中科大机械振动分析与维修课件06振动故障的修正

6振动故障的修正预知维修程序包含三项基本内容：检测、分析和修正。转子的平衡可以在现场进行，也可以用专用机器。不对中也是有害振动的主要原因。对中的修正也需要特殊的技术。介绍作为控制共振的适当工具动力吸震器（dynamicabsorber）的使用方法。6.1概述6.2平衡（balancing）在制造中，失衡的主要原因：

材料的密度不均；钻孔没有精确地同心；在加工圆和对称形状时，产生缺陷；装配误差。在机器的运转中，失衡的原因：

在风机或泵叶轮周围产生不均匀的沉积物；叶片的损坏或失落；转子在运行中由于温差产生热扭曲。6.2.1平衡的概念（balancingconcepts）需要确定重点（heavyspot）的位置和重量。重点是存在径向多余质量分布的射线位置。可以识别高点（highspot）。高点是轴在旋转时产生最大位移的射线位置。重点和高点之间有确定的关系。对于以低于临界转速旋转的转子，重点和高点在同一位置。然而，在前面有关共振的章中，我们已知在越过临界转速之后，重点和高点可以相隔180°。当一个重物附加到完全平衡的转子上：它以1×rpm的频率振动。被测量的相位稳定。振动幅值是失衡严重性的指标。相位是不平衡位置的指标。如果不平衡重物沿顺时针方向移动一定的角度，那么在频闪观测仪下，基准标志将移动相同的度数，但是方向相反。6.2.2试验配重的作用（effectoftrialweight）采集振动的幅值，相位角。不能充分地提供失衡的严重性和位置的信息。为了得到原始不平衡的完整描述，必须用试验配重干扰转子，确定转子对干扰的响应。试验配重是固定在关于基准标志的特殊位置的已知重量的质量块。作为经验法则，应至少导致30%的幅值和相位的变化。用另一组振动和相位的读数得到不平衡的变化量。得到这些信息之后，就可以使用向量法确定重点的大小和位置。6.2.3平衡方法（balancingmethods）单面平衡（singleplanebalancing）——向量法用于临界转速以下，长径比低于0.5。工作转速超过1000rpm，建议避免使用。长径比大于0.5并小于2，极限是100rpm。记录原始振动和相位读数。画一个向量。图6.1O向量

把试验配重固定在转子的任意位置。测振动和相位读数。合成向量是加试验配重的结果。图6.2O+T向量图6.3向量T在数学上，以消除向量O的方式移动向量T。移动趋势是大小相等，方向相反。测得向量O和向量T之间的角度为33.7°。在此，为了使向量T与向量O的方向相反，必须沿顺时针方向移动向量T。由于角度测量、定位和其他因素产生的小误差会导致少量残余不平衡。如果残余不平衡小于规定的极限，平衡就完成了。否则，必须重复以上步骤。双面平衡（twoplanebalancing）——向量法当L/D比大于0.5，采用双面平衡。如果在临界转速以上运行，原则上平衡N+2个平面，N是在工作转速之下的临界转速的数目。例如，工作在一阶临界转速之上的压缩机应采用3面平衡法。双面法最少需要3次试车。该过程简述如下：启动机器，记录每个平面的原始幅值和相位读数；选择试验配重并固定在第一个平面上；记录重量和相位角；重新启动机器，测量和记录每一个平面的幅值和相位。然后，拆除试验配重，把它安装在其他平衡平面。再次启动机器并记录幅值和相位角。

6.2.4影响系数（influencecoefficients）试验配重对转子的效应提供了质量变化引起振动变化的信息。重量常数=如果需要平衡已知重量常数的机器转子，那么乘以由于失衡产生的幅值，求出必须附加给转子的重量。这也称为平衡响应系数（balanceresponsecoefficient）。重量常数的单位是重量每幅值（例如，磅/密尔）。单面平衡过程产生一个平衡响应系数,双面过程有4个系数。相位数据被转换成称为反射角（flashangle）的另一个系数。转子的反射角是重点相对于拾振器的位置。这个角按照轴的旋转方向测量。在已平衡的转子上，重点正好在附加修正重量的位置的相反方向。

