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振动分析的基本概念——相位

吕老师

3小时前浏览39

相位是在给定时刻振动体被测点相对于固定参考点的角位置，单位是度［°］。

相位是振动在时间先后关系上或空间位置关系上相互差异的标志。

相位主要用于比较不同振动运动之间的关系（时间差及方位差），或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况，在区别相同故障频率的不同故障类型时（特别是不平衡）往往起关键作用。

1、键相器

键相器是由探头（如涡流式、光电式等）与轴上固定标志（如键槽、凹孔、反光板等）所组成的相位测量仪表。

当轴上固定标志经过键相探头时，键相器便会触发一个脉冲信号，脉冲信号是确定各测点（如H、V等）、各选频振动（如工频、二倍频等）相位的基准，脉冲频率与转子旋转频率完全同步。

2、绝对相位

绝对相位是指从键相器脉冲信号触发到各选频振动信号第一个正峰值之间的角度。

绝对相位是具体测得的相位，习惯上简称相位。说“某测点、某频率的相位为某某度”指的就是绝对相位，也就是相对于轴上固定标志通过键相探头的那一时刻及位置，此频率的最大振动与该测振探头之间的角度。

如果没有指明，相位角度增加的方向总是与转子的旋转方向相反。

由键槽和键相探头的位置及转子旋向，绝对相位还能给出最大振动具体的空间方位。例如，在上图中，由于在H点测得的工频相位为45°，V点相位为135°，因此，工频的最大振动方位、即高点与轴上键槽的夹角为180°。而且，还可以根据转速和转子状况指出不平衡量、即重点的具体方位：刚性转子重点与高点大致在同一方向，挠性转子在远离临界转速后重点与高点大致相差180°。

3、相位差相对相位

相位差是两个振动的相位之差。

相对相位是两个选频振动信号波形最近对应点（如正峰与正峰）之间的角度。

实际应用时只讲相位差。例如，H点、V点工频相位分别为3°、358°，它们之间的相位差既可以讲为355°，也可以讲为5°，讲5°可能使问题更清晰。

相位与相位差，十分具体地描述了振动矢量在时间和空间上的相互关系：

① 谁先谁后由于相位小的第一个正峰、即最大振动点先到达测振探头，因此，相位小的在先、称超前，相位大的在后、称滞后；

② 相差的时间t ＝(相位差/360)×周期＝(相位差/360)/转频，实际应用时很少计算，多数是根据相位差（角度）的大小想象两者间隔时间的长短；

③ 空间位置相位差就是空间方向差夹角的角度。

如果把转子旋转一圈的时间看成是360°，两个振动之间的相位差就是转过此角度的时间差。利用表示空间的角度，同时表示时间，这便是相位的奥妙之处。

相位差表面上看是一个角度，实际上是反映了两个振动在时间先后关系上或空间位置关系上，是否存在差异、存在多大差异。在分析振动原因和判断故障类型时，往往有时更关注相位差，而不是相位。

例如，对于同为工频的异常振动，在分析原因、区分类型时，相位差就起到了关键的作用。上图中，测点H处的工频相位为45°，测点V处的工频相位为135°，H点振动超前V点90°，相位差为90°，表明转子高点在H、V处不同时，相差的时间正好是转子转过俩测点的时间（俩测点相互垂直，正好是90°），因此是不平衡问题；另外，如果H点、V点工频相位都为45°，即二者相位差为0°，则表明转子在H点、V点产生了同时、同方位的振动，且高点在垂直方向的上方，那么，肯定不是不平衡问题，而可能是轴承的间隙或刚度、或者支承刚度在垂直方向上有问题。

4、同相振动反相振动

当两个振动的相位相同、即相位差为0°时，则称此两振动为同相振动。

当两个振动的相位相反、即相位差为180°时，则称此两振动为反相振动。

同相振动、反相振动十分清晰地表明了两个振动在时间和空间上的相同或相反的相互关系，因此常用来说明同一振动不同测点之间、不同部件之间的这种相同或相反的特殊关系。例如确定具体的振型、不对中类型等。

