旋轉(zhuǎn)機械的平衡問題及故障特征

發(fā)布時間：

2024-07-03 17:37

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運行過程中與其他介質(zhì)接觸而受腐蝕或結(jié)垢等其它原因，旋轉(zhuǎn)零件各個橫截面上的質(zhì)量中心通常都不能正好落在旋轉(zhuǎn)軸線上，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將激勵機器產(chǎn)生振動，當振動超過一定標準時，就引起了我們通常所說的動平衡問題。我們可以通過振動測試判斷旋轉(zhuǎn)部件上不平衡質(zhì)量的大小和位置予以校正，這就是動平衡。

離心力與轉(zhuǎn)速的平方是成正比的，所以為了保證安全運行、合理的壽命和對周圍的環(huán)境不致產(chǎn)生嚴重的振動和噪聲污染，通常對高速旋轉(zhuǎn)機械的動平衡要求很嚴。

不平衡故障的原因通常包括：質(zhì)量不平衡、初始彎曲、轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡、部件結(jié)垢、脫落、聯(lián)軸器不平衡等，雖然這些問題的原因各異，但振動特征與質(zhì)量不平衡基相同，所以所有不平衡都可歸結(jié)為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心。

2.1. 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

圖 1 為帶有偏心質(zhì)量的多圓盤轉(zhuǎn)子的振動情況。如果忽略陀螺力的影響，采用模態(tài)坐標對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)解藕后，可以用單自由度強迫振動響應(yīng)公式計算不平衡激振力引起的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

（圖1）

由分析可知轉(zhuǎn)子不平衡的振動特征是：

（1）圓盤的中心軌跡是圓或橢圓。

（2）各圓盤的穩(wěn)態(tài)振動是與轉(zhuǎn)速同頻的強迫振動，其幅值隨轉(zhuǎn)速按振動理論中的共振曲線規(guī)律變化，在臨界轉(zhuǎn)速處達到最大值。故轉(zhuǎn)子不平衡故障的顯著特征是一倍頻振動幅值大。

（3）表示各個圓盤中心位移的復(fù)數(shù)向量相角不同，因此軸線彎曲成空間曲線，并以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繞oz 軸轉(zhuǎn)動，見圖 2。

（圖2）

（4）由于軸承在不同方向上的剛度不相等，油膜阻尼的非線性和轉(zhuǎn)子的非線性等因素的影響，軸承在不同方向上的振動大小并不一樣。水平方向剛度較小，振動幅值較大，使整個頻譜呈圖 3 所示形狀。

（圖3）

失衡的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中引起振動，這振動可以用傳感器檢測。傳感器可以是安裝在機座上測量轉(zhuǎn)軸相對機座的振動，也可以是測量機座的絕對振動。通常，在轉(zhuǎn)子上做一個記號，用光電傳感器檢測它作為計算不平衡角度位置的基準。由于軸承噪聲和周圍環(huán)境的振動影響，測振傳感器測得的信號含有大量的噪聲。但是，從以上的分析可以肯定：只有和轉(zhuǎn)子同頻的部分才是轉(zhuǎn)子失衡所引起的。利用光電傳感器和振動傳感器的信號，經(jīng)過波形變換可以得到與轉(zhuǎn)速同頻的方波或正弦波信號，并據(jù)此判定失衡質(zhì)量的大小和位置，然后予以矯正。

2.2. 轉(zhuǎn)子其它原因引起的不平衡

2.2.1. 轉(zhuǎn)子初始彎曲

轉(zhuǎn)子初始彎曲與質(zhì)量初始不平衡的區(qū)別在于：轉(zhuǎn)子初始彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，質(zhì)量初始不平衡是指各橫截面的質(zhì)心連線與幾何中心線不重合，但二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。

初彎轉(zhuǎn)子與質(zhì)量初始不平衡轉(zhuǎn)子具有相似的振動特征，所不同的是初彎轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速較低時振動較明顯，趨于初彎值。

2.2.2. 轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡

以汽輪機轉(zhuǎn)子為例，在機組的啟動和停機過程中，由于熱交換速度的差異，使轉(zhuǎn)子橫截面產(chǎn)生不均勻的溫度分布，使轉(zhuǎn)子發(fā)生瞬時熱彎曲，產(chǎn)生較大的不平衡，熱彎曲引起的振動一般與負荷有關(guān)，改變負荷，振動相應(yīng)地發(fā)生變化，但在時間上滯后于負荷的變化，隨機組的穩(wěn)定運行，整機溫度逐漸均勻，振動逐漸減小。

2.2.3. 部件脫落部件脫落的主要振動特征是振動突然發(fā)生變化后趨于穩(wěn)定，振動幅值有明顯的增大。

2.2.4. 轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢和腐蝕

由于結(jié)垢和腐蝕不是一朝一夕的事，所以振動隨時間推移而逐漸增大，且由于通流條件的變化使軸向力改變，軸向位移增大，效率降低。

2.2.5. 聯(lián)軸器不平衡

由于制造、安裝的偏差或動平衡時沒有考慮聯(lián)軸器的影響，使聯(lián)軸器產(chǎn)生不平衡，振動特征通常是聯(lián)軸器兩端軸承的振動較大，相位基本相同。

無