相位对于机器故障诊断的意义

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机械故障的准确诊断需要一套完整的机械振动信息。而这些信息来自于我们可以从振动信号中获得的数据的三个主要部分：直接振幅、频率，以及当有两个信号时的相位。相对相位是两个振动信号之间的时序关系，而绝对相位将振动信号与每转一次的参考脉冲进行比较。Keyphasor即键相信号，是传感器提供的每转一次的电压脉冲（通常是电涡流探头）。监控、诊断和管理系统使用键相信号来生成过滤后的振幅、相位滞后、速度和各种其他信息。

Keyphasor生成的信息可以帮助设备操作员或机械专家识别正在发展中的机器问题，或将严重问题与不严重问题区分开来。键相信号用于产生超过三分之一的有关机器状况的信息。
相位（相对和绝对）是这些信息的关键部分。
没有相位信息，机器整体状况和机器故障通常很难被掌握和确诊。

为什么相位重要？
相位信息可用于检测机械的可能会被忽视的细微变化。
以下列出了几种相位的典型应用：
•可接受区域内的趋势监测
•轴裂纹检测
•摩擦检测
•轴平衡
•轴/结构共振检测
•转子振型
•流体诱发失稳的位置

趋势振幅和相位信息可提供早期轴裂纹检测，并提醒操作员注意其他可能的机器问题。使用稳态极坐标图中的相位可以检测出摩擦情况。机械专家在他们的分析中广泛使用相位来确认可疑的机器问题。

趋势相位信息
可接受区域趋势格式是一个极坐标或直角坐标图（图1），通过采样振动矢量分量作为时间函数生成。可接受区域描述了一系列被认为是机器正常运行可接受的矢量运动。对于1X、2X和slow roll矢量，应保持这种趋势。

图1：1X, 2X极坐标图

应怀疑这些矢量在验收边界外的任何移动。1X和2X矢量与负荷、励磁电流、蒸汽条件和其他工艺参数的相关性用于确定矢量是否偏移是由轴裂纹或其他因素引起的。轴裂纹和转子弯曲会导致slow roll的变化。

轴裂纹检测
振幅和相位与时间的关系图（APHT图）（图2）显示1X振幅持续增加。请注意，振幅水平的增加只是图片的一半。图中所示相位的连续变化显示有关机器状况的关键信息。相位信息将机器故障的可能数量减少为一系列可能性。主轴裂纹的两个症状是1X振幅变化和相移。了解机器的其他症状和详细的历史记录后，您可以分析其他绘图和处理信息，以减少可能的机器故障。如果没有此趋势图中的相位信息，则我们很可能会忽略机器状况的可能的严重性。

图2：轴裂纹引起1X振动的振幅和相位随时间（APHT）趋势图

摩擦检测
绝对相位和相对相位可用于检测摩擦状况。稳态相位的变化，轴心轨迹图或全频谱图中的反向分量，以及瞬态条件下相位变化率的异常都可以作为摩擦状态的指标。图3显示了摩擦条件下的稳态极坐标图趋势。此极坐标图显示了由于轻微的密封摩擦，对重点进行热弯修正而导致的连续相位变化。如果没有相位信息，这只会显示为1X振幅的变化，机械专家很难确定振动幅度普遍增大的根本原因。相位信息大大减少了可能的机器故障列表。

图3：密封摩擦引起的稳态振动的极坐标趋势图

轴平衡
绝对相位角信息对转子平衡是至关重要的。相位信息用于补偿非动态影响（slow roll矢量）并为单个机器建立影响向量。一旦确立了slow roll、不平衡响应和影响系数，机械专家就有可能在最少的运行次数内平衡转子。

转子振型
通过比较不同测量平面之间的绝对相位或相对相位，可以确定转子的振型。在最简单的情况下，我们将机器内侧端的探头信号相位与机器外侧端相同角度方向的探头信号相位进行比较（图4）。如果两个信号同相，则转子以平动（弓）模式运行。如果信号异相，则转子在枢轴模式下运行。根据转子质量、系统刚度和转子转速，可以获得更高的运行型态。如果内侧和外侧端之间存在更多测量平面，则可以确定更好的振型表示（图5）。重要的是要认识到，如果你只看振幅或仅仅是振动信号的频率，你就不能确定转子的振型。模态识别探头也可用于确定共振是结构共振还是转子共振。轴模态形状信息也可用于确定平衡策略。

图4：转子振型示意图

图5：复杂机器链振型示意图

流体诱发失稳的位置
微分相位是一种特殊的相对相位测量方法，可用于确定流体诱发失稳的来源。传感器（为了获得最佳结果，应该是相对于轴的）必须位于转子的不同平面上，并且处于相同的角度方向。应将振动过滤至失稳振动的频率。相位滞后随着失稳源和测量平面之间的轴向距离的增加而增加（图6）。

图6：流体失稳和相位的关系

总结
相位信息对操作人员和机械专家很重要。启机、停机和稳态数据的趋势分析为机械管理提供了重要信息。相位信息的缺失使得这种信息的有用性存在很大的差距。相位变化可以在发生昂贵的机器损坏之前提醒设备操作员。

振动三要素：直接振幅、频率和相位信息在机械管理和诊断中都非常重要。缺少相位信息不仅会导致无法诊断机器故障，还会导致错误的诊断。这就是为什么API 670会在其机械保护系统规范中要求须为相位测量安装键相传感器。