图6.4影响系数

6.2.5用双通道分析仪的一步平衡（one-stepbalancingusingdualchannelanalyzers）原理对于刚性转子，有一步平衡技术。要求一台双通道分析仪、一个冲击锤、一个或多个加速度计和一个光电转速计。在一步平衡中，带试验配重的运转被机器结构在传感器位置的受控载荷取代，即被冲击锤对机器的捶击取代。分析仪可以在使用跨通道分析功能的同时测量和比较输入载荷（力）和输出响应（振动）。在包括机器的同步成分的频率范围内，力和振动之间具有幅值和相位的关系。6.2.6使用平衡机与现场平衡的对比（useofbalancingmachinesversusfieldbalancing）用平衡机平衡转子在生产过程中进行，在制造之后和最终装配在轴承座中之前。补偿制造误差。修理后的转子也可以用平衡机平衡。现场平衡时，不需从轴承座中拆下转子。拆除会引起长时间的停机。因为使用自己的轴承和传动系统，在工作转速下进行，所以导致振级很小。也可以调整某些现场因素，例如空气动力学、不对中和结构的影响。缺点是必须把平衡设备运到现场，是不方便的。还伴随危险，例如松动的平衡重量从高速转子中甩出。6.2.7平衡机（balancingmachines）静平衡试验台不需要主轴，只能修正静失衡或单面失衡。对于砂轮足够灵敏。成本低和使用安全。硬支撑平衡机具有刚性的工件支架，较低的灵敏度和较复杂的电子装置和组件。要求厚重的、刚性的基础，在上面永久地固定并且标定。相邻的本底振动可能影响测量结果。主要用于要求短暂周期的生产活动。图6.5硬支撑平衡机（IRD平衡机）

立式平衡机用于高可靠性、高精确度要求，或者轴颈之外的转子，例如离合器、飞轮和风机。软支撑平衡机具有柔性的工件支架，较高的灵敏度和简单的电子装置和组件。可以放在任何地方，并且在移动时不干扰它们的标定设置。柔性工件支架形成天然的隔振；因此，邻近的车间活动可以继续进行，而平衡仍可以达到精确的水平。带传动软支撑平衡机总是要比硬支撑平衡机取得更精确的平衡结果。每个修理厂都应该有软支撑平衡机和可能的静平衡试验台高速平衡机为了避免严重的湍流功率损失，叶片转子的高速平衡通常在真空室内进行。集成防爆装置的真空室使得中小型透平机转子的高速平衡和高速旋转试验能够在车间里进行。高速平衡机在平衡时伴随损坏，甚至毁坏转子的危险。采用可以吸收转子突然断裂释放的能量的结构。应用安全“压碎带”，在重大断裂事故中容易修复。平衡机可以广泛地平衡上至8吨，最大直径1.7m和最高转速60000rpm的转子。6.2.8平衡极限（balancinglimits）ISO1940是广泛执行的平衡标准。定义平衡质量等级（G）为：G=e

ω式中

e=偏心，mm；ω=角速度，弧度/s。9个平衡等级——G0.4，G1，G2.5，G6.3，G16，G40，G100，G250和G630。G0.4最严格，应用于陀螺仪的转子、精密磨床的主轴和电枢等。最宽松的是G630，用于大型和刚性安装的柴油发动机曲轴。一般常用G2.5和G6.3。前者用于透平机转子，后者应用于风机、泵、电动机和通用机器。美国石油协会（API）用比ISO标准严格的方式规定平衡等级一些行业要求使用API标准。设平衡400kg，10000rpm的转子。失衡为10g，50mm。考虑半个平面，所以重量减半为200kg。偏心：角速度：ISO1940规定G2.5用于透平机，符合标准。API指的平衡质量与转子的残余不平衡量有关。式中

