利用相位特征判断故障的方法 (DEMO)

利用相位特征判断故障的方法

一、相位的基本概念

相位表示在给定时刻振动部件被测点相对于某一固定参考点或其他振动部件的位置。在实际应用中相位主要用于比较不同振动运动之间的关系，或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况。

相位反映了振动信号与参考点之间时间关系或位置关系。相位是从单频率的简谐振动中引出的。因此、对于实际振动信号，也是考虑其中某频率分量与转子相位标志之间的相位差。比较有用的频率成分主要是基频及其倍频。相位测量可用于1）谐波分析；2）动平衡测定；3）振型测量; 4)判断共振点。

转子初相位代表着转子的质量高点在某一特定时刻的特定位置，可为故障分析诊断提供重要的依据。

监测振动的时域信号经过FFT变换，可以得到频域上的幅值谱和相位谱，幅值谱表明了振动中所含各振动分量以及它们的幅值大小，相位谱给出了各阶分量的初相位。相位谱的初相位是由各阶分量振幅的虚数和实数部分相比求反切而得到的，而在实际采样过程中采样的初始点是随机的，因而FFT得到各阶分量的初相位也将随之改变，无法得到各阶分量确定的初相位。由此可知、FFT直接变换得到的相位谱是无法确定各阶振动分量的初相位的。但各阶分量相对于基频分量的初相位的相位差将不受采样初始点的影响，因而只要精确地求出基频分量的初相位，问题将迎刃而解了。

故障分析中，在确定转子不平衡量的方向，以及不对中等一些由转子的几何形状、质量或受力不对称所引起的振动时，有时要考虑振动与转子相位标志之间的相位差。它同样也可以应用于构件空间面是否存在的力偶（弯矩）的判断（了

解构件是否存在变形应力）。

初相位定义：转子键相信号的脉冲下降沿与频率的高点之差，称为初始相位。

二、振动信号相位分析

相位分析分类：

1)绝对相位是指从键相器信号触发到振动信号第一正峰值之间的角度。

2)相对相位是角度表示的从一个信号波形的某一点到另一信号最近的对应点之间的关系。

相位监测可以判断设备振动状态有无发生变化。比如一台设备，其振动幅值没有变化，但相位变化了140°，如果仅仅对比振幅变化，说明运行没有改变。但相位的突变说明事实上设备运行状态已经有了巨大的变化，很可能是转子叶片松动，转轴裂纹或者其它潜在的严重问题引起的。

轴早期出现裂纹时，振幅无太大的变化，但相位有突变；当轴发生摩擦时，振幅会变小，但轴与轴承会受到破坏。

如果相位发生偏转，说明振动形态发生了巨大的变化。轴心轨迹椭圆中有一直边，说明转子不排出单方向摩擦的可能。

相位(φ)：

相位表示在给定时刻振动部件被测点相对于某一固定参考点或其他振动部件的位置。

在实际应用中相位主要用于比较不同振动运动之间的关系，或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况。例如，在图1—1—4中给出了A和B两个弹簧质量系统。假设A、B两质量块的振幅和频率相同，但A位于上限位置，而B则位于其下限位置。在给定的起始时刻位移峰值相差180o，也就是说这两个振动180o异相。在图l—1－5中质量A和B在同一时刻分别位于上限位置和平衡位置(向下)，于是我们说质量A和B的振动相位差为90o。而在图1—1—6中质量A、B 在同一时刻位于同一位置，因此其振动同步，或者说它们的振动相位差为0o。

许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。

例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故障，其频谱都以一倍频为主，不易区分。如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地将它们区分开：转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化（具有渐进性）；转子缺损时相位会发生突变，然后保持稳定（质心发生突变）；轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化（在一定的运行轨迹内几何中心变化）。

由于转子各类故障给转子带来的直接结果是破坏了转子的对称性，使转子同一截面上水平和垂直方向的振动信号在时域上的相位差不再是900，因此可以通过同一截面上水平方向信号和垂直方向信号的相位差的不同特征来判断故障的类型。实际上，除了在同—截面不同方向上测量相位差外，还可通过不同测点的信号相位来判断故障的类型。

