基于矢量的风机振动监测与诊断

1.引言

振动直接影响到风机的安全稳定运行，严重时还会导致设备损坏等恶性事故的发生。在对风机振动进行监测时，厂方大都只重视振动的幅值，即以振动的大小作为振动监测、分析和状态检测的依据。这种方法虽然在多数情况下有效，但在一些特殊情况下，却会掩盖振动现象，造成技术人员的误解。随着现代测试技术的发展，振动相位的测量技术已越来越可靠。技术人员通过振动相位测量，对振动问题的认识将会大大加深。本文结合笔者处理过的几台风机振动故障，介绍了基于振动幅值和相位的矢量监测模型以及相位在振动分析中的重要性。

2.相位的概念和测量方法

如图1所示，在旋转轴上开一缺口，用涡流传感器对准转轴，当轴上缺口转到涡流传感器处时，涡流传感器脉冲输出。同时用振动传感器测量轴的振动，得到相应的轴振信号，比较轴振信号与脉冲信号，求出脉冲到其后振动信号最大点之间的角度差，即以此为相位。键相脉冲的产生也可以通过在转轴上刷黑漆和贴反光带，利用光电传感器光电效应的方法来获取。

3.振动矢量的概念

振动监测时，厂方大都只重视振动的大小。当振动超过设定阈值后，就开始报警或自动停机。这种方法实际上是把振动问题简单化，也就是把振动量作为一个标量来看待。有了相位后，对振动问题的认识除了大小外还有角度。此时振动就可以用如图2所示的“靶图”来表示。振动问题由此而成为一个矢量概念。在透平机械振动监测中，已有一些国家采用联合振动幅值和角度的矢量模型对机组进行监测。这种方法是以某一区域作为安全区，一旦振动矢量点落到安全区外，机组便会报警或采取保护动作。

4.基于振动矢量的风机振动分析案例

某台轴流压缩机大修后开机，运行中发现振动较大。该机振动经常在50～70μm之间变化。考虑到振动变化幅度在20μm左右，而振动的基数为50μm，明显偏大，起初简单地认为该机振动只是一平衡问题。但当到现场测试时，发现情况完全不同。机组开机 h内的振动变化可以简单地表示为60∠90°→50∠180°→70∠260°。虽然振动振幅的变化在50～70μm之间，变化幅度不大，但考虑了相位后，发现振动变化幅度很大，达到了130μm左右。如此大的变化幅度肯定不仅仅是不平衡故障引起的。打开机组检查发现，转子两端气封摩擦很严重，转子表面局部磨得发蓝。进一步检查发现，转子在气缸里倾斜，调整转子与气缸的同心度后，再次开机，振动平稳，通过一次动平衡试验，使运行达到稳定。

5.基于振动矢量的动平衡一次加重法

目前，很多企业风机动平衡工作仍然采用传统的三点法。这种方法只需根据振动幅值，通过在转子圆周上3个方位试加重的方法来确定动平衡配重。这种方法虽然看起来简单，但是机组需要反复启停多次，不仅费时、费力，而且动平衡精度也不是很高。

有了相位后，可以由振动相位推算出不平衡所在角度。以图3所示传感器布置为例进行分析。相位反映的是振动信号高点滞后于键相信号之间的角度，因此，由振动传感器逆转一个相位角，即可找到振动高点P。由振动理论可知，不平衡力总是超前振动高点一个滞后角 ，因此由高点P顺转一个滞后角，即可找到不平衡所在位置Q。不平衡所在位置的对面T就是应该加平衡配重的位置。假设振动相位45°，取滞后角90°，由图3可知，实际加重位置即为由转轴上键相标记逆转225°处。采用这种方法，现场动平衡一次成功的准确率可达70％以上，大大减少了开机次数和工作强度。根据经验，动平衡试验时，试加重的角度比试加重的大小要重要得多，而试加重的角度直接取决于振动相位角。试加重角度正确，加重前后振动则会有明显变化，其后的动平衡过程也会开展得很顺利。

6.结论

相位是振动分析中一个非常重要的参数。有了相位后，人们对振动问题的认识从标量发展到矢量。联合振动幅值和相位的振动矢量监测法会更全面、更早地监测振动故障的发生与发展过程，以加深对振动问题的认识。有了相位后，技术人员可以实现对不平衡故障的一次加重，可大大减少动平衡工作的工作量，同时也能大大提高动平衡精度。