電動機監控和診斷測試的關鍵——如何精準測量電機低速輥的徑向振擺

摘要

徑向振擺會影響振動讀數並可能導致測量誤差，因此了解其各種來源和影響因素以及如何消除它是非常很重要的。

對於電動機的監控和診斷測試來說，測量轉動部件中徑向軸運動的振動是至關重要的。高水平的輥徑向振擺會導致不準確的振動讀數，但是由軸探測器跟蹤的機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於軸的振動的。

這樣，包括軸徑向振擺在內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。如果振動讀數高於實際的機器振動，可能會觸發不必要的報警或停機狀況。另一方面，如果振動讀數低於真正的機器振動，那麼可能會過早的發生故障。

在選擇非接觸式探測器的時候，對於低速輥的徑向振擺的測量成為美國石油協會（API）對電機的一個標準要求。API 541標準覆蓋了特殊用途的、500馬力及以上的模繞鼠籠感應電動機，用在石油化工應用行業。除非另行指定，在API電機中默認使用滑動軸承油膜。

在這份規範中說明，所有擬以高於或等於1200 轉/分鐘的速度運轉的流體動力軸承電機，都應該配備或安裝非接觸型振動或相位基準探測器。如果提供了振動探測器或者需要準備探測器，必須要提供和處理探測器跟蹤區域，以使總的機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系統的組成部分，該系統也包括一條擴展電纜和接近模塊。該系統測量的是探測器探頭與轉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。

下文我們會詳細分析一些不同類型的徑向振擺使用的測量手段和儀錶，根據API標準規定的可接受水平，導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感測系統的一部分，該系統還包括擴展電纜以及接近模塊。系統測量轉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、探測器軌跡區域的表面缺陷、軸的錯位和彎曲、或靠近探測器軌跡區域周圍的軸材質的電磁屬性變化。

所有這些與振動無關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（TIR），或者也稱為總的徑向振擺。徑向振擺會顯示在振動讀數上，並且可能導致測量誤差。這也就是為什麼了解徑向振擺對於轉動機械的監控和診斷是至關重要的。

定義與分類

正如API 541第五版章節6.3.3.3中所定義的，低速輥是油膜軸承電機或發電機的一種狀況，即轉子的轉速在200到300轉/分鐘之間。在這個速度下，動態效應處於最低水平，振動幾乎不存在。在這種狀態下，接近探測器的讀數應該與探測器軌跡的機械缺陷密切相關，包括失圓度、與表面處理有關的缺陷、探測器軌跡與徑向軸承之間的同心性缺失、軸的彎曲、或者軸的材質的電磁缺陷。

可以測量低速輥的狀況包括：1.在已經組裝好的機器內；2.放置在軸承半個外殼的V型塊上的轉動組裝體上；或者3.在車床上。低速輥的徑向振擺主要來自有兩個方面：機械的和電氣的。

機械徑向振擺（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行的測量。

電氣徑向振擺（ERO）測量的是軸表面導電性和磁導率之間的偏差。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。

請注意要想確保感測系統的正常運行，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確。作為默認，接近探測器要使用AISI 4140 鋼來進行標定。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定接近探測器。

圖2：探測器可以安裝在軸承軸頸的內側或外側，這要根據電機的設計而定並且安裝在軸的上方，其位置是經過專門加工的並且靠近軸承軸頸。這個被稱為探測器軌跡區的軸的部位是經過加工可以獲得最小的機械和電氣徑向振擺的。建議軌跡區的最小寬度為探測器探頭直徑的1.5倍。

實現有效的測量

通過如下過程可以測量低速輥的徑向振擺：

感應線圈是通過交流電勵磁的，會創造一個交變磁場。

當一個變化的磁場與一個傳導材料（例如軸）互相作用，被稱為渦電流的小電流會在材料內感應出來。

反過來，渦電流創造出一個相反的磁場，與最初的磁場向對抗。

兩個磁場之間的互相作用取決於探測器探頭與目標材料之間的距離。隨著距離的變化，兩個磁場之間的相互作用的變化會轉變為電壓的輸出。

然後將電壓輸出轉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，位於軸的垂直中心線兩側45度的位置。

探測器可以安裝在軸承軸頸的內側或外側，這要根據電機的設計而定。探測器安裝在軸的上方，其位置是經過專門加工的並且靠近軸承軸頸。這個被稱為探測器軌跡區的軸的部位是經過加工可以獲得最小的機械和電氣徑向振擺的。軌跡區的寬度取決於探測器探頭的大小。建議軌跡區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的磁場可以全面覆蓋所加工的區域。

