理解旋轉機械中的徑向振動
徑向振動 — 也稱為徑向或橫向振動 — 是指旋轉軸垂直於其旋轉軸線的運動。簡單來說，就是軸在旋轉時的左右和上下移動。它是 振動 旋轉機械中最常見的振動形式，通常由徑向力驅動，例如 不平衡, 不對心、彎曲的軸，或 軸承缺陷。理解它對於 轉子動力學至關重要，因為它是大多數設備的主要振動模式，也是幾乎所有振動監測和 動平衡校正 運作。
1. 方向與測量
徑向振動是在垂直於軸線的平面內測量的。兩個正交方向可以完整描述它：
- 水平： 平行於地面的左右運動。
- 垂直： 垂直於地面的上下運動。
- 徑向： 任何垂直於軸線的方向 — 實際上，是水平和垂直分量的向量組合。
將振動分為水平和垂直並非學術上的區分：支撐剛性通常在兩個方向上有所不同，因此機器在一個方向上的振動往往比另一個方向大，而這種差異本身就是一個診斷線索。測量通常在以下位置進行：
2. 徑向振動的主要原因
徑向振動來自許多來源，分析的價值在於每個來源都會在頻率、相位和軌跡中留下特徵性的簽名。
不平衡（最常見）
不平衡 是最常見的原因。不對稱的質量分佈會產生旋轉離心力，從而產生：
不對心
軸不對心 耦合機器之間產生徑向力，表現出：
- 主導的 2× 分量（每轉兩次）。
- 同時激發 1× 和更高諧波。
- 通常還有較高的軸向分量 — 這是一個關鍵的區分特徵。
- 與不平衡不同的相位關係。
彎曲或拱起的軸
永久彎曲或拱起的軸會引入幾何偏心，從而產生：
- 1× 振動，看起來很像不平衡。
- 即使在低速滾動時也會產生高振動。
- 僅靠動平衡校正無法真正修復的狀態 — 必須解決根本的 軸彎曲 問題。
軸承缺陷
滾動軸承 缺陷會產生獨特的徑向簽名：
機械鬆動
鬆動的軸承、基礎或安裝螺栓會產生典型的非線性響應 機械鬆動:
- 一系列諧波（1×、2×、3×、…）。
- 對激振力的非線性響應。
- 讀數不規則或不穩定。
轉子與靜子摩擦
旋轉部件與靜止部件之間的接觸 — 一種 轉子摩擦 — 會產生：
- 次同步分量。
- 振幅與相位的突然變化。
- 摩擦使軸的一側受熱，可能導致軸熱彎曲。
3. 徑向振動與其他振動類型
旋轉機械可在三個主要方向上振動，將它們區分是任何診斷的第一步。
| 類型 | 方向 | 典型原因 | 量測 |
|---|---|---|---|
| 徑向（徑向） | 垂直於軸中心線 | 不平衡、不對心、軸彎曲、軸承缺陷 | 軸承座上的加速規或速度感測器；軸上的近接探頭 |
| 軸向 | 平行於軸中心線 | 不對心、推力軸承問題、工藝流程問題 | 軸向安裝的加速規 |
| 扭轉 | 繞軸軸線扭轉 | 齒輪嚙合問題、馬達電氣問題、聯軸器問題 | 專用扭振感測器或應變計 |
徑向振動通常是振幅最大的分量，也是標準加速規最容易讀取的分量。軸向振動通常較小，但可用於診斷不對心和推力故障，而扭振通常很小，卻可能導致疲勞失效，且普通徑向感測器無法偵測。
4. 徑向振動模態與臨界轉速
在 轉子動力學，徑向振動模態描述了軸採用的特徵撓曲形狀，每個模態都與一個 臨界轉速 運轉轉速與自然頻率重合時。
- 第一徑向模態： 一種簡單的彎曲形狀 — 在最低自然頻率下呈現單一弧線或彎曲。它最容易由不平衡激發，第一臨界轉速即對應於此模態。
- 第二徑向模態： 一種 S 形撓曲，具有一個 節點，在較高的自然頻率下；這是第二臨界轉速，對 柔性轉子.
- 更高徑向模態： 形狀日益複雜，具多個節點，僅與極高轉速或極柔性的轉子相關，有時由葉片通過頻率或其他高頻力激發。
了解這些臨界轉速相對於運轉轉速的位置是安全設計的關鍵；一個 轉子臨界轉速計算器 可根據軸的幾何形狀與支撐結構，初步估算軸的自然頻率。
5. 測量、監測與標準
徑向振動由多個共同作用的參數來表征：
- 振幅: 運動的幅度，以位移（µm、mils）、速度（mm/s、in/s）或加速度（g、m/s²）表示。
- 頻率： 通常為不平衡主導振動的 1× 運轉轉速，但對於其他故障則延伸至諧波與其他分量。
- 相位: 相對於軸上參考標記的峰值位移時間。
- 軌跡： 從端面觀察時，軸中心實際描繪的路徑。
國際標準設定了可接受的限值。 ISO 20816 系列 — ISO 10816 的現代替代品 — 根據 RMS 速度為各種機械類型定義振動限值，而 API 610、617 等行業規範以及 API 684 則專門涵蓋泵、壓縮機與轉子動力學。這些框架定義了嚴重度區域 — 可接受、注意與警報 — 並根據設備類型與尺寸進行縮放；對於常見的中型工業機械，您可以使用 ISO 20816-3 振動限值工具.
6. 控制與緩解
動平衡校正 是解決不平衡引起的徑向振動的主要方法。方法取決於轉子類型： 單面動平衡 對於盤式轉子， 雙面動平衡 對於大多數工業轉子，以及 模態動平衡校正 對於在臨界轉速以上運轉的柔性轉子。
對中 減少不對心產生的徑向力。精密 雷射軸對中 精確定位軸系，對準目標中已考慮熱膨脹，且 軟腳 在開始對準前已校正。
阻尼 控制振幅，特別是在臨界轉速附近：液膜軸承提供顯著的 阻尼，a 擠壓膜阻尼器 在需要的地方增加更多，支撐結構的處理也有幫助。
剛性修改 將臨界轉速移出運轉範圍：增加軸直徑會提高它們，減少 軸承跨距 會提高第一臨界轉速，而強化基礎會改變整個系統的響應——這提醒我們 基礎剛性 是轉子-軸承系統的一部分，而非外部。
7. 診斷重要性與現場實務
橫向振動分析是機械診斷的基石。長期趨勢顯示發展中的問題；其頻率和模式識別特定故障；其振幅與標準對比顯示嚴重度；其降低確認平衡成功；其水平觸發基於狀態的維護行動。
在現場，所有這些都在運轉中的機器上完成。工程師將感測器安裝在軸承座上，並使用便攜式雙通道儀器，例如 Balanset-1A 來捕捉兩個方向的橫向振動，讀取 1× 振幅和相位，並查看將不平衡與不對心、鬆動或軸承故障分開的頻譜。由於同一儀器測量振幅和相位並計算影響係數，工程師可以直接從診斷轉向校正——在運轉轉速下在其自身軸承中平衡轉子，然後重新測量橫向振動以驗證修復，無需平衡機或拆卸。
橫向振動的有效管理，最終是保持旋轉機械長期可靠運行的關鍵，這就是為什麼它位於振動監測計畫、預測性維護策略和轉子動力學設計的核心的原因。
