旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析基礎(chǔ)

第一章旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析基礎(chǔ)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等都屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是電力、石化和冶金等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。這些設(shè)備出現(xiàn)故障后，大多會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。以100MW?600MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例，出現(xiàn)故障后，多啟動(dòng)一次的直接經(jīng)濟(jì)代價(jià)(僅考慮燃油和廠用電消耗)約5萬?30萬元。機(jī)組容量越大，經(jīng)濟(jì)損失越大。振動(dòng)在設(shè)備故障中占了很大比重，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。振動(dòng)又是設(shè)備的“體溫計(jì)”，直接反映了設(shè)備健康狀況，是設(shè)備安全評(píng)估的重要指標(biāo)。一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)值和振動(dòng)變化值都應(yīng)該比較小。一旦機(jī)組振動(dòng)值變大，或振動(dòng)變得不穩(wěn)定，都說明設(shè)備出現(xiàn)了一定程度的故障。振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的危害主要表現(xiàn)在：振動(dòng)過大將會(huì)導(dǎo)致軸承烏金疲勞損壞。圖1給出了某臺(tái)機(jī)組軸承烏金損壞圖片。某廠一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組#1軸承烏金經(jīng)常損壞。新軸承換上后，短時(shí)只能運(yùn)行20?30天，長(zhǎng)時(shí)也只能運(yùn)行2?3個(gè)月。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，軸頸處轉(zhuǎn)軸振動(dòng)達(dá)到2805。大修中對(duì)該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)平衡，大修后的軸振減小為705。穩(wěn)定運(yùn)行四年多，烏金沒有再次碎裂。某廠一臺(tái)壓縮機(jī)振動(dòng)不穩(wěn)定，三個(gè)月內(nèi)累計(jì)發(fā)生陣發(fā)性振動(dòng)8次。雖然每次幅值不大、時(shí)間不長(zhǎng)，但是揭開軸承檢查，經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)烏金局部碎裂，有時(shí)頂軸油孔甚至被磨損的烏金堵住。圖1軸承烏金疲勞碎裂過大振動(dòng)將會(huì)造成通流部分磨損，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致大軸彎曲。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽輪發(fā)電機(jī)組60%以上的大軸彎曲事故就是由于摩擦引起的。圖2給出了某臺(tái)300MW汽輪機(jī)大軸彎曲后實(shí)測(cè)得到的彎軸曲線［1］圖3給出了某臺(tái)機(jī)組汽封摩擦損壞圖片。某廠1臺(tái)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)，在1200rpm下暖機(jī)30分鐘后，2號(hào)軸承振動(dòng)逐漸增大到40um。降速到500rpm后再次升速到1200rpm暖機(jī)，振動(dòng)逐漸增大到82um，振動(dòng)發(fā)散速度越來越快。打閘停機(jī)過程中，振動(dòng)未見減小，反而進(jìn)一步加大?，F(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)汽封摩擦冒火星。停機(jī)后2號(hào)軸頸處大軸晃度達(dá)