三、常见机械故障的相位特征

（一）静不平衡的相位

1、振动同相，且相位稳定。

2、在一阶临界转速下，振幅与转速平方成正比。

3、1×RPM占主导位置。

4、可在转子重心处加重校正。

5、转子两侧轴承水平振动相位差约为0，垂直方向亦如此。

6、每个轴承的水平和垂直方向的振动相位差约为90°。

（二）偶不平衡

1、振动相位反相。

2、在一阶临界转速下，振幅与转速平方成正比。

3、1×RPM占主导位置，还可能引起较大轴向振动。

4、必须在至少两个平面加重才能校正不平衡。

5、转子两侧轴承水平振动相位差约为180°，垂直方向亦如此。

6、每个轴承的水平和垂直方向的振动相位差约为90°。

（三）动不平衡

1、是静不平衡和偶不平衡的合成。

2、1×RPM占主导位置。

3、必须在至少两个平面加重才能校正不平衡。

4、转子两侧轴承同向振动相位差在0至180度之间（可能主要取决于两种不

平衡形式所占的主导值的大小），水平方向的相位差约等于垂直方向的相位差。

5、每个轴承的水平和垂直方向的振动相位差约为90°。

（四）悬臂转子

1、悬臂转子不平衡同时引起较大的轴向和径向的1×RPM振动。

2、轴向振动倾向于同相，而径向相位不稳定。

3、转子两侧轴承水平方向的相位差约等于垂直方向的相位差。

4、悬臂转子通常既有静不平衡也有偶不平衡，通常在至少两个平面加重才能

校正不平衡。

（五）转子偏心(皮带轮偏心)

1、两个转子的轴心线连线方向的1×RPM振动较大。

2、转子两侧轴承水平方向和垂直方向的相位差不是0就是180度。

3、无法用平衡的方法解决问题。

（六）轴弯曲

1、轴弯曲引起较高的轴向振动。

2、转子两端轴承的轴向振动的相位差约为180度。

3、若弯曲在转子的中部，通常1×振动大，若弯曲靠近联轴器则2×大。（注

意轴向振动相位的校正）

4、可用百分表检查轴弯曲情况。

（七）角度不对中

1、角度不对中引起较大的1×、2×或3×轴向振动，联轴器两端轴向振动反

相。

2、也可能是联轴器自身问题。（配合间隙偏大）

3、严重的角度不对中会引起工频的多次谐波，但不会象松动那样产生较高的

地脚能量。

（八）平行不对中

1、引起较大的径向振动，联轴器两侧振动反相。

2、2×通常大于1×，但两者的关系与联轴器类型和结构有关。

3、严重的平行不对中也会引起工频的多次谐波（4×－8×），但通常不会象

松动那样产生较高的地脚能量。

（九）轴承歪斜

1、引起较大的轴向振动。

2、轴承上下左右位置的轴向振动反相。

3、轴承需要重装。

（十）共振

在接近共振频率时，振动相位变化约为90°，在通过共振频率（多指临界转速后转子由刚性变为柔性转子）后相变约180°。

（十一）地脚松动

1、垂直方向测量振幅和相位。

2、若某两个界面松动时，会发现这两者的幅值和相位发生较大幅度的突变。（十二）诊断摩擦问题（待验）

存在间断摩擦的转子其相位紊乱，而连续摩擦的转子可能相位比较稳定，各个方向的(水平和垂直)相位可能很接近。

四、相位在故障分析中应注意点（以叶片机械为例）

1、设备测点的振动相位和振幅都没有发生变化。可认为：其一，转子和轴承状态完全没有改变，物料即没有冲蚀叶片，也没有堆积；其二、物料沿着轮毂和叶片均匀堆积，或者叶片被均匀冲蚀。

2、若一侧轴承的测点的振幅慢慢上升，相位仍没有发生变化，这说明物料沿轮毂或叶片堆积、或物料对叶片产生冲蚀但是不均匀的。进一步解释，堆积与原转子不平衡合成点同向或冲蚀恰好为反向，也可以说周向都堆积，与原不平衡合成点同向更多些，或周向都冲蚀，而反向更重些。