W=转子重量，kg；N=转速，rpm。规定每平面允许的最大残余不平衡量g-mmg-mmAPI偏心：

API几乎比ISO严格4倍！

6.3对中6.3.1不对中的后果（consequencesofmisalignment）在联轴器的内部产生摩擦和弯曲力。引起滚动轴承上的异常应力，联轴器的磨损和升温。由于高于设计的循环应力引起疲劳，轴也会发生故障。在轴承上的循环应力引起轴向和径向振动。除过载之外，它们引起的振动传播到设备的其他零件。装备特殊密封件的泵和透平机对于过度振动引起的故障特别敏感。对中精确度取决于机器的类型、转速和要求的可靠性，确定了对中机器所需要的工作量。6.3.2影响对中过程的因素（factorthatinfluencealignmentprocedure）偏心（脱出）的影响（influenceofeccentricity（runout））对中通过基准点实施。机械加工缺陷使轴端成凸轮形或者偏心。把测头指轴端B的千分表固定在轴端A。当带着千分表座的轴端A旋转时，千分表指针的读数就指示轴端B的偏心。纠正方法是把两端结合在一起，然后使两端一起旋转，从而得到轴端的不对中。这个过程避免了轴端或连轴器毂的脱出和偏心的误差。机器机座（软脚）的影响（influenceofbaseplateofmachines（softfoot））如果支撑脚不在一个平面上，轴线位置取决于紧固压紧螺栓的次序。接触情况可用薄垫片或塞尺检查。在新安装，或者基座修改或校正之后，要保证机器脚在同一平面。要连接的机器，支撑平面必须尽可能地平行。允许的公差值一般是0.1mm。在某些重型机器中，即使支撑脚不在同一平面内，也可能无法检测脚下的间隙。对于软脚的简单试验是安装有一些剩余偏心的千分表。这时，在一个前脚下面放置垫片，然后记录读数。然后，拿出垫片并且把它放在另一个前脚下面。读数应该是相同的。同样的步骤必须在后脚重复地进行。另一种方法是把千分表测头放在垂直方向。然后用螺栓把机器紧固在基础上。每次一个地放松每一个螺栓，用千分表记录差值。任何总是比其他高的读数就是该处软脚的指示器。在脚下放置厚度适当的垫片（大于间隙的）可以使软脚固定。机器轴向位置的影响（influenceofaxialpositionofmachines）轴端的位置指轴端之间的距离（distancebetweenshaftends）（DBSE）。大多数联轴器对允许很大的公差。对于柔性盘联轴器，轴向位置误差使柔性盘承受应力和减少寿命。也可能产生轴向推力。如果X是对联轴器推荐的DBSE，当输送产品温度范围为100～200℃，采用X+0.5mm。在200～250℃时，应为X+1mm。电动机轴的浮动中心应该是零轴向偏差的位置。转子的浮动极点和浮动中心都应标记。支架的影响（influenceofbracket）特别是隔板联轴器，应该做垂度检查。当对中支架夹在一个联轴器毂上并伸到另一个毂时，下垂倾向可以改变千分表的读数，导致曲解和误差。对于长度超过25～30cm的支架，必须提供附加刚度来减小垂度。在垂直的机器上，不需要检查。支架垂度检查方法。把支架安装在刚性管子上，在最高位置把零点调到中间，然后从最高到最低滚动管子。记下最低位置的读数。总垂度是支架垂度的2倍。为了限制用于检查垂度的管子本身下垂，应按表取跨度。6.3.3对中技术（alignmenttechniques）适当方法的选择以机器的类型、转速、机器的重要性、维修策略和对中的公差为基础。

如果在其结构中没有易损坏的零件，仅仅使用直尺就可以平衡转速低于1500rpm，以及较低功率的机器。对于转速为3000rpm及其以上，功率在20kW～1MW的中等范围，并且安装了例如机械密封、膨胀波纹管等易损零件的机器，应对中到0.1mm以内。有必要使用例如千分表和残余误差很小的方法。使用千分表对中的规则（alignmentconventionsusingadialindicator）测头向里压，顺时针，指示正读数。测头差不多压到其中间位置。可以转动表盘，使零刻度与表针匹配。建议从始点轻推测头，以保证它没有卡住并且得到可重复的读数。在背向驱动机，面向从动机的情况下。相应地记录左和右读数。对中用的杆件（shaftsetupforalignment）杆连接必须简单并且刚性好。避免磁性夹具，因为这种固定方式不可靠。选择支架的指导原则是刚性好，垂度小。图6.11对中用的杆件图6.12对中支架

不对中的类型（typesofmisalignment）不对中由于倾斜和偏移引起，二者结合。倾斜取决于千分表描述的直径。角不对中：真实的偏移为千分表读数减半。图6.14径向不对中（同轴度）

图6.13倾斜(对应)

双表对中法（twodialmethodofalignment）1.

放松联轴器螺栓，测量倾斜时不产生约束。2.

在垂直和水平平面测量径向偏移。千分表放在上（12点）的位置，把零刻度转到与指针一致。两根轴都手动一整转，在4个位置记录读数。图6.16千分表设在上的位置图6.17密尔单位的读数3.重新调整夹具和千分表测头，在两个平面测量倾斜。千分表再次旋转一整转，每四分之一记录读数。4.把径向和端面读数转换成适当的垫片厚度，通过填加和撤出垫片调整对中。图6.18千分表设在上的位置图6.19“F”表示端面读数对中实例泵固定（FM），电动机填垫片（MTBS）。千分表测头到电动机前脚（FF）的距离记为“A”。后脚（RF）的距离记为“B”。需要垂直平面，水平平面的计算。图6.20垫片的计算

垂直平面的计算（calculationsforverticalplane）1．偏移的修正设上和下位置的偏移读数分别是0和－5密尔。如果测头在电动机（MTBS）上，负号说明电动机轴比泵轴高。

