最新大型旋转机械状态检测与故障诊断教学讲义 精品.docx

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大型旋转机械状态检测与故障诊断讲义

目录

第一节状态监测与故障诊断的基本知识4

一、状态监测与故障诊断的意义4

二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法4

1.振动分析法4

2.油液分析法4

3.轴位移的监测4

4.轴承回油温度及瓦块温度的监测4

5.综合分析法4

三、有关振动的常用术语4

1.机械振动4

2.涡动、进动、正进动、反进动4

3.振幅4

3.1振幅4

3.2峰峰值、单峰值、有效值4

3.3振动位移、振动速度、振动加速度4

3.4振动烈度、振动标准4

4.频率4

4.1频率、周期4

4.2倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、半频4

4.3通频振动、选频振动4

4.4故障特征频率4

5.相位4

5.1相位、相位差4

5.2键相器4

5.3绝对相位4

5.4同相振动、反相振动4

5.5相位的应用4

6.相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动4

7.横向振动、轴向振动、扭转振动4

8.刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转4

9.刚度、阻尼、临界阻尼4

10.临界转速4

11.挠度、弹性线、主振型、轴振型4

12.高点、重点4

13.机械偏差、电气偏差、晃度4

14.谐波、次谐波4

15.同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动4

16.共振、高次谐波共振、次谐波共振4

17.简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动4

18.自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动4

19.旋转失速、喘振4

20.半速涡动、油膜振荡4

第二节状态监测与故障诊断的基本图谱4

一、常规图谱4

1.机组总貌图4

2.单值棒图4

3.多值棒图4

4.波形图4

5.频谱图4

6.轴心轨迹图4

7.振动趋势图4

8.过程振动趋势图4

9.极坐标图4

10.轴心位置图4

11.全息谱图4

二、启停机图谱4

1.转速时间图4

2.波德图4

3.奈奎斯特图4

4.频谱瀑布图4

5.级联图4

第三节故障诊断的具体方法及步骤4

一、故障真伪的诊断4

1.首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整4

2.其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信4

3.应查看相关的运行参数有无相应的变化4

4.应察看现场有无人可直接感受到的异常现象4

二、故障类型的诊断4

1.振动故障类型的诊断4

1.1主要异常振动分量频率的查找步骤及方法4

a）先看棒图或多值棒图4

b）依次调看振动趋势图4

c）最后看频谱图4

1.2根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断4

a）主要异常振动分量为工频时4

b）主要异常振动分量为低频时4

c）主要异常振动分量为二倍频时4

d）主要异常振动分量为其它频率时4

2.轴位移故障原因的诊断4

三、故障程度的评估4

四、故障部位的诊断4

五、故障趋势的预测4

第一节状态监测与故障诊断的基本知识

一、状态监测与故障诊断的意义

状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪表（定时的或非定时的、在线的或离线的），采用各种检测、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，对设备当前的运行状态作出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时作出报警，并为进一步进行故障分析、性能评估等提供信息和数据。

故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。

通常把机械设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。

而大型旋转机械机组的故障诊断，则是根据对大机组进行状态监测所获得的信息，结合机组的工作原理、结构特点、运行状况，对有可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护机组的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。

大型旋转机械由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多、运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等诸多环节上稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。

大型机组本身价格昂贵，其故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，会给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。

因此，认真做好大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性事故的发生、降低故障停机次数、缩短故障停机检修时间、减少企业的经济损失是十分有益的。

二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法

1.振动分析法

振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。

振动分析法是对设备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析。

一方面，由于在大型旋转机械的所有故障中，振动故障出现的概率最高；另一方面，振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，它既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力以及温度、油温等影响运行状态的信息；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊断。

因此，振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛、最有效的方法，同时也是大机组故障诊断的主要方法。

采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转子弯曲、轴承工作不良、油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、机械松动、结构共振等等。

