行中發現振動較大。該機振動經常在50～70μm之間變化。考慮到振動變化幅度在20μm左右，而振動的基數為50μm，明顯偏大，起初簡單地認為該機振動只是一平衡問題。但當到現場測試時，發現情況完全不同。機組開機?h內的振動變化可以簡單地表示為60∠90°→50∠180°→70∠260°。雖然振動振幅的變化在50～70μm之間，變化幅度不大，但考慮了相位后，發現振動變化幅度很大，達到了130μm左右。如此大的變化幅度肯定不僅僅是不平衡故障引起的。打開機組檢查發現，轉子兩端氣封摩擦很嚴重，轉子表面局部磨得發藍。進一步檢查發現，轉子在氣缸里傾斜，調整轉子與氣缸的同心度后，再次開機，振動平穩，通過一次動平衡試驗，使運行達到穩定。

5.基于振動矢量的動平衡一次加重法

目前，很多企業風機動平衡工作仍然采用傳統的三點法。這種方法只需根據振動幅值，通過在轉子圓周上3個方位試加重的方法來確定動平衡配重。這種方法雖然看起來簡單，但是機組需要反復啟停多次，不僅費時、費力，而且動平衡精度也不是很高。

有了相位后，可以由振動相位推算出不平衡所在角度。以圖3所示傳感器布置為例進行分析。相位反映的是振動信號高點滯后于鍵相信號之間的角度，因此，由振動傳感器逆轉一個相位角，即可找到振動高點P。由振動理論可知，不平衡力總是超前振動高點一個滯后角 ，因此由高點P順轉一個滯后角，即可找到不平衡所在位置Q。不平衡所在位置的對面T就是應該加平衡配重的位置。假設振動相位45°，取滯后角90°，由圖3可知，實際加重位置即為由轉軸上鍵相標記逆轉225°處。采用這種方法，現場動平衡一次成功的準確率可達70％以上，大大減少了開機次數和工作強度。根據經驗，動平衡試驗時，試加重的角度比試加重的大小要重要得多，而試加重的角度直接取決于振動相位角。試加重角度正確，加重前后振動則會有明顯變化，其后的動平衡過程也會開展得很順利。

6.結論

相位是振動分析中一個非常重要的參數。有了相位后，人們對振動問題的認識從標量發展到矢量。聯合振動幅值和相位的振動矢量監測法會更全面、更早地監測振動故障的發生與發展過程，以加深對振動問題的認識。有了相位后，技術人員可以實現對不平衡故障的一次加重，可大大減少動平衡工作的工作量，同時也能大大提高動平衡精度。