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轴承知识
泵振动检测方法和测量仪器的选择
2016-10-28赵海燕 毛靓华 尚伟光 王小文
（1.沈阳鼓风机集团石化泵有限公司；2.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司）
摘 要：振动对机械设备具有重要意义，振动越来越引起人们的重视。振动检测在原理与结构上具有很大差别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。本文主要介绍了振动的检测标准及其测量方式，提出了振动传感器和测量仪表的选择方案。
关键词：振动；检测；传感器；选择；使用
随着科学技术的迅猛发展，机械工业化的程度也飞速提高，现代工业生产的机械设备正逐步走向复杂化、高速化、自动化。为了掌握设备运行状态、避免事故的发生，对生产中的关键机组实行在线监测和故障诊断，越来越引起人们的重视。
对于旋转机械，目前主要的分析信号来自振动信号。对于泵来讲，泵发生故障的重要特征是机器伴有异常的振动和噪声。其振动信号能实时地反映水泵故障信息。因此泵的振动检测方法和振动传感器的选择具有至关重要的意义。
一、振动检测执行标准介绍
目前，和国内关于机器振动测量和评定的标准共有两个系列。ISO7919（GB/T11348）系列“旋转机械转轴径向振动的测量和评定”，测量与评价的是轴的振动位移。ISO/TC10816（GB/T6075）系列“在非旋转部件上测量与评价机器的机械振动”，测量与评定的是轴承座的振动烈度。这两个系列标准几乎涵盖了各类旋转和往复机器，作为评价产品动态性能的依据，也为机器设备的振动状态检测和诊断奠定了基础。
GB/T11348系列“旋转机械转轴径向振动的测量和评定”提出了采用在旋转轴上直接测量的方法测量和评定机械振动的总则。确定轴振动的目的与下列问题有关：
a）振动特性的变化
b）过大的动力负荷
c）径向间隙监测
GB/T6075系列“在非旋转部件上测量与评价机器的机械振动”规定了在整机的非旋转或非往复式部件上测量和评价机器振动的通用条件及方法。本标准说明了振动幅值和振动变化与运行监测和验收测试的关系。
《泵的振动测量与评价方法》，标准号为JB/T8097-1999，该标准的主要技术内容与标准ISO10816等效，对于含有挠性转子的一些泵在非旋转部件上测量时不完全合适的，则按照ISO7919给出轴振动的补充。
二、振动检测方法的选择
根据上述振动检测执行标准，泵的振动可分为轴振动与轴承振动，按照上述标准，泵的振动测点应选在振动能量向弹性基础或系统其他部件进行传递的地方，泵通常选在轴承座、底座和出口法兰处。把轴承座处和靠近轴承处的测点称为主要测点，把底座和出口法兰处的测点称为辅助测点。根据现场的实际情况要求，一般大型的石油化工用泵选择三个互相垂直的方向（水平、垂直、轴向）进行振动测量，大型的石油化工用泵大多采用轴振动。而大多数的锅炉给水泵一般只选择水平和垂直两个方向的轴承振动。
三、测量仪器的选择
振动的测量仪器通常包括传感器、延长电缆，前置器、变送器（仪表）。根据测量方法的不同，振动的传感器的选择也不同。根据输出信号的不同要求，测量所选用的仪器也有明显的差别。
1、传感器的选择
振动传感器按工作原理分别有电涡流型、速度型、加速度型、电容型、电感型等五种。后两种因受周围介质影响较大，目前已很少采用。电涡流传感器测量的是位移量（间隙变化），振动速度传感器测量的是速度，振动加速度传感器测量的是加速度。速度经过一次积分可以成为位移，加速度经过1、2次积分可以变成速度和位移，但积分通常会引起误差。
（1）振动速度传感器
速度传感器是利用磁电感应原理把振动信号转换成电信号。其主要由磁路系统、线圈组件、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性的固定有两个线圈组件，磁钢用弹簧悬挂于壳体。当传感器在工作频率范围内工作时，线圈与磁钢产生相对运动，线圈切割磁力线，产生感应电动势，该电压正比于机壳的振动速度。这种传感器属于结构型传感器。由于受到结构特性的影响和机械系统惯性质量的限制，其固有频率低、工作频率范围窄。
