旋转机械的平衡问题及故障特征

发布时间：

2019-05-20 14:01

由于结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行过程中与其他介质接触而受腐蚀或结垢等其它原因，旋转零件各个横截面上的质量中心通常都不能正好落在旋转轴线上，旋转产生的离心力将激励机器产生振动，当振动超过一定标准时，就引起了我们通常所说的动平衡问题。我们可以通过振动测试判断旋转部件上不平衡质量的大小和位置予以校正，这就是动平衡。

离心力与转速的平方是成正比的，所以为了保证安全运行、合理的寿命和对周围的环境不致产生严重的振动和噪声污染，通常对高速旋转机械的动平衡要求很严。

不平衡故障的原因通常包括：质量不平衡、初始弯曲、转子热态不平衡、部件结垢、脱落、联轴器不平衡等，虽然这些问题的原因各异，但振动特征与质量不平衡基相同，所以所有不平衡都可归结为转子的质量偏心。

2.1. 转子质量不平衡

图 1 为带有偏心质量的多圆盘转子的振动情况。如果忽略陀螺力的影响，采用模态坐标对转子系统解藕后，可以用单自由度强迫振动响应公式计算不平衡激振力引起的稳态响应。

（图1）

由分析可知转子不平衡的振动特征是：

（1）圆盘的中心轨迹是圆或椭圆。

（2）各圆盘的稳态振动是与转速同频的强迫振动，其幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。故转子不平衡故障的显著特征是一倍频振动幅值大。

（3）表示各个圆盘中心位移的复数向量相角不同，因此轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕oz 轴转动，见图 2。

（图2）

（4）由于轴承在不同方向上的刚度不相等，油膜阻尼的非线性和转子的非线性等因素的影响，轴承在不同方向上的振动大小并不一样。水平方向刚度较小，振动幅值较大，使整个频谱呈图 3 所示形状。

（图3）

失衡的转子在旋转过程中引起振动，这振动可以用传感器检测。传感器可以是安装在机座上测量转轴相对机座的振动，也可以是测量机座的绝对振动。通常，在转子上做一个记号，用光电传感器检测它作为计算不平衡角度位置的基准。由于轴承噪声和周围环境的振动影响，测振传感器测得的信号含有大量的噪声。但是，从以上的分析可以肯定：只有和转子同频的部分才是转子失衡所引起的。利用光电传感器和振动传感器的信号，经过波形变换可以得到与转速同频的方波或正弦波信号，并据此判定失衡质量的大小和位置，然后予以矫正。

2.2. 转子其它原因引起的不平衡

2.2.1. 转子初始弯曲

转子初始弯曲与质量初始不平衡的区别在于：转子初始弯曲是指各横截面的几何中心连线与旋转轴线不重合，质量初始不平衡是指各横截面的质心连线与几何中心线不重合，但二者都会使转子产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。

初弯转子与质量初始不平衡转子具有相似的振动特征，所不同的是初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于初弯值。

2.2.2. 转子热态不平衡

以汽轮机转子为例，在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡，热弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上滞后于负荷的变化，随机组的稳定运行，整机温度逐渐均匀，振动逐渐减小。

2.2.3. 部件脱落部件脱落的主要振动特征是振动突然发生变化后趋于稳定，振动幅值有明显的增大。

2.2.4. 转子部件结垢和腐蚀

由于结垢和腐蚀不是一朝一夕的事，所以振动随时间推移而逐渐增大，且由于通流条件的变化使轴向力改变，轴向位移增大，效率降低。

2.2.5. 联轴器不平衡

由于制造、安装的偏差或动平衡时没有考虑联轴器的影响，使联轴器产生不平衡，振动特征通常是联轴器两端轴承的振动较大，相位基本相同。

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