5、相位的应用

相位在振动领域有着许多重要的应用，主要用于比较不同振动运动之间的关系，比较不同部件的振动状况，比较激振力与响应之间的关系，确定不平衡量的方位，等等，例如：

① 比较同频率振动在时间上的先后关系

例如，在为简谐振动的弹簧质量块系统中，当质量块向上振动、通过0点时，位移为零，速度为正方向最大，加速度为零；在质量块由0向上的过程中，位移为正、变大，速度为正、变小，加速度为负、变大；当质量块振动到上限位置时，位移为正方向最大，速度为零，加速度为负方向最大；当质量块向下通过0点时，位移为零，速度为负方向最大，加速度为零；当质量块振动到下限时，位移为负方向最大，速度为零，加速度为正方向最大。依此关系，可画出三者的振动波形图，得到三者之间在相位上的以下关系：

简谐振动中，振动速度超前振动位移90°，振动加速度超前振动速度90°，振动加速度超前振动位移180°。

再例如，同为工频振动，由于产生的原因不同，两个相互垂直的探头测得的相位差是不一样的：由不平衡引起的工频振动，相位差应该等于或接近于90°；而由轴承偏心类、支承刚度异常类引起的工频振动，相位差则无此关系。

② 比较激振力与响应在空间上的相互关系

例如，运行转速小于临界转速时，转子因不平衡质量偏心e产生的离心力、即激振力Meω²，与所引起的响应、即振动矢量y方向基本相同。其中，慢转速下（300~600r/min）激振力与响应的相位完全相同；大于慢转速后，随ω增高，激振力Meω²增大，引起响应y随之变大并超过偏心距e，由y产生的离心力Myω²也就比激振力Meω²大。离心力属惯性力，离心力越大、惯性就越大。响应Myω²因为惯性大会跟不上激振力Meω²的变化而滞后，于是激振力与响应之间有了相位差，而且相位差随转速增高而增大。在通过临界转速时，两矢量的相位差达90°，方向发生翻转变化，此时振幅y达最大。大于临界转速后，转速越变越高，激振力与响应之间的相位差越变越大，远离临界转速后两矢量相位差为180°，激振力与响应方向完全相反。在此过程中，转子受到的离心合力逐步变小，振幅y逐步变小、趋近于偏心e，质心G趋近于几何中心O，此即所谓柔性转子的自动定心。

以上分析表明，不平衡矢量与（工频）振动响应之间的相位差会随转速而变，远离临界转速后相位差趋于180°。也就是说，工频的相位与不平衡量有关，并且随转速而变，但远离临界转速后相位的变化会很不明显。如果转子在远离临界转速后工频的相位发生了变化，则表明转子的平衡状态发生了变化，是损伤脱落、结垢等因素造成了转子残余不平衡质量偏心的角位置发生了改变。因此，联系转速看工频相位是否发生变化是判断不平衡故障的重要手段。

③ 比较两个部件或多个部件之间相对运动的方位

如刚性联轴器，平行（径向）不对中时两侧轴承径向振动的相位差为180°，角度（端面）不对中时两侧轴承径向振动的相位相同；带中间短接的齿式联轴器不对中时两侧轴承径向振动的相位差为180°。

再例如由基础或底座松动引起的振动、尤其是结构共振，整个机组上各个测点的振动相位都是相同的。

④ 确定转子振型

对刚性转子，两端轴承振动相位同相为圆柱形振动，反相为圆锥形振动。

对挠性转子，两端轴承振动相位同相为一阶振型、三阶振型、…，反相为二阶振型、四阶振型、…。

⑤ 在转子动平衡技术中更有着必不可少、十分重要的作用。

在大机组的在线状态监测系统中，如果不设置键相器，就无法获得相位信息，许多有价值的振动分析图谱将难以生成，经专业技术处理后显示的某些基本图谱（如频谱图），也会因为转速波动、不平衡不明显等客观因素而存在瑕疵，会给故障诊断带来困难。在机器存在两个或两个以上不同转速的轴系时，各个轴系应设置各自独立的键相器。