2.油液分析法

油液分析法是对润滑油本身以及油中微小颗粒所进行的理化分析，也是大机组状态检测与故障诊断中的一个重要方法。

油液分析法主要分为两大类，一类是润滑油油液本身的常规理化分析，另一类是对油中所含有的微小颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等。

通过对润滑油油液的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，可以准确地掌握润滑油本身的性能信息，也可以大概地了解到机组轴承、密封的工作状况。

通过对对油液中不溶物质、主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析，不仅可以定性、而且可以定量地测定颗粒的构成元素及浓度，尤其是通过铁谱显微镜或光谱显微镜等手段还可以观察到微小颗粒的形貌、尺寸及其分布，从而能够对磨损状态进行科学的分析与诊断。

即，根据元素及浓度来判断哪个零部件（如轴颈、轴承、油封、浮环、机械密封、齿轮、齿式联轴器等）发生了非正常磨损，根据浓度、尤其是颗粒的形貌、尺寸来判断其当前的磨损程度。

3.轴位移的监测

在某些非正常的工况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生转子（如叶轮）端面与隔板或缸体摩擦碰撞；汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。

尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。

所以，对轴位移进行在线状态监测和故障诊断很有必要。

4.轴承回油温度及瓦块温度的监测

检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承回油温度及瓦块温度升高，严重时会造成烧瓦，因此对轴承回油温度、瓦块温度进行监测非常必要。

API（美国石油协会标准）规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小于28℃，轴承出口处的最高油温应小于76（原为82）℃。

另外，用铂电阻在距轴承合金1mm处测量瓦块温度时，一般不应超过110～115℃。

由于温度的反映往往滞后，具体的测量方法及测量位置等又各不相同，因此应具体情况具体分析。

5.综合分析法

在进行实际的大机组状态监测与故障诊断时，往往是将以上各种方法连同工艺及运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。

三、有关振动的常用术语

1.机械振动

物体相对于平衡位置所作的的往复运动称为机械振动。

简称振动。

例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动。

振动用基本参数、即所谓的“振动三要素”—振幅、频率、相位加以描述。

2.涡动、进动、正进动、反进动

转动物体相对于平衡位置所作的旋转运动称为涡动。

物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。

例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。

旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度ω（即转速n）绕着自身轴线ACB旋转（自转）的同时，整个轴线又以角速度Ω绕着两轴承中心连线AOB在做圆周运动（公转）。

转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动。

由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动相同，因此可以沿用机械振动的许多成熟的理论、方法，所以旋转机械转子的涡动通常仍然称作振动。

但是，在研究大机组转子的振动时，不应该忘记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。

正进动是指涡动方向与转子旋转方向相同的涡动。

反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动。

因为转子的实际振动是涡动，其涡动轨迹通常为不规整的椭圆，因此需要配置两个相互垂直的探头才能较为准确地测出转子真实的振动。

3.振幅

3.1振幅

振幅是物体动态运动或振动的幅度。

振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。

3.2峰峰值、单峰值、有效值

振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。

峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。

只有在纯正弦波（如简谐振动）的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于单峰值的0.707倍，平均值等于单峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。

它们之间的换算关系是：

峰峰值＝2×单峰值＝2×21/2×有效值

3.3振动位移、振动速度、振动加速度

振幅分别采用振动的位移、速度或加速度值加以描述、度量，三者可以通过微分或积分进行换算。

在振动测量中，除特别注明外，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米[μm]或密耳[mil]；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒[mm/s]或英寸/秒[ips]；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度[g]。

可以认为，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。

也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。

正是由于上述原因，在工厂的实际应用中，在通常情况下，大机组转子的振动用振动位移的峰峰值[μm]表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示，用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量；齿轮的振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感器来测量。

