對于電動機(jī)的監(jiān)控和診斷測試來說，測量轉(zhuǎn)動部件中徑向軸運動的振動是至關(guān)重要的。高水平的輥徑向振擺會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的振動讀數(shù)，但是由軸探測器跟蹤的機(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立于軸的振動的。

這樣，包括軸徑向振擺在內(nèi)的在運行期間測量的振動可能會增加或減少所記錄的振動。如果振動讀數(shù)高于實際的機(jī)器振動，可能會觸發(fā)不必要的報警或停機(jī)狀況。另一方面，如果振動讀數(shù)低于真正的機(jī)器振動，那么可能會過早的發(fā)生故障。

在選擇非接觸式探測器的時候，對于低速輥的徑向振擺的測量成為美國石油協(xié)會（API）對電機(jī)的一個標(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)使用滑動軸承油膜。

在這份規(guī)范中說明，所有擬以高于或等于1200轉(zhuǎn)/分鐘的速度運轉(zhuǎn)的流體動力軸承電機(jī)，都應(yīng)該配備或安裝非接觸型振動或相位基準(zhǔn)探測器。如果提供了振動探測器或者需要準(zhǔn)備探測器，必須要提供和處理探測器跟蹤區(qū)域，以使總的機(jī)械和電氣的徑向振擺的組合不能超過一定的限值。

圖1：渦電流、非接觸式接近探測器是一套感應(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)測量的是探測器探頭與轉(zhuǎn)動部件上的探測器軌跡之間的間隙電壓。圖片來源：Baldor

這種測試一般是通過使用非接觸型的接近探測器來完成的，例如渦電流接近探測器。探測器會測量軸與探測器探頭之間的間隙電壓的變化。測量值的變化主要因為振動產(chǎn)生的，不過也反映出低速輥的徑向振擺的影響。

下文我們會詳細(xì)分析一些不同類型的徑向振擺使用的測量手段和儀表，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，及其對振動測量的影響。

非接觸式接近探測器是一套傳感系統(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)測量轉(zhuǎn)動部件的探測器探頭與探測器軌跡之間的間隙電壓的變化。這個間隙電壓不斷改變，主要是因為軸的振動，不過也能反映出任何探測器失圓度、探測器軌跡與徑向軸承之間的同心度、探測器軌跡區(qū)域的表面缺陷、軸的錯位和彎曲、或靠近探測器軌跡區(qū)域周圍的軸材質(zhì)的電磁屬性變化。

所有這些與振動無關(guān)的軸與探測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。徑向振擺會顯示在振動讀數(shù)上，并且可能導(dǎo)致測量誤差。這也就是為什么了解徑向振擺對于轉(zhuǎn)動機(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。在這個速度下，動態(tài)效應(yīng)處于最低水平，振動幾乎不存在。在這種狀態(tài)下，接近探測器的讀數(shù)應(yīng)該與探測器軌跡的機(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）放置在軸承半個外殼的V型塊上的轉(zhuǎn)動組裝體上；或者3）在車床上。低速輥的徑向振擺主要來自有兩個方面：機(jī)械的和電氣的。

機(jī)械徑向振擺（MRO）是測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器進(jìn)行的測量。

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

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

圖2：探測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)計而定并且安裝在軸的上方，其位置是經(jīng)過專門加工的并且靠近軸承軸頸。這個被稱為探測器軌跡區(qū)的軸的部位是經(jīng)過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)的最小寬度為探測器探頭直徑的1.5倍。

實現(xiàn)有效的測量

通過如下過程可以測量低速輥的徑向振擺：

1．感應(yīng)線圈是通過交流電勵磁的，會創(chuàng)造一個交變磁場。

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

3．反過來，渦電流創(chuàng)造出一個相反的磁場，與最初的磁場向?qū)埂?/p>

4．兩個磁場之間的互相作用取決于探測器探頭與目標(biāo)材料之間的距離。隨著距離的變化，兩個磁場之間的相互作用的變化會轉(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單位。

