大機(jī)組振幅測(cè)量的若干問題

阮 躍 ，潘 勇 ，周廣順

（1.北京振測(cè)智控科技有限公司，北京 100085；2.山東省電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250001）

0 引言

振動(dòng)測(cè)試是旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，振幅、頻率和相位是描述振動(dòng)的三要素。振幅是振動(dòng)強(qiáng)度和能量水平的標(biāo)志，是評(píng)判機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。根據(jù)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象和不同監(jiān)測(cè)方式，需要使用不同類型的振動(dòng)傳感器，包括振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度傳感器。振幅通常用峰值、峰峰值或有效值表示。

1 大機(jī)組振幅測(cè)量

大機(jī)組，如汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和煙氣輪機(jī)等，為了測(cè)量振動(dòng)，普遍在每個(gè)主要軸承X，Y方向安裝了電渦流傳感器，V方向安裝了振動(dòng)速度傳感器，通常，X，Y方向?yàn)檩S承座垂直方向左、右各45°，V為軸承座垂直方向。

對(duì)于大機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)，目前普遍采用鍵相傳感器作為同步整周期采樣基準(zhǔn)。當(dāng)鍵相正常時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)和振動(dòng)分析故障診斷系統(tǒng)一般采用整周期采樣計(jì)算波形的峰峰值。峰峰值可以是這段波形的極大值減去極小值，或者去除一個(gè)或若干個(gè)極值再計(jì)算，也可以是若干個(gè)周期峰峰值的均值。不同的系統(tǒng)采取的算法不同，得到的峰峰值有些差異。

當(dāng)鍵相失效或低速盤車時(shí)，系統(tǒng)采用基于時(shí)間的采樣，振幅一般是計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)波形的峰峰值。采樣時(shí)間越長(zhǎng)，峰峰值越大。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，測(cè)量的周期數(shù)較少甚至不足一個(gè)周期，振幅偏小且不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，測(cè)量的周期數(shù)增大，振幅偏大。

對(duì)于離散采樣，由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行明確規(guī)定，振動(dòng)波形一般不是單一頻率的正弦波，周期之間不能嚴(yán)格重復(fù)，這時(shí)，采樣周期越長(zhǎng)，得到的峰峰值就越大，特別是當(dāng)波形畸變嚴(yán)重和重復(fù)性不好時(shí)，如圖1所示。

圖1 2#軸承垂直方向瓦振波形

2 手持振動(dòng)表的振幅測(cè)試

數(shù)字顯示的手持振動(dòng)表，采用內(nèi)置式加速度傳感器，可以同時(shí)測(cè)量振動(dòng)的加速度、速度和位移，它是采用峰值保持電路和真有效值電路實(shí)現(xiàn)模擬采樣，并不直接測(cè)量振動(dòng)的波形。測(cè)量精度和反映速度取決于電容充放電時(shí)間、頻帶寬度和紋波大小等[3]。

用手持振動(dòng)表同時(shí)測(cè)量軸承同一部位的振動(dòng)速度v和振動(dòng)位移D，對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，有v=0.002 22fD，其中，v是振動(dòng)速度有效值，mm/s；D 是振動(dòng)位移峰峰值，μm；f是機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率，Hz。根據(jù)測(cè)量的振動(dòng)位移峰峰值D和轉(zhuǎn)速頻率f計(jì)算得到的振動(dòng)速度有效值v-1，v-1=0.002 22fD。對(duì)于大機(jī)組，振動(dòng)主頻通常是轉(zhuǎn)速頻率，如果v＞1.1v-1，則機(jī)組存在高頻振動(dòng)，如電磁激振；如果v＜0.9v-1，則機(jī)組存在低頻振動(dòng)，如軸系失穩(wěn)。

由于電路設(shè)計(jì)不同，不同的手持振動(dòng)表同時(shí)測(cè)量軸承相同部位的振動(dòng)，可能存在稍許差別。由于測(cè)量原理不同，手持振動(dòng)表和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量軸承相同部位的振動(dòng)，可能存在較大差別。

