軟腳：成因、診斷與校正
軟腳 是旋轉設備過大振動最常見卻常被低估的成因之一。在現場服務經驗中， 大量 的工業廠區機台在運作時存在未校正的軟腳問題。本文詳細探討此現象的物理特性、分類、檢測方法 — 從塞尺到交叉相位振動分析 — 以及實用的校正技術。
1. 定義與物理特性
軟腳 是指在緊固地腳螺栓之前，一個或多個機腳未與基礎框架（底板、基座）完全接觸的狀態。當此類螺栓被緊固時，機殼會變形，軸承內孔幾何形狀會扭曲，且轉子軸線會偏離其設計位置。
從物理角度來看，會發生以下情況：螺栓在接觸不完全的機腳上施加的緊固力會在機殼內產生彎矩。此變形會傳遞至軸承支撐，導致：
- 滾動軸承內圈不對中
- 滑動軸承負荷分佈不均
- 聯軸器連接機軸的角度不對心
- 因轉子彎曲引起的動態不平衡
結果，轉頻（1×）處的振動會增加，嚴重時諧波倍頻處也會增加。
有文獻記載的案例顯示，校正 單一螺栓 使振動速度（RMS）從 12 mm/s 降至 2 mm/s — 降低了六倍。
2. 軟腳分類
國際實務將軟腳分為四種類型。每種類型都需要不同的識別與校正方法。
平行（間隙）軟腳
機腳整個軸承接觸面下方存在均勻間隙。成因包括：機腳過短、底板不平或墊片厚度不正確。
✓ 平整校準墊片角度軟腳
機腳僅沿單一邊緣或角落接觸機架。鎖緊螺栓時，對側會翹起，導致機殼變形。發生於機腳未垂直於螺栓軸線，或表面呈楔形磨損時。
✓ 錐形 / 階梯墊片鬆軟（彈性）軟腳
表面看似接觸機架，但存在可壓縮材料：過多薄墊片、油漆、污垢、腐蝕或墊圈殘留物。隨著材料沉降，對中會隨時間「漂移」。特徵為重複測量結果不穩定。
✓ 清潔表面，≤3 片墊片誘發軟腳
機腳與機架幾何形狀正確，但外力 — 管道應力、電纜托架負荷、護罩受力、頂絲壓力 — 將機殼拉離支撐平面。最隱蔽：靜態測量可能無法發現。
✓ 管道應力校正Gap外力校正 First determine the type of soft foot by the nature of the contact, then select the correction method (shims, surface machining, removal of external loads).
3. Impact on Machine Vibration Condition
Soft foot has a complex negative effect on machine condition across multiple parameters:
| 參數 | Mechanism of Impact |
|---|---|
| Vibration velocity (RMS, mm/s) | Amplitude increase at 1× rotational frequency due to rotor deflection and misalignment |
| Vibration phase | Phase angle difference between supports can reach 180° — a characteristic sign of soft foot |
| 頻譜 | Elevated 1× with possible presence of 2× and line frequency (for electric motors) |
| 軸承壽命 | Ring misalignment causes point overload on rolling elements, drastically reducing service life |
| Shaft alignment | Unstable alignment: values "drift" from target after bolt tightening |
| 密封件 | Casing deformation disrupts geometry of mechanical seal seats |
If vibration remains elevated after performing quality shaft alignment, the first thing to check is soft foot.
4. Diagnostic Methods
4.1. Static Detection (Feeler Gauges and Dial Indicators)
The most common method during scheduled alignment work.
- Loosen all machine hold-down bolts.
- Insert a feeler gauge set between each foot and the frame. Record the gaps.
- For each foot with a gap exceeding 0.05 mm, select calibrated shims.
- Tighten all bolts with a torque wrench.
- Repeat the measurement with a dial indicator: mount the base on the frame, position the indicator tip on the foot, and loosen the bolt. Allowable displacement is no more than 0.05 mm (50 µm).
This method does not detect induced soft foot that occurs under operating load (temperature, pressure, pipe strain).
4.2. Dynamic Detection (Bolt Loosening on a Running Machine)
This method detects soft foot directly under operating conditions — at temperature, pressure, and pipe strain.
- Mount a vibration sensor (accelerometer) on the machine casing near the support.