3、若另一侧轴承振幅慢慢上升，相位随之改变。这意味着发生的物料堆积或冲蚀不但不均匀，而且与上一种情况有些不同，堆积的方向偏离了原不平衡合成点，或冲蚀的方向同样偏离了原不平衡合成点的反向。当然、无论是物料堆积还是冲蚀虽然是沿圆周分布，但不可能分布得十分均匀。

4、振幅上升速率加快，相位不变。这说明物料的堆积或冲蚀程度进一步加大，但不平衡点的方向不变。

5、结论：决定转动机械能否安全运行不能仅看它是否已超过现行规定的振幅停机值，而且要仔细地观察它的振幅改变速率和初始相位的变化。

五、相位调制分析

在齿轮传递系统中，齿轮根部裂纹，轴的裂纹和联轴节的松动将削弱轴系的抗扭刚度，并反映为相位调制量。

区别不同类的故障应分析不同类故障的特征。对于裂纹齿轮，它最突出的特点是相位调制的局部性（个别齿的裂纹使该齿的刚度发生变化，所以相位调制频谱出现局部性）；而扭振和刚度变化对相位的调制的影响则体现在旋转频率分量和高次谐波上。

由联轴器松动引起的轴系扭振变化反映在相位调制信息的旋转频率分量上。

另外、有一些干扰对相位调制量有影响，如外界的冲击，润滑油的杂质，滚动轴承滚动体的旋转等等。这些因素常常带有随机性或与轴的旋转非完全同步，通过时域同步平均处理，一般可以排除这些干扰，提高可靠性。

在多级齿轮传动中，一旦形成齿根裂纹后，产生的相位调制信息会沿传动系统传递并扩散，因此在同一测点可获得多个故障源的信息，这给故障诊断带来了方便。如果被测轴上的齿轮是完好的，则上级或下级齿轮的裂纹故障信息可以在一根轴上测到。

根据裂纹故障的传递特性，测点对不同位置的传递特性，测点对不同位置的故障源的敏感称度不同。当故障发生在测点的上一级齿轮时，测点振动的相位调

制先是滞后，然后再恢复。另一种情况是故障发生在测点的下一级齿轮，测点振动的相位调制是超前，然后再恢复。

在应用解析信号提取相位调制量时，可利用参考信号的间距确定中心频率f。；

对啮合振动进行连续监视，由相位调制信息的变化，区分故障初期，中期及晚期阶段。

当存在摩擦现象时，相位将杂乱无章，与白噪声类似。

利用多通道传感器测量相对相位关系。

由于转子各类故障给转子带来的直接结果是破坏了转子的对称性，使转子同一截面上水平和垂直方向的振动信号在时域上的相位差不再是90°，因此可以通过同一截面上水平方向信号和垂直方向信号的相位差的不同特征来判断故障的类型。实际上，除了在同一截面不同方向上测量相位差外，还可以通过不同测点的信号相位来判断故障的类型。

相位问题

正常情况下轴承座的垂直和水平方向的相位差应该为90o，而实际上在进行相位测量时经常碰到垂直和水平方向相位差为0o或180o的情况。

对于一般机械，通常只有不平衡占优势，因此水平垂直相位差为90o，如果存在偏心的话，并且偏心占优势则水平垂直相位差为0o或180o。如果各种故障频率都存在，那相位差就由各自的比例决定了。

1.对于相位测量,比较准确的是测量轴振,应用位移传感器。

2.如果使用速度或加速度通过计算得到的相位,则误差还是比较大的,只能参

考!

不平衡占主导时，同一轴承水平和垂直方向振动相位相差约90o；如果是基础或底座松动占主导时，同一轴承水平和垂直方向相位相差约0o或180o。

X、Y方向有一个方向共振时，由于过共振区会产生180o附加相位移（共振峰的附加位移是90o），所以取决于哪一个方向共振，X、Y之间的相位差在共振峰处是0o或180o。