到390um。揭開汽缸大蓋檢查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)靜部件磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子彎曲0.79mm。圖2某臺(tái)300MW機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子實(shí)測(cè)大軸彎曲曲線圖3某臺(tái)機(jī)組汽封摩擦損壞情況（3）振動(dòng)過大還將使部件承受大幅交變應(yīng)力，容易造成轉(zhuǎn)子、聯(lián)結(jié)螺栓、管道、地基等的損壞。近五十多年來，國(guó)內(nèi)外發(fā)生過多起汽輪發(fā)電機(jī)組軸系斷裂惡性事故［2,3］。1953年美國(guó)TANNERSCREEK電站1臺(tái)125MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子斷裂，1954年美國(guó)REDGLAND電站1臺(tái)156MW機(jī)組超速試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速升到1955rpm（額定轉(zhuǎn)速1800rpm）時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子斷裂。1972年原聯(lián)邦德國(guó)某電站1臺(tái)500MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)與輔助勵(lì)磁機(jī)之間的聯(lián)軸器螺栓被扭斷，低壓轉(zhuǎn)子在裝葉輪處斷裂。1972年日本海南電廠1臺(tái)600MW機(jī)組超速試驗(yàn)過程中低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)斷裂，整個(gè)軸系斷為17段。1974年美國(guó)GAILATIN電站1臺(tái)225MW冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，升速到3400rpm（額定轉(zhuǎn)速3600rpm）時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子突然斷裂。圖4給出了國(guó)外發(fā)生的一臺(tái)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系斷裂圖片⑷。我國(guó)同樣發(fā)生過多起比較嚴(yán)重的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系損壞事故。1臺(tái)50MW機(jī)組因汽輪機(jī)進(jìn)入低溫蒸汽，汽缸急劇收縮，動(dòng)靜徑向間隙減小，引起動(dòng)靜徑向碰磨，導(dǎo)致大軸彎曲和大不平衡振動(dòng)。解列甩負(fù)荷時(shí)，主汽門、調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉遲緩，機(jī)組超速至3600r/min左右。在摩擦和大不平衡力的作用下，15m長(zhǎng)的汽輪發(fā)

電機(jī)組軸系斷裂成12段，汽輪機(jī)缸體爆炸，斷軸拼接后的主軸最大彎曲達(dá)186mm。一臺(tái)200MW機(jī)組升速過程中，因故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升到3400rpm以上，引發(fā)機(jī)組共振和油膜振蕩，機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致個(gè)別部件損壞，由此引起的大不平衡振動(dòng)在10?11s內(nèi)使整個(gè)30m長(zhǎng)軸系斷成13段。（a）損壞全景 （a）損壞全景 （b）大軸斷裂（c）葉片斷裂 （d）大軸斷口圖4國(guó)外某600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系斷裂事故圖片第一節(jié)振動(dòng)分析基本概念振動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)量。圖5所示是一種最簡(jiǎn)單的振動(dòng)形式一簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即振動(dòng)量按余弦（或正弦）函數(shù)規(guī)律周期性地變化，可以寫為y=Asin（①I+中）1 （1）g2再,f=-式中，y—振動(dòng)位移；A—振動(dòng)幅值；中一振動(dòng)相位；w一圓頻率；f一振動(dòng)頻率；t一周期。幅值反映了振動(dòng)大??；頻率反映了振動(dòng)量動(dòng)態(tài)變化的快慢程度;相位反映了信號(hào)在r=0時(shí)刻的初始狀態(tài)。振動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化量。為了突出反映交變量的影響，振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)常取波形中正、負(fù)峰值的差值作為振動(dòng)幅值，又稱為峰峰值，通常以Ap表示。式（1）中的A又稱為半峰值，記為A0p。圖6給出了三組相似的振動(dòng)波形：（a）圖兩信號(hào)幅值不等，（b）圖兩信號(hào)相

