旋轉機械故障診斷-機組振動的原因及分析

田志龍

一、 旋轉機械的分類

旋轉機械是指主要功能是由旋轉動作來完成的機械，尤其是指轉速較高的機械。大致可分為以下幾類：

1：動力機械

⑴原動機 如蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機等，利用高壓蒸汽或氣體的壓力能膨脹做功推動轉子旋轉。

⑵流體輸送機械 這類機械的轉子被原動機拖動，通過轉子的葉片將能量傳遞被輸送的流體，他可分為以下兩類：

①渦輪機械 離心式及軸流式壓縮機、風機及泵等。

②容積式機械 如螺桿式壓縮機、螺桿泵、螺茨風機、齒輪泵等。

2：過程機械 如離心式分離機等。

3：加工機械 如車床、磨床等。

二、 旋轉機械的故障分類

1、 度不足造成斷裂破壞事故，原因：

⑴腐蝕 使機械材料變質或使零件尺寸變小。

⑵沖蝕或磨損 由于工作介質對零件表面的沖刷、撞擊而造成的零件尺寸減小稱為沖蝕，兩接觸零件工作表面間有相對滑動造成磨損使零件表面層的脫落稱為磨損。

⑶設計應力過大或結構形狀不恰當，有很大的應力集中。

⑷零件的材料由于鑄、鍛、焊工藝不合適造成局部缺陷（縮孔、裂紋、晶粒粗大）。

2、產生振動，很多故障的表現形式為機組的振動，產生振動的原因：

（1）不平衡： 由于靜、動平衡不好，或在工作中產生新的不平衡，設計制造過程中產生的，或是運轉過程中產生。

⑵對中不良： 不平衡和不對中是造成機組強烈振動最常見的原因，不對中是由于安裝不良造成的，有的是冷態不對中，有的未考慮熱態膨脹因素，在運行狀態下對中不好，或者是由于機器本身的內應力未徹底消除而引起變形，導致不對中；或者是由于管道等附件安裝質量不高，對機組產生過大的作用力是機組產生變形或變位，造成不對中；基礎的不均勻下沉產生不對中。

⑶機組產生自激振動：由于材料內摩察、流體力等引起。

⑷工作介質引起的振動：氣流旋轉失速、喘振、空吸等。

三、 轉子的臨界轉速

自從蒸汽機問世以后,機器轉動的速度逐步提高,在生產實踐中,人們發現:轉子轉速達到某一轉速之后振動就使得機組沒法工作，這里似乎有一道不可逾越的屏障，即所謂臨界轉速；進入20世紀20年代，Jeffcott分析證明：只要在振幅還未增加過大時，迅速提高轉速，越過臨界轉速點后，轉子在高速時振幅又小下來，既轉子在高速區存在著一個穩定的、振幅較小的、可以工作的區域。

臨界角速度ω_c=√k/m 因為當ω=ω_c時,軸的繞度將趨近無窮大,這時的轉速稱為臨界轉速n_c;（k—軸的剛度，k=48EJ/l³，m—轉子的質量。E—彈性模量，對于鋼E=2*10¹¹N/m^2， J—軸的截面慣性矩，J=πd⁴/64，l—兩軸承間的距離，）

臨界轉速：n_c=ω_c.60/2π.=60/2π.√k/m

從上式我們可以看出:ω_c和n_c是轉子本身的屬性,與轉子的不平衡量的大小無關,它僅僅與軸的剛度k和轉子的質量m有關,增加剛度可以使n_c提高,增加質量m則使n_c降低.

結論：1、當轉子的轉速上升時,振幅逐步增大.

2當轉子轉速達到臨界轉速時，振幅在理論上趨于無窮，轉子無法在此附近工作，實際上轉子的工作區域在小于0.7n_c和大于1.4n_c.