3.4振动烈度、振动标准

振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量（大机组不完全如此）。

可以认为，振动烈度就是振动速度的有效值。

在国际及我国振动标准中，几乎都规定用振动速度的有效值来作为振动烈度的度量值。

此外，还要求在靠近轴承位置处的水平、垂直、轴向三个方向上进行测量。

所以，对一般的转动设备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值。

因为只有振动烈度才有振动标准可以参照，评定机器运转状态的优劣才能有据可依。

右图为中石化旋转机械振动标准SHS01003-2004关于机器振动烈度的评定等级表。

我国及国际其它振动标准关于机器振动烈度的评定等级也大致如此。

其中，根据输出功率、机器—支承系统的刚性等将旋转机械分为如下4类：

Ⅰ～小型转机，如15kW以下的电机；

Ⅱ～安装在刚性基础上的中型转机，功率在300kW以下；

Ⅲ～大型转机，机器—支承系统为刚性支承状态；

Ⅳ～大型转机，机器—支承系统为挠性支承状态。

当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，机器—支承系统为刚性支承状态；当支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，机器—支承系统为挠性支承状态。

对大型旋转机组转子振动的评定标准，我国及国际振动标准几乎都规定用在靠近轴承处轴颈振动位移的峰峰值进行度量，但评定标准的具体数值不够统一。

对石油化工用离心式压缩机及汽轮机，API617、API612标准规定，在制造厂进行机械运转试验时，转子振动位移的峰峰值不应超过A值或25.4μm中的较小值，A=25.4（12000/n）1/2，n为最大连续工作转速。

对石化大机组，转子实际运行中振幅的许可值应该遵照制造商的规定。

在无制造商规定时，也可以认为：

小于A值时为优良状态，A为25.4（12000/n）1/2或25.4μm中的较小值；

大于A值、小于B值时为合格状态，B＝（1.6～2.5）A，转速较低时取大值，转速高时取小值，B值可设为低报警值；

大于B值、小于C值时为不合格状态，C＝1.5B，C为高报警值或连锁值；大于C值为不允许状态。

另外，当振动值变化的增量超过报警值（B值）的25％时，应受到关注。

4.频率

4.1频率、周期

频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹[Hz]。

频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。

周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒[s]。

例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。

频率与周期互为倒数，f＝1/T。

对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。

因此转速n、角速度ω都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率、圆频率，或n、ω、f不分，都直接简称为频率，换算关系为：

f=n/60，ω＝2πn/60，其中转速n为转/分钟[r/min]，角速度ω为弧度/秒[rad/s]。

4.2倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、半频

振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。

倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。

如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、…、0.5倍、0.43倍、…时，即称为一倍频（习惯上又称为1X，或1×）、二倍频（2X、2×）、三倍频（3X、3×）、…、0.5倍频（0.5X、0.5×）、0.43倍频（0.43X、0.43×）、…等。

其中，一倍频又称为工频或基频，0.5倍频又称为半频。

如某一机器的实际运行转速n为6000r/min时，

那么，转速频率＝n/60＝6000/60＝100Hz，

其工频为100Hz，二倍频为200Hz，半频为50Hz。

4.3通频振动、选频振动

通频振动是原始的、未经傅立叶级数变换分解处理的、由各频率振动分量相互迭加后的总振动。

其振动波形是复杂的波形。

选频振动是从通频振动中所分解出来的、振动波形是单一正弦波的、某一选定频率的振动（如工频、0.5倍频、二倍频、…）。

4.4故障特征频率

各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。

例如，转子不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频率是0.5倍频（实际上要小一点），等等。

由各频率成分的幅值大小和分布情况，从中查找出发生了异常变化的频率，再联系故障特征频率探索构成振动激振力的来源，是判别振动故障类型通常采用的诊断方法。

但是反过来，某种振动频率可能和多种类型的故障有关联。

例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及对中不良等故障的振动频率也是工频。

因此，频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。

为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。

通常显现的主要故障特征频率及相应的故障类型，简要介绍如下：

①工频～几乎在所有情况下都显现、并且幅值最高，应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。

多数为各种形式的不平衡故障，如机械损伤脱落（断叶片、叶轮破裂等）、结垢、初始不平衡、轴弯曲等；有相当数量（接近40％）为各种形式的轴承故障，如间隙过大、轴承座刚度差异过大、轴颈与轴承偏心、合金磨损等；此外，还有刚性联轴器的角度（端面）不对中，支座、箱体、基础的松动、变形、裂缝等刚度差异引起的振动或共振，运行转速接近临界转速等。