位不等，（c）圖兩信號(hào)頻率不等。知道幅值、頻率和相位這三個(gè)參數(shù)必須同時(shí)圖5簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形nlQA可見，為了完全描述一個(gè)振動(dòng)信號(hào)，，人們稱之為振動(dòng)分析的三要素。位不等，（c）圖兩信號(hào)頻率不等。知道幅值、頻率和相位這三個(gè)參數(shù)必須同時(shí)圖5簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形nlQA（a）幅值不等 （b）相位不等 （c）頻率不等圖6三組相似的振動(dòng)波形簡(jiǎn)諧振動(dòng)是一種最簡(jiǎn)單的振動(dòng)形式，實(shí)際發(fā)生的振動(dòng)要比簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)雜得多。不管振動(dòng)信號(hào)多么復(fù)雜，都可以將其分解為若干具有不同頻率氣、幅值A(chǔ),和相位七的簡(jiǎn)諧分量的合成，圖7給出了一組復(fù)雜波形分解實(shí)例：（2）y=HAsin（①t+甲）（2）i=1旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析離不開轉(zhuǎn)速，為了方便和直觀起見，常以1x表示與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相等的頻率，又稱為工（基）頻；以0.5x,2x、3x等表示與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的0.5倍、2倍和3倍等相等的頻率，又稱為半頻、二倍頻、三倍頻。（a）復(fù)雜波形 （b）分解后的簡(jiǎn)諧波形圖7復(fù)雜簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形分解實(shí)例采用信號(hào)分析理論中的快速傅立葉變換（FFT）可以很方便地求出復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)所含頻率分量的幅值和相位。目前頻譜分析已成為振動(dòng)故障診斷領(lǐng)域最基本的工具。頻譜分析所起的作用可以概括為以下兩點(diǎn)：（1） 不同故障所對(duì)應(yīng)的頻率不同。例如：轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻率為工頻，汽流激振和油膜振蕩等故障的頻率為低頻，電磁激振等故障的頻率為高頻等。頻率特征是故障判斷的必要條件。某種故障必然具備相應(yīng)的頻率特征。因此，根據(jù)頻譜分析結(jié)果可以對(duì)故障性質(zhì)作一個(gè)初步、定性判斷。本書第3?5章將詳細(xì)介紹每一種故障的頻率特征。（2） 多種故障的頻率特征具有很強(qiáng)的相似性，頻率特征并不是故障判斷的充分條件。例如，熱變形、不平衡、共振、剛度不足、摩擦等故障的特征頻率都是工頻，僅根據(jù)頻率特征無法將故障原因進(jìn)一步定量細(xì)化。為了能確診故障原因，振動(dòng)分析必須結(jié)合過程參數(shù)和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，突出相似故障之間的微小差別。第二節(jié)振動(dòng)位移、速度和加速度除了振動(dòng)位移外，振動(dòng)分析時(shí)還經(jīng)常用到振動(dòng)速度和加速度。將位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求一次和兩次導(dǎo)數(shù)，可以分別得到振動(dòng)速度和加速度：y=Asin（3t+甲）TOC\o"1-5"\h\zdy 兀、\o"CurrentDocument"v=y= =3Asin（伽+甲+—） （3）dt 2〃d2ya=y= =32Asin（①+甲+兀）dt2反之，對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行一次和二次積分可以分別得到速度和位移信號(hào)。從式（3）可以看出：（1）振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質(zhì)不會(huì)變化，都可以用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)。三種方式在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中都有廣泛應(yīng)用。（2） 在相同位移幅值下，頻率越高，振動(dòng)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力越大，對(duì)設(shè)備的危害也越大。因此，故障頻率越高，位移幅值應(yīng)該控制得越嚴(yán)格。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)。