速度传感器具有安装简单，可适用绝大多数机器的环境条件，以及不需外加电源，振动信号不经任何处理可以传送到需要的地方的优点，但其活动部件易损坏，低频响应不好。一般速度传感器在15Hz以下，将产生较大的振幅和相位误差。
（2）振动加速度传感器
多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形的这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。压电式振动传感器是利用晶体的压电效应来完成振动测量的，当被测物体的振动对压电式振动传感器形成压力后，晶体元件就会产生相应的电荷，电荷数即可换算为振动参数。这种传感器属于物性型传感器，它具有响应时间短，工作频率宽的特性。因为它采用晶体形式嵌入积分电路，没有移动部件，所以不会产生磨损和退化，使用寿命长，并且可垂直、水平或以任何角度安装。加速度传感器体积小，重量轻。可以适用于某些受附加在质量影响较大的振动测试系统中，但其安装方法和导线敷设方式，对测量结果有较大的影响。压电式传感器用于测量轴承箱体、壳体或结构的振动。
（3）电涡流传感器
电涡流式传感器属于电感式传感器的一种，是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的，电涡流传感器要求被测体必须是导体。传感器探头有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。
电涡流传感器优点：
1）可以直接测量转轴振动，而且能做静态和动态测量，适用于绝大多数机器的环境条件；
2）输出信号与振动位移成正比，对于采用振幅描述振动状态的大多数机器来说，它可以获得较高的输出信号；
3）结构简单、尺寸小，对于泵、汽轮发电机组振动来说，具有合适的频响范围，标定（校验）较容易；
4）除测量振动和部件静态位置外，还可测量轴中心的位置，起动过程中轴中心的移动轨迹，轴承中心的变化等。此外，还可以作为转速测量和振动相位测量的键相信号。
缺点：
1）当测量振动物体材料不同时，影响传感器线性范围和灵敏度，需要重新标定；
2）需外加电源，安装比较麻烦，要求十分严格。
振动传感器选择一般先考虑振动的测量目的（轴振还是轴承振），选择上述三种探头的一种。然后根据使用环境考虑传感器是否需要防爆等，根据振动的极限值选择传感器的量程，传感器的灵敏度，传感器的精度，传感器的响应特性。
2、测量仪表的选择
目前测量仪表有很多种——智能的与非智能的，单通道的或双通道的，盘式的还是挂壁式的。
一般智能式的仪表参数设置可以实现全面板操作，带LED表头，具有报警指示和危险开关输出，具有4-20mA输出等。对于具有双通道的仪表，由于一台泵通常有4个振动测点，所以采用4个探头，2块仪表就实现了振动的检测。
对于无需数字显示的仪表，一般选择振动变送器，这种变送器结构简单，可输出4-20mA信号。
电涡流传感器一般需要接前置器，但是前置器只能输出电压信号。如果没有电流信号输出的要求，那么轴振动选择电涡流传感器、延长电缆和前置器就可以了。但是如果输出4-20mA，就必须得再接仪表，方可实现功能。对于本特利的3300XL探头，如果输出4-20mA信号，需要在前置器输出后，接入1900/65，但是1900/65是四通道仪表，一台仪表可以实现四点振动的测量。这种测量方式测量范围宽，可以用软件任意组态，有利于振动分析。本特利比较经济且能输出4-20mA的振动，检测方案可以用3300NSV探头，直接接振动变送器，也可实现电流输出，但是测量范围窄。
通常根据传感器的选择、输出信号的要求及其安装条件来考虑测量仪表的种类。国内大多数厂商生产的传感器和其所带的变送器出厂检验时是整体的，不具有相互替代性。所以Z初选择了哪种测振装置，一旦有其中一部分需要更换，则整套装置都需要替换。目前国内有些厂家已经生产出了可以互相替代的产品，这也是一种发展趋势。而进口的本特利产品一直具有可替代性。
结论：在振动测试中合理地选择测量方法和测量仪器，不但可以获得满意的测试结果，也可节省劳力和时间，而且对于尽快查明振动故障原因，提高转子平衡精度和减少机器起停次数，都有着重要作用。
参考资料：
【1】《泵的振动测量与评价方法》JB/T8097-1999
【2】《检测与转换技术》第三版机械工业出版社常健生主编
以上资料均来自中国通用机械工业协会泵业分会主办的《泵》2013年第三期