②二倍频～几乎在所有情况下都显现、幅值基本低于工频，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、…，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。

主要为热态不对中故障，如齿式联轴器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的平行（径向）不对中，由温差产生的支座升降不均匀及管道力引起的不对中等；此外，还有转子刚度不对称（如横向裂纹），转动部件松动，轴承支承刚度在水平、垂直方向上相差过大等。

③低频（低于工频的频率）～通常情况下不显现或者以微量幅值显现（一般不大于3μm），在大于3~5μm的情况下，就可以视为故障特征频率加以关注了。

低频可进一步分为两种类型。

一种是分数谐波振动，频率为转速频率的整分数倍数，如1/2倍频、1/3倍频、…，这多数与摩擦及松动故障有关，如密封、油封、油挡的摩擦，轴承瓦背紧力不够、瓦背接触面积偏小等。

另一种是亚异步振动，频率为转速频率的非整分数倍数，相应的故障有旋转失速、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振，其中油膜振荡、密封流体激振为自激振动，是一种很危险、能量很大的振动，一般发生在转速高于第一临界转速之后，多数是在二倍第一临界转速以上。

④转子的临界转速。

⑤机器自身和基础或其它附着物的固有频率。

⑥齿轮故障的特征频率。

齿轮振动时的振幅及频率存在幅值调制及频率调制（齿轮周节误差较大时）。

齿轮特征频率为：

fm±nf，n为正整数（n＝1，2，3，…），

式中，fm～啮合频率，为载波频率，f～转速频率，为调制频率。

fm＝f1z1＝f2z2

其中，f1、f2～主动轮、从动轮的转速频率，

z1、z2～主动轮、从动轮的齿数。

在频谱图上，是以fm为中心、以f为间隔，对称分布于fm的两侧，两侧称为边带。

如果发生断齿或大的局部性缺陷，则频谱图上显现为边带宽、幅值低、分布较平坦；如果缺陷分布较均匀，则边带窄、幅值高。

⑦滚动轴承的故障特征频率。

滚动体的通过频率

对于滚动轴承来说，由于轴承游隙的存在，滚动体在通过载荷方向时受力最大，反方向时最小或无。

因此，每个滚动体在通过载荷方向时就会发生一次力的变化，内圈及轴颈、外圈及轴承座也同时受到一次激励，此激励频率称为通过频率fe，fe＝zfc，其中，z～滚动体个数，fc～保持架的旋转频率。

滚动轴承的间隔频率

滚动轴承的结构特点决定了滚动轴承的外圈、内圈、滚动体存在着以下的间隔频率：

外圈间隔频率fe　　　　fe＝n/120[1-（d/Dm）cosα]z

内圈间隔频率fi　　　　fi＝n/120[1+（d/Dm）cosα]z

滚动体间隔频率fo　　　　fo＝（n/60）（Dm/d）[1-（d2/Dm2）cos2α]

式中，n～轴的转速，[r/min]；

　　　d～滚动体直径，[mm]；

　　　Dm～滚动体中园直径，[mm]；

α～接触角，[角度]；

z～滚动体个数。

由于外圈是固定不动的，所以外圈的间隔频率就是滚动体的通过频率。

滚动轴承的特征频率

右图是外圈、内圈、滚动体上的缺陷所产生的波形。

波形图显示：

外圈存在缺陷时，周期为外圈间隔频率的倒数1/fe；内圈存在缺陷时，周期为内圈间隔频率的倒数1/fi，并出现了对fi的幅值调制，调制频率为滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fc或转速频率f；滚动体存在缺陷时，周期为滚动体间隔频率的倒数1/fo，调制频率为fc。