（3） 振動(dòng)速度（或加速度）幅值是振動(dòng)位移和頻率（或頻率平方）的乘積，幅值中同時(shí)反映了振動(dòng)頻率和位移幅值的影響，較單純的振動(dòng)位移幅值更全面。（4） 振動(dòng)加速度相位超前振動(dòng)速度相位90。，振動(dòng)速度相位又超前振動(dòng)位移相位90o。采用不同表示方式時(shí)，必須考慮相互之間的相位差。（5） 值得指出的是，同一種故障在振動(dòng)位移、速度和加速度頻譜中表現(xiàn)出來的故障特征不完全相同。假設(shè)某故障振動(dòng)位移信號(hào)頻譜如圖8（a）所示，頻譜中10Hz、20Hz和50Hz分量幅值都為10um。根據(jù)式（3）計(jì)算出每一頻率分量的速度和加速度幅值，從而得到相應(yīng)的振動(dòng)速度和加速度頻譜，如圖8（b、c）所示。比較這三個(gè)圖可見，高頻分量在振動(dòng)速度和加速度頻譜中得到了明顯“放大”。頻率越高，速度和加速度頻譜中高頻分量的“放大”作用越明顯。因此，對(duì)于高頻振動(dòng)故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動(dòng)變化，采用振動(dòng)速度或加速度監(jiān)測(cè)比較有效。假設(shè)某故障加速度頻譜如圖8（f）所示，頻譜中10Hz、20Hz和50Hz分量都為1m/s2。由式（3）可以計(jì)算得到相應(yīng)的速度和位移頻譜，如圖8（d、e）所示。比較這三個(gè)圖可見，低頻分量在振動(dòng)位移頻譜中得到了明顯“放大”。頻率越低，放大效果越明顯。因此，對(duì)于低頻振動(dòng)故障，監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移更能夠突出反映振動(dòng)變化。表1給出了振動(dòng)位移、速度和加速度之間的關(guān)系。

崖速速加7O8-O■3O2-O654---ooO19-O25002050崖速速加7O8-O■3O2-O654---ooO19-O25002050564208642■6400^)^E速加(d)50f/Hz50f/Hz50f/Hz(e)(f)圖8振動(dòng)位移、速度和加速度頻譜比較振動(dòng)位移、速度和加速度之間可以相互轉(zhuǎn)換。雖然將位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到速度信號(hào)和加速度信號(hào)，但是由于求導(dǎo)過程中誤差有可能會(huì)放大，實(shí)際上很少進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)換。信號(hào)積分過程中誤差是收斂的，因此，目前采用得

比較多的是由加速度或速度信號(hào)積分求出位移信號(hào)。一些采用加速度傳感器的振動(dòng)儀表，可以通過積分同時(shí)測(cè)量出振動(dòng)加速度、速度和位移值。表1振動(dòng)位移、速度和加速度之間的關(guān)系振動(dòng)表示形式位移速度加速度幅值A(chǔ)wAw2A相位中中+兀/2平+兀頻率333單位mmmm/smm/s2轉(zhuǎn)換關(guān)系位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到速度，再求導(dǎo)得到加速度；加速度對(duì)時(shí)間積分得到速度，再積分得到位移。選用原則三種表示方式都可以用于監(jiān)測(cè)；速度和加速度信號(hào)更能突出反映高頻分量的變化；位移信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)更能突出反映低頻分量的變化。第四節(jié)振動(dòng)傳感器傳感器的基本功能是將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。目前用得比較多的振動(dòng)傳感器有電渦流型、速度型和加速度型。本節(jié)主要介紹這三種傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用注意事項(xiàng)。一、振動(dòng)傳感器基本原理圖15渦流傳感器1—感應(yīng)線圈；2一固定螺母；3—信號(hào)輸出渦流傳感器結(jié)構(gòu)如圖15所示。傳感器頭部有感應(yīng)線圈，通上高頻電流后，在線圈周圍產(chǎn)生了高頻電磁場(chǎng)。如其周圍有金屬導(dǎo)體，便會(huì)在金屬表面產(chǎn)生電渦流。電渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與感應(yīng)線圈的電磁場(chǎng)相互疊加，改變了感應(yīng)線圈阻抗。在其它參數(shù)不變的情況下，該阻抗是線圈與金屬導(dǎo)體之間距離的單值函數(shù)。將感應(yīng)線圈接入振蕩回路，即可輸出一個(gè)與距離有關(guān)的高頻諧波。在傳感器附近設(shè)置前置放大器，將信號(hào)放大、檢波和濾波后，即可得到一個(gè)與距離成正比的輸出電壓。因此，這種傳感器又稱位移傳感器。