- Connect the instrument in real-time vibration velocity RMS monitoring mode. A portable dual-channel vibrometer such as the Balanset-1A can be used, enabling simultaneous monitoring of vibration level and phase angle at the rotational frequency.
- Sequentially loosen each hold-down bolt (to finger-tight), observing the change in RMS.
- Immediately retighten the bolt after checking and move to the next one.
- The bolt whose loosening results in a significant reduction in vibration indicates soft foot at that location.
振動速度 RMS 降低超過 20% 當鬆開單一螺栓時，即為軟腳的確鑿證據。
在運轉中的設備上操作緊固件涉及較高風險。必須嚴格遵守職業安全要求，包括使用 無火花工具 在危險區域，並取得在帶電設備上作業的適當授權。
4.3. 交叉相位振動分析
最具資訊量的儀器方法，可識別軟腳 無需鬆開緊固件 在運轉中的設備上。
所需設備
- 具有交叉相位功能的双通道振動分析儀
- 兩個加速規
- 相位參考感測器（轉速計）及轉子上的反光標記
双通道振動計 Balanset-1A 可同時測量 1× 的振動振幅及兩個通道的相位角，精度為 ±2°，適合現場交叉相位分析。光電相位參考感測器（0–360° 範圍）為標準配備。
- 將加速規安裝在機器的兩個支撐座上，方向相同（例如垂直方向）。
- 將標記貼在轉子上，並將轉速計感測器對準標記。
- 執行交叉相位測量：儀器會決定兩個點在 1× 轉速頻率下的振動相位角差。
若相位差約為 180° 且兩個支撐座之間的振幅差顯著，即為軟腳的特徵。振幅較高的支撐座指示問題位置。
差異診斷
| Defect | 支撐座之間的相位差 | 振幅 |
|---|---|---|
| 軟腳 | ≈ 180° | 支撐座之間差異顯著 |
| 不平衡 | ≈ 0°（同相） | 水平相當 |
| 不對心 | 0° 或 180° | 取決於不對心類型 |
CH1 / CH2Δφ ≈ 0°Δφ ≈ 180° 同相信號通常表示不平衡；反相信號則指向軟腳。為得出確切結論，請驗證振幅、1×/2× 頻譜以及螺栓鬆開測試。
交叉相位法的優點在於它可在機器正常運轉期間進行，且無需鬆開任何緊固件。
5. 管路引起的軟腳
管路對泵或壓縮機設備的應力是導致過大振動和對中不穩定的關鍵原因之一，卻也是最常被忽視的原因。
5.1. 發生機制
如果管路在受應力狀態下（無自由配合）連接到機器法蘭，管路力會持續作用於機器殼體。在運轉壓力和溫度下，此力會因熱膨脹而增加。管路會「搖晃」機器，導致：
- 軸對中發生週期性變化
- 1× 和 2× 轉動頻率下的振動增加
- 軸承和機械密封件提前磨損
- 嘗試對中時讀數不穩定
應力變形 紅色箭頭顯示將機器拉離其幾何形狀的管路應力。12–3–6–9 圓圈顯示在對中前測量四個點法蘭間隙的順序。
5.2. 管路狀況檢查
在軸對中之前，必須檢查法蘭的角度偏差和偏移量。
- 將管路與機器法蘭斷開。
- 在四個點（12、3、6 和 9 點鐘方向）測量管路法蘭與機器法蘭之間的間隙。
- 確定角度偏差（相對點的間隙差）和偏移量（法蘭中心線的平行誤差）。
公差
- 理想的角度偏差和偏移量值： 0 mm
- 透過仔細配管可實際達到的值： 0.01–0.02 mm
- 超過以下值的數值 0.05 mm 必須在對中前進行強制校正
5.3. 管路配接
目標是實現無應力的法蘭連接，且不施加外力。方法包括：
- 調整管路支架和吊架
