大機組振幅測量的若干問題

阮 躍 ，潘 勇 ，周廣順

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

0 引言

振動測試是旋轉機械狀態監測的重要組成部分，振幅、頻率和相位是描述振動的三要素。振幅是振動強度和能量水平的標志，是評判機器運轉狀態優劣的主要指標。根據不同監測對象和不同監測方式，需要使用不同類型的振動傳感器，包括振動位移、振動速度和振動加速度傳感器。振幅通常用峰值、峰峰值或有效值表示。

1 大機組振幅測量

大機組，如汽輪發電機組、燃氣發電機組和煙氣輪機等，為了測量振動，普遍在每個主要軸承X，Y方向安裝了電渦流傳感器，V方向安裝了振動速度傳感器，通常，X，Y方向為軸承座垂直方向左、右各45°，V為軸承座垂直方向。

對于大機組振動監測，目前普遍采用鍵相傳感器作為同步整周期采樣基準。當鍵相正常時，振動監測保護系統和振動分析故障診斷系統一般采用整周期采樣計算波形的峰峰值。峰峰值可以是這段波形的極大值減去極小值，或者去除一個或若干個極值再計算，也可以是若干個周期峰峰值的均值。不同的系統采取的算法不同，得到的峰峰值有些差異。

當鍵相失效或低速盤車時，系統采用基于時間的采樣，振幅一般是計算一段時間內振動波形的峰峰值。采樣時間越長，峰峰值越大。轉速較低時，測量的周期數較少甚至不足一個周期，振幅偏小且不穩定，轉速較高時，測量的周期數增大，振幅偏大。

對于離散采樣，由于行業標準并沒有對采樣時間進行明確規定，振動波形一般不是單一頻率的正弦波，周期之間不能嚴格重復，這時，采樣周期越長，得到的峰峰值就越大，特別是當波形畸變嚴重和重復性不好時，如圖1所示。

圖1 2#軸承垂直方向瓦振波形

2 手持振動表的振幅測試

數字顯示的手持振動表，采用內置式加速度傳感器，可以同時測量振動的加速度、速度和位移，它是采用峰值保持電路和真有效值電路實現模擬采樣，并不直接測量振動的波形。測量精度和反映速度取決于電容充放電時間、頻帶寬度和紋波大小等[3]。

用手持振動表同時測量軸承同一部位的振動速度v和振動位移D，對于簡諧振動，有v=0.002 22fD，其中，v是振動速度有效值，mm/s；D 是振動位移峰峰值，μm；f是機組轉速頻率，Hz。根據測量的振動位移峰峰值D和轉速頻率f計算得到的振動速度有效值v-1，v-1=0.002 22fD。對于大機組，振動主頻通常是轉速頻率，如果v＞1.1v-1，則機組存在高頻振動，如電磁激振；如果v＜0.9v-1，則機組存在低頻振動，如軸系失穩。

由于電路設計不同，不同的手持振動表同時測量軸承相同部位的振動，可能存在稍許差別。由于測量原理不同，手持振動表和在線監測系統同時測量軸承相同部位的振動，可能存在較大差別。

3 振幅的直接測量與間接測量

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

轉子絕對振動的測量通常使用復合式傳感器，它是一個電渦流傳感器和一個速度傳感器的組合，轉軸的絕對振動是電渦流傳感器測量的轉軸相對振動和速度傳感器測量的軸承座振動的矢量和。

矢量運算并不是簡單的相加，需要考慮2個振動信號之間的相位差以及積分過程中相位漂移等因素的影響，當振動頻譜中低頻成分較大時容易發生偏差，導致轉子絕對振動的測量值不準確。

設轉子絕對振動的振幅為RA，轉子相對振動的振幅為RB，軸承座振動的振幅為BA，理論上，≤RA≤RB+BA，如果軸系出現較大的低頻振動，這時會出現轉子絕對振動遠小于轉子相對振動的情況：RA＜≤≤RB。依靠目前普遍采用的X，Y向電渦流傳感器獲得的轉軸振動信號，進行矢量合成可以得到圓周任意方向的振動，相當于在軸承圓周方向任意角度都安裝了電渦流傳感器。如果轉換為V向的轉軸振動信號，再與V向速度傳感器的振動信號進行矢量合成，就可以獲得轉軸在V向的絕對振動，這樣不需要安裝復合式傳感器，也能夠通過計算間接獲得轉子的絕對振動，如表1所示，在最后一項，分別顯示V向的轉子相對振動、軸承座振動和轉子絕對振動的振幅，振幅單位為μm。

表1 軸承振動數據

4 振幅的測量精度

對于離散采樣，影響振幅測量精度的因素，除了振動傳感器本身精度（一般±1%）外，還有測量環境干擾和A/D數據轉換精度等，累積測量誤差不容小視，單純要求A/D數據轉換精度為24位，通常是不必要的。影響振幅大小的因素，除了機組本身的結構和工作方式外，還有傳感器安裝位置和機組的運行參數等，振幅大小是在特定條件下測量獲得的。

在國際標準中，用振動位移單位μm表示的振幅警告值和危險值是整數，如火電機組一般規定在額定轉速3000 r/min時，電渦流傳感器測量的軸相對振動＞125 μm報警，＞250 μm危險，用振動速度單位mm/s表示的振幅警告值和危險值是1位小數。因此，雖然A/D數據轉換精度可以很高，但大機組實際振幅的表示只需要比國際標準多一位小數即可，過多的小數位，容易使人眼花繚亂產生誤讀。

5 結束語

大機組振幅的測量，是振動監測保護的主要依據，也是評價機組機械狀態的主要指標。振幅的測量和計算，表面上看很簡單，實際上有很多問題需要認真考慮。振動數據的采集，可以是模擬采樣，也可以是離散數字采樣，可以通過振動傳感器的采樣直接獲得，也可以通過計算間接得到。影響振幅測量精度的因素很多，如果不同測量儀表獲得的數據不一致，需要具體分析。此外，振動位移、速度和加速度之間的關系以及振幅的表現形式等，也需要正確認識和處理。