傳感器輸出電壓的直流分量正比于感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體之間的靜態(tài)間隙，交流分量正比于兩者之間的動(dòng)態(tài)位移，即振動(dòng)。圖16速度傳感器1—簧片；2—磁鋼；3—阻尼杯；4—導(dǎo)磁體；5—連接桿；6—外殼；7—線圈；8一簧片；9一引出線接頭速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖16所示。速度傳感器實(shí)際上是一個(gè)往復(fù)式永磁小發(fā)電機(jī)。傳感器外殼6固定在被測(cè)物體上，與被測(cè)物體一起振動(dòng)。動(dòng)線圈7用很軟的簧片1、8固定在外殼上，其自振頻率①n很低。當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)頻率①2150〃時(shí)，動(dòng)線圈處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。線圈與磁鋼之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。輸出電壓正比于振動(dòng)速度，所以稱為速度傳感器。圖17加速度傳感器1一底座；2—壓電晶體片；3—導(dǎo)電片；4—質(zhì)量塊；5—外殼；6一碟形簧片；7一引出線接頭；8一導(dǎo)線加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖17所示。它利用壓電材料的壓電特性，當(dāng)有外力作用在壓電材料上時(shí)便產(chǎn)生電荷。蝶形簧片通過質(zhì)量塊4和導(dǎo)電片3與壓電晶體片2緊密接觸。將這些部件裝在不銹鋼外殼5內(nèi)，晶體片的電荷通過導(dǎo)線8引出。壓電晶體片輸出電荷正比于作用在晶體片上的力。物體振動(dòng)時(shí)，晶體片上受到的作用力正比于質(zhì)量塊質(zhì)量和振動(dòng)加速度的乘積。因此，當(dāng)質(zhì)量塊質(zhì)量一定時(shí)，傳感器輸出電荷與振動(dòng)加速度成正比。圖18接觸式軸絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法1—軸；2—滑塊；3—測(cè)振桿；4—速度傳感器圖19組合式振動(dòng)傳感器1—軸；2—渦流傳感器；3—軸承蓋；4—外殼；5—速度傳感器采用渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)時(shí)，傳感器大多固定在支架上，支架又固定在軸瓦上，所測(cè)量出的是轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸承座的振動(dòng)，通常稱為轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)。轉(zhuǎn)軸相對(duì)于自由空間的振動(dòng)稱為絕對(duì)軸振。絕對(duì)軸振可以采用接觸式或組合式方法測(cè)量。圖18給出了接觸式轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法。測(cè)振桿的一端與滑塊或碳刷相連，直接壓在轉(zhuǎn)軸上。臨時(shí)測(cè)量時(shí)，也可將轉(zhuǎn)軸接觸端做成V字形，將V字形缺口對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)軸，與轉(zhuǎn)軸保持垂直并壓緊。測(cè)振桿另一端與速度傳感器相連。轉(zhuǎn)軸振動(dòng)通過滑塊傳至測(cè)振桿，再傳至速度傳感器，對(duì)輸出信號(hào)積分后，便可得到轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)信號(hào)。該法簡(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)常用來對(duì)渦流傳感器振動(dòng)讀數(shù)進(jìn)行校核。這種測(cè)量方式由于高速旋轉(zhuǎn)的軸與探頭相接觸，時(shí)間長(zhǎng)后會(huì)出現(xiàn)磨損。圖19給出了組合式轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方法。將速度傳感器和電渦流傳感器組合起來，用速度傳感器和積分器測(cè)量軸承絕對(duì)振動(dòng)，用電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)。將這兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)疊加，可獲得轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)。這種疊加并不是簡(jiǎn)單的相加，需要考慮兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)之間的相位差以及積分過程中相位漂移等因素的影響。二、振動(dòng)傳感器特點(diǎn)和選用渦流傳感器輸出與振動(dòng)位移成正比。傳感器與被測(cè)物體不接觸，可以測(cè)量轉(zhuǎn)

