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轴心轨迹测试 

一、什么是轴心轨迹
        轴心轨迹是指当转轴旋转时，它会绕转轴中心点振动，运动的轨迹就是轴心轨迹。轴心轨迹是转子振动信号中的重要组成部分，其利用轴系同一截面上两路相互垂直的振动信号合成，它的动态特性和形状含有大量故障信息，可以形象、直观的反映设备的运行情况。因此，轴心轨迹形状特征包含的故障特征信息可以作为轴系故障的重要依据，如：轴系不对中轴心轨迹一般呈香蕉形或外8字，尾水涡带会引起花瓣形的轴心轨迹、转动部件不平衡轴心轨迹为椭圆形等等。轴心轨迹在旋转机械（包括水电机组）的状态监测与故障诊断中发挥重要作用，被广泛应用于蒸汽涡轮发动机、发电机、压缩机、泵、以及喷气发动机和叶轮等工程领域。

二、测试原理
        在Simcenter Testlab中，对于轴系的轴心轨迹测试，测试数据需要包括测试轴的转速和位移信号。轴的转速信号一般通过激光转速传感器测量得到，用于提供相位参考和阶次分析；轴的位移是用位移探头测量的，这是一种非接触式位移传感器，用于测量轴在单个平面上的位移。它输出的电压与位移探头和轴之间的距离成正比。每个方位的接近探头都以相同的平面进行测量，我们称它们为传感器响应平面。

       如1图显示了轴在轴承内移动的情况。当轴旋转时，它靠近轴承，然后远离轴承，从而产生了正弦波。位移测量在轴承附近的两个位置（X和Y方向）进行，这些位移测量是在传感器响应平面上进行的。每个接近探头测量轴的位移随时间的变化，许多不同的力作用在轴上并引起振动（不平衡、不对准、来自其他设备的径向或侧向力），所有这些信息都出现在位移与时间轨迹中。键相量是安装在轴上的附加传感器，它给出了轴转速的重要信息，以及接近探头测量信号之间的相位关系。键相量由传感器和轴上的标记组成。当关键相量识别到标记时，产生一个大的电压尖峰。该信息用于对数据进行注释。它表示一个新的周期或者轴的一个新的旋转开始了。

三、轴心轨迹绘制
        Simcenter Testlab软件的Rotor Dynamics模块中支持对轴心轨迹测试数据进行多种分析计算和显示指标，如原始轨迹、滤波轨迹、极坐标图、Orbit图、伯德图、中心线图以及全谱图和半谱图等。

（3）逆矩阵法

       结构的响应等于频响函数乘以激励力，对这个公式求逆获得工作载荷，即载荷等于响应乘以频响函数的逆矩阵，这种识别载荷的方法称为逆矩阵法。为了保证矩阵能求逆，需要补充更多测点的FRF 数据以使FRF矩阵满秩，也就是除了考虑路径点之外，还需要考虑额外的指示点处FRF，一般要求指示点数量大于路径数量至少两倍。

        对获得的频响函数矩阵求逆可以得到各个路径位置上的载荷，公式如下：

       我们可以观察其他域的振动，比如频率域或阶次域，以更全面地了解是什么导致了轴的振动。例如，图2中，我们可以看到轴每旋转一周（1X或一阶）位移信号就会发生一些变化，导致大量的振动。轨迹图可以让我们看到来自近距离探测器的整个信号，或者仅仅是由于1阶，2阶等引起的部分。每个探头都是测量动态含量，组合直流+多个交流分量。利用快速傅里叶变换将信号分解成一系列谐波，这种谐波内容对于理解轴在工作中的动态响应是很重要的。

1. 轨迹图（Orbit Plots）

        轨道图显示了在轴的一次（或多次）旋转期间轴中心线的相对运动。轨道图对于诊断机器问题（不平衡、不对中、油不稳定）非常有用。旋转的轴和X、Y探头的角度位置是可见的，其中点/空格标记用于分隔周期以及确定转子的进动方向。

        在示例中显示了2个周期（一条红色曲线和一条蓝色曲线）。底部轴（deg）可用于可视化轴在键相量的特定角度的位置。在观察轨迹图时，我们可以看过滤或未过滤的轨迹。未过滤或原始轨迹包含旋转系统的所有动力学（所有阶次信息），它是简单地绘制X和Y位移探头信号的结果。同时可以过滤并仅显示轨道中的阶次信息。例如，右边的图显示了一个过滤后的轨迹，只显示了轴的1x振动。如果您想更详细地检查特定现象（如不平衡），这很有用。

        下图给出了一些轴心轨迹图的例子。轨迹图的形状对于诊断具体的机械故障类型是有用的。例如，（1）左上角的轨迹显示了由于不平衡造成轨迹。轨迹的大小表明存在多大程度的不平衡；（2）右上方这样的轨迹表明，某些外力限制了轴的运动（或者轴承在横向上的硬度远低于垂直方向）；（3）左下角的轨道显示了如果有一个大的2X振动分量会发生什么；（4）右下角显示了轴承中流体不稳定时的轨迹。其它如轴承摩擦也可识别。

2. 中心线图（Centerline Plots）

        轴周围的液膜不均匀。轴在轴承内移动取决于转速，油温以及轴向载荷、轴承刚度等；中心线图为平均图。它表示轴在一个完整周期内在测量平面上的平均位置，它可以与间隙圆相结合，以可视化轴相对于轴承的位置，探头的位置和旋转的方向也可以看到。

3. 极坐标图（Polar Plots）

        每个位移传感器测量的滤波位移信号可以表示为具有振幅和相对于键相量的绝对相位的矢量。如果你是伯德图的用户，这实际上和这里看到的信息是一样的。滤波信号的幅度和相位（例如我们称之为1阶或1X）。主要的区别在于相位的计算方式（我们讨论的是相位延迟，这与NVH工程师通常使用的数学相位不同）以及绘图的方向。极坐标图表示的是振动矢量随时间（或速度，或任何相关维度）的函数。用极坐标表示。它显示在传感器的响应平面上。零度相位信息与位移探头的角度位置对齐，相位延迟与旋转方向相反增加。

4. 全谱图和半谱图（Full and Half Spectrum Plots）

        频谱图允许将探头的位移信号分解为一系列正弦波，并有助于理解阶数/频率内容：半谱图没有给出进动的信息。全光谱图同时提供了两个探测器的信息。它相当于一个轨道的频谱或两个探测器组合后的复FFT。有1X+和1X-，其中1X+向前进动，1X-向后进动。

图1 轴心轨迹测试示意图

图2 轴心轨迹时频域结果