以转子为例探究旋转机械振动中的问题及其解决措施

以转子为例探究旋转机械振动常见问题及其解决措施Taking Rotor As an Example, Probe into Common Problems of Vibration of Rotating Machinery and Solutions能动1412陈姝宏 1141171202摘要在电厂中最为常见的重要部件就是旋转机械，本文针对电厂中常见的几种旋转机械易出现的振动相关问题及原理进行介绍，并简述典型振动故障及其点检方法。关键词：转子 转子不平衡 转子不对中 转子弯曲 点检 故障处理Keyword：Rotor,Rotor Imbalance, Misalignment of Rotor,Rotor Bending，Hand over Item by Item, Troubleshooting引言在电厂中，汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机、电动机等都是常见的旋转机械部件，一直以来，旋转机械故障的原因多为振动导致，轻则损伤设备，且噪音污染环境；重则拉坏设备，危及人身安全和生产。因而，减轻和消除旋转机械振动故障一直是人们了解、摸索和研究的重要课题之一。作者认为要解决故障首先应了解旋转机械的类型，旋转机械振动主要分为以下三种：一、 旋转机械振动分类1. 强迫振动强迫振动又称同步振动，是由外界持续周期性激振力作用而引起的振动。强迫振动从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消耗的能量，使系统始终保持持续的等幅振动。该振动反过来并不影响扰动力。产生强迫振动的主要原因有转子质量的不平衡、联轴器不对中、转子的静摩擦、机械部件松动、转子部件或轴承破损等。强迫振动的特征频率总是等于扰动力的频率，例如，由于转子质量不平衡引起的强迫振动，其振动频率恒等于转速频率。2. 自激振动机器运行过程中由机械内部运动本身产生的交变力引起的振动叫自激振动，一旦振动停止，交变力也自然消失；自激振动频率即机械的固有频率（或临界频率），与外来激励的频率无关。旋转机械中常见的自激振动有油膜涡动和油膜振荡。它主要由转子内阻、动静部件的干摩擦等引起。与强迫振动相比，自激振动出现比较突然，振动的强度比较严重，短时间内就会对机器造成严重破坏。3. 非定常强迫振动非定常强迫振动是由外来扰动力引起的一种强迫振动。其特点是与扰动力具有相同的频率；振动本身反过来会影响扰动力的大小与相位；振动的幅值和相位都是变化的。比如转子轴上某一位置出现不均匀的热变形，就相当于给转子增加了不平衡质量，它将会使振动的幅值和相位都发生变化。反过来，振动幅值和相位的变化又影响不均匀热变形的大小与部位，从而使强迫振动连续不断地发生变化。旋转机械的主要部件是转子，本文将以转子为例探究旋转机械振动中的问题及其解决措施。转子的力学模型一般可简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。转子转速增大到某一数值后振动大得使机组无法正常工作，此即临界转速，影响临界转速的因素有许多，如回转力矩、臂长附加力矩、弹性支承、组合转子等等。二、 转子不平衡1. 分类转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有近70%的故障与转子不平衡有关。因而对不平衡故障的研究与诊断也最具有实际意义。造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡几种情况。不平衡按其机理又可分为静不平衡、动不平衡、动静综合不平衡等3类。2. 故障机理设转子的质量为M，偏心质量为m，偏心距为e，如果转子的质心到两轴承联心线的垂直距离不为零，其挠度为a，如图1所示。由于有偏心质量m和偏心距e的存在，转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度w有关，即F=mew2。交变的力（方向和大小均周期性变化）会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。