對(duì)于電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控和診斷測(cè)試來(lái)說(shuō)，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)部件中徑向軸運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)是至關(guān)重要的。高水平的輥徑向振擺會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的振動(dòng)讀數(shù)，但是由軸探測(cè)器跟蹤的機(jī)械以及電磁的缺陷所引起的被稱為低速輥的徑向振擺是獨(dú)立于軸的振動(dòng)的。

這樣，包括軸徑向振擺在內(nèi)的在運(yùn)行期間測(cè)量的振動(dòng)可能會(huì)增加或減少所記錄的振動(dòng)。如果振動(dòng)讀數(shù)高于實(shí)際的機(jī)器振動(dòng)，可能會(huì)觸發(fā)不必要的報(bào)警或停機(jī)狀況。另一方面，如果振動(dòng)讀數(shù)低于真正的機(jī)器振動(dòng)，那么可能會(huì)過(guò)早的發(fā)生故障。

在選擇非接觸式探測(cè)器的時(shí)候，對(duì)于低速輥的徑向振擺的測(cè)量成為美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）對(duì)電機(jī)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求。API541標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了特殊用途的、500馬力及以上的模繞鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，用在石油化工應(yīng)用行業(yè)。除非另行指定，在API電機(jī)中默認(rèn)使用滑動(dòng)軸承油膜。

在這份規(guī)范中說(shuō)明，所有擬以高于或等于1200轉(zhuǎn)/分鐘的速度運(yùn)轉(zhuǎn)的流體動(dòng)力軸承電機(jī)，都應(yīng)該配備或安裝非接觸型振動(dòng)或相位基準(zhǔn)探測(cè)器。如果提供了振動(dòng)探測(cè)器或者需要準(zhǔn)備探測(cè)器，必須要提供和處理探測(cè)器跟蹤區(qū)域，以使總的機(jī)械和電氣的徑向振擺的組合不能超過(guò)一定的限值。

圖1：渦電流、非接觸式接近探測(cè)器是一套感應(yīng)系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)也包括一條擴(kuò)展電纜和接近模塊。該系統(tǒng)測(cè)量的是探測(cè)器探頭與轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的探測(cè)器軌跡之間的間隙電壓。圖片來(lái)源：Baldor

這種測(cè)試一般是通過(guò)使用非接觸型的接近探測(cè)器來(lái)完成的，例如渦電流接近探測(cè)器。探測(cè)器會(huì)測(cè)量軸與探測(cè)器探頭之間的間隙電壓的變化。測(cè)量值的變化主要因?yàn)檎駝?dòng)產(chǎn)生的，不過(guò)也反映出低速輥的徑向振擺的影響。

下文我們會(huì)詳細(xì)分析一些不同類型的徑向振擺使用的測(cè)量手段和儀表，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可接受水平，導(dǎo)致高水平徑向振擺的影響因素，及其對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響。

非接觸式接近探測(cè)器是一套傳感系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)還包括擴(kuò)展電纜以及接近模塊。系統(tǒng)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)部件的探測(cè)器探頭與探測(cè)器軌跡之間的間隙電壓的變化。這個(gè)間隙電壓不斷改變，主要是因?yàn)檩S的振動(dòng)，不過(guò)也能反映出任何探測(cè)器失圓度、探測(cè)器軌跡與徑向軸承之間的同心度、探測(cè)器軌跡區(qū)域的表面缺陷、軸的錯(cuò)位和彎曲、或靠近探測(cè)器軌跡區(qū)域周圍的軸材質(zhì)的電磁屬性變化。

所有這些與振動(dòng)無(wú)關(guān)的軸與探測(cè)器探頭之間的間隙電壓變化定義了總指示器讀數(shù)（TIR），或者也稱為總的徑向振擺。徑向振擺會(huì)顯示在振動(dòng)讀數(shù)上，并且可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。這也就是為什么了解徑向振擺對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的監(jiān)控和診斷是至關(guān)重要的。

