了解旋轉機械中的徑向振動
徑向振動 是旋轉軸垂直於其旋轉軸線的運動，從中心向外輻射，如同車輪的輻條。“徑向”一詞涵蓋任何指向遠離軸中心線的 directions，因此它包含水平（左右）和垂直（上下）運動。這是工程師稱為 徑向振動 或橫向振動的現象，並且是旋轉機械中最常被測量與趨勢分析的振動形式 振動 在旋轉機械中——可靠性技術人員查看的第一個數值，也是大多數國際標準圍繞制定的指標。實務上，它在每個軸承處沿兩個垂直方向進行測量，以便重建軸在空間中的完整軌跡。
1. 定義與測量方向
由於軸可以在垂直於其軸線的平面內沿任何方向移動，單一感測器無法呈現完整狀況。在每個軸承處安裝兩個相隔 90° 的探頭可捕捉完整的徑向狀況，其讀數通常會分別報告並合併計算。
水平徑向振動
水平振動是軸的左右運動：
- 垂直於軸線且平行於地面。
- 通常是水平機械上最易於測量的點。
- 反映重力、基礎剛性不對稱以及水平激振力。
- 大多數常規監測計畫的標準測量方向。
垂直徑向振動
垂直振動是軸的上下運動：
- 垂直於軸線且垂直於地面。
- 直接受重力與轉子靜態重量影響。
- 由於轉子重量造成支撐剛性不對稱，其振幅通常高於水平振動。
- 對於診斷垂直式機械（如立式泵與馬達）至關重要，在此類機械中，“水平”與“垂直”失去一般意義，兩個徑向軸僅為正交關係。
總徑向振動
這兩個方向的讀數有時會合併為單一向量總和：
徑向總值 = √(水平² + 垂直²)
- 可作為內部趨勢分析的便捷指標，將兩個方向濃縮為單一數值。
- 非標準嚴重度數值： ISO 20816（如同之前的 ISO 10816）評估的是 較高 兩個獨立測量的正交徑向值相對於其區域邊界的情況——切勿將此合併總和直接與 ISO 20816 限值比較，或用於基於 ISO 的警報設定，除非您所遵循的標準或程序明確定義了此類合併指標。
- 由於兩個軸很少在同一瞬間達到峰值，軸所描繪的軌跡通常為橢圓形而非圓形——此事實於軌跡分析中至關重要。
2. 徑向振動的主要成因
徑向振動由任何垂直於軸線作用的力產生。識別主導頻率是診斷的核心，因為每種故障都會留下特徵性的頻譜特徵。
1. 不平衡（主導成因）
不平衡 是旋轉設備中徑向振動最常見的單一來源：
- 它產生一個 離心力 隨軸旋轉的力，出現在 運轉速度 (1X).
- 該力隨不平衡質量、其半徑以及——關鍵在於——轉速的平方而增長，因此當 RPM 上升時，微小的重點會變成嚴重問題。
- 它產生大致圓形或橢圓形的 軸軌跡.
- 可透過 動平衡校正進行校正，這是通常無需更換零件即可修復的唯一故障類型。
2. 不對心
軸不對心 聯軸器連接機械之間的不對心會產生徑向與 軸向振動:
- 主要表現為 2X（每轉兩次）徑向振動。
- 它也會產生 1X、3X 及更高 諧波.
- 伴隨徑向信號的高軸向振動是強烈的線索。
- The 相位 兩個軸承之間的關係可告訴您不對心是角度不對心、平行（偏移）不對心，或兩者兼具。
3. 機械缺陷
數種機械問題會產生獨特的徑向模式：
- 軸承缺陷: 在 軸承故障頻率.
- 軸彎曲或轉子彎曲： 類似不平衡的 1X 振動，但在慢速轉動時依然存在——請參閱 軸彎曲.
- 鬆動: 具有非線性、通常具方向性行為的多重諧波（1X、2X、3X 及更高）。
- 裂紋： 在啟動與停機期間變化的 1X 與 2X 振動——這是 裂紋轉子.
- 摩擦： 次同步與同步組件的混合，是 轉子摩擦.