動(dòng)部件的振動(dòng)，并可進(jìn)一步用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)速和相位。振動(dòng)測(cè)量的頻率范圍較寬，能同時(shí)作靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，適用于絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械。傳感器輸出結(jié)果與被測(cè)物體材料有關(guān)，材料不同會(huì)影響傳感器線性范圍和靈敏度，須重新標(biāo)定。為了獲得可靠數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器的安裝要求較嚴(yán)。速度傳感器輸出與振動(dòng)速度成正比，信號(hào)可以直接提供給分析系統(tǒng)。傳感器安裝簡(jiǎn)單，臨時(shí)測(cè)量可以采用手扶方式或通過磁座與被測(cè)物體固定，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可以通過螺釘與被測(cè)物體固定。速度傳感器體積、重量偏大，低頻特性較差。測(cè)量10Hz以下振動(dòng)時(shí)，幅值和相位有誤差，需要補(bǔ)償。測(cè)量發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)振動(dòng)時(shí)，速度傳感器可能會(huì)受到電磁干擾的影響。此時(shí)，速度傳感器的輸出信號(hào)會(huì)變得很不穩(wěn)定，互大互小，沒有規(guī)律。加速度傳感器輸出與振動(dòng)加速度成正比。體積小、重量輕是加速度傳感器的突出特點(diǎn)，特別適用于細(xì)小和質(zhì)量較輕部件的振動(dòng)測(cè)試。加速度傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，不易損壞。渦流、速度和加速度傳感器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中都得到了廣泛應(yīng)用。通常是用渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)，用速度或加速度傳感器測(cè)量軸承座振動(dòng)。另外，由位移、速度和加速度之間的關(guān)系可知，為了突出反映故障信號(hào)中高頻分量或脈沖量的變化，可以選用加速度傳感器;為了突出反映故障信號(hào)中低頻分量的變化，可以選用渦流傳感器。三、渦流傳感器的安裝渦流傳感器安裝要求較嚴(yán)，安裝時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：避免工作溫度過高。溫度過高不僅會(huì)降低傳感器靈敏度，而且會(huì)損壞傳感器。目前傳感器（非特制）最高容許溫度大部分是在120°C以下。避免交叉感應(yīng)。如圖20所示，兩個(gè)傳感器距離較近時(shí)，相互之間將產(chǎn)生交叉感應(yīng)，降低傳感器靈敏度。不同形式的渦流傳感器對(duì)兩個(gè)傳感器之間的距離要求不同。例如，本特利公司3300系列渦流傳感器規(guī)定A25mm。(■?

(■?圖20渦流傳感器的交叉感應(yīng)避免頭部側(cè)隙和外露長(zhǎng)度過小。如圖21所示，傳感器頭部側(cè)隙和外露長(zhǎng)度較小時(shí)，頭部附近的導(dǎo)體會(huì)影響傳感器輸出，一般要求b>d,c22d?，F(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器受位置限制時(shí)，可以去掉傳感器頭部附近的金屬，使b和c滿足要求。避免支架振動(dòng)。渦流傳感器有時(shí)是固定在支架上，有時(shí)是套裝在支承桿上，然后再固定到軸承座上。傳感器安裝時(shí)應(yīng)該盡可能避免因支架的振動(dòng)和松動(dòng)而產(chǎn)生誤差。支架和套筒固有頻率必須避開工作轉(zhuǎn)速，否則會(huì)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致振動(dòng)讀數(shù)誤差很大。支架共振現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)大型汽輪發(fā)電機(jī)組上已經(jīng)發(fā)生過多起。某300MW機(jī)組升速至2400rpm?2500rpm時(shí)，#3、#4軸承的軸振超過350um，引發(fā)振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。與此同時(shí)，瓦振在該轉(zhuǎn)速附近，振動(dòng)一直比較平穩(wěn)。分析表明這是由于測(cè)振桿共振引起的。