了解旋转机械中的径向振动
径向振动 是指旋转轴垂直于其旋转轴线的运动，如同车轮辐条般从中心向外辐射。术语“径向”涵盖了所有指向轴中心线外侧的方向，因此既包括水平（左右）运动，也包括垂直（上下）运动。这正是工程师所称的 横向振动 或横向振动，这是目前测量和趋势分析最普遍的形式 振动 在旋转机械领域——这是可靠性技术人员首先关注的指标，也是大多数国际标准制定时所依据的核心指标。实际测量时，会在每个轴承处沿两个相互垂直的方向进行测量，从而能够重建轴在空间中的完整运动轨迹。
1. 定义与测量指南
由于轴可以在垂直于其轴线的平面内任意方向移动，因此单个传感器无法全面反映情况。在每个轴承处安装两个呈90°角的探头，可以全面监测径向状况，其测量数据通常会分别报告，也会合并报告。
水平径向振动
横向振动是指轴的左右摆动：
- 垂直于轴线且与地面平行。
- 通常是卧式机床上最易于接触的测量点。
- 反映重力、地基刚度不对称性以及水平荷载函数。
- 大多数常规监测计划的标准测量方向。
垂直径向振动
垂直振动是指轴的上下运动：
- 与轴线垂直，并与地面垂直。
- 直接受重力和转子静重的影响。
- 其振幅通常高于水平方向，因为转子重量会导致支撑刚度不平衡。
- 这对诊断立式设备（如立式泵和电机）至关重要，因为在这些设备中，“水平”和“垂直”失去了通常的含义，两个径向轴仅呈正交关系。
整体径向振动
总径向运动是两个已测分量的向量和：
径向总和 = √(水平² + 垂直²)
- 表示运动的真实幅度，无论方向如何。
- 适用于单数字严重性评估和告警设置。
- 由于这两个轴很少在同一瞬间达到峰值，因此轴所描绘的轨迹通常是椭圆而非圆——这一事实在轨道分析中显得尤为重要。
2. 径向振动的主要原因
任何垂直于轴心的力都会产生径向振动。确定主导频率是诊断的核心，因为每种故障都会留下独特的特征信号。
1. 不平衡（主要原因）
不平衡 是旋转设备中径向振动最常见的单一来源：
- It creates a 离心力 随轴旋转，出现在 运行速度（1X）.
- 这种力会随着不平衡质量、其半径以及——尤为关键的是——速度的平方而增大，因此随着转速的升高，一个微小的重心点就会成为严重的问题。
- 它形成一个大致呈圆形或椭圆形的 轴轨道.
- 可以通过以下方式进行纠正： 平衡，这是上述故障中唯一通常无需更换零件即可修复的。
2. 错位
轴错位 耦合机械之间产生的力既包括径向力，也包括 轴向振动:
- 其主要表现为2X（每转两次）径向振动。
- 它还会生成1倍、3倍及更高倍数 谐波.
- 伴随径向信号出现的强烈轴向振动是一个重要线索。
- "(《世界人权宣言》) 阶段 这两个轴承之间的关系可以告诉你，偏移是角向的、平行（偏移）的，还是两者兼有。
3. 机械缺陷
一些机械故障会产生独特的放射状图案：
- 轴承缺陷: 在……处的高频冲击 轴承故障频率.
- 轴弯曲或弯曲： 一种类似于不平衡的振动，但在低速滚动时也会出现——参见 轴弓.
- 松弛: 多个谐波（1倍、2倍、3倍及更高次）表现出非线性且通常具有方向性的特性。
- 裂缝： 启动和关闭过程中振幅变化的1X和2X振动——这是 转子裂纹.
- 摩擦： 由亚同步和同步分量混合而成的，这是……的特征 转子摩擦.