API 541要求要在轉子的速度處於200到300轉/分鐘之間的滑行測試階段對低速輥的徑向振擺進行測量。在這個速度區間內，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的電機上，低速輥的徑向振擺可以在大約10%到15%的運行速度下進行記錄。總的徑向振擺記錄必須滿足電機規格書上註明的限值。

可接受的水平

電機製造商們根據客戶的要求來確定可以接受的低速輥徑向振擺的水平。API 541將低速輥的徑向振擺限制在允許的未經過濾波的振動峰間值（1.5密耳）的30%，或者對於感應電機來說是0.45密耳。這些限值適合一台已經組裝好的電機。

如果在加工製造或初始測試過程中，徑向振擺的限值不能滿足，電機需要拆散並對軸進行返工。這個過程會既花時間又花錢。通常來說，為了節省時間，電機製造商們會部分地組裝電機（請見圖3），然後進行快速測試來檢查低速輥的徑向振擺、軸承的對準情況以及溫度。如果低速輥的徑向振擺在限值以內，那麼電機在完整的測試開始之前就可以裝配完畢。

鑒於此，API 541 標準設定了由V型塊支撐的轉動組裝體（組裝的轉子和軸）的徑向振擺限值。通過這種方式，允許的機械和電氣徑向振擺的限值是未經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，增加了將組裝好的電機控制到預期限值的可能性。

然而，在V型塊上的轉動組裝體測量的徑向振擺可能會很低，當電機組裝完以後仍然可能會超過限值。成因包括由於翹起的軸承導致的不對準、肋骨襯板沒有固定在一個中心上、在安裝過程中轉子彎曲、探測器軌跡區域受損，或者其他問題。

有一些電機製造商有更高的要求，自行設置了機械和電氣徑向振擺的限值，該限值在軸承軸經和探測器區域會低得多（低於0.25密耳）。這會避免在後續的加工製造流程中問題出現。

圖3：API 541標準已經向在V型塊上支撐的轉動組裝體（組裝好的轉子和軸）設置了徑向振擺的限值。

對振動帶來的影響

過去，使用簡單的數學減法來補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，那麼（1.6-0.45）=1.15密耳就是被認為的真正的振動。

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行加減。未經過濾波的振動是包含了所有輸入信號所包含的頻率成分。在運轉速度下，如果一個振動信號通過某一特定頻率進行濾波，例如可以通過幅度和相位角來對其進行表達，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過過濾的低速輥以向量加法的方式進行補償。

根據API 541的規定，在運轉速度頻率下經過濾波和補償的振動位移不應該超過未經過濾波的限值的80%。通常來說，電機製造商們不使用補償，不過在某些情況下是有用的。根據向量的角位置不同，補償也可能增加振動。

影響徑向振擺的因素

機械的徑向振擺是測量軸與完美的圓柱形表面之間的偏差。其主要受到製造和組裝流程以及電機在運行過程中隨著時間而發生的變化所影響。切割工具或機加工參數選擇不當可以導致表面粗糙度更高。諸如劃痕、刻痕、以及彎折這些發生在軸承軸頸或探測器軌跡上的機械損傷都會影響機械的徑向振擺。

既然對於徑向振擺的測量是參考軸承軸頸所進行的，如果探測器的軌跡沒有與軸承軸頸保持同心，會導致很高的維護、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子；

彎曲的軸被壓進了一個直的轉子；

由於電機機架與軸承襯套之間固定不當所導致的錯位；

由於轉子內的熱不穩定性使轉子凹陷或彎曲。

電氣徑向振擺是對軸的材質的不均勻性進行的測量。當使用非接觸式渦電流探測器來測量電氣徑向振擺的時候，在發出的磁場與感應的磁場之間的互相作用被轉換為了距離。任何可以改變探測器探頭與軸之間的磁力相互作用的現象都會影響徑向振擺。這包括材質紋理結構的不均勻性、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果，對於軸的加工製造可以影響材料的金屬性能，從而影響電氣徑向振擺。

根據API的定義，電動機和發電機的低速輥徑向振擺是一種電氣和機械式組合在一起的、以200到300轉/分鐘的低速下、在旋轉的軸上進行的徑向振擺的測量。既然徑向振擺會影響振動讀數並可能導致測量誤差，因此了解其各種影響因素以及如何消除它是非常重要的。

在加工製造過程中對徑向振擺水平進行監控，有助於避免設備拆解以及將轉子退回到機床或者研磨機上進行返工。在機器組裝完之後如果沒有滿足低速輥徑向振擺的限值，對於製造商和客戶來說成本都很高。

本文來自於《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年6月刊《技術文章》欄目，原標題為：如何測量在電動機內低速輥的徑向振擺？

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