振动分析基础知识：振动相位的测量及其分析
什么是振动?怎样利用它来进行评价机器的状态? 振动就是机器或机零件从其平衡位置所做的往复运动。振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。
振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此振动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器轴承座上测量振动的过程可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在没有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。
什么是振动相位? 振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。
振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。
下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。
在左侧图中，机器上的轴承1和轴承2之间的振动相位差为0度(同相振动)，而在右侧图中的机器，轴承1和轴承2之间的振动相位差为180度(反相振动)。
振动相位及其应用 相位是机器某一部分的振动与另一部位振动的相互关系。
相位分析是一个强有利的工具，可用于协助查找故障源，例如，有许多设备问题都会引起工作转速下的较大振动(如，不平衡、不对中、偏心、轴弯曲、软地脚、齿轮断齿、共振、紧固螺栓松动等)。同样，也有些问题可以在2X或3X RPM处产生较大的振动。面对这些问题及可能产生的频率成分，振动分析师很难确定振动的原因。然而，若振动分析师能在每个轴承座上测量振动相位，则能使问题的确定容易些。
如何测量振动相位? 使用光电头测量振动相位要比手持闪光灯的测量方法精确得多，手持闪光灯是由人通过参考标记来读取相位角，所以误差较大。
为了有效地测量相位角，必须首先将频闪灯调到你所要求的闪光频率(通常是轴的转速频率)，振动幅值和相位读数必须同时记录。振动传感器必须从一个轴承座移到另一个轴承座，测量水平、垂直、和轴向方向的数据。在每次将传感器移到一新位置或方向时，这时就要找到和记录相位参考标记新的位置的角度。测量时操作闪光灯能更清楚地观察到参考标记，但此时振动传感器必须牢固地安装在每个测量位置或方向上。
然而，使用光电头进行相位测量，光电头和振动传感器必须都可靠固定好，在进行不同位置和不同方向测量时，只需将振动传感器移动到下一个位置。
如何在振动故障诊断中使用相位分析? 这里我们研究一个轴承座是做前后振动(如图4所示)还是做扭转振动(如图5所示)。
分析可能存在的轴承翘起或轴弯曲的例子
如图4所示，当测量轴向振动的相位数据时，振动传感器应该安置在1、2、3和4的测点上，如图4显示，轴承座是在做平面运动。
如果，在这相同的四个测点上产生如图5所示的测量结果，即每个测点与下一个测点产生的相位相差90度，这说明有可能存在轴弯曲或轴承翅起的问题。
如果，1、3两测点相位相差180度，说明轴承存在上、下翅起，如果在测点2、和测点4之间的相位相差180度，说明轴承座左右扭曲振动，可能是由于轴弯曲或轴承翅起引起。
不平衡的相位表现
对于不平衡问题，通常在相邻且位置相差90度的测点上，测量得到的振动相位相差约90度。如果此相位角较大地偏离90度，这就意味着存在着一个除不平衡以外的其它问题。说明存在不平衡问题的最有力的指示是比较在支承转子的两个轴承座上测量得到的相位值。如图7所示。
如图7所示，比较在输入端和输出端轴承座上水平和垂直相位差角，来确认是否有不平衡问题的存在。比较好的做法是测量和比较输入端和输出端轴承座上水平方向的相位差角的值，如果存在一定程度的不平衡问题，1XRPM振动幅值肯定是较高的，并且在两个轴承座上水平方向的振动相位差等于垂直方向的振动相位差(±30°)。这说明，转子的运动状态在水平方向和垂直方向是相同的，否则，其主要问题可能就不会是不平衡问题了。例如，见图7的表C，注意到在电机的两个轴承上，水平方向的振动相位差是90°-30°=60°，垂直方向的相位差是180°-120°=60°，这强有力地说明是不平衡问题。
松动问题的相位表现 有些机械松动问题，通过振动相位测量是可以发现的，已经可靠紧固的机械部件应该是与其它部件间同步运动，在各个零部件之间不应该存在显著的幅值和相位的变化，如果在相互配合的零部件之间(见图8)存在振动幅值和相位的变化，那么机械松动问题的存在是值得怀疑的。见图8，在垫板(BASE PLATE)和支承混凝土基础(CONCRETE BASE)之间存在着显著的振动幅值和相位的变化，这说明，很可能是由于在两部件间的水泥灌浆不充分所引起的。
不对中问题的相位表现 通过振动相位测量来发现不对中问题是较为常用的监测方法之一，无论是平行不对中还是角不对中，通过振动相位测量，都是可以检测到的。图9 描述了两种不对中问题的含意。
不对中问题的振动相位特点是，在联轴节两侧的振动相位差接近180°。振动幅值和相位角的测量应该在联轴节相邻的两个轴承座的4个象限位置进行。为了检测不对中情况的存在，要测量的两个轴承座应该是处在联轴节的两侧。径向振动相位对轴平行不对中问题比较敏感，而轴向振动相位对轴角不对中问题比较敏感。在进行振动相位测量比较时，重要的一点是，要遵守振动传感器的安装方向的规定。(若振动传感器，安装方向搞反，会导至180°的相位移动，从而导至不对中的错误指示。另一个需要注意的是，四个测量象限的位置要从同一个参考方向观察确定如图10所示，避免相位数据的混乱。
在轴承座A，位置2处所进行的相位测量必须与轴承座B位置2处所进行的相位测量相比较。图11是一个联轴节不对中的例子，为简化起见，只是测量了轴向方向的振动相位。
如图11所示，电机轴承1和轴承2振动方向相互之间一致，轴承3和轴承4也是同相振动，这说明电机转子和风机转子不存在内部不对中、轴弯曲和轴承翅起等问题。然而，在联轴节两端存在180°的相位变化，这说明在轴承2和轴承3之间存在不对中问题。
注意大多数的不对中问题是平行不对中和角不对中同时存在的，单纯的角不对中或平行不对中是很少见的。同时也要注意到，两个轴承座间的相位差不会正好是0°或180°，通常在两轴承间所测量的相位值差是在30°之内就认为是近似同相位。然而测量的相差越是接近180°，不对中的可能性就越大，不管这个相位差是轴向测量的还是径向测量的。
来源：本文根据普迪美科技的PPT讲义《振动测量相位分析基础知识》，由声振之家公众号整理而成
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