4. 氣動與液動力
泵、風機與壓縮機內部的流程力會施加自身的徑向激振：
5. 共振條件
當機器在 臨界轉速時，徑向振動會劇烈放大：
3. 測量標準與參數
測量單位
徑向振動可用三個相關參數表示，各適用於不同的頻率範圍：
- 位移: 實際移動距離（微米 µm 或 mils）。用於低速機器與 近接探頭 軸測量。
- 速度: 位移的變化率（mm/s, in/s）。是一般工業機器最常用的參數，也是 ISO 振動嚴重度標準的基礎。
- 加速度: 速度的變化率（m/s², g）。用於軸承缺陷檢測等高頻工作。
參數的選擇至關重要，因為相同的物理運動在不同單位下可能看似無害，也可能令人擔憂——速度傾向於在中頻帶（大多數旋轉機器故障所在的頻段）使頻譜趨於平坦，這正是它成為 ISO 限值基礎的原因。
國際標準
The ISO 20816 系列提供了徑向振動嚴重度限值。（它取代了較舊的 ISO 10816 系列及更早的 ISO 2372；請引用 ISO 20816 作為權威標準。）
- ISO 20816-1: 評估機器振動的一般指南。
- ISO 20816-3: 15 kW 以上工業機器的具體標準。
- 嚴重度區域： A（良好）、B（可接受）、C（不滿意）、D（不可接受）。
- 測量位置： 通常在軸承座的徑向方向上。
行業特定標準
- API 610： 離心泵的徑向振動限值。
- API 617： 離心壓縮機的振動標準。
- API 684: 預測徑向振動的轉子動力學分析程序。
- NEMA MG-1： 電動機的振動限值。
4. 監測與診斷技術
常規監測
標準計畫會按排程追蹤徑向振動：
- 基於路線的採集： 固定間隔（每月、每季）的定期讀數。
- 總體水平趨勢分析： 觀察總振幅隨時間上升的情況。
- 警報限值： 依據 ISO 或設備特定標準設定。
- 比較： 當前值與 基線，以及水平與垂直方向。
進階分析
當懷疑有問題時，更深入的工具可揭示其性質：
- FFT 分析: 一個頻率 頻譜 將振動分解為其組成成分。
- 時間波形: 隨時間變化的原始訊號，暴露瞬態與調變現象。
- 相位分析： 測量點之間的時相關係。
- 軌跡分析： 軸中心線路徑，可直接對應至徑向測量值。
- 包絡分析: 用於早期軸承缺陷檢測的高頻解調。
連續監測
關鍵設備通常會進行永久監測：
5. 水平與垂直方向的差異
典型振幅關係
在許多機器上，垂直讀數高於水平讀數：
- 重力效應： 轉子重量產生靜態撓度，使垂直方向剛性增加。
- 非對稱剛性： 基礎與支撐結構在水平方向通常剛性較高。
- 典型比例： 垂直振動幅度常見為水平值的 1.5–2 倍。
- 校正配重效應： 置於轉子底部的校正配重（最易接近的位置）傾向於優先降低垂直振動。
診斷差異
- 不平衡： 可能因重點位置而在單一方向讀數較高。
- 鬆動： 常在垂直方向更明顯地呈現其非線性特徵。
- 基礎問題： 垂直振動對基礎劣化更為敏感。
- 不對心： 視不對心類型不同，在水平與垂直讀數上的表現可能有所差異。
6. 與轉子動力學的關係
徑向振動位於 轉子動力學 分析的核心，因為軸的徑向彎曲行為決定了其失穩的方式與位置。
臨界轉速
- 徑向自然頻率決定了臨界轉速。
- 第一臨界轉速通常對應於第一徑向彎曲模態。
- 坎貝爾圖 預測徑向行為隨轉速的變化。
- 與臨界轉速的間隔裕度可將徑向振動控制在合理範圍內。
振型
動平衡考量
7. 校正、控制與現場實務
針對不平衡
- 現場動平衡 使用便攜式分析儀。如 Balanset-1A 可測量各軸承處的 1X 徑向振幅與相位，計算影響係數，並讓工程師在運轉轉速下於原機軸承內完成轉子動平衡校正——無需拆卸，亦無需平衡機。若要將測得的振動值轉換為校正質量，亦可使用 試重計算器.
- 單平面 或 雙面動平衡 程序，並依轉子幾何形狀選擇。
- 在 動平衡機 上進行精密車間動平衡，適用於最關鍵的零組件。
針對機械問題
- 精密對中校正以修正不對心。
- 更換軸承以處理軸承缺陷。
- 鎖緊鬆動零組件。
- 針對結構問題進行基礎修復。
- 軸彎曲時進行軸校直或更換。
針對共振問題
- 調整轉速以避開臨界轉速區間。
- 剛性修改（軸徑、軸承位置變更）。
- 增強阻尼，例如 擠壓膜阻尼器 或重新評估軸承選型。
- 調整質量以將自然頻率移離運轉轉速。
8. 在預測性維護中的重要性
徑向振動監測是 預測性維護:
- 早期故障檢測： 徑向振動的變化通常會比故障發生早數週或數月。
- 趨勢分析： 的基石，逐漸上升的趨勢顯示問題正在發展。
- 故障診斷： 頻率內容可識別特定的故障類型。
- 嚴重度評估： 振幅顯示問題的嚴重程度與緊急度。
- 維護排程： 維護工作由設備狀態驅動，而非日曆排程。
- 成本節省： 避免災難性故障，並最佳化維護間隔。
作為旋轉機械的主要振動測量項目，徑向振動提供了設備狀態的關鍵證據——對於工業旋轉設備的可靠、安全與高效運轉不可或缺。