3當轉子速度繼續增大超過n_c時,轉子的振幅隨著轉速的增加而下降,這種現象稱為轉子的自動對中,具有很重要的實際意義.此時的振幅趨近于轉子的偏心e。

4振幅的大小決定于動平衡質量,動平衡越好e就越小，軸乘座的振動就越小,說明了轉子動平衡的重要性.軸承在高速運轉時受力F=k.e/2

5轉子超過臨界轉速進入自動對中區后,此時轉子的偏心距不是e而是趨近于零,轉子的離心力不等于m.e.ω²,而是ke/2,由此可見離心力的大小不隨轉速的提高而增大.

轉子在臨界轉速時振幅是不是一定趨于無窮大,實際上有一些轉子就在臨界轉速附近工作, 實際上在臨界轉速附近，轉子的振幅基本取決于系統阻尼值的大小，稱為阻尼控制區；轉子的轉速遠低于轉子的臨界轉速時，轉子的振幅大小基本上取決于轉子軸的剛度，稱為轉子的彈性控制區；當轉子的轉速遠遠大于臨界轉速時，轉子的振幅全由慣性力控制，稱為轉子的慣性控制區，其振幅近似于偏心距。

四、 不平衡的診斷及對策

一）、轉子的靜平衡和動平衡

1轉子的靜平衡：使轉子產生偏心距的稱為靜不平衡。靜不平衡是質量的平衡，在水平軌道上既可以測量出不平衡質量的方位，通過加重或去重可以做到靜平衡。

2轉子的動平衡：多盤轉子在轉子的不同平面存在大小相等，方向相反的兩個或多個不平衡質量，轉子總的偏心距為零，作靜平衡實驗室轉子可以隨遇平衡，轉子在旋轉時產生兩個大小相等、方向相反的離心力組成離心力矩，從而引起震動。

二）、轉子質量不平衡極其引起的故障

質量為m的轉子由于其不平衡而引起的偏心e，旋轉時產生的離心力為meω2，ω為轉子轉動的角速度，這力作用在兩軸承上，方向也是以角速度ω在旋轉，變化（大小、方向）的力就會引起振動，正常的轉子系統振動的主要成分也是由于不平衡所引起的。產生不平衡的主要因素有：

1制造是由于幾何尺寸不同心、材料質量不均勻等因數造成質量中心偏離幾何中心。

2安裝是由于斜鍵或軸頸不同心造成的偏心。

3由于軸水平放置時間過長，或者是受熱不均，而造成的變形，導致轉子產生偏心。

4工作介質對轉子的不均勻沖刷、沉積、腐蝕等使轉子產生偏心。

5轉子在運轉過程中自身產生的偏心，應力釋放、零件與軸的配合過松高速運轉使轉子內孔擴大造成的偏心。

6動平衡的方法不對

7轉子在運轉時突然破裂等因素產生的不平衡。

不平衡因素有時只有一種，有時有幾種同時存在。

三）、不平衡產生的振動有以下特點

1當轉子的轉速低于臨界轉速時，振幅隨轉速的上升而上升；當轉子的轉速高于臨界轉速時，隨著轉速的上升振幅趨于一個較小的定值。

2由于作用力方向隨著轉子的轉動而轉動，振動在頻譜圖上反映的是轉子的工作頻率。

3如果一臺原來運轉平穩的轉子,隨著時間的增加振幅逐步增大,經頻譜分析如果工作頻率分量很大,就有可能有較大的不平衡.但對于新開機組如果發現振動過大，應考慮以下問題：

⑴轉子是否遇到了轉子的臨界轉速問題。

⑵是否遇到了基礎共振。

⑶轉子軸頸加工的不同心度和不園度或者軸頸表面的不均勻磁化，由此造成的振動稱為假振動。

消除動不平衡的方法：

1在動平衡機上進行動平衡試驗，對高速轉子采用去重法予以消除。對于要求高的轉子，在葉輪組裝前進行單體動平衡，組裝過程中進行階段動平衡，組裝完畢后再進行整體動平衡或進行高速動平衡，

2現場動平衡試驗，在設備工作現場工作狀態下，對其進行振動測量分析并進行動平衡校正的一種平衡方法。精度低且具有一定的局限性，但是具有速度快、工作量小等優點。