4. 空气动力学和水动力学
泵、风机和压缩机内部的工艺力会产生自身的径向作用力：
5. 共振条件
当机器在靠近 临界速度, 径向振动会显著放大：
3. 测量标准与参数
计量单位
径向振动可以用三个相关的参数来表示，每个参数适用于不同的频率范围：
- 位移: 实际移动距离（微米 µm 或密尔）。适用于低速机械和 接近探测器 轴的尺寸。
- 速度: 位移的变化率（mm/s，in/s）。这是通用工业机械中最常见的参数，也是ISO严重性标准的基础。
- 加速度: 速度的变化率（m/s²，g）。用于轴承缺陷检测等高频应用。
这一选择至关重要，因为相同的物理运动在一种测量单元中可能看起来无害，而在另一种单元中却可能令人担忧——速度测量往往会使中频带的频谱趋于平坦，而大多数旋转机械故障正出现在这一频段，这也正是速度测量成为ISO限值基础的原因。
国际标准
"(《世界人权宣言》) ISO 20816 该系列标准规定了径向振动严重度限值。（该标准取代了旧版的ISO 10816系列标准以及更早的ISO 2372标准；引用ISO 20816作为权威依据。）
- ISO 20816-1: 机械振动评估的一般准则。
- ISO 20816-3: 针对功率超过15千瓦的工业机器的具体标准。
- Severity zones: A（良好），B（合格），C（不合格），D（不合格）
- 测量位置： 通常位于轴承座的径向方向上。
行业特定标准
- API 610： 离心泵的径向振动限值。
- API 617： 离心式压缩机的振动标准。
- API 684: 用于预测径向振动的转子动力学分析方法。
- NEMA MG-1： 电动机的振动限值。
4. 监测与诊断技术
常规监测
标准程序会按计划监测径向振动：
- 基于路线的收集： 按固定间隔（每月、每季度）进行定期读数。
- 总体趋势： 观察总振幅随时间增加的情况。
- Alarm limits: 根据 ISO 标准或设备特定标准设定。
- 比较： current versus 基线，以及水平与垂直。
高级分析
当怀疑存在问题时，更深入的工具能揭示其本质：
- 快速傅里叶变换分析: a frequency 光谱 将振动分解为各分量。
- 时域波形: 原始信号随时间的变化，从而揭示瞬态信号和调制。
- 相分析： 测量点之间的时序关系。
- Orbit analysis: 直接对应径向测量值的轴中心线路径。
- 包络分析: 高频解调技术用于早期轴承缺陷检测。
持续监控
关键设备通常会进行持续监控：
5. 水平与垂直的差异
典型振幅关系
在许多机器上，垂直读数超过了水平读数：
- 重力效应： 转子重量产生的静载变形增强了垂直方向的刚度。
- 不对称刚度 地基和支撑结构在水平方向上通常更坚固。
- 典型比值： 垂直振动通常为水平振动的1.5至2倍。
- 配重效应： 放置在转子底部（最易于操作的位置）的校正配重，往往能优先减少垂直振动。
诊断差异
- 不平衡： 根据重心的位置不同，可能向某个方向倾斜得更明显。
- 松弛： 在垂直方向上，这种非线性往往表现得更为明显。
- 基础问题： 竖向振动对地基劣化更为敏感。
- 错位： 根据错位类型的不同，在水平和垂直方向的读数中可能呈现不同的状态。
6. 与转子动力学的关系
径向振动是 转子动力学 分析，因为轴的径向弯曲行为决定了它会在何处以及如何出现异常。
临界速度
- 径向固有频率决定了临界转速。
- 第一临界速度通常对应于第一径向弯曲模态。
- 坎贝尔图 预测速度对径向行为的影响。
- 与临界转速之间的安全裕度可有效抑制径向振动。
模态形状
- 每种径向模式都有其特征 挠度曲线.
- 第一种模式：一个简单的弧线。
- 第二种模式：一条带有 node point.
- 更高阶模式：模式逐渐变得更加复杂。
权衡考虑
7. 矫正、控制与实地演练
失衡
- 实地平衡 使用便携式分析仪。例如，像 平衡仪-1a 该方法可测量每个轴承处的1X径向振幅和相位，计算影响系数，并使工程师能够在运行速度下直接在轴承上对转子进行平衡——无需拆卸，也无需使用平衡机。要将测得的振幅值转换为校正质量，您还可以使用 试用重量计算器.
- 单平面 或 双平面平衡 根据转子几何形状选择的工艺。
- 在 平衡机 针对最关键的组件。
机械问题
- 通过精密对准来纠正错位。
- 因轴承缺陷而更换轴承。
- 拧紧松动的部件。
- 针对结构问题的地基修复。
- 对弯曲轴进行矫直或更换。
关于共振问题
- 调整速度以避开临界转速范围。
- 刚度调整（轴径、轴承位置变化）
- 诸如以下这些阻尼增强措施： 挤膜式阻尼器 或重新选择轴承。
- 通过增加质量，使固有频率偏离工作转速。
8. 在预测性维护中的重要性
径向振动监测是 预测性维护:
- 早期故障检测： 径向振动的变化会在故障发生前数周或数月出现。
- 趋势： 逐渐增加的迹象表明问题正在发展。
- 故障诊断： 频率成分可确定具体的故障类型。
- 严重程度评估： 该数值反映了问题的严重程度和紧迫性。
- 维护计划： 工作安排取决于实际情况，而非日历上的日期。
- Cost savings: 避免了灾难性故障，并优化了维护间隔。
作为旋转机械的主要振动测量指标，径向振动为设备状态提供了关键依据，因此对于工业旋转设备的可靠、安全、高效运行而言，它是不可或缺的。
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