旋轉機械的平衡問題及故障特征

發布時間：

2024-07-03 17:37

由于結構設計不合理，制造和安裝誤差，材質不均勻，受熱不均勻，運行過程中與其他介質接觸而受腐蝕或結垢等其它原因，旋轉零件各個橫截面上的質量中心通常都不能正好落在旋轉軸線上，旋轉產生的離心力將激勵機器產生振動，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部件上不平衡質量的大小和位置予以校正，這就是動平衡。

離心力與轉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境不致產生嚴重的振動和噪聲污染，通常對高速旋轉機械的動平衡要求很嚴。

不平衡故障的原因通常包括：質量不平衡、初始彎曲、轉子熱態不平衡、部件結垢、脫落、聯軸器不平衡等，雖然這些問題的原因各異，但振動特征與質量不平衡基相同，所以所有不平衡都可歸結為轉子的質量偏心。

2.1. 轉子質量不平衡

圖 1 為帶有偏心質量的多圓盤轉子的振動情況。如果忽略陀螺力的影響，采用模態坐標對轉子系統解藕后，可以用單自由度強迫振動響應公式計算不平衡激振力引起的穩態響應。

（圖1）

由分析可知轉子不平衡的振動特征是：

（1）圓盤的中心軌跡是圓或橢圓。

（2）各圓盤的穩態振動是與轉速同頻的強迫振動，其幅值隨轉速按振動理論中的共振曲線規律變化，在臨界轉速處達到最大值。故轉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數向量相角不同，因此軸線彎曲成空間曲線，并以轉子轉速繞oz 軸轉動，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）

失衡的轉子在旋轉過程中引起振動，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：只有和轉子同頻的部分才是轉子失衡所引起的。利用光電傳感器和振動傳感器的信號，經過波形變換可以得到與轉速同頻的方波或正弦波信號，并據此判定失衡質量的大小和位置，然后予以矯正。

2.2. 轉子其它原因引起的不平衡

2.2.1. 轉子初始彎曲

轉子初始彎曲與質量初始不平衡的區別在于：轉子初始彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉軸線不重合，質量初始不平衡是指各橫截面的質心連線與幾何中心線不重合，但二者都會使轉子產生偏心質量，從而使轉子產生不平衡振動。

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

2.2.2. 轉子熱態不平衡

以汽輪機轉子為例，在機組的啟動和停機過程中，由于熱交換速度的差異，使轉子橫截面產生不均勻的溫度分布，使轉子發生瞬時熱彎曲，產生較大的不平衡，熱彎曲引起的振動一般與負荷有關，改變負荷，振動相應地發生變化，但在時間上滯后于負荷的變化，隨機組的穩定運行，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生變化后趨于穩定，振動幅值有明顯的增大。

2.2.4. 轉子部件結垢和腐蝕

由于結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. 聯軸器不平衡

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

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