理解旋轉機械中的軸向振動
軸向振動 （也稱為縱向或推力振動）是指 轉子 沿著平行於其旋轉軸的方向。當 徑向振動 是垂直於軸的側向運動時，軸向振動則是軸沿著自身長度進退的運動，類似活塞。其振幅通常低於 徑向振動，但對於特定類別的故障具有極高的診斷價值——尤其是 不對心, 推力軸承 問題，以及泵和壓縮機中的流程相關問題。經驗豐富的分析师將其視為完整測量組中不可或缺、而非可選的一部分。
1. 特徵與測量
方向與運動
軸向振動沿著軸的中心線軸發生：
- 運動平行於旋轉軸。
- 轉子以往復方式前後移動。
- 通常在軸承座或軸端進行測量。
- 其振幅通常小於徑向振動，但一旦出現，在診斷上更具指示性。
測量設置
捕捉軸向運動需要精心放置感測器：
- 感測器方向： 一個 加速規 或 速度感測器 平行於軸軸線安裝。
- 典型位置： 軸承座端蓋、馬達端蓋或推力軸承座。
- 接近感測器： a 近接探頭 面向軸端可直接測量軸向位置。
- 重要性： 常被忽視，但對完整的機械診斷至關重要。
2. 軸向振動的主要原因
不對心——最常見的原因
軸不對心，特別是角度不對心，是軸向振動的主要來源：
- 症狀： 在運轉速度下產生高 1× 或 2× 軸向振動。
- 機制： 耦合軸之間的角度偏移會在每轉一圈時通過聯軸器泵送振盪軸向力。
- 診斷指標： 軸向振幅大於徑向振幅的 50% 強烈暗示不對心。
- 相位關係： 驅動端和非驅動端的軸向讀數通常相差約 180° 相位.
推力軸承缺陷
固定軸向軸位置的 推力軸承 出現問題會產生特徵性的軸向振動：
- 推力軸承磨損或損壞。
- 推力軸承預壓不足 預壓.
- 推力軸承失效導致過大的軸向游隙。
- 推力面特定的潤滑問題。
液力或氣動力
泵、壓縮機和渦輪機中的流程力產生軸向負荷：
- 泵 空蝕: 蒸氣氣泡破裂產生軸向衝擊力。
- 葉輪不平衡： 非對稱流動產生振盪軸向推力。
- 軸向流動湍流： 在軸向壓縮機和渦輪機中。
- 喘振: 壓縮機喘振導致劇烈的軸向振動。
- 回流: 非設計工況運行會觸發流動不穩定。
機械鬆動
過大的游隙會使轉子軸向穿梭：
- 推力軸承表面磨損。
- 聯軸器組件鬆動。
- 軸承配置中的軸向約束不足。
- 隔圈或墊片磨損。
聯軸器問題
聯軸器磨損或安裝不良會產生軸向振動：
- 齒式聯軸器齒牙磨損導致軸向浮動。
- 安裝不當的彈性 聯軸器.
- 聯軸器隔圈長度誤差。
- 萬向接頭角度產生軸向力分量。
熱膨脹問題
差異熱膨脹會施加軸向力：
- 管線熱膨脹對設備產生推力或拉力。
- 耦合機組之間熱膨脹不均。
- 基礎沉降干擾軸向對中。
3. 診斷意義
診斷不對心
軸向振動是不對心的最佳指標：
- 經驗法則： 若軸向振動超過徑向振動的 50%，應懷疑不對心。
- 頻率成分： 平行偏移不對心主要為 2×；角度不對心則同時出現 1× 與 2×。
- 相位分析： 兩端軸向讀數之間呈 180° 相位差，可確認不對心。
- 確認： 高精度 軸對中 後軸向振動急劇下降，即可證實診斷。
泵與壓縮機診斷
針對流體處理旋轉設備：
- 空蝕： 高頻、隨機、寬頻軸向振動。
- 水力不平衡： 葉輪負載不對稱引起的 1× 軸向振動。
- 喘振： 大振幅、低頻軸向振盪。
- 葉片通過頻率: 葉片通過頻率處的軸向分量指向流動問題。
軸承狀態評估
- 軸向振動突然上升可能顯示推力軸承劣化。
- 推力軸承故障頻率處的軸向振動可確認軸承問題。
- 以接近感測器測得的過度軸向浮動表示軸承磨損。
4. 可接受水準與標準
一般指南
一般機械振動標準——現代 ISO 20816 系列（取代 ISO 10816）——主要關注徑向振動，因此軸向限值通常相對於徑向振動來界定：
- 相對於徑向： 正常情況下，軸向振動應低於徑向振動的 50%。
- 絕對限值： 通常為該機組等級徑向限值的 25–50%。
- 基線比較： 較 基線 上升 50–100%，無論絕對值為何，均需調查。
設備專用標準
- API 610（離心泵）： 規定徑向與軸向振動限值。
- API 617（離心壓縮機）： 包含軸向振動接受準則。
- 渦輪機械： 常以專用軸向位置與軸向振動感測器連續監測，通常遵循 API 670 機械保護實務。
5. 校正與緩解方法
針對不對心
- 精密軸對中： 使用雷射對中工具來校正角度與平行不對心。
- 軟腳校正： 在對中前確保每個機腳平穩貼合——請參閱 軟腳.