定義與分類

正如API541第五版章節(jié)6.3.3.3中所定義的，低速輥是油膜軸承電機(jī)或發(fā)電機(jī)的一種狀況，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在200到300轉(zhuǎn)/分鐘之間。在這個(gè)速度下，動(dòng)態(tài)效應(yīng)處于最低水平，振動(dòng)幾乎不存在。在這種狀態(tài)下，接近探測(cè)器的讀數(shù)應(yīng)該與探測(cè)器軌跡的機(jī)械缺陷密切相關(guān)，包括失圓度、與表面處理有關(guān)的缺陷、探測(cè)器軌跡與徑向軸承之間的同心性缺失、軸的彎曲、或者軸的材質(zhì)的電磁缺陷。

可以測(cè)量低速輥的狀況包括：1）在已經(jīng)組裝好的機(jī)器內(nèi)；2）放置在軸承半個(gè)外殼的V型塊上的轉(zhuǎn)動(dòng)組裝體上；或者3）在車床上。低速輥的徑向振擺主要來(lái)自有兩個(gè)方面：機(jī)械的和電氣的。

機(jī)械徑向振擺（MRO）是測(cè)量軸的圓柱表面與完美的圓柱形表面的偏差，以及與軸承中心線的同心性。偏差包括：表面失圓度、表面機(jī)械缺陷（例如表面光潔度或劃痕）、表面與軸承軸向中心之間的同心性缺失。MRO是使用刻度盤指示器或接觸式探測(cè)器進(jìn)行的測(cè)量。

電氣徑向振擺（ERO）測(cè)量的是軸表面導(dǎo)電性和磁導(dǎo)率之間的偏差。軸的不均勻的電磁屬性對(duì)接近探測(cè)器的磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，因此隨著間隙電壓的變化，會(huì)引起被處理信號(hào)的變化。

請(qǐng)注意要想確保傳感系統(tǒng)的正常運(yùn)行，要求組件必須是匹配的。如果這些組件匹配不好，所測(cè)量的振動(dòng)幅度將不準(zhǔn)確。作為默認(rèn)，接近探測(cè)器要使用AISI4140鋼來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。如果鋼的種類差別很大，可能會(huì)影響測(cè)量精度。如果有必要，可以用其他材料來(lái)標(biāo)定接近探測(cè)器。

圖2：探測(cè)器可以安裝在軸承軸頸的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，這要根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)而定并且安裝在軸的上方，其位置是經(jīng)過(guò)專門加工的并且靠近軸承軸頸。這個(gè)被稱為探測(cè)器軌跡區(qū)的軸的部位是經(jīng)過(guò)加工可以獲得最小的機(jī)械和電氣徑向振擺的。建議軌跡區(qū)的最小寬度為探測(cè)器探頭直徑的1.5倍。

實(shí)現(xiàn)有效的測(cè)量

通過(guò)如下過(guò)程可以測(cè)量低速輥的徑向振擺：

1．感應(yīng)線圈是通過(guò)交流電勵(lì)磁的，會(huì)創(chuàng)造一個(gè)交變磁場(chǎng)。

2．當(dāng)一個(gè)變化的磁場(chǎng)與一個(gè)傳導(dǎo)材料（例如軸）互相作用，被稱為渦電流的小電流會(huì)在材料內(nèi)感應(yīng)出來(lái)。

3．反過(guò)來(lái)，渦電流創(chuàng)造出一個(gè)相反的磁場(chǎng)，與最初的磁場(chǎng)向?qū)埂?/p>

4．兩個(gè)磁場(chǎng)之間的互相作用取決于探測(cè)器探頭與目標(biāo)材料之間的距離。隨著距離的變化，兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用的變化會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱妮敵觥?/p>

5．然后將電壓輸出轉(zhuǎn)換為以密耳或微米為單位的位移振動(dòng)單位。

一種常見的安裝配置包括兩個(gè)渦電流接近探測(cè)器，安裝在軸承箱上，相距90度，位于軸的垂直中心線兩側(cè)45度的位置。

探測(cè)器可以安裝在軸承軸頸的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，這要根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)而定。探測(cè)器安裝在軸的上方，其位置是經(jīng)過(guò)專門加工的并且靠近軸承軸頸。這個(gè)被稱為探測(cè)器軌跡區(qū)的軸的部位是經(jīng)過(guò)加工可以獲得最小的機(jī)械和電氣徑向振擺的。軌跡區(qū)的寬度取決于探測(cè)器探頭的大小。建議軌跡區(qū)的最小寬度為探測(cè)器探頭直徑的1.5倍。這可以確保從探測(cè)器探頭感應(yīng)的磁場(chǎng)可以全面覆蓋所加工的區(qū)域。

