旋转机械故障诊断-不平衡

6.1 转子不平衡故障诊断
• 转子运动的力学模型
6.1 转子不平衡故障诊断
• 转子在低速时，G在C的外侧，且O、C、G三点成一直线。当不计圆盘 重力影响和系统阻尼时，转子受到的离心力m(e+δ)w2与弹性恢复力k δ相 平衡，即可得到圆盘处的动挠度公式：
w e w 2 ew n 2 k w2 1 w m w n
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• 6.1.4.2 转子运行中的不平衡 • 转子在运行过程中的不平衡，可分两类情况：
• 为转子弯曲 • 原始平衡状态破坏
• （1）转子弯曲
• 永久性弯曲 • 临时性弯曲
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• a、临时性弯曲 • 指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变 形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低 速长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振 动。 • 常见的临时性弯曲主要有下列几种情况。
• 6.1.4.1 固有质量不平衡 • 固有质量不平衡：是指转子在原始状态下已经存在的不平 衡，而与操作运行情况无关。 • 主要原因有：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动 平衡方法不正确等问题。
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• 固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频 率振动，在给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随 时间变化。 • 防治办法：改善转子的平衡状态来降低转子的激振力。 • 很多高速的大型机组，联轴节与转子之间正确的平衡方法 是很重要的。联轴节制造厂在出厂前一般都做了整体动平 衡，半联轴节应该紧紧配合在轴上与转子一起动平衡，但 是转子动平衡时不允许在联轴节中间套或半联轴节上再去 重或配重，否则将破坏整个轴系的平衡状态，产生新的不 平衡。
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• 【例】气压机的不平衡振动 • 某炼油厂催化车间气压机组，有汽轮机同步离合器、气压 机、齿轮箱、电动机几部分串联而成。
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• 现状：
• 气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MP a，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。轴承形式为5块可倾瓦， 联轴节均为膜片式。该机运行数年后，为增大气量，更换了转 子，扩大了转子隔板，并且对转子做了高速动平衡。
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• 典型不平衡振动频谱图。图中还出现了一些幅值较小的2×f、 3×f、4×f 等的一些高次谐波，主要是受非线性振动的影响。
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转子不平衡故障诊断
• 6.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 • 为便于鉴别故障原因，把转子发生的不平衡故障分成2类：
• 1、一类是固有质量不平衡； • 2、另一类是转子运行中产生的不平衡。
• • • • • m—转子质量，kg； G—转子重量，N； g—重力加速度，g=9.81m/s2； e—偏心距，m； n—转速，r/min。
• 力 F 通过转轴作用在轴承上，使轴承承受附加动载荷， 引起转子或轴承的不平衡振动。
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•平衡质 量所产生的离心力的大小为：
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• （2）转子平衡状态破坏 • 转子在运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器 振动，在生产中经常会遇到。 • a、转子上零件碎裂或飞离
• 转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，将产 生阶跃式的不平衡，引起振幅和相位的突然变化。这种变化 属于瞬态响应，此后将会衰减下去，因而振幅突变后将在某 一数值上稳定下来。
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• 代入，求解得：
w e w n
2 2
2 w 2 w 1 2 w w n n • 式中ξ ——阻尼比。
• 解决方案：
• 考虑到气压机靠齿轮箱一侧的VI375、VI376测点振幅最高， 决定在这一侧的联轴节上做现场动平衡。 • 下表列出了二次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化
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• 从表中可以看出，动平衡前后相位稳定，动平衡后通频 振幅和工频振幅降低明显，其原因如下：
• 1、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气 压机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴节上的 不平衡量对于引发转子振动十分敏感。 • 2、转子工作转速接近第二阶临界转速，微量的不平衡将 在工作转速下引起明显的转子振动。当转速下降至10000r /min以下，转子脱离了二届临界转速，振幅的下降程度就 十分明显。 • 3、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独 做动平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操 作在联轴节上重复去重，造成联轴节新的不平衡。

30
n
• f——振动频率，s-1 • w——角频率，rad/s • N——转速，r/min