密尔应从前脚和后脚撤出2.5密尔的垫片。

2．倾斜的修正

设上和下点的读数分别是0和－2密尔。如果测头接触电动机连轴器毂的后面，负号说明联轴器下点的间隙比上点的窄。千分表画了一个5英寸的圆。=0.4千分之一弧度x=8×0.4=3.2密尔y=18×0.4=7.2密尔（均加垫片）

图6.21

X和Y值的计算d1=5英寸p1=0－(－0.002)=0.002英寸垂直对中计算的结果在A点：偏移计算——撤出2.5密尔的垫片。倾斜计算——填加3.5密尔的垫片。于是，在电动机的前脚下面插入0.7密尔的垫片。在B点：偏移计算——撤出2.5密尔的垫片。倾斜计算——填加7.2密尔的垫片。于是，在电动机的后脚下面插入4.7密尔的垫片。

水平平面的计算（calculationsforhorizontalplane）从电动机的后面看，左边是初始读数，右边是最终读数。偏移计算：左读数：＋1密尔；右读数：－6密尔。因为千分表测头在电动机轴上，负的右读数表示电动机轴线在泵轴线的左边。偏移=

密尔把电动机的轴线向右移3.5密尔。角计算：当千分表测头接触电动机连轴器毂的后面，

p1=4－(－6)=10英寸

d1=5英寸于是，

=2千分之一弧度因此：x=2×8=16密尔；y=2×18=36密尔。——左移。

图6.22角计算在A点：偏移计算——右移3.5密尔。倾斜计算——左移16密尔。于是，左移12.5密尔。在B点：偏移计算——右移3.5密尔。倾斜计算——左移36密尔。于是，左移32.5密尔。水平对中计算的结果这种方法的局限需要计算，这在现场可能有困难。缺少经验的技术人员可能感到困惑。计算、支架垂度和千分表读数误差。如果有相当大的轴向浮动，角读数可能是错误的。轴的垂直垫片修正应先于水平修正。一旦调整好垂直垫片，就应紧固螺栓，然后迅速进行垂直平面读数的试验，确认精度。如果精度符合要求，就可以放松螺栓，用定位螺栓（如果被提供）做水平对中。三表对中法（threedialmethodofalignment）双表法中，端面读数时，如果有轴向移动，就会得到错误的读数。三个千分表。Fm——测量倾斜的千分表；Fr——作为倾斜测量基准（测头相隔180°）。把千分表设置为零，然后把轴转过180°。倾斜引起的端面读数：图6.23三表对中装置颠倒千分表对中法（reversedialmethodofalignment）一般用于双联联轴器。优点精度不受轴的轴向运动影响。当两根轴一起旋转时，联轴器毂上的脱出不影响测量结果。几何精度优于双表法。测量对中时，联轴器不必打开。垂度和温升的修正可以结合在一起。图6.24颠倒千分表法图6.25使用颠倒千分表法的装置图6.26千分表随夹具旋转180°图6.27千分表A上包含垂度的读数千分表A的读数是：上：0；下：+20。垂度修正之后的读数应为：上：0；下：+14。水平读数不受垂度的影响。千分表B的垂度检查读数：上：+18；下：－6。对上、下读数加6密尔：上：+24；下：0。因为显示的千分表读数是不对中值的2倍，因此：千分表A径向偏移7密尔。千分表B径向偏移12密尔。图6.28千分表B上包含垂度的读数图6.30角不对中的值图6.31显示直线延伸到OB的图注意——热膨胀的补偿被连接机器的热膨胀不同，轴产生与其“冷”的静止位置的相对位移。导致对中状态的恶化，除非采取适当的补偿量。如果厂家没有提供热膨胀的说明，可以使用以下指南。线膨胀长度增量的公式为：

式中

L=基础到中心线的高度；

α=材料的热膨胀系数；

dT=环境温度发生的变化值。也可以用近似法则快速地确定热膨胀的大小。该法则规定：

l对于100℃的温升，1m长度膨胀1mm；。l增加总量的20%。激光对中（laseralignment）千分表对中可达到相当高的精度，但是要求技能、训练和经验。容易产生误差并且要花费大量的时间。使用激光对中逐渐成为绝大多数机器的首选方法。一些激光系统产生很好的垫片修正数据只需要轴旋转不到四分之一转。这些系统有嵌入的对中公差，因此不需要专家来判断残留的不对中量。激光束可以长距离穿越，因此可以比较容易地对这样远离的机器进行很精确的对中。6.3.4对中公差（alignmenttolerance）机器不得不剩下一定的残余不对中。CSIUltraSpec—EasyAlignManual提供了安全的残余不对中值。这些值以机器的工作转速为基础。图6.36对中公差

6.4用动力吸震器的共振