一種常見的安裝配置包括兩個渦電流接近探測器，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)計而定。探測器安裝在軸的上方，其位置是經(jīng)過專門加工的并且靠近軸承軸頸。這個被稱為探測器軌跡區(qū)的軸的部位是經(jīng)過加工可以獲得最小的機(jī)械和電氣徑向振擺的。軌跡區(qū)的寬度取決于探測器探頭的大小。建議軌跡區(qū)的最小寬度為探測器探頭直徑的1.5倍。這可以確保從探測器探頭感應(yīng)的磁場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)/分鐘之間的滑行測試階段對低速輥的徑向振擺進(jìn)行測量。在這個速度區(qū)間內(nèi)，探測器所記錄的偏移幾乎就是純粹的徑向振擺而沒有任何振動。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)過濾波的振動峰間值（1.5密耳）的30%，或者對于感應(yīng)電機(jī)來說是0.45密耳。這些限值適合一臺已經(jīng)組裝好的電機(jī)。

如果在加工制造或初始測試過程中，徑向振擺的限值不能滿足，電機(jī)需要拆散并對軸進(jìn)行返工。這個過程會既花時間又花錢。通常來說，為了節(jié)省時間，電機(jī)制造商們會部分地組裝電機(jī)（請見圖3），然后進(jìn)行快速測試來檢查低速輥的徑向振擺、軸承的對準(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)動組裝體（組裝的轉(zhuǎn)子和軸）的徑向振擺限值。通過這種方式，允許的機(jī)械和電氣徑向振擺的限值是未經(jīng)過濾波的允許振動限值（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)動組裝體測量的徑向振擺可能會很低，當(dāng)電機(jī)組裝完以后仍然可能會超過限值。成因包括由于翹起的軸承導(dǎo)致的不對準(zhǔn)、肋骨襯板沒有固定在一個中心上、在安裝過程中轉(zhuǎn)子彎曲、探測器軌跡區(qū)域受損，或者其他問題。

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)和探測器區(qū)域會低得多（低于0.25密耳）。這會避免在后續(xù)的加工制造流程中問題出現(xiàn)。

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

對振動帶來的影響

過去，使用簡單的數(shù)學(xué)減法來補(bǔ)償在低速輥徑向振擺情況下的振動水平。如果峰間的振動幅度為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。

其實這樣是不對的，因為振動和低速輥徑向振擺都是有波形的，不能在沒有濾波之前就簡單的進(jìn)行加減。未經(jīng)過濾波的振動是包含了所有輸入信號所包含的頻率成分。在運轉(zhuǎn)速度下，如果一個振動信號通過某一特定頻率進(jìn)行濾波，例如可以通過幅度和相位角來對其進(jìn)行表達(dá)，就可以將其描述成振動向量。作為一個向量，在給定頻率（例如1倍或2倍）下的濾波振動可以使用在相同頻率下的經(jīng)過過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，在運轉(zhuǎn)速度頻率下經(jīng)過濾波和補(bǔ)償?shù)恼駝游灰撇粦?yīng)該超過未經(jīng)過濾波的限值的80%。通常來說，電機(jī)制造商們不使用補(bǔ)償，不過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。

影響徑向振擺的因素

機(jī)械的徑向振擺是測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)在運行過程中隨著時間而發(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器軌跡上的機(jī)械損傷都會影響機(jī)械的徑向振擺。

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

●直軸被壓入了一個彎曲的轉(zhuǎn)子；

●彎曲的軸被壓進(jìn)了一個直的轉(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。

電氣徑向振擺是對軸的材質(zhì)的不均勻性進(jìn)行的測量。當(dāng)使用非接觸式渦電流探測器來測量電氣徑向振擺的時候，在發(fā)出的磁場與感應(yīng)的磁場之間的互相作用被轉(zhuǎn)換為了距離。任何可以改變探測器探頭與軸之間的磁力相互作用的現(xiàn)象都會影響徑向振擺。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。無論是鍛造還是熱軋工藝的結(jié)果，對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)行的徑向振擺的測量。既然徑向振擺會影響振動讀數(shù)并可能導(dǎo)致測量誤差，因此了解其各種影響因素以及如何消除它是非常重要的。

在加工制造過程中對徑向振擺水平進(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有滿足低速輥徑向振擺的限值，對于制造商和客戶來說成本都很高。（作者：PapaDiouf）