旋转机械故障诊断-不平衡

6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断eFwMABl/2l/2•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。O6.1转子不平衡故障诊断•转子产生的离心力为：•式中：•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。)(900602222NGennegGmewF6.1转子不平衡故障诊断•例：m=10kg，偏心距e=0.2mm，当转速n=6000r/min时，不平衡质量所产生的离心力的大小为：•离心力作用在两个轴承上的动反力各为：•该力在轴承上每转变化一次，足以引起转子轴承系统的振动。NnmeF78960600021021060224NFRRBA39526.1转子不平衡故障诊断•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：1.4ncrin0.7ncr(i+1)(i为临界转速的阶数)。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kδ相平衡，即可得到圆盘处的动挠度公式：•式中：•k——轴在中点的刚度系数，可由材料力学求得；•wn——转子无阻尼振动时横向振动固有频率，•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。22221nnwwemkwn6.1转子不平衡故障诊断•（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。6.1转子不平衡故障诊断•取坐标Oxy，在x和y两坐标方向上列力的平衡式：•其特解为：•写成复数的形式：•特解：wtmewkxxcxmcos2wtmewkyycymsin2)cos(wtAx)sin(wtAyiwtemewkzzczm2iwtAez6.1转子不平衡故障诊断•代入，求解得：•式中ξ——阻尼比。222221nnnnmwc2mkwn•转子的静挠度为：•从而可将振幅A写成无量纲形式：•β称为放大因子，是转子振幅与静挠度之比。其值的大小反应了转子共振振幅的高低。6.1转子不平衡故障诊断转子的幅频和与相频响应曲线6.1转子不平衡故障诊断•为了有效利用轴承油膜产生的阻尼，使转子通过临界转速时不致振幅过大，在设计阶段就应注意，不要把轴承放在转子振型节点的位置上，否则轴承的阻尼作用将会大大消弱。•相位公式：6.1转子不平衡故障诊断•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•或•f——振动频率，s-1•w——角频率，rad/s•N——转速，r/min60nfnf302•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。6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1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。6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断•【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。6.1转子不平衡故障诊断•现状：•气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，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。•现象：•改造后的转子出现了振动超标，靠近齿轮箱一侧的振动测点VI375、VI376的振幅达到60um，此后又上升至90um左右。•特征：•信号分析显示振动频率中工频成分占绝对优势。•VI375、VI376的轴心轨迹为椭圆6.1转子不平衡故障诊断•结论：•确认是转子不平衡引起的振动。•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•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6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断•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6.1转子不平衡故障诊断•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。•①转子不均匀受热引起的临时性弯曲。汽轮机、高温气体透平机、航空发电机等机器，需要引入高温、高压气体将整个缸体或壳体加热，但是缸体的温度分布不是均匀的，如果转子在热态下静止不动，则很快会发生变形。因此，对于这种转子在启动之前必须充分盘车，避免启动后引起过大的振动。6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断•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。6.1转子不平衡故障诊断•（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。•b、固体杂质在叶轮上沉积。•此情况屡见不鲜，如管道中的锈蚀、气源中的粉尘在叶轮流道内沉积，均会引起转子的不平衡。6.1转子不平衡故障诊断•c、轴上零件松动•带有各种零件的转子在运转中可能发生松动，如叶轮、平衡盘、止推轴盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松，使转子在搞转速下发生松动；还有材料选择不良或是工作介质腐蚀严重，引起轴套和轮壳内部发生腐蚀而松动。此外，滚动轴承外圈配合间隙过大，轴在旋转时外圈也跟着作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。6.1转子不平衡故障诊断•轴上零件松动在振动频率和相位上可能表现如下一些特征：•①松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大，零件内孔扩大，与转轴之间发生松动，并偏置于零件重心一侧或轴中心线弓形回转的外侧，因此产生转子转速频率成分幅值很快增大现象。•②由于存在松动间隙，振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出现大量转速频率的谐波，偶尔也可能出现1/2、1/3转速频率的次谐波成分。•③如果松动间隙较大，则零件的不平衡矢量可能会随机的绕转轴转动。因此在振动信号上表