API541要求要在轉(zhuǎn)子的速度處于200到300轉(zhuǎn)/分鐘之間的滑行測(cè)試階段對(duì)低速輥的徑向振擺進(jìn)行測(cè)量。在這個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，探測(cè)器所記錄的偏移幾乎就是純粹的徑向振擺而沒(méi)有任何振動(dòng)。在非API的電機(jī)上，低速輥的徑向振擺可以在大約10%到15%的運(yùn)行速度下進(jìn)行記錄?？偟膹较蛘駭[記錄必須滿足電機(jī)規(guī)格書上注明的限值。

可接受的水平

電機(jī)制造商們根據(jù)客戶的要求來(lái)確定可以接受的低速輥徑向振擺的水平。API541將低速輥的徑向振擺限制在允許的未經(jīng)過(guò)濾波的振動(dòng)峰間值（1.5密耳）的30%，或者對(duì)于感應(yīng)電機(jī)來(lái)說(shuō)是0.45密耳。這些限值適合一臺(tái)已經(jīng)組裝好的電機(jī)。

如果在加工制造或初始測(cè)試過(guò)程中，徑向振擺的限值不能滿足，電機(jī)需要拆散并對(duì)軸進(jìn)行返工。這個(gè)過(guò)程會(huì)既花時(shí)間又花錢。通常來(lái)說(shuō)，為了節(jié)省時(shí)間，電機(jī)制造商們會(huì)部分地組裝電機(jī)（請(qǐng)見圖3），然后進(jìn)行快速測(cè)試來(lái)檢查低速輥的徑向振擺、軸承的對(duì)準(zhǔn)情況以及溫度。如果低速輥的徑向振擺在限值以內(nèi)，那么電機(jī)在完整的測(cè)試開始之前就可以裝配完畢。

鑒于此，API541標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了由V型塊支撐的轉(zhuǎn)動(dòng)組裝體（組裝的轉(zhuǎn)子和軸）的徑向振擺限值。通過(guò)這種方式，允許的機(jī)械和電氣徑向振擺的限值是未經(jīng)過(guò)濾波的允許振動(dòng)限值（1.5密耳）的25%。要將徑向振擺保持在0.375密耳以內(nèi)，增加了將組裝好的電機(jī)控制到預(yù)期限值的可能性。

然而，在V型塊上的轉(zhuǎn)動(dòng)組裝體測(cè)量的徑向振擺可能會(huì)很低，當(dāng)電機(jī)組裝完以后仍然可能會(huì)超過(guò)限值。成因包括由于翹起的軸承導(dǎo)致的不對(duì)準(zhǔn)、肋骨襯板沒(méi)有固定在一個(gè)中心上、在安裝過(guò)程中轉(zhuǎn)子彎曲、探測(cè)器軌跡區(qū)域受損，或者其他問(wèn)題。

有一些電機(jī)制造商有更高的要求，自行設(shè)置了機(jī)械和電氣徑向振擺的限值，該限值在軸承軸經(jīng)和探測(cè)器區(qū)域會(huì)低得多（低于0.25密耳）。這會(huì)避免在后續(xù)的加工制造流程中問(wèn)題出現(xiàn)。

圖3：API541標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)向在V型塊上支撐的轉(zhuǎn)動(dòng)組裝體（組裝好的轉(zhuǎn)子和軸）設(shè)置了徑向振擺的限值。

對(duì)振動(dòng)帶來(lái)的影響

過(guò)去，使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)減法來(lái)補(bǔ)償在低速輥徑向振擺情況下的振動(dòng)水平。如果峰間的振動(dòng)幅度為1.6密耳，而且也知道低速輥徑向振擺，例如是0.45密耳，那么（1.6-0.45）=1.15密耳就是被認(rèn)為的真正的振動(dòng)。