將測(cè)振桿加粗后，該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)大大減小。多臺(tái)機(jī)組的實(shí)測(cè)表明，測(cè)振桿共振現(xiàn)象具有以下幾點(diǎn)共同特征：①振動(dòng)峰值很尖，發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速范圍很窄(100?200rpm)；②該轉(zhuǎn)速附近軸承座振動(dòng)較小、變化平穩(wěn)而且沒有峰值；測(cè)振桿是否出現(xiàn)共振可以通過現(xiàn)場(chǎng)敲擊試驗(yàn)來判定。上臺(tái)機(jī)組的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，3、4號(hào)軸承處傳感器支承桿的固有頻率分別為40.2Hz(2412rpm)和41.3Hz(2478rpm)，正好對(duì)應(yīng)著升速過程中3、4號(hào)軸承處軸振動(dòng)的峰值頻率，可見3、4號(hào)軸承處的軸振動(dòng)峰值并非轉(zhuǎn)子本身的振動(dòng)，而是傳感器支承桿自身共振引起的。(a)傳感器頭部側(cè)隙和外露長(zhǎng)度過小 (b)補(bǔ)救方法圖21避免傳感器頭部側(cè)隙和外露長(zhǎng)度過小正確的初始間隙。圖22給出了傳感器靜態(tài)性能曲線。從圖中可以看出，傳感器與被測(cè)物體之間的距離過大或過小時(shí)，輸出電壓與距離之間的線性關(guān)系較差，傳感器讀數(shù)將會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，傳感器安裝時(shí)必須將初始間隙調(diào)整到傳感器線性范圍的中部。被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器輸出值在該點(diǎn)附近的線性范圍內(nèi)變化。以本特利公司3300系列渦流傳感器為例，建議靜態(tài)下初始間隙電壓值調(diào)整在一12V（1.5mm）左右。500 1000 1500 2000 2500 3000 3500距離/“m500 1000 1500 2000 2500 3000 3500距離/“m5O1V桂電5圖22傳感器靜態(tài)性能曲線避免電磁干擾。渦流傳感器輸出不僅與探頭到軸表面的距離有關(guān)，還與軸表面剩磁、導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率等有關(guān)，受電磁干擾的影響較大。某臺(tái)125MW汽輪發(fā)電機(jī)組空載時(shí)，各點(diǎn)軸振、瓦振良好。滿負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)后軸承處軸振由43um增大為182um。勵(lì)磁電流減小，振動(dòng)也隨之減小。軸振增大的同時(shí)，瓦振變化不大。分析發(fā)現(xiàn)空載時(shí)的軸振波形比較正常，近似于正弦波。帶負(fù)荷時(shí)波形中出現(xiàn)了很多幅值很大的負(fù)向尖毛刺（圖23），每周期內(nèi)有兩個(gè)大小不等的毛刺。毛刺幅值甚至超過了原來的振動(dòng)幅值，直接導(dǎo)致了振動(dòng)讀數(shù)的增大。頻譜分析結(jié)果（圖24）表明，除了工頻分量外，還有大量的2x、4x、6x、8x等倍頻。機(jī)組解列后，倍頻分量消失。這種現(xiàn)象普遍存在于50MW、100MW、125MW、135MW等采用雙水內(nèi)冷的發(fā)電機(jī)組后軸承上。研究發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，采用雙水內(nèi)冷的發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁引線通過發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承處的軸段，轉(zhuǎn)軸表面存在不同程度的磁化現(xiàn)象，磁導(dǎo)率不同，干擾了傳感器的輸出。隨著勵(lì)磁電流的增大，電磁干擾加大。為消除發(fā)電機(jī)后軸承軸振虛假信號(hào)問題，結(jié)合機(jī)組檢修，對(duì)測(cè)振裝置進(jìn)行了改造。將發(fā)電機(jī)后軸承軸振動(dòng)測(cè)量探頭改為接觸式探頭，通過測(cè)振桿與軸的接觸來測(cè)量轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)。采用新的測(cè)量方法后，基本解決了軸振虛假信號(hào)問題。但是由于采用接觸式測(cè)量，探頭與轉(zhuǎn)軸接觸部位存在一定程度的磨損。圖23電磁干擾后的發(fā)電機(jī)后軸承軸振波形圖24電磁干擾后的發(fā)電機(jī)后軸承軸振頻譜減少轉(zhuǎn)軸初始偏擺。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)軸不振動(dòng)時(shí)，渦流傳感器輸出應(yīng)該為一正比于間隙的直流電壓。