相位分析技術在故障診斷中的應用

施連勇

（中國石油錦州石化公司熱電公司，遼寧錦州 121001）

0 引言

振動有3 個要素，分別是振動幅值、頻率和相位，忽視任何一個要素就是不全面的。相位是振動分析中一個非常重要的參數。有了相位之后，對振動問題的認識除了大小、頻率以外還有角度，振動問題由此而成為一個矢量概念。

1 相位技術簡介

相位是在給定時刻振動體被測點相對于固定參考點的位置，單位是度（°）。

相位是振動在時間先后關系上或空間位置關系上相互差異的標志，如同一部件不同位置處的振動或不同部件之間的振動，它不僅在判斷振動故障的類型中有著重要作用，也是動平衡技術必不可缺少的一部分。

在測得的工頻相位中，測點H的相位為45°、測點V 處的相位為135°，測點H的振動超前測點V90°，兩個測點的相位差為90°表明，H、V 處的最大振動不同時，相差的時間正好是轉子轉過兩個測點的時間（V 測點與H 測點相互垂直，正好是90°），很可能是不平衡問題（圖1）。

圖1 相位測量示意

2 實例分析

中國石油錦州石化公司重油催化裝置的增壓機機組是由電機和增壓機組成，機組運行狀態一直都非常平穩，振動幅值非常小。2013年7 月25 日1:15，機組振動突然增大，持續13 min 后導致燒瓦事故。機組解體后發現電機驅動端軸瓦損壞，聯軸節處膜片彈出，增壓機高速軸輸入端軸瓦損壞（圖2）。

圖2 電機損壞軸瓦

2.1 初次檢修

在對機組進行的檢修中，更換了軸瓦和聯軸節，分別對電機的軸和風扇做了動平衡。檢修后進行電機空試，電機振動幅值與事故前比較有顯著增大，具體數值見表1，相關頻譜見圖3～圖5。

表1 電機的振動幅值 mm/s

從圖3～圖5的振動幅值上可以看出，電機檢修后的效果并不好，沒有完全解決故障。頻譜圖中可以看出，1×轉速頻率的振動尖峰在頻譜中占優勢，水平、垂直以及軸向方向振動都很大。

圖3 水平方向頻譜圖

圖4 垂直方向頻譜圖

圖5 軸向頻譜圖

為查找振動大的原因，測試電機4 個地腳處的振動，振動幅值分別為1.64 mm/s、2.16 mm/s、8.31 mm/s 和2.33 mm/s。結合頻譜分析，得出初步結論：

（1）有一處地腳的振動幅值過大，懷疑是發生故障時振動過大導致了地腳松動。

（2）徑向振動幅值過大且1×轉速頻率占優勢，懷疑是因為電機軸和風扇分別做動平衡而導致的平衡精度不夠。

（3）軸向振動幅值過大，懷疑是因為振動過大導致4 個地腳不在一個水平面上。

根據故障分析，首先對地腳進行緊固，但振動幅值依然不變。

2.2 相位分析

依據以往的經驗，當轉子存在動不平衡時，水平方向振動通常略大于垂直方向振動（一般在2～3 倍）。但是此電機的振動幅值水平方向和垂直方向振動均很大，無法確認是否存在動不平衡現象。

為了診斷電機是否存在動不平衡，進行了相位測量。由于現場環境的限制，只能在1H 和1V 處設置鍵相器。進行了3 次相位測量，測得1H 和1V的相位差均是264°。相位差264°，相當于相位差360°-264°=96°。根據動不平衡理論：

（1）不平衡振動總是顯示出不平衡部件轉速頻率的1×頻率的振動。通常這個1×轉速頻率的振動尖峰在頻譜中占優勢。

（2）當不平衡超過其他故障成為主要振動原因時，軸承水平方向與垂直方向振動相位差約90°。

（3）不平衡轉子通常在徑向方向呈現穩定的、可重復的振動相位差。

本例中1×轉速頻率在頻譜中占優勢，相位96°、非常接近于90°，并且徑向方向的相位差非常穩定。

通過頻譜與相位綜合分析后，斷定電機轉子存在動不平衡。

2.3 二次檢修

在上述分析的基礎上，決定對電機轉子系統進行整體動平衡。在這一過程中發現電機風扇松動，隨即對軸進行電鍍處理。而電機軸和風扇不平衡量并不大，僅有0.2 g。在做動平衡后空試電機，4 個地腳處的振動幅值分別為1.64 mm/s、2.16 mm/s、8.31 mm/s 和2.33 mm/s，電機的振動幅值見表2。

表2 動平衡前后電機的振動幅值 mm/s

2.4 結論

經過整體動平衡和電鍍之后，電機振動已經恢復到正常狀態。由于不平衡量很小，所以造成電機振動大的主要原因是電機風扇松動，松動的風扇在旋轉時由于離心力的作用產生很大不平衡量。

3 小結

電機風扇松動導致的不平衡故障在實際診斷中很少遇到，如果沒有相位測量則很難進行正確診斷，積極開展頻譜分析和相位測量相結合的故障診斷是非常有必要的。