因此，滚动轴承的特征频率如下，

外圈：

　nfe；

内圈：

　nfi±fc（或f）；

滚动体：

2nfo±fc。

　　　n为正整数（n＝1，2，3，…）

5.相位

5.1相位、相位差

相位是在给定时刻振动部件被测点相对于固定参考点所处的角位置，单位是度［°］。

如果把转子旋转一圈的时间（即周期T）看成是360°，那么，被测点与固定参考点之间的角度也就可以看成转过此角度的时间（相位×T/360）和空间方向上的位置。

这便是相位的奥妙之处

相位差是两个振动之间在时间或空间上的差异。

相位（差）是两个振动在时间先后或空间位置上相互差异关系的标志，在振动故障分析中有着非常重要的作用，在动平衡技术中更是必不可少。

5.2键相器

键相器是由探头（如涡流式、光电式等）与轴上固定标志（如键槽、凹孔、反光板等）所组成的相位测量仪表。

当轴上固定标志经过探头时，键相器便会触发一个脉冲信号，脉冲信号是确定振动相位的基准，脉冲频率与转子旋转频率完全同步。

5.3绝对相位

绝对相位是指从键相器脉冲信号触发到各选频振动信号（如工频、二倍频、…，为正弦波）第一个正峰值之间的角度。

绝对相位是具体测得的相位，是各选频振动信号与轴上固定标志之间的相位差。

绝对相位往往就简称相位，说“某频率的振动相位为某某度”时指的就是绝对相位。

如果没有指明，相位角度增加的方向总是与转子的旋转方向相反。

由相位探头的位置及转子旋向，绝对相位还能给出最大振动具体的空间方向。

相对相位是两个选频振动信号波形最近的对应点（如正峰与正峰）之间的角度。

相对相位往往也简称相位差，但两者是有区别的，就“对应点”而言，相对相位强调“最近的”。

测出振动的相位后，算出相位差，关键把转子旋转一圈的时间看成是360°，两个振动矢量之间的相位差也就可以看成了时间。

如相位差分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°（﹣135°）、270°（﹣90°）、315°（﹣45°）、360°（0°）时，则表明为旋转0圈、1/8圈、1/4圈、3/8圈、1/2圈、5/8（3/8）圈、3/4（1/4）圈、7/8（1/8）圈、1（0）圈所用的时间。

这样一来，通过相位，就可以很具体地想像到两个振动矢量在时间和空间上的相互关系：

①相差的时间～时间差＝相位差×周期/360，实际中很少算，重要的是由相位差（角度）的大小想像两者间隔时间的长短；

②谁先谁后～相位小的在先、称超前，相位大的在后、称滞后；

③空间位置～相位差就是空间方向差夹角的角度。

例如，某机器转速n为6000r/min，假设测出以下几组相位：

001V工频、二倍频的相位分别为45°、15°，（相位差30°）；

001V、001H的工频相位分别为45°、135°，（相位差90°）；

001V、002V的工频相位分别为45°、225°，（相位差180°）；

002V、003V的工频相位分别为225°、222°，（相位差3°）；

004V、005V的工频相位分别为2°、359°，（相位差357°或3°）。

也可以算出，工频f＝n/60＝6000/60＝100Hz，转子旋转一圈的时间、即工频的周期T＝1/f＝1/100＝0.01秒＝10毫秒。

那么，各组振动矢量在时间和空间上的相互关系为：

001V工频振动滞后二倍频30°、1/12圈、0.83毫秒，方向夹角30°；

001V工频振动超前001H工频90°、1/4圈、2.5毫秒，相互垂直；

001V工频振动超前002V工频180