但是當(dāng)被測(cè)表面存在機(jī)械缺陷（如軸表面不圓、局部腐蝕、有凹坑或傷痕、軸有彎曲）或電磁缺陷（如軸表面局部存在較強(qiáng)剩磁或有殘余應(yīng)力）時(shí)，即使不振動(dòng)，渦流傳感器也會(huì)有波動(dòng)電壓輸出。電磁干擾和機(jī)械干擾統(tǒng)稱為初始偏擺，應(yīng)該盡量避免。初始偏擺的量值可以根據(jù)低速下渦流傳感器的輸出來確定。四、渦流傳感器輸出信號(hào)可靠性的判斷方法影響渦流傳感器輸出的因素很多。軸振增大時(shí)，人們往往首先懷疑傳感器的可靠性。實(shí)際上，在目前技術(shù)條件下，大多數(shù)情況下軸振信號(hào)還是比較可靠的。渦流傳感器輸出信號(hào)的可靠性可以根據(jù)以下幾點(diǎn)綜合判斷：（1） 根據(jù)間隙電壓判斷。渦流傳感器輸出電壓信號(hào)同時(shí)包含直流量和交流量。直流量對(duì)應(yīng)著傳感器和探頭之間的平均距離，又稱為間隙電壓。交流量對(duì)應(yīng)著振動(dòng)信號(hào)。如果間隙電壓正常，那么交流量一般也是正常的。（2） 根據(jù)軸振和瓦振的變化趨勢(shì)來判斷。雖然軸振和瓦振的比例關(guān)系有大有小，但是正常情況下，軸振和瓦振應(yīng)該同步變化。（3） 根據(jù)軸振輸出波形判斷，排除毛刺等異?，F(xiàn)象。（4） 排除傳感器支架共振和松動(dòng)故障。（5） 測(cè)試盤車狀態(tài)下的傳感器讀數(shù)，去除振動(dòng)信號(hào)中所包含的軸表面初始偏擺。（6） 根據(jù)升、降速過程中軸振幅值和相位的變化是否符合機(jī)械振動(dòng)規(guī)律和轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性來判斷。（7） 采用測(cè)振桿+碳刷+速度傳感器的方法臨時(shí)測(cè)量軸的絕對(duì)振動(dòng)，根據(jù)轉(zhuǎn)軸絕對(duì)振動(dòng)大小來判斷。五、相位測(cè)量相位是旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析不可缺少的參數(shù)。相位的變化直接反映了轉(zhuǎn)軸上不平衡力角度的變化。動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，加重角度的確定在很大程度上取決于相位。相位準(zhǔn)確與否，直接影響動(dòng)平衡工作效率。相位有多種定義方式。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中，相位有其特殊含義。它是指振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)軸上某一標(biāo)記之間的相位差。設(shè)有轉(zhuǎn)軸如圖25所示，在軸上某一位置做標(biāo)記（反光帶或鍵槽），安裝鍵相傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)記轉(zhuǎn)動(dòng)到鍵相傳感器處時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。相位被定義為基準(zhǔn)脈沖與振動(dòng)信號(hào)上某點(diǎn)（例如正峰或零點(diǎn)等）之間的相位差。目前國(guó)內(nèi)外比較通用的相位定義是標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)前沿導(dǎo)前振動(dòng)信號(hào)第一個(gè)正峰值的角度，即脈沖信號(hào)在前，振動(dòng)信號(hào)正峰值在后。獲取脈沖信號(hào)的傳感器俗稱為鍵相探頭?；鶞?zhǔn)脈沖信號(hào)有兩種獲取方式：在轉(zhuǎn)子上貼反光帶，配光電傳感器。每當(dāng)反光帶通過光電傳感器時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸表面的色差而產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)速完全同步的脈沖信號(hào)；在轉(zhuǎn)子上開鍵槽，配渦流傳感器。每當(dāng)鍵槽通過渦流傳感器時(shí)，由于探頭與被測(cè)物體之間的距離變化而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。圖25脈沖測(cè)相示意圖使用光電傳感器測(cè)量相位很方便。光電傳感器分可見光和紅外線兩種。采用可見光光電傳感器時(shí)，轉(zhuǎn)軸表面必須涂為黑白兩種顏色。光線射到黑色部位時(shí)被吸收，光線射到白色部位時(shí)，反射到光電管上產(chǎn)生電信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)軸上涂的白色標(biāo)記稱反光帶。制作反光帶時(shí)需要將外露軸表面清理干凈，不能