1、6.1 6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 旋转机械的转子不平衡是指：转子受材料质量、加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和旋转中心线之间存在一定量的偏心距偏心距，使得转子，使得转子在工作时形成在工作时形成周期性的离心力干扰周期性的离心力干扰，在轴承上产生，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。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把旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题，由此引
2、起的机器振动或运行时产生的其他问题称为称为6.1 6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 两轴承间距两轴承间距l，转子质量，转子质量m，质心，质心M距旋转中心距旋转中心O的的距离为距离为e（偏心距），旋转角速度（偏心距），旋转角速度w。O O6.1 6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 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。)(900602222NGennegGmewF6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断：m=10kg，偏
3、心距e=0.2mm，当转速n=6000 r/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。NnmeF78960600021021060224NFRRBA39526.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断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：1.4 ncri n0.7 ncr(i+1)(i为临界转速的阶数)。6.1 转子不平衡故障诊断
4、转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断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+)w2与弹性恢复力k 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，轴的挠度理论上为无限大，这个角速度w就称为轴的。22221nnwwewwwmkewmkwn6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断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
5、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成角。6.1 转子不平衡故障诊断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转子不平衡故障诊断代入，求解得：式中阻尼比。222221nnnwwwwewwAnmwc2mkwn转子的静挠度为：从而可将振幅A写成无量纲形式：
6、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不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断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转子不平衡故障诊断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
7、测点处就有一次振动响应，因此它的动，在测点处就有一次振动响应，因此它的，即，即或或f振动频率，振动频率，s-1w角频率，角频率，rad/sN转速，转速，r/min60nf nf302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。6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断。图中还出现了一些幅值较小的2f、3f、4f 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转子不平衡故障诊断为便于鉴别故障原因，把转子发生的不平衡故障分成2类：6.1 6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断固有质量不
8、平衡将在转子上产生，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。：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转子不平衡故障诊断【例例】气压机的不平衡振动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。机、齿轮箱、电动机几部分串联而成
9、。6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 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。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。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转子不平衡故障诊断：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，
10、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转子不平衡故障诊断 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：振幅和工频振幅降低明显，其原因如下：1 1
11、、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm302mm，气，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。不平衡量对于引发转子振动十分敏感。2 2、转子工作转速接近第二阶临界转速，微量的不平衡将、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。当转速下降至在工作转速下引起明显的转子振动。当转速下降至10000r10000r/min/min以下，转子脱离了二届临界转速，振幅的下降程度就以下，转子脱离了二届临界转速，振幅的下降程度就十
12、分明显。十分明显。3 3、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独、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。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转子不平衡故障诊断6.1.4.2 转子运行中的不平衡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：转子在运行过程中的不平衡，可分两类情况：为转子弯曲为转子弯曲 原始平衡状态破坏原始平衡状态破坏（1 1）转子弯曲）转子弯曲 永久性弯曲永久性弯曲 临时性弯曲
13、临时性弯曲6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 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。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转子不平衡故障诊断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
14、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。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
15、 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 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。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转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 一台悬臂式单级离心泵，运转几个月后发生了叶轮松动。在泵侧的两个轴承上检测振动信号，近频谱分析，显示有很多旋转频率的谐波成分，这些很强的谐波预示着泵的转子零件存在松动问题。另外，从图中还可以看出，频谱的噪声底线很高，谱线连续
16、，表明松动零件对周施加了一种不稳定的随机性冲击。6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断【实例实例2 2】某某5252万吨年尿素装置万吨年尿素装置CO2CO2压缩机组低压缸转子，压缩机组低压缸转子，大修后开车振动值正常，但在线监测系统发现其振动值有逐大修后开车振动值正常，但在线监测系统发现其振动值有逐步增大的趋势。其时域波形为正弦波，分析其频谱，以步增大的趋势。其时域波形为正弦波，分析其频谱，以1 1频频为主，分析其矢量域图，相位有一个缓慢的变化。为主，分析其矢量域图，相位有一个缓慢的变化。6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 诊断意见：
17、诊断意见：经过两个月的连续观测，根据其振动特征，对照本节所述对几类不平衡故障的甄别方法，判定其故障原因为渐变不平衡，是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成的。处理措施：处理措施：渐变不平衡短期内不会迅速恶化，同时正常生产一旦中断将会导致巨大的经济损失，因此决定利用在线监测系统监护其运行，待大修时再做处理。生产验证：生产验证：6个月后工厂年度大修，更换转子后在机修车间检查，转子并不弯曲；目测检查，无结垢和腐蚀现象，一时对故障诊断结论提出了怀疑。但送专业厂拆卸检查后发现，一轴套内侧（不拆卸转子时看不到部分）发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大。6.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 2007年10月23日临晨6时25分，3机组V2测点振动幅值突然由3.95m/s上升到11.7m/s,振动超标。A11瓦A1A8加速度传感器 V1V5速度传感器测点布置图测点布置图鼓风机汽轮机鼓风机V4A5 A6A3A4V5V3V2V1A2A7A86.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断频谱图轴心轨迹振动趋势图