转子转动一周，离心力方向变化一个周期，因此不平振动的频率与转速一致。3. 转子不平衡故障的特征（1） 振动的时域波形近似为正弦波。（图2）（2） 频谱图中，谐波能量集中于基频，并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”。（图3）（3） 当wwn后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当w接近于wn时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。（图4）（4） 当工作转速一定时，相位稳定。（5） 转子的轴心轨迹为椭圆。（6） 从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。图1图2 图3图4表1三、 转子不对中转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度，主要包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。轴承不对中本身不会产生振动，主要影响到油膜性能和阻尼，会由于对不平衡力的反作用，出现工频振动。轴系不对中的原因有安装误差、管道应变影响、温度变化热变形、基础沉降不均等，将导致轴向、径向交变力，引起轴向和径向振动，自动调位系统和可调节联轴器也难以使轴系及轴承绝对对中，将造成联轴器咬死、轴承碰磨、油膜失稳、轴挠曲变形增大等，甚至发生灾难性事故。轴系不对中的三种情况如下图：（图5）图51. 故障特征实际生产中的转子不对中故障多为齿式联轴器不对中，其振动主要特征为：（1） 故障的特征频率为基频率的2倍。（2） 由不对中故障产生的对转子的激励力随转速的升高而增大，因此，高速旋转机械应更加注重对转子的对中要求。（3） 激励力与不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力呈线性增大。（4） 联轴器同一侧相互垂直的两个方向，2倍频的相位差是基频的2倍；联轴器两侧同一方向的相位在平行唯一不对中时为0度，在角位移不对中时为180度，综合位移不对中时为0度180度。（5） 轴系转子在不对中情况下，中间齿套的轴心线相对于联轴器的轴心线产生相对运动，在平行位移不对中时的旋转轮廓为一圆柱体，角位移不对中时为一双锥体，综合位移不对中时是介于二者之间的形状。旋转体的旋转范围由不对中量决定。（6） 轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和附加轴向力，是转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的破坏性。表2：序号特征参量故障特征平行不对中角度不对中综合不对中1时域波形1倍频与2倍频叠加波形1倍频与2倍频叠加波形1倍频与2倍频叠加波形2特征频率2倍频明显较高2倍频明显较高2倍频明显较高3常伴频率1倍频，高次谐波1倍频，高次谐波1倍频，高次谐波4振动稳定性稳定稳定稳定5振动方向轴向为主径向，轴向均较大径向，轴向均较大6相位特征较稳定较稳定较稳定7轴心轨迹双环椭圆双环椭圆双环椭圆8进动方向正进动正进动正进动2. 故障原因及治理措施表3：序号故障原因分类故障原因治理措施1设计原因对工作状态下热膨胀系数计算不准对介质压力，真空度变化对机壳的影响计算不准给出的冷态对中数据不准核对设计给出的冷态对中数据；按要求检查调整轴承对中；检查热态膨胀是否受限；检查保温是否完好；检查调整基础沉降2制造原因材料不均，造成热膨胀不均3安装维修冷态对中数据不符合要求检修失误造成热膨胀受损机壳保温不良，热膨胀不均4操作运行超负荷运行介质温度偏离设计值5状态劣化机组基础或基座沉降不均匀基础滑板锈蚀，热胀受损机壳变形四、 