- 修剪或延長短管
- 使用膨脹接頭
- 校正中間支撐位置
在現場實務中， 營運單位經常忽略管路應力驗證，轉而從其他方面尋找振動原因。此項工作費時費力，但若未執行，任何對中作業——即便是精密對中——都將無法維持穩定。
6. 機腳接觸面積要求
機腳與底板（基礎框架）的最小接觸面積必須 至少佔機腳底面積的 80% 。
當接觸面積低於 80% 時：
- 負荷分佈不均，產生局部應力集中
- 墊片在點接觸區域發生變形與壓痕
- 螺栓鎖緊無法提供穩定固定——對中狀態會隨時間「漂移」
- 機腳或底板發生疲勞失效的風險增加
檢查方法
- 目視檢查： 機腳與框架表面的接觸痕跡、氧化層或刮傷
- 普魯士藍（顯示劑）： 在底板上塗抹薄層，將機腳壓下，評估接觸圖案
- 塞尺組： 鬆開螺栓後，沿機腳周邊進行測量
若發現接觸面積低於 80%，必須恢復接觸表面的平整度：對底板和/或機腳底面進行刮研、銑削或研磨。
7. 軟腳校正程序
檢測到軟腳時，建議的作業順序如下：
準備接觸表面
- 清除底板與機腳表面的污垢、油漆、鏽跡及舊密封墊材料
- 使用直尺與塞尺組檢查平整度
- 如有必要，對表面進行機械加工（研磨、刮研）
驗證接觸面積
- 確保機腳與底板的接觸面積至少為 80%
- 清除接觸區域內任何可壓縮（具彈性）的材料
測量間隙
- 鬆開所有固定螺栓
- 使用塞尺或指針式量錶測量每個機腳的間隙
- 選用經校準的不鏽鋼墊片。 每個機腳的墊片數量不得超過 3 片 （以避免「鬆軟」效應）
檢查管路應力
- 斷開管路連接
- 在四個點測量法蘭的角度偏差與偏移量
- 若超出公差範圍，需進行校正以實現無應力連接
最終鎖緊與驗證
- 使用扭矩扳手以交叉方式鎖緊所有螺栓
- 百分表檢查：鬆開任何螺栓時位移 ≤ 0.05 mm
- 試運轉並驗證振動水平
執行軸對中
應執行軸對中 僅在軟腳完全校正後 且管路已安裝妥當。否則，對中結果將不穩定。
8. 儀器設備
8.1. 靜態診斷工具
- 經校準的塞尺組（從 0.02 mm 起）
- 裝於磁性底座上的百分表（刻度 0.01 mm）
- 直尺
- 用於接觸面積評估的標記膏（普魯士藍）
- 經校準的扭矩扳手
8.2. 動態診斷工具
動態軟腳檢測與交叉相位分析需要具備同時雙通道測量與相位分析功能的便攜式振動分析儀。
Balanset-1A （由 VibroMera 製造）是一款適合這些任務的便攜式雙通道測振儀-平衡儀。與軟腳診斷相關的主要規格：
Balanset-1A 的雙通道架構可在兩個支撐點同時進行振幅與相位振動測量，這是交叉相位軟腳診斷的必要前提。軟腳校正後，同一儀器可用於在其自身軸承中進行轉子動平衡校正——在一個或兩個校正平面內——無需拆卸設備。
9. 規範性參考文件
- GOST R ISO 20816-1-2021 — 振動。機械振動測量與評估。第 1 部分：一般指南。
- GOST R ISO 18436-2-2005 — 機械狀態監測與診斷。振動狀態監測與診斷。第 2 部分：人員培訓與認證要求。
- ISO 1940-1:2003 — 機械振動。恆定（剛性）狀態下轉子的平衡品質要求。第 1 部分：平衡公差規範與驗證。
- ISO 10816 / ISO 20816 — 評估機械振動狀態的標準系列。
10. 結論
重點摘要
軟腳是一種系統性安裝缺陷，其校正是 必要前提 以成功進行旋轉設備的軸對中與振動降低。忽視軟腳將使任何後續的調試工作變得毫無意義：對中將不穩定，振動將持續偏高，且軸承與密封件的服務壽命將縮短。
現代便攜式雙通道測振儀，例如 Balanset-1A 提供完整的診斷週期——從透過交叉相位分析檢測軟腳，到後續的現場轉子動平衡校正。使用儀器診斷方法而非目視檢查，可大幅提高缺陷檢測的可靠性並縮短調試時間。
建議的調試工作流程
作業邏輯「是」分支最終檢查 關鍵規則：確認軟腳校正完成後，方可進行軸對中。實務標準：控制螺栓鬆開時機腳位移 ≤ 0.05 mm，且無反相振動。
遵循此順序是旋轉設備可靠且長期運轉的基礎。
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