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轴相对振动检测

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发布时间：2025-07-03 20:09:55 更新时间：2025-07-02 20:09:55

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

轴相对振动检测

轴相对振动检测是旋转机械状态监测与故障诊断中的一项至关重要的技术手段。它特指测量旋转轴相对于其支撑轴承座或邻近固定参考点的振动位移。与测量轴承座绝对振动的壳体振动不同，轴相对振动直接反映了转轴在其轴承间隙内的运动轨迹和动态行为。这种振动模式对于识别转子动力学问题（如不平衡、不对中、轴弯曲、油膜涡动/振荡、动静件摩擦等）以及评估轴承性能（如油膜厚度、稳定性）具有极高的敏感性和指示性。过大的轴相对振动可能导致轴承合金磨损、轴颈划伤、密封件失效、联轴器损坏，甚至引发灾难性的转子失稳或断裂事故。因此，在汽轮机、燃气轮机、压缩机、发电机、泵、风机等关键旋转设备中，实施持续、精确的轴相对振动检测是确保设备安全、稳定、长周期运行，实现预测性维修策略的核心环节。

检测项目

轴相对振动检测的核心项目通常包括：

振动位移峰峰值 (Peak-to-Peak Displacement)：最关键的参数，直接反映轴在轴承间隙内摆动的最大幅度，通常以微米 (μm) 或密耳 (mil) 为单位。这是判断振动是否超标的主要依据。
振动位移幅值 (Amplitude)：通常指工频（1X转速频率）分量或其他特定频率分量（如0.5X, 2X等）的振动位移大小。
相位角 (Phase Angle)：振动信号相对于轴上固定的键相（Keyphasor®）参考点的角度差。相位信息对于确定不平衡质量的位置、识别不对中类型、区分故障模式（如区分不平衡和弯曲）等诊断工作至关重要。
波形 (Waveform)：时域内的原始振动位移信号图形，有助于直观判断振动性质（如正弦波、削波、冲击等）。
频谱 (Spectrum)：通过快速傅里叶变换 (FFT) 将时域波形转换到频域，显示振动能量在不同频率上的分布。频谱分析是识别振动源（如不平衡、不对中、松动、轴承缺陷、叶片通过频率等）的主要工具。
轴心轨迹 (Orbit Plot)：在同一轴承截面内相互垂直的两个方向上（通常是X和Y方向）测得的轴相对振动信号合成的二维图形，直观展示轴颈中心的运动轨迹，对于诊断轴承稳定性、油膜状态、摩擦、不对中等问题具有重要价值。
轴心位置 (Average Shaft Position / DC Gap Voltage)：轴颈在轴承内的静态平均位置，反映载荷、对中状态、轴承间隙变化等信息。

检测仪器

轴相对振动检测主要依赖于非接触式位移传感器系统：

电涡流位移传感器 (Eddy Current Displacement Probes)：这是轴相对振动测量的标准和最常用的传感器类型。其核心部件是一个线圈，通入高频电流后产生交变磁场。当接近导电的金属轴表面时，会在轴表层感应出涡流，涡流产生的磁场与线圈磁场相互作用，导致线圈的等效阻抗发生变化。该阻抗变化与探头和轴表面之间的间隙（即振动位移）成正比关系，经前置器转换为标准的电压信号输出（如-2V 至 -18V DC，对应0至最大量程的位移）。电涡流传感器具有非接触、高精度、高分辨率、宽频响（通常可达10 kHz或更高）、耐油污、抗干扰能力强等优点。
探头 (Probes)：根据测量范围（如0-2mm, 0-4mm, 0-8mm等）和应用环境（温度、压力）选择不同规格的传感器探头，通常需要配合安装支架和延长电缆。
前置器 (Proximitor / Driver)：为探头提供激励电源，并将探头检测到的间隙变化信号转换为线性化的直流电压信号。通常具有短路保护和过压保护功能。
键相传感器 (Keyphasor® Probe)：一个特殊的电涡流传感器（或光电传感器、磁电传感器），对准轴上设定的一个标志点（如键槽、凸块、反光贴片）。轴每旋转一周，该传感器产生一个脉冲信号（键相信号），用于精确测量转速和作为振动相位测量的参考零点。
振动监测仪/数据采集系统 (Vibration Monitor / Data Acquisition System)：接收来自前置器的振动信号和键相信号。可以是：
- 在线监测仪表：安装在设备现场或控制室机柜中，连续监测振动值（峰峰值、间隙电压等），提供报警和保护功能（如跳机）。
- 便携式数据采集器 (Collector)：用于点检和定期巡检。
- 在线状态监测系统 (CMS)：高级系统，集成数据采集、存储、实时分析（FFT、轨迹、趋势）、网络通信和诊断功能。

检测方法

实施轴相对振动检测需遵循规范化的流程：

测点布置与安装：
- 在每个需要监测的轴承（径向轴承）截面上，至少安装两个相互垂直（通常为水平和垂直方向，X-Y）的电涡流探头。推力轴承附近通常也安装探头监测轴向位移。
- 安装一个键相探头。
- 探头安装必须极其规范：传感器必须垂直于轴表面，间隙（初始安装间隙）需精确设定在传感器线性范围的中间值（例如，对于量程2mm的探头，通常设定在-10V DC对应的间隙点）。探头安装必须牢固，避免松动。
- 确保探头安装位置避开油孔、划痕、镀层等可能影响测量精度的区域。
系统标定与校验：
- 探头-前置器-监测仪表构成的整个测量通道需进行系统标定，确保位移-电压关系的准确性。
- 定期（如大修期间）进行现场静态校验（测量并记录轴心位置/间隙电压）和动态校验（如可能，在停机盘车过程中进行）。
数据采集：
- 在线监测：系统持续采集振动位移的峰峰值、间隙电压、并可能周期性采集原始的波形、频谱和轨迹数据。
- 离线巡检/诊断：使用便携式采集器或连接在线系统，在特定工况（如启停机过程、稳态运行、变负荷过程）下采集详细的振动波形、频谱、相位和轨迹数据。
数据分析与诊断：
- 实时监控：关注振动总量（峰峰值）是否超过报警值和危险值。
- 趋势分析：观察振动幅值、相位、轴心位置等参数随时间的变化趋势，识别潜在恶化。
- 频谱分析：分析振动能量集中的频率成分及其与转速的关系（1X, 2X, 0.5X, 叶片通过频率等），识别故障根源。
- 相位分析：比较不同测点同一频率分量（通常是1X）的相位差，用于诊断不平衡、不对中、弯曲等。
- 轴心轨迹分析：观察轨迹形状、大小、方向、进动方向（正进动/反进动），诊断轴承稳定性、摩擦、不对中等。
- 启停机分析（Bode图、极坐标图、级联图）：在转速变化过程中采集数据，绘制振动幅值/相位随转速变化曲线，识别临界转速、共振点等，对转子动力学特性进行深入评估。
报告与决策：记录分析结果，形成报告，根据诊断结论提出维护建议（如继续运行、加强监测、计划停机检修等）。