3 振幅的直接測(cè)量與間接測(cè)量

振幅一般是通過在特定位置安裝的振動(dòng)傳感器直接測(cè)量得到的，但也存在間接測(cè)量方式。

轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)的測(cè)量通常使用復(fù)合式傳感器，它是一個(gè)電渦流傳感器和一個(gè)速度傳感器的組合，轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)振動(dòng)是電渦流傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)和速度傳感器測(cè)量的軸承座振動(dòng)的矢量和。

矢量運(yùn)算并不是簡(jiǎn)單的相加，需要考慮2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，當(dāng)振動(dòng)頻譜中低頻成分較大時(shí)容易發(fā)生偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)的測(cè)量值不準(zhǔn)確。

設(shè)轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)的振幅為RA，轉(zhuǎn)子相對(duì)振動(dòng)的振幅為RB，軸承座振動(dòng)的振幅為BA，理論上，≤RA≤RB+BA，如果軸系出現(xiàn)較大的低頻振動(dòng)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子相對(duì)振動(dòng)的情況：RA＜≤≤RB。依靠目前普遍采用的X，Y向電渦流傳感器獲得的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行矢量合成可以得到圓周任意方向的振動(dòng)，相當(dāng)于在軸承圓周方向任意角度都安裝了電渦流傳感器。如果轉(zhuǎn)換為V向的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)信號(hào)，再與V向速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行矢量合成，就可以獲得轉(zhuǎn)軸在V向的絕對(duì)振動(dòng)，這樣不需要安裝復(fù)合式傳感器，也能夠通過計(jì)算間接獲得轉(zhuǎn)子的絕對(duì)振動(dòng)，如表1所示，在最后一項(xiàng)，分別顯示V向的轉(zhuǎn)子相對(duì)振動(dòng)、軸承座振動(dòng)和轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)的振幅，振幅單位為μm。

表1 軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 振幅的測(cè)量精度

對(duì)于離散采樣，影響振幅測(cè)量精度的因素，除了振動(dòng)傳感器本身精度（一般±1%）外，還有測(cè)量環(huán)境干擾和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度等，累積測(cè)量誤差不容小視，單純要求A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為24位，通常是不必要的。影響振幅大小的因素，除了機(jī)組本身的結(jié)構(gòu)和工作方式外，還有傳感器安裝位置和機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)等，振幅大小是在特定條件下測(cè)量獲得的。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，用振動(dòng)位移單位μm表示的振幅警告值和危險(xiǎn)值是整數(shù)，如火電機(jī)組一般規(guī)定在額定轉(zhuǎn)速3000 r/min時(shí)，電渦流傳感器測(cè)量的軸相對(duì)振動(dòng)＞125 μm報(bào)警，＞250 μm危險(xiǎn)，用振動(dòng)速度單位mm/s表示的振幅警告值和危險(xiǎn)值是1位小數(shù)。因此，雖然A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度可以很高，但大機(jī)組實(shí)際振幅的表示只需要比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)多一位小數(shù)即可，過多的小數(shù)位，容易使人眼花繚亂產(chǎn)生誤讀。

5 結(jié)束語

大機(jī)組振幅的測(cè)量，是振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)的主要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)機(jī)組機(jī)械狀態(tài)的主要指標(biāo)。振幅的測(cè)量和計(jì)算，表面上看很簡(jiǎn)單，實(shí)際上有很多問題需要認(rèn)真考慮。振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，可以是模擬采樣，也可以是離散數(shù)字采樣，可以通過振動(dòng)傳感器的采樣直接獲得，也可以通過計(jì)算間接得到。影響振幅測(cè)量精度的因素很多，如果不同測(cè)量?jī)x表獲得的數(shù)據(jù)不一致，需要具體分析。此外，振動(dòng)位移、速度和加速度之間的關(guān)系以及振幅的表現(xiàn)形式等，也需要正確認(rèn)識(shí)和處理。