- 熱膨脹補償： 設定冷態對中目標時，需考量運轉溫度下的膨脹量。
- 管路應力釋放： 消除會將設備拉離對中狀態的管路應力。
針對推力軸承問題
- 更換磨損的推力軸承零件。
- 確認推力軸承的預壓與游隙設定正確。
- Ensure adequate lubrication to the thrust faces.
- Check correct installation and shimming.
For process-related axial forces
- Eliminate cavitation: raise inlet pressure, lower fluid temperature, clear inlet blockages.
- Optimise the operating point: keep pumps and compressors within their design range.
- Balance hydraulic forces: use balance holes or back vanes on impellers.
- Anti-surge control: 在壓縮機上實施有效的防喘振控制。
針對機械問題
- 更換磨損的聯軸器及其零件。
- 鎖緊鬆動的機械連接處。
- 確認隔圈與墊片的尺寸正確。
- 依照製造商規範安裝聯軸器。
6. 測量最佳實務
感測器安裝
- 穩固安裝： 進行軸向測量時，盡可能優先使用螺柱或黏著劑而非磁鐵——請參閱 感測器安裝.
- 確認方向： 確保感測器確實與軸線平行，而非呈角度傾斜。
- 兩端皆測： 在驅動端與非驅動端兩側皆測量軸向振動，以便比較相位。
- 接近感測器： 對於關鍵設備，安裝永久式軸向位移感測器。
資料收集
- 收集軸向資料時，務必同時記錄水平與垂直徑向測量值。
- 記錄不同位置軸向讀數之間的相位關係。
- 比較軸向與徑向振幅的比值。
- 趨勢 追蹤軸向振動隨時間的變化，以早期發現潛在問題。
7. 軸向與徑向振動之比較
區分這兩個方向對於故障識別至關重要：
| 方面 | 徑向（側向）振動 | 軸向振動 |
|---|---|---|
| 方向 | 垂直於軸中心線 | 平行於軸中心線 |
| 典型振幅 | 較高 | 較低（通常小於徑向振幅的 50%） |
| 主要成因 | 不平衡, 軸彎曲、軸承缺陷 | 不對心、推力軸承問題、流程應力 |
| 診斷價值 | 一般機械狀態 | 專用於不對心與推力問題 |
| 監控優先級 | 主要焦點 | 次要但對診斷至關重要 |
8. 現場實務診斷
在現場，決定性的軸向振動測試在於比較：在兩側軸承端讀取軸向振幅與相位，並與徑向讀數進行權衡比較。一台便攜式雙通道 振動分析儀 例如 Balanset-1A 非常適合此應用，因為其兩個通道可同時擷取兩端訊號並共用 轉速計 相位參考——使不對心特有的 180° 軸向相位差，以及 1×/2× 諧波 模式在 FFT 頻譜中立即顯現。同樣的比較也能避免昂貴的誤判：高幅值的徑向 1× 振動常被歸咎於 不平衡，但強烈的對應軸向分量則指向不對心，這並非僅靠 動平衡校正 就能解決。在加裝試重前確認主導運動方向，正是區分持久修復與徒勞無功的關鍵。
9. 工業應用
軸向振動監測特別適用於：
- 離心泵： 液動力與空蝕偵測。
- 壓縮機： 推力軸承監測與喘振偵測。
- 渦輪機： 軸向葉片受力與推力軸承狀態。
- 聯軸設備： 對中驗證與聯軸器狀態。
- 流程設備： 流體狀態監測。
儘管軸向振動常被更顯著的徑向訊號掩蓋，但經驗豐富的分析师極度重視其診斷價值。許多僅靠徑向測量會遺漏的故障，都會透過軸向模式顯露無遺——這正是徹底 condition-monitoring 計畫始終測量三個方向的原因。
