不平衡故障(附定向振动) (DEMO)

不平衡故障一、 不平衡故障的产生机理 由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因或由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生质量偏心。

转子旋转时，由于转子质量中心偏离转动中心，将激起转子的振动，这是旋转机械最常见的故障。

由于有偏心质量m 和偏心距e 的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。

离心力的大小与偏心质量m 、偏心距e 及旋转角速度ω有关，即2ωme F =。

众所周知，交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。

转子每转动一周，离心力方向变化一周，因此不平衡振动的频率与转速相一致。

不平衡故障的主要振动特征：1) 振动的时域波形近似为正弦波；2) 频谱图中，谐波能量集中于基频。

并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”；3) 当ω＜n ω时，即在临界转速以下，振幅随着转速的增加而增大；当ω＞n ω后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当ω接近于n ω时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。

振动幅值对转速的变化很敏感。

4) 当工作转速一定时，相位稳定。

5) 转子的轴心轨迹为椭圆。

（由于支撑刚度不同的影响）6) 从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。

对于原始不平衡、渐变不平衡和突发性不平衡这三种形式，其共同点较多，但可以从以下两个方面对其进行甄别。

1)振动趋势不同原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的水平。

渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的推移，振值逐步升高。

突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较高的水平；2)矢量域变化不同原始不平衡：矢量域稳定于某一允许的范围。

渐变不平衡：矢量域逐渐变化；突发性不平衡：矢量域某一时刻发生突变，然后稳定。

2．转子不平衡可能导致的后果对于柔性转子还可能由于动挠度产生附加的惯性离心力而造成不平衡。

不同原因所引起的转子不平衡故障是具有基本上一致的规律。

归结起来，转子不平衡可能会导致下列不良后果；(1)造成转子的反复弯曲和内应力，从而引起转子疲劳，甚至引起转子断裂；(2)使机器在运转过程中产生过度振动和噪声，从而会加速轴承等零件的磨损及缩短使用寿命。

(3)转子的振动会通过轴承、机座等传递到基础和建筑物上，从而导致工作环境恶化。

二、 不平衡振动的特征转子的质量不平衡所产生的离心力2ωme F =始终作用在转子上，它相对于转子是静止的，其振动频率就是转子的转速频率，也称为工频。

在频谱分析时，首先要找的就是工频成分。

其特征有：a) 对于刚性转子（转速小于临界转速）,不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，因此测得的振动幅值随转速增加而加大；而在轴承座测得的振动转速增加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致。

b) 对于柔性转子（转速大于临界转速），当转子的转速大于转子的临界转速后，转子转速增加，振幅趋于一个较小的稳定值；当转子转速接近临界转速时机器发生共振，振幅具有最大峰值。

相位在临界转速前后相差近180° ；c) 振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，在时域上波形接近于一个正弦波。

d) 由于通常轴承水平方向的刚度较小，振动幅值较大，使轴心轨迹成为椭圆形。

e) 振动频率为转子工频；振动主导方向为径向；相位稳定，振动相位垂直与水平方向的差为90°。

f) 除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，轴向测点上的振值一般并不明显。

三、不平衡振动的原因：a) 固有不平衡由于各转子残余不平衡的累积、材质不良、安装不当等原因，即使机组在制造过程中已对各个转子作了动平衡，但是连接起来的转子系统还是存在固有不平衡。

为消除质量不平衡产生的振动，应在平衡机或现场作静平衡和动平衡，加以校正。

转子弯曲在旋转机械中，轴弯曲是造成转子不平衡的主要原因，也是一些机组产生异常振动的重要原因。

而造成转子的轴弯曲的原因又是多方面的，如制造上的误差；重力下垂；安装误差；热变形、摩擦生热等。

转子的弯曲有初始弯曲与热弯曲之分转子的初始弯曲是由于加工不良、残余应力或碰撞等原因引起的，将引起转子系统工频振动，通过振动测量并不能把其与转子的质量不平衡区分开来。

而应在低速转动下检查转子各部位的径向跳动量予以判断。

当转子弯曲不严重时也可以用平衡方法加以校正；当弯曲严重时，必须进行校正。

初始弯曲转子的振动特征:轴弯曲转子与质量偏心转子的振动特性基本相似，但也有差别，可归纳为如下几点特征: 1)初始弯曲转子的动力响应幅频特性与偏心转子的动力响应幅频特性相似；（见图示）（与上述不同点，可能指转子弯曲，2)初始弯曲转子的总位移振动幅频特性与偏心转子的不同；质心偏离转子旋转中心的距离成正比，而质量偏心主要与角速度的平方成正比）3)初始弯曲转子的轴振动相位随转速的变化与质量偏心转子是一致的；4)初始弯曲转子与质量偏心转子在动力响应相频特性方面是有区别的；（在转速等于转子的临界转速时，质量不平衡会引起相位的突变）转子热弯曲产生机理：由于转子与静子（如密封处）的发生间歇性局部接触，产生磨擦热引起的转子的临时性弯曲；或转子不均匀受热或冷却引起转子的临时性弯曲。