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• 转速频率也称为工频（工作频率），由于转子在运行时总是残 留一定的不平衡量，因此，这种频率成分很容易在频谱图上观 察到。不平衡故障特征主要表现如下：
• 1、不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点 上得到的频谱图，转速频率成分具有突出的峰值。 • 2、单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此， 在时域上的波形是一个正弦波。 • 3、转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于 转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差90度。 • 4、转子的进动方向为同步正进动。 • 5、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在轴 向上的振幅一般不明显。 • 6、转子振幅对转速变化敏感，转速下降，振幅将明显下降。
• ②转子自重引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在柔性转子上经常 会遇到。例如转子由于搁置已久，在自重作用下发生弯曲变形。 这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率，而且转速频率 的幅值也是随着转速的上升而增大，随转速的下降而减小。弯曲 的校直可以通过较长时间满转转子来达到。 • ③气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯曲。 压缩机发生喘振时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发生弯 曲变形。轻度的喘振，转子弯曲量不大，可以通过慢转转子加以 消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以至发生转子与静 子元件之间碰撞摩擦，这时候就需要对转子进行热处理校直，并 重新进行动平衡。 • 温度突变或负荷变化过快引起机器振动的主要原因也使转子发生 临时性弯曲，因此对于汽轮发电机组和汽轮机驱动的离心压缩机 组，启停过程中一定要按操作规程进行，开车前和停机后均需要 有一定时间的盘车过程。
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• 6.1.3 转子不平衡振动的故障特征 • 转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动，转 子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一点处产生一次扰 动，在测点处就有一次振动响应，因此它的振动频率就是转子的 转速频率，即
n f 60
• 或
2f
• 式中：
• k ——轴在中点的刚度系数，可由材料力学求得； wn • wn——转子无阻尼振动时横向振动固有频率，
2
k m
• 当w=wn时，轴的挠度δ理论上为无限大，这个角速度w就称为轴的临界 转速。
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• （2）阻尼对临界转速下转子振动的影响 • 实际转子总是存在阻尼，这种阻尼来自工作介质的黏性阻 尼、轴承油膜的黏性阻尼、滑动面之间的摩擦阻尼、轴材 料不完全弹性的内摩擦阻尼，以及转子轴承系统在振动过 程中变形能耗所产生的结构阻尼。 • 对于线性系统，阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方 向相反。 • 有阻尼的转子，O、C、G三点就不在同一直线上，OC和CG 成φ角。
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• 两轴承间距l，转子质量m，质心M距旋转中心O的 距离为e（偏心距），旋转角速度w。
w F e M
A B
O
l/2
l/2
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• 转子产生的离心力为：
G 2n Gen2 2 F mew e g 60 900
2
(N )
• 式中：
• 6.1.2临界转速对不平衡振动的影响 • （1）临界转速的动力特性 • 临界转速是一种由不平衡离心力引起的共振现象。
• 设计时要求机器的工作转速必须避开临界转速。
• 一般规定：转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应 低于一阶临界转速ncr1的0.75倍；工作转速高于一阶临界转 速时，要求在下列范围内：1.4 ncri <n<0.7 ncr(i+1)(i为临界转 速的阶数)。
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• b、永久性弯曲 • 指经过满转转子的方式仍然无法恢复转子的弯曲状态，转 子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产生的交 变力，不足以释放转轴内部已形成的弯曲应力，因此形成 永久性变形。 • 上述影响转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能称 为永久性弯曲。 • 具有很大弯曲变形的转子，不能用动平衡方法校正，必须 用热处理方法把转子校直，或用精加工方法来消除弯曲。
• 另外，从转子升速过程中的极 坐标图上看：转子在到达工作 转速时，振幅迅速增长，相位 也明显变化。 • 该转子在做高速动平衡时，也 曾显示9700-11000r/min之间有 明显峰值，因此认为该转子的 工作转速在它的二阶临界转速 附近，对于不平衡振动具有较 强的敏感性。
6.1 转子不平衡故障诊断
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• 6.1.1转子不平衡的概念
• 旋转机械的转子不平衡是指：转子受材料质量、加 工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心 和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子 在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生 动载荷，从而引起机器振动的现象。 • 把旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做不平 衡，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题 称为不平衡故障。