旋转机械故障诊断-机组振动的原因及分析

田志龙

一、             旋转机械的分类

旋转机械是指主要功能是由旋转动作来完成的机械，尤其是指转速较高的机械。大致可分为以下几类：

1：动力机械

⑴原动机  如蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等，利用高压蒸汽或气体的压力能膨胀做功推动转子旋转。

⑵流体输送机械   这类机械的转子被原动机拖动，通过转子的叶片将能量传递被输送的流体，他可分为以下两类：

①涡轮机械  离心式及轴流式压缩机、风机及泵等。

②容积式机械  如螺杆式压缩机、螺杆泵、螺茨风机、齿轮泵等。

2：过程机械 如离心式分离机等。

3：加工机械  如车床、磨床等。

二、             旋转机械的故障分类

1、  度不足造成断裂破坏事故，原因：

⑴腐蚀  使机械材料变质或使零件尺寸变小。

⑵冲蚀或磨损  由于工作介质对零件表面的冲刷、撞击而造成的零件尺寸减小称为冲蚀，两接触零件工作表面间有相对滑动造成磨损使零件表面层的脱落称为磨损。

⑶设计应力过大或结构形状不恰当，有很大的应力集中。

⑷零件的材料由于铸、锻、焊工艺不合适造成局部缺陷（缩孔、裂纹、晶粒粗大）。

2、产生振动，很多故障的表现形式为机组的振动，产生振动的原因：

（1）不平衡：   由于静、动平衡不好，或在工作中产生新的不平衡，设计制造过程中产生的，或是运转过程中产生。 

⑵对中不良：  不平衡和不对中是造成机组强烈振动最常见的原因，不对中是由于安装不良造成的，有的是冷态不对中，有的未考虑热态膨胀因素，在运行状态下对中不好，或者是由于机器本身的内应力未彻底消除而引起变形，导致不对中；或者是由于管道等附件安装质量不高，对机组产生过大的作用力是机组产生变形或变位，造成不对中；基础的不均匀下沉产生不对中。

⑶机组产生自激振动：由于材料内摩察、流体力等引起。

⑷工作介质引起的振动：气流旋转失速、喘振、空吸等。

三、             转子的临界转速

    自从蒸汽机问世以后,机器转动的速度逐步提高,在生产实践中,人们发现:转子转速达到某一转速之后振动就使得机组没法工作，这里似乎有一道不可逾越的屏障，即所谓临界转速；进入20世纪20年代，Jeffcott分析证明：只要在振幅还未增加过大时，迅速提高转速，越过临界转速点后，转子在高速时振幅又小下来，既转子在高速区存在着一个稳定的、振幅较小的、可以工作的区域。

临界角速度ω_c=√k/m   因为当ω=ω_c时,轴的绕度将趋近无穷大,这时的转速称为临界转速n_c;（k—轴的刚度，k=48EJ/l³，m—转子的质量。E—弹性模量，对于钢E=2*10¹¹N/m^2， J—轴的截面惯性矩，J=πd⁴/64，l—两轴承间的距离，）

临界转速：n_c=ω_c.60/2π.=60/2π.√k/m   

从上式我们可以看出:ω_c和n_c是转子本身的属性,与转子的不平衡量的大小无关,它仅仅与轴的刚度k和转子的质量m有关,增加刚度可以使n_c提高,增加质量m则使n_c降低.

结论：1、当转子的转速上升时,振幅逐步增大.

2当转子转速达到临界转速时，振幅在理论上趋于无穷，转子无法在此附近工作，实际上转子的工作区域在小于0.7n_c和大于1.4n_c.

3当转子速度继续增大超过n_c时,转子的振幅随着转速的增加而下降,这种现象称为转子的自动对中,具有很重要的实际意义.此时的振幅趋近于转子的偏心e。

4振幅的大小决定于动平衡质量,动平衡越好e就越小，轴乘座的振动就越小,说明了转子动平衡的重要性.轴承在高速运转时受力F=k.e/2

5转子超过临界转速进入自动对中区后,此时转子的偏心距不是e而是趋近于零,转子的离心力不等于m.e.ω²,而是ke/2,由此可见离心力的大小不随转速的提高而增大.

转子在临界转速时振幅是不是一定趋于无穷大,实际上有一些转子就在临界转速附近工作, 实际上在临界转速附近，转子的振幅基本取决于系统阻尼值的大小，称为阻尼控制区；转子的转速远低于转子的临界转速时，转子的振幅大小基本上取决于转子轴的刚度，称为转子的弹性控制区；当转子的转速远远大于临界转速时，转子的振幅全由惯性力控制，称为转子的惯性控制区，其振幅近似于偏心距。

四、             不平衡的诊断及对策

一）、转子的静平衡和动平衡

1转子的静平衡：使转子产生偏心距的称为静不平衡。静不平衡是质量的平衡，在水平轨道上既可以测量出不平衡质量的方位，通过加重或去重可以做到静平衡。

2转子的动平衡：多盘转子在转子的不同平面存在大小相等，方向相反的两个或多个不平衡质量，转子总的偏心距为零，作静平衡实验室转子可以随遇平衡，转子在旋转时产生两个大小相等、方向相反的离心力组成离心力矩，从而引起震动。

二）、转子质量不平衡极其引起的故障

 质量为m的转子由于其不平衡而引起的偏心e，旋转时产生的离心力为meω2，ω为转子转动的角速度，这力作用在两轴承上，方向也是以角速度ω在旋转，变化（大小、方向）的力就会引起振动，正常的转子系统振动的主要成分也是由于不平衡所引起的。产生不平衡的主要因素有：

1制造是由于几何尺寸不同心、材料质量不均匀等因数造成质量中心偏离几何中心。

2安装是由于斜键或轴颈不同心造成的偏心。

3由于轴水平放置时间过长，或者是受热不均，而造成的变形，导致转子产生偏心。

4工作介质对转子的不均匀冲刷、沉积、腐蚀等使转子产生偏心。

5转子在运转过程中自身产生的偏心，应力释放、零件与轴的配合过松高速运转使转子内孔扩大造成的偏心。

6动平衡的方法不对

7转子在运转时突然破裂等因素产生的不平衡。

不平衡因素有时只有一种，有时有几种同时存在。

三）、不平衡产生的振动有以下特点

1当转子的转速低于临界转速时，振幅随转速的上升而上升；当转子的转速高于临界转速时，随着转速的上升振幅趋于一个较小的定值。

2由于作用力方向随着转子的转动而转动，振动在频谱图上反映的是转子的工作频率。

3如果一台原来运转平稳的转子,随着时间的增加振幅逐步增大,经频谱分析如果工作频率分量很大,就有可能有较大的不平衡.但对于新开机组如果发现振动过大，应考虑以下问题：

⑴转子是否遇到了转子的临界转速问题。

⑵是否遇到了基础共振。

⑶转子轴颈加工的不同心度和不园度或者轴颈表面的不均匀磁化，由此造成的振动称为假振动。

消除动不平衡的方法：

1在动平衡机上进行动平衡试验，对高速转子采用去重法予以消除。对于要求高的转子，在叶轮组装前进行单体动平衡，组装过程中进行阶段动平衡，组装完毕后再进行整体动平衡或进行高速动平衡，

2现场动平衡试验，在设备工作现场工作状态下，对其进行振动测量分析并进行动平衡校正的一种平衡方法。精度低且具有一定的局限性，但是具有速度快、工作量小等优点。