旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

2013~2014学年第二学期《机械故障诊断技术》结课读书报告

旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

学院：机械与汽车工程学院

专业：测控技术与仪器

班级：11级测控一班

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旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

摘要:转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障,它是旋转机械最常见的故障。在实际应用中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，造成了回转体的不平衡。旋转机械约有近七成的故障与转子不平衡有关,因此对旋转机械的转子不平衡故障的分析、诊断是十分必要的。

关键词:旋转机械故障诊断转子不平衡动平衡

The diagnosis of rotor imbalance of a key rotating machinery case analysis were reviewed

Abstract: Rotor imbalance is due to partiality of mass of the rotor parts or the fault caused by rotor parts. It is most common fault of rotating machinery. Because material is uneven blank has some defect and machining and assembling generate errors，even designing has been asymmetrical geometry and so on，the various rotary body of the practical application become to be unbalanced. Nearly seventy percent of rotating machinery fault is related to the rotor imbalance.Thus, it is very necessary to study and analyze the rotor imbalance fault. Keywords:Rotating machinery; fault diagnosis; Rotor imbalance; dynamic balancing

前言

一、旋转机械转子不平衡的现象

转子不平衡是质量和几何中心线不重合所导致的一种故障状态（质心不在旋转轴上），不平衡带来的后果是增加附加载荷，是设备和零部件损坏的最常见的四大故障之一。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障。造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介

质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。

二、转子不平衡的种类

转子不平衡分为以下3种类型:

(1)静不平衡

转子上的各偏心质量产生的合力ΣF≠0,转子在旋转时只产生一个离心力,这种不平衡,可以在重力状态下确定,故称静不平衡。静不平衡一般出现在长度与直径之比较小的(即盘状的)转子上,图1(a),通常L/D<1/5。如:单级离心泵,离心风机的叶轮,齿轮,飞轮,皮带轮等。

(2)动不平衡

如果在一个转子上各偏心质量合成出2个大小相等,方向相反但不在同一直径上的不平衡力,转子在静止时虽然获得平衡,但在旋转时就会出现一个不平衡力偶,即ΣM≠0,该力偶不能在静力状态下确定, 而只能在动力状态下确定,故称动不平衡。动不平衡状态一般出现在长度与直径之比较大的(即柱状的)转子上,图1(b),通常L/D>1/5。如多级离心泵,罗茨风机和电动机的转子等。

(3)混合不平衡

如果在一个转子上,既有静不平衡又有动不平衡,即ΣF≠0、ΣM≠0, 就称为混合不平衡,图1(c),混合不平衡是转子失衡的普遍状态,特别是长度与直径之比较大的转子,多产生混合不平衡。

图1 转子不平衡的类型

三、转子不平衡故障机理

设转子的质量为M,偏心质量为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零,具有挠度为a,如图2所示。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F = m eω2。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。转子转动一周,离心力方向改变一次,因此不平衡振动的频率与转速相一致。

图2 转子力学模型

四、转子不平衡的危害

转子的不平衡是旋转机械主要的激振源,也是其他一些振动故障的主要触发因素。转子的不平衡会产生下列不良的后果:

(1)引起转子反复的弯曲和内应力,造成转子疲劳损坏和断裂。

(2)引起旋转机械产生振动和噪声,会加速轴承、轴封等零件的磨损, 降低机组的工作效率和使用寿命。

(3)转子的振动可以通过轴承、基座传递到基础和周围的建筑物上, 恶化周围的工作环境。

为了改善机组的工作状态,在转子制造、安装调试过程中及大修后, 常常需要进行厂内单转子的动平衡和现场整个轴系的动平衡处理。事实上转子平衡是旋转机械的一个工艺过程,通过改变转子的质量分布的办法,即在转子上适当的地方加上或减去一定的质量,在轴或轴系上尽可能减少转子的不平衡量,减少转子由于不平衡离心力产生的弯曲,以减少机组振动和轴承的动态反作用力，最终使机组平稳地、安全地、可靠地运行。但有时即使转子在工厂和现场均进行了精确的动平衡处理,机组的振动仍然较大。

五、不平衡的故障特征及诊断方法

实际工程中,由于轴的各个方向上刚度有差别,特别是由于支承刚度各向不同,因而转子对平衡质量的响应在x 、y 方向不仅振幅不同,而且相位差也不是90°,因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆,如图3所示。