其特点是转子的振动随时间负荷的变化而在大小和相位上均有改变。

因此，可通过变负荷或一段时间的振动监测判断转子热弯曲故障。

防止热弯曲一方面要减小使转子不均匀受热的影响因素，如启停机时充分暖机，保证机组均匀膨胀；另一方面应注意装配间隙，各组件要有相近的热膨胀系数。

（设计上应注意的问题），c) 转子部件脱落当旋转转子上部件突然脱落时，使转子产生阶跃性的不平衡变化，其表现形式也是每转一次的振动成分，使机组振动加剧。

但由于转子部件脱落不平衡矢量与原始转子不平衡矢量的叠加，使合成的不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均与原始转子不平衡矢量发生了变化，因此，可通过测量相位进一步诊断。

d）联轴节精度不良联轴节精度不良在对中时产生的端面偏摆和径向偏摆，相当于给转子施加一个初始不平衡量，使转子振动增大。

这时可能会出现二倍转速频率的振动频谱图上有明显的二次谐波谱值。

（注：在转子上某一固定位置作上标记，并贴上反光条，可对质心的矢量域的变化进行监测。

）四、静态应力（相位）突变现象由于转子质量偏心，旋转轴在旋转时将产生横向弯曲弓状回转运动，则轴的表面产生拉或压静态应力。

在通过临界转速前后，静应力将产生突变。

亚临界时A点为拉应力，B点为压应力，临界时A和B点均为零应力；超临界时A点为压应力，B点为拉应力，即通过临界转速时轴表面静态应力出现突变，突变时间往往不超过一秒，与理论一致。

当轴的进动（公转）速度与自转速度大小相等，方向相同即正协调进动时，定义为转轴的临界转速。

1)对于刚性转子，不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致。

2)在临界转速附近，振幅会出现一个峰值，且相位在临界转速前后相差近180°。

3)振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，在时域上波形接近于一个正弦波。

五、不平衡的轴心轨迹特点单一的质量不平衡在水平和垂直方向上刚度相同，则在离心力作用下，转子运动轴心轨迹趋近于一个园，刚度不同轴心轨迹为一椭圆，也就是说，不平衡引起的旋转离心力将在水平和垂直方向上产生90°上下与椭圆度相对应的相位差。

但是当出现机体变形，机座松动、结构薄弱等故障时，虽然也以工频为主，然而在振动方向上并不一定按照旋转力的变化，而可能在水平和垂直方向上出现同相或接近180°反相的振动，称为定向振动。

表现在轴心轨迹上是一条倾斜的直线或接近一条直线形状。

（连续的摩擦由于摩擦副的位置基本固定，所以受力方向也不会发生大的变化，所以水平方向与垂直方向的相位应基本不变，应属于定向振动的范畴。

而间断性的摩擦振动大小和方向时时都在改变所以相位极其不稳定。

）六、不平衡的类型由于不平衡的产生的原因不尽相同，不平衡的类型和不平衡的位置不同。

所以各种不平衡的特征也有所差别，具体的分类如下：✧偶不平衡1.轴的两端相位差为180°；2.1X RPM总是占主导位置；3.振幅的变化与速度平方成正比；4.同样也会引起轴向振动；5.平衡需要在180°的两个平面进行。

✧悬臂转子不平衡1.在轴向和径向均会产生1X RPM振动；2.相位轴向数值稳定而径向不稳定；3.悬臂转子存在静不平衡和偶不平衡，需要同时消除两种不平衡的方法方能解决。

Overhung rotors often have both force and couple unbalance each of which may require correction9090转子不平衡故障特征：其它原因：1、轴发生弯曲变形；2、转子飞缺一块；3、转子之间缺乏同心度（连接不对中）；4、固体物料的沉积或冲刷；5、转子工作转速接近临界转速；6、支承系统或基础共振等；七、类似于不平衡振动的其它故障鉴别：1.如果测得的轴向振动大，则可能的故障原因是：联轴节不对中，轴承不对中，轴弯曲，轴向共振或悬臂转子存在不平衡等。

还有一些机械故障，如：机体变形、机座松动、结构薄弱、转子上零件偏心（连续的偏磨）、往复力作用以及基础共振等也会在径向方向上显示出较大的转速频率；2.若基频幅值增大的同时，频域中有“拍振”出现，其时域波形有缓慢调制现象，对于电机可能是电机故障，如电机转子条断条或裂纹；皮带传动设备可能存在皮带张力不够或不均现象。

其它机械因素，如轴承发生变形（轴承通过频率并伴有工频）。

3.如果转速的少量变化引起1×RPM成分剧烈的变化，则怀疑有共振发生。

4.若振动随负荷和时间而变化，则可能是局部摩擦、受热或冷却不均匀引起的热弯曲。

5.转子与静子发生连续的摩擦也会产生1×RPM，往往现象与不平衡类似。

定向振动现象分析：1)机壳变形：某些机器由于底脚刚度不足，在管道应力作用下将引起机器的安装位置变形，也会出现类似定向振动问题，如：底脚刚性不足（螺栓松动）、底脚对角线摆振。

2)皮带轮偏心：类似于皮带轮、滑轮和齿轮等偏心问题，均可引起很高的定向激振力，这类问题很容易和不平衡故障相混淆，进行水平和垂直方向的相位比较，有助于把两者区分开来。

3)支承部分松动：主导频率为工频，在水平和垂直方向上的相位进行分析，相位为同向相或反相。

4)基础共振：特点为工频，定向振动。

1．不平衡的原因经验表明，转子系统的不平衡是其最主要的故障形式，约占转子系统故障的30％。

转子不平衡的特点在于一个部件．围绕着它的旋转中心线存在着不均匀的重量分布。