相位分析技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)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(shù)。有了相位之后，對振動問題的認(rèn)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(shù)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(guān)系上或空間位置關(guān)系上相互差異的標(biāo)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(shù)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(tài)一直都非常平穩(wěn)，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(xù)13 min 后導(dǎo)致燒瓦事故。機組解體后發(fā)現(xiàn)電機驅(qū)動端軸瓦損壞，聯(lián)軸節(jié)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(lián)軸節(jié)，分別對電機的軸和風(fēng)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(shù)值見表1，相關(guān)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(zhuǎn)速頻率的振動尖峰在頻譜中占優(yōu)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(jié)合頻譜分析，得出初步結(jié)論：

（1）有一處地腳的振動幅值過大，懷疑是發(fā)生故障時振動過大導(dǎo)致了地腳松動。

（2）徑向振動幅值過大且1×轉(zhuǎn)速頻率占優(yōu)勢，懷疑是因為電機軸和風(fēng)扇分別做動平衡而導(dǎo)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(dǎo)致4 個地腳不在一個水平面上。

根據(jù)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(jù)以往的經(jīng)驗，當(dāng)轉(zhuǎn)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(rèn)是否存在動不平衡現(xiàn)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(xiàn)場環(huán)境的限制，只能在1H 和1V 處設(shè)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(dāng)于相位差360°-264°=96°。根據(jù)動不平衡理論：

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

（2）當(dāng)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(zhuǎn)子通常在徑向方向呈現(xiàn)穩(wěn)定的、可重復(fù)的振動相位差。

本例中1×轉(zhuǎn)速頻率在頻譜中占優(yōu)勢，相位96°、非常接近于90°，并且徑向方向的相位差非常穩(wěn)定。

通過頻譜與相位綜合分析后，斷定電機轉(zhuǎn)子存在動不平衡。

2.3 二次檢修

在上述分析的基礎(chǔ)上，決定對電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行整體動平衡。在這一過程中發(fā)現(xiàn)電機風(fēng)扇松動，隨即對軸進行電鍍處理。而電機軸和風(fēng)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(jié)論

經(jīng)過整體動平衡和電鍍之后，電機振動已經(jīng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。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(fēng)扇松動，松動的風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)時由于離心力的作用產(chǎn)生很大不平衡量。

3 小結(jié)

電機風(fēng)扇松動導(dǎo)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(jié)合的故障診斷是非常有必要的。