转子轴心轨迹及测量方法

一、轴心轨迹

当转轴旋转时，它会绕转轴中心点振动，其运动的轨迹就是轴心轨迹。轴心轨迹可以用未过滤的和按照阶次过滤两种方式表示，振动幅值和轴心轨迹形状的突然改变是故障的早期指标。

轴心轨迹在故障诊断中的应用历史基本上与时间波形是相同的，正是有了轴心轨迹，人们对转子在轴承中的运动形态有了更直观的认识。许多故障如摩擦、不平衡、预负荷等，在轴心轨迹中有明显的反映，因此成为主要的故障诊断手段之一。

图1 轴心轨迹图

二、形成原理

如下图所示，图中的参考线可以看做是采样点对应的线，依据键相点的角度，两个波形上同一采样时刻的点在平面上形成一个新的位置，如此类推，当一个周期内所有采样点画完，轴心轨迹就形成了。如果没有键相信号，利用两信号的相位差，也可画出轴心轨迹图。

图2 轴心轨迹的形成原理

三、不同故障对应的轴心轨迹

正常的轴心轨迹应该是一个较为稳定的、长短轴相差不大的椭圆。不对中时，轴心轨迹一般为月牙状、香蕉状，严重时为8字形；发生摩擦时，会出现多处锯齿状尖角或小环；轴承间隙或刚度差异过大时，为一个很扁的椭圆；可倾瓦瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凹凸状。表1给出了不同故障对应的轴心轨迹、频谱特征及其原因。

表1 不同故障对应的轴心轨迹、频谱特征及其原因

如果轴心轨迹的形状及大小的重复性好，则表明转子的涡动是稳定的；否则，就是不稳定的。转子发生亚异步自激振动时，其轴心轨迹往往很不稳定，不仅形状及大小时刻在发生较大的变化，而且还会出现大圈套小圈的情况。

轴心轨迹图有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频、0.5倍频等多种轴心轨迹，主要看提纯、一倍频、二倍频的轴心轨迹图。这是因为转子振动信号中不可避免地包含了噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

而提纯的轴心轨迹排除了噪声和电磁干扰等超高次谐波信号的影响，突出了工频、0.5倍频、二倍频等主要因素，便于清晰地看到问题的本质。

一倍频轴心轨迹则可以更合理地看出轴承的间隙及刚度是否存在问题，因为不平衡量引起的工频振动是一个弓状回转涡动，工频的轴心轨迹就应该是一个圆或长短轴相差不大的椭圆。

而如果轴承间隙或刚度存在方向上的较大差异，那么工频的轴心轨迹就会变成一个很扁、很扁的椭圆，从而把同为工频的不平衡故障和轴承间隙或刚度差异过大很简便地区别开来；

二倍频轴心轨迹则可以看出严重不对中时的影响方向等。通过轴心轨迹图，还可以判断转子的涡动是正进动、还是反进动。

四、如何测量轴心轨迹

由于转子存在挠曲，在不同的轴向位置测量，轴心轨迹形状和幅值并不相同，这里讨论的轴心轨迹是指轴瓦附近的转轴轴心轨迹，即轴颈的轴心轨迹。轴心轨迹的信号来源必须是非接触式电涡流传感器系统输出的交流信号，因此，测量轴心轨迹必须安装两个电涡流振动传感器，而且两个振动传感器应互为90度角，如图3所示。

图3所示的安装方式，在示波器上观察到轴心轨迹图像的垂直、水平与传感器安装方向能直接对应，而且能与轴承垂直和水平振动对应，并能检测到转轴水平方向的最大振幅，但不能检测到轴瓦油膜厚度最小处的振幅值，而且这种安装方式与ISO评定机组振动状态要求不符。

另外，传感器还可以按图4所示进行布置，其优缺点正好和上述相反。

图3 传感器布置方式1

图4 传感器布置方式2

以往测量轴心轨迹多采用示波器，将x、y方向两个涡流振动传感器输出的振动信号，输入到示波器的x、y轴输入端，将示波器的x、y轴放大倍数调整一致（输入标准信号进行校核），在示波器上即可以呈现实际轴心轨迹。两个幅值相等的正弦变化，其起始相位相差90°的振动信号的里萨尔图，是一个圆，因此轴心轨迹实质上是两个互为90°测点的转轴相对振动的矢量叠加。

目前测量轴心轨迹，如配有专门振动监测仪，则按说明书进行操作，通过专用软件直接在电脑上显示相位测点的轴心轨迹，测量手续会显著简化。

转轴振动中所含的谐波频率及其分量值不同，轴心轨迹的形状也就不同。通过这些不同形状的轴心轨迹图形可以获得转子弯曲、不平衡、轴瓦失稳、动静摩擦等大致信息。

从轴心轨迹形成原理可知，轨迹的x和y方向幅度，代表了轴振动x和y方向的振幅，显然其振幅值是与激振力成正比，而与轴颈支撑油膜刚度成反比的。x和y方向振动信号中含有不同频率振动分量，构成不同的轨迹形状。

目前不少资料将轴心轨迹诊断功能夸大了，实际上该功能提供的故障特征信息与振动波形类似，它没有频谱图直观、可靠，不能直接提供量值概念。产生这种现象的原因是采用了反向推理思维模式，将振动信号特征与故障简答对应，因而诊断结果并不可靠。

测量轴心轨迹的针对信号是从电涡流振动传感器的前置器输出的，其输出信号除了包含有转轴振动位移外，还包含了测点处转轴晃摆值。

像测量转轴振动一样，应将晃摆值扣除。但是从轴心轨迹扣除晃摆值目前还比较麻烦，当转轴原始晃摆值较大时，轴心轨迹大小、形状会产生虚假现象，给判断故障带来误差，因此在选取测点轴向位置时，应尽可能选在转轴晃摆值较小的位置上。

编辑：吴祺