振动基础漫谈 - 振动矢量及坐标系.pdfVIP

振动基础漫谈-振动矢量及坐标系

振动是一种绕平衡参考位置的往复震荡运动。振动是因为有力作用在

物体上，作用力、系统、响应构成振动分析的数学模型，我们这里说

的振动就是振动响应。

振动的响应需要传感器才能检测出来，我们这里仅谈论位移传感器，

也叫涡流传感器、非接触（趋近）式传感器等等。传感器仅检测和传

感器轴向相同方向的振动，所以说到一个振动信号时都是指一个方向

的振动。对于一个方向的振动，有幅值和频率。工程应用中，位移传

感器的幅值常用峰峰值表示，但数学计算时都是用的峰值表达，物理

意义更直接，这点在要理解上稍需注意。频率是指其频率成分，理解

上可以看作是多个简谐波的合成作用，但应用中要通过快速傅立叶变

换才能批量分解出来各个频率分量。跟踪滤波器能窄带过滤信号，过

滤后得到简谐波，常常称之为过滤后波形，如1X、2X、0.5X，

0.47X等，其中的X是转速的频率，所谓跟踪就是跟踪转速频率，当

然需要有键相参考信号才能跟踪。

简谐波的频率是单一的正弦波，加上键相参考，键相参考点到波形的

第一个正峰值的时间相对于一个波形的总时间，就可以得到相位角，

这样振动就具备了“矢量”的特征，这个矢量不是通常意义的方向。矢

量可以用极坐标表达，而极坐标的坐标系是基于该探头的坐标系。

每个探头的坐标系不一样，其直角坐标系（UV）的定义：沿探头方

向是+U方向，+U轴逆旋转方向转90°是+V坐标轴。下图的两个振

动矢量是相同的，都是90umpp@220°，旋转方向不同，对应的直

角坐标系就不同，极坐标图上的位置也就不同。

我们知道，旋转机械振动分析时，特别是滑动轴承支承的机械，大多

用涡流传感器来检测振动，并安装在轴承附近，一般在轴承的内侧

（轴承附件靠叶片一侧，离开轴承75mm以内，关键是避开轴系的

节点），称之为轴振动，并且在没有特别说明的情况下，都是指的轴

向某截面的横向（径向）轴振动，不包括轴向振动和扭振。

轴振动分析并不是研究刚体的平面运动，而是质点（轴心）的平面运

动，因而有两个自由度，也就是X/Y，所以安装两个互相垂直的传感

器就能表达转子的运动。进一步地，旋转机械的轴振动信号有两个部

分，一部分是轴心的平均位置，是信号的直流分量；另一个是轴心的

瞬时位置，是信号的交流成分。每个探头测量的交流成分是轴心振动

（轴心轨迹，Orbit）在该方向上的投影。虽然轴中心位置和轴心轨

迹是这两个探头建立的，但它们并不以传感器安装位置而不同，因而

同一转子，探头安装方向不同，在该方向上的振动自然不同，除非轴

心轨迹是圆。圆形的轨迹要求各向同性，特别是刚度的各向同性。这

两个图形都是基于转子截面的坐标系，是“可见”的，与前面讲到的振

动坐标系完全不同。

振动分析中，我们希望看到转子振动的全貌，这样Orbit图、平均轴

中心位置图，全频谱图等是必须足够重视的。

转子在一个轴向截面的运动，可以是转子的旋转和轴心的涡动。其中

转子的旋转运动是转子绕着其几何中心的自转。这个几何中心就是转

子的轴心。理论上来说，旋转可以是没有任何的横向运动的纯旋转。

对于没有外力作用，完美平衡的转子，轴心可以没有任何运动（振

动）。轴心的涡动就是转子在截面的振动，也就是轴心轨迹，如下图

的绿色圆圈。转子的旋转方向与振动无关，是由驱动机决定的；而涡

动也可以独立与转子的旋转，甚至不旋转的转子也在外力的作用下可

以涡动。涡动是不是圆形取决于很多因素，包括作用力和系统参数如

刚度等。

Orbit图中，键相点是当键槽或者键与键相传感器相遇时的参考位置，

这样就将轴的位置和转子振动联系起来了。

平衡是振动分析中最基础的、也是最重要的作用力。平衡讨论中，常

用到两个名词，重点和高点。重点是不平衡分布质量的合成位置，什

么是高点呢？柔性转子在转动时会偏离机器的中心线，对于振动中的

1X分量，绕曲转子的截面外侧受拉力最大的点就叫做高点，也是转

子旋转一周中最接近传感器的那个点，此时得到位移的正向峰值。某

个探头测得的相位就是高点与键相参考点的时间差，也可以说是高点

的相位角。由此可见，横截面X/Y坐标系与探头方向的振动坐标系

UV存在密切的联系。高点的讨论主要在转子的振动是1X占主要成

分的不平衡分析中。

轴系不同轴向位置