大机组振幅测量的若干问题

阮 跃 ，潘 勇 ，周广顺

（1.北京振测智控科技有限公司，北京 100085；2.山东省电力科学研究院，山东济南 250001）

0 引言

振动测试是旋转机械状态监测的重要组成部分，振幅、频率和相位是描述振动的三要素。振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。根据不同监测对象和不同监测方式，需要使用不同类型的振动传感器，包括振动位移、振动速度和振动加速度传感器。振幅通常用峰值、峰峰值或有效值表示。

1 大机组振幅测量

大机组，如汽轮发电机组、燃气发电机组和烟气轮机等，为了测量振动，普遍在每个主要轴承X，Y方向安装了电涡流传感器，V方向安装了振动速度传感器，通常，X，Y方向为轴承座垂直方向左、右各45°，V为轴承座垂直方向。

对于大机组振动监测，目前普遍采用键相传感器作为同步整周期采样基准。当键相正常时，振动监测保护系统和振动分析故障诊断系统一般采用整周期采样计算波形的峰峰值。峰峰值可以是这段波形的极大值减去极小值，或者去除一个或若干个极值再计算，也可以是若干个周期峰峰值的均值。不同的系统采取的算法不同，得到的峰峰值有些差异。

当键相失效或低速盘车时，系统采用基于时间的采样，振幅一般是计算一段时间内振动波形的峰峰值。采样时间越长，峰峰值越大。转速较低时，测量的周期数较少甚至不足一个周期，振幅偏小且不稳定，转速较高时，测量的周期数增大，振幅偏大。

对于离散采样，由于行业标准并没有对采样时间进行明确规定，振动波形一般不是单一频率的正弦波，周期之间不能严格重复，这时，采样周期越长，得到的峰峰值就越大，特别是当波形畸变严重和重复性不好时，如图1所示。

图1 2#轴承垂直方向瓦振波形

2 手持振动表的振幅测试

数字显示的手持振动表，采用内置式加速度传感器，可以同时测量振动的加速度、速度和位移，它是采用峰值保持电路和真有效值电路实现模拟采样，并不直接测量振动的波形。测量精度和反映速度取决于电容充放电时间、频带宽度和纹波大小等[3]。

用手持振动表同时测量轴承同一部位的振动速度v和振动位移D，对于简谐振动，有v=0.002 22fD，其中，v是振动速度有效值，mm/s；D 是振动位移峰峰值，μm；f是机组转速频率，Hz。根据测量的振动位移峰峰值D和转速频率f计算得到的振动速度有效值v-1，v-1=0.002 22fD。对于大机组，振动主频通常是转速频率，如果v＞1.1v-1，则机组存在高频振动，如电磁激振；如果v＜0.9v-1，则机组存在低频振动，如轴系失稳。

由于电路设计不同，不同的手持振动表同时测量轴承相同部位的振动，可能存在稍许差别。由于测量原理不同，手持振动表和在线监测系统同时测量轴承相同部位的振动，可能存在较大差别。

3 振幅的直接测量与间接测量

振幅一般是通过在特定位置安装的振动传感器直接测量得到的，但也存在间接测量方式。

转子绝对振动的测量通常使用复合式传感器，它是一个电涡流传感器和一个速度传感器的组合，转轴的绝对振动是电涡流传感器测量的转轴相对振动和速度传感器测量的轴承座振动的矢量和。

矢量运算并不是简单的相加，需要考虑2个振动信号之间的相位差以及积分过程中相位漂移等因素的影响，当振动频谱中低频成分较大时容易发生偏差，导致转子绝对振动的测量值不准确。

设转子绝对振动的振幅为RA，转子相对振动的振幅为RB，轴承座振动的振幅为BA，理论上，≤RA≤RB+BA，如果轴系出现较大的低频振动，这时会出现转子绝对振动远小于转子相对振动的情况：RA＜≤≤RB。依靠目前普遍采用的X，Y向电涡流传感器获得的转轴振动信号，进行矢量合成可以得到圆周任意方向的振动，相当于在轴承圆周方向任意角度都安装了电涡流传感器。如果转换为V向的转轴振动信号，再与V向速度传感器的振动信号进行矢量合成，就可以获得转轴在V向的绝对振动，这样不需要安装复合式传感器，也能够通过计算间接获得转子的绝对振动，如表1所示，在最后一项，分别显示V向的转子相对振动、轴承座振动和转子绝对振动的振幅，振幅单位为μm。

表1 轴承振动数据

4 振幅的测量精度

对于离散采样，影响振幅测量精度的因素，除了振动传感器本身精度（一般±1%）外，还有测量环境干扰和A/D数据转换精度等，累积测量误差不容小视，单纯要求A/D数据转换精度为24位，通常是不必要的。影响振幅大小的因素，除了机组本身的结构和工作方式外，还有传感器安装位置和机组的运行参数等，振幅大小是在特定条件下测量获得的。

在国际标准中，用振动位移单位μm表示的振幅警告值和危险值是整数，如火电机组一般规定在额定转速3000 r/min时，电涡流传感器测量的轴相对振动＞125 μm报警，＞250 μm危险，用振动速度单位mm/s表示的振幅警告值和危险值是1位小数。因此，虽然A/D数据转换精度可以很高，但大机组实际振幅的表示只需要比国际标准多一位小数即可，过多的小数位，容易使人眼花缭乱产生误读。

5 结束语

大机组振幅的测量，是振动监测保护的主要依据，也是评价机组机械状态的主要指标。振幅的测量和计算，表面上看很简单，实际上有很多问题需要认真考虑。振动数据的采集，可以是模拟采样，也可以是离散数字采样，可以通过振动传感器的采样直接获得，也可以通过计算间接得到。影响振幅测量精度的因素很多，如果不同测量仪表获得的数据不一致，需要具体分析。此外，振动位移、速度和加速度之间的关系以及振幅的表现形式等，也需要正确认识和处理。