其實(shí)這樣是不對(duì)的，因?yàn)檎駝?dòng)和低速輥徑向振擺都是有波形的，不能在沒(méi)有濾波之前就簡(jiǎn)單的進(jìn)行加減。未經(jīng)過(guò)濾波的振動(dòng)是包含了所有輸入信號(hào)所包含的頻率成分。在運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，如果一個(gè)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)某一特定頻率進(jìn)行濾波，例如可以通過(guò)幅度和相位角來(lái)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，就可以將其描述成振動(dòng)向量。作為一個(gè)向量，在給定頻率（例如1倍或2倍）下的濾波振動(dòng)可以使用在相同頻率下的經(jīng)過(guò)過(guò)濾的低速輥以向量加法的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)API541的規(guī)定，在運(yùn)轉(zhuǎn)速度頻率下經(jīng)過(guò)濾波和補(bǔ)償?shù)恼駝?dòng)位移不應(yīng)該超過(guò)未經(jīng)過(guò)濾波的限值的80%。通常來(lái)說(shuō)，電機(jī)制造商們不使用補(bǔ)償，不過(guò)在某些情況下是有用的。根據(jù)向量的角位置不同，補(bǔ)償也可能增加振動(dòng)。

影響徑向振擺的因素

機(jī)械的徑向振擺是測(cè)量軸與完美的圓柱形表面之間的偏差。其主要受到制造和組裝流程以及電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中隨著時(shí)間而發(fā)生的變化所影響。切割工具或機(jī)加工參數(shù)選擇不當(dāng)可以導(dǎo)致表面粗糙度更高。諸如劃痕、刻痕、以及彎折這些發(fā)生在軸承軸頸或探測(cè)器軌跡上的機(jī)械損傷都會(huì)影響機(jī)械的徑向振擺。

既然對(duì)于徑向振擺的測(cè)量是參考軸承軸頸所進(jìn)行的，如果探測(cè)器的軌跡沒(méi)有與軸承軸頸保持同心，會(huì)導(dǎo)致很高的維護(hù)、修理和大修的費(fèi)用。它也會(huì)受到下列情況的影響：

●直軸被壓入了一個(gè)彎曲的轉(zhuǎn)子；

●彎曲的軸被壓進(jìn)了一個(gè)直的轉(zhuǎn)子；

●由于電機(jī)機(jī)架與軸承襯套之間固定不當(dāng)所導(dǎo)致的錯(cuò)位；

●由于轉(zhuǎn)子內(nèi)的熱不穩(wěn)定性使轉(zhuǎn)子凹陷或彎曲。

電氣徑向振擺是對(duì)軸的材質(zhì)的不均勻性進(jìn)行的測(cè)量。當(dāng)使用非接觸式渦電流探測(cè)器來(lái)測(cè)量電氣徑向振擺的時(shí)候，在發(fā)出的磁場(chǎng)與感應(yīng)的磁場(chǎng)之間的互相作用被轉(zhuǎn)換為了距離。任何可以改變探測(cè)器探頭與軸之間的磁力相互作用的現(xiàn)象都會(huì)影響徑向振擺。這包括材質(zhì)紋理結(jié)構(gòu)的不均勻性、電磁性能的不均勻性、或者已被磁化的軸。無(wú)論是鍛造還是熱軋工藝的結(jié)果，對(duì)于軸的加工制造可以影響材料的金屬性能，從而影響電氣徑向振擺。

根據(jù)API的定義，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的低速輥徑向振擺是一種電氣和機(jī)械式組合在一起的、以200到300轉(zhuǎn)/分鐘的低速下、在旋轉(zhuǎn)的軸上進(jìn)行的徑向振擺的測(cè)量。既然徑向振擺會(huì)影響振動(dòng)讀數(shù)并可能導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此了解其各種影響因素以及如何消除它是非常重要的。

在加工制造過(guò)程中對(duì)徑向振擺水平進(jìn)行監(jiān)控，有助于避免設(shè)備拆解以及將轉(zhuǎn)子退回到機(jī)床或者研磨機(jī)上進(jìn)行返工。在機(jī)器組裝完之后如果沒(méi)有滿足低速輥徑向振擺的限值，對(duì)于制造商和客戶來(lái)說(shuō)成本都很高。（作者：PapaDiouf）