转子弯曲表4：转子弯曲的种类、机理、故障原因及治理措施序号原因分类主要原因永久性弯曲临时性弯曲1故障机理与转子质量偏心类似，会产生旋转矢量激振力2故障特性开启时振动就较大随着开机升速过程振幅增大到某一值后有所减小3设计原因结构不合理结构不合理4制造原因材质不均匀，制造误差大材质不均匀，制造误差大5安装维修1转子长期存放不当，发生永久变形2未按规定检修，有较大负荷1转子有较大预负荷2局部碰磨导致热弯曲6操作运行停车后未及时盘车1升速过快，加载过快2暖机不足7状态劣化转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲转子热稳定性差8治理措施1正确保管转子，定期盘转一定角度2校正转子3按技术要求进行动平衡1重新开机2延长暖机时间3规定升速，加载直轴原理与方法1. 捻打法 俗称冷直，是将主轴凹面向上放置，用铜锤敲击凹处，使主轴金属分子内聚力降低，分子链延长导致整体变形，从而达到主轴校直的目的，此方法适用于低参数较小直径和免受高温的转子2. 热力松弛法 俗称热直，即对弯曲的凸点实施局部加热，当冷却后发生收缩变形产生与原弯曲变形相反的应力，达到直轴的目的，但此方法加热的面积、深度及温度较难控制，且主轴直径超过200mm时效果不明显； 3. 内应力松弛法 是利用金属材料在高温下应力会逐渐降低（应力松弛）这一原理，把主轴最大弯曲部分的整个圆周加热到主轴材质回火温度以下的一定温度，接着在弯曲凸点上加上主轴在该温度屈服极限以下的一定外力。由于是在高温下，主轴会先产生一定的弹性变形，然后部分弹性变形将转变为塑性变形，从而使弯曲的主轴得以校直。2五、 机械故障3如质量低劣的联轴器、轴承、润滑不良以及支座不坚固, 都是产生不同频率和幅值的激振力的起因。（1） 质量低劣的联轴器主要表现在铸造质量差、连接螺孔偏斜、毛刺, 橡皮垫圈很快损坏, 使联轴器由螺孔橡皮垫圈软连接变为金属硬连接,产生振动、磨损。（2） 对于径向轴承的更换,用户一般是简单地拿掉磨损轴承,换上新轴承,这样很容易发生轴承“跑”外圈而产生振动,且高负荷将使轴承迅速损坏,因此,换新轴承时,应对轴承接触是否合适作图色检查, 如果接触面积很小, 则需处理轴承座。（3） 轴向波动是造成旋转机械,包括联轴器、轴承在内的另一振动问题的起因。一般旋转机械的轴向推力必须靠它的止推轴承来约束。但是,如果旋转机械设备的轴向对中不 良,且转子允许与其轴向止点相接触,则可能会产生剧烈的轴向振动,且伴随着轴承温度升高,以至损坏轴承。（4） 支座软弱是描述旋转机械4个支脚不在同一平面上的状态术语。旋转机械用螺栓紧固在这4点时,如果各轴承相互不对中, 必然造成剧烈振动,甚至会损坏整个设备。 因此,防止的方法是,旋转机械安装时应该先用适当力矩对称拧紧几个紧固点，然后每次松开一个紧固点，并用千分表测量该点垂直变形量。如果垂直变形量大于0.05mm，应在此支脚下加垫片，其厚度等于所测得变形量。进行下一个紧固点前，要检查每个点并再次紧固。重复以上过程，直到松开时每个点垂直变形量小于0.05mm为止。（5） 旋转机械底座和地基的问题有可能是振动过大的直接原因。如果不消除这类振动， 地脚螺栓可能拉断，地基可能龟裂，转轴不对中，振动将逐渐加大甚至“飞车。” 因此，旋转机械地脚螺栓必须强度足够，混凝土基础结实无空洞，旋转机械运行中要经常检查地脚螺栓是否松动、断裂，支脚垫铁是否滑出，发现松动、滑出，必须及时停机拧紧复位；旋转机械的附属连接设施支承是否牢靠，如，锅炉引风机出口烟道支承是否脱焊等。六、 旋转机械的点检与故障处理机械点检依靠简单的检测仪器或者技术工人的实践经验，判断旋转机械的工作状态，维护细小故障排除重大故障，维持机械设备正常运转。表5：因此,针对此类典型振动故障应从以下方面入手:(1)在工作转速下,发电机转子因为不平衡而产生较大的同相振动,应首先确定是由于一阶质量不平衡、三阶质量不平衡还是转子外仲端质量不平衡所引起的。根据转子振型分离的具体情况、相应的理论依据和现场经验进行具体的分析并进行针对性处理。(2)对确定是由跨外不平衡引起的振动要进行具体分析,平衡加重是个快捷有效的乎段,但在加重前应考虑到对相邻转子振动的影响。如果条件允许的话, 重新找准连接中心及减小外伸端晃度是有效而彻底的方法。参考文献1参考书目-旋转机械故障诊断实用技术-杨国安-中国石化出版社2汽轮机转子直轴技术方案3常见