【文章內(nèi)容簡介】 的振動，其特征為：機(jī)組振幅隨機(jī)組負(fù)荷變化較明顯 (4)因機(jī)組軸線曲折、緊固零部件松動、機(jī)組對中心不準(zhǔn)、推力軸承調(diào)整不良所引起的機(jī)組振哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 動，其特征為：機(jī)組在空載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，機(jī)組便有明顯振動。 轉(zhuǎn)子振動 的基本特征 轉(zhuǎn)子正常工作，即轉(zhuǎn)子在無故障狀態(tài)，具體說是轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)、對中情況良好、轉(zhuǎn)軸截面的徑向剛度相等、轉(zhuǎn)軸與機(jī)殼之間無摩擦等條件下 的狀態(tài)，在此情況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)動不受干擾。頻率成分以一倍頻為主，混有少量噪聲成分。理想軸心軌跡為圓形，但由于實際上不平衡總是存在的，軸心軌跡往往是橢圓形。正常情況下的軸心軌跡與不平衡的軸心軌跡在形狀上相同，但正常情況下的振幅比不平衡時要小的多。 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要部件是轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)形式雖然多種多樣，但對一些簡單的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，為分析和計算方便，一般都將轉(zhuǎn)子的力學(xué)模型簡化為一圓盤裝在一無質(zhì)量的彈性轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端由剛性的軸承及軸承座支承。該模型稱為剛性支承的轉(zhuǎn)子，對它進(jìn)行分析計算所得到的概念和結(jié)論用于簡單的旋轉(zhuǎn)機(jī)械是 適用的。由于做了上述種種簡化，若把得到的分析結(jié)果用于較為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)械時不夠精確，但基本上能夠說明轉(zhuǎn)子振動的基本特性。 圖 21 單圓盤轉(zhuǎn)子 大多數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子軸心線是水平的，轉(zhuǎn)子的兩個支承點在同一水平線上。設(shè)轉(zhuǎn)子上的圓盤位于轉(zhuǎn)子兩支點的中央，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，由于圓盤的重量使轉(zhuǎn)子軸彎曲變形產(chǎn)生靜撓度，即靜變形。此時，由于靜變形較小，對轉(zhuǎn)子運(yùn)行的影響不顯著，可以忽略不計，即認(rèn)為圓盤的幾何中心 O’與軸線 AB上 O點重合 ,如圖 21所示。 轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動后，由于離心力的作用，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動撓度。此時轉(zhuǎn)子有兩種運(yùn) 動：一種是轉(zhuǎn)子的自身旋轉(zhuǎn)，即圓盤繞其軸線 AO’B的轉(zhuǎn)動；另一種是弓形轉(zhuǎn)動，即彎曲的軸心線 AO’B與軸承聯(lián)線 AOB組成的平面繞 AB軸線的轉(zhuǎn)動。 這時，圓盤的中心 O’在相互垂直的兩個方向上，以某一頻率做簡諧振動。一般情況下，兩個方向的振幅不相等，因此圓心 O’的軌跡為橢圓，O’的這種運(yùn)動是一種渦動或進(jìn)動 。 轉(zhuǎn)子的渦動方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角速度同向時，稱為正進(jìn)動；反向時，稱為反進(jìn)動。由于有轉(zhuǎn)子正進(jìn)動和反進(jìn)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 動的存在使得的軸心軌跡具有較復(fù)雜的形狀。一般情況下，當(dāng)非同步渦動的角速度與轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系為整數(shù)比時，軸心軌跡仍將是一 條封閉的曲線，否則軸心軌跡不是封閉的。 常見故障原因及軸心軌跡的特征 轉(zhuǎn)子不平衡 引起振動的原因是多方面的 ,但轉(zhuǎn)子的不平衡是引起機(jī)器振動的主要原因之一。 轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約有一半以上的故障與轉(zhuǎn)予不平衡有關(guān)。因此，對不平衡故障的研究與診斷也最有實際意義。 造成轉(zhuǎn)子不平衡的具體原因很多，主要有：結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運(yùn)行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、結(jié)垢、零部件的松動和脫落等。按發(fā)生 不平衡的過程可分為原始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡等幾種情況。按其機(jī)理又可分為靜失衡、力偶失衡、準(zhǔn)靜失衡、動失衡等四類。 轉(zhuǎn)子的不平衡故障包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子初始彎曲、轉(zhuǎn)予熱態(tài)不平衡、轉(zhuǎn)子部件脫落、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢、連軸器不平衡等，不同原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡故障規(guī)律接近，但也有各自的特點。 轉(zhuǎn)子的不平衡故障會產(chǎn)生許多不良后果，首先會引起轉(zhuǎn)子的彎曲和內(nèi)應(yīng)力進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子疲勞甚至斷裂。其次會引起機(jī)器的振動與噪聲，加速機(jī)械零件的磨損。由質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子不平衡的振動特征有 (1) 軸心軌跡為橢圓，如圖 22所 示 圖 22 轉(zhuǎn)子不平衡軸心軌跡 (2) 振動的時域波形近似為正弦波 ； (3) 頻譜圖中，能量主要集中在基頻并有較小的高次諧波； (4) 其進(jìn)動特征為正進(jìn)動。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 轉(zhuǎn)子不對中 大型機(jī)組通常由多個轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間用連軸器聯(lián)接構(gòu)成軸系，傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。由于機(jī)器的安裝誤差、工作狀態(tài)下熱膨脹、承載后的變形以及機(jī)器基礎(chǔ)的不均勻沉降等，有可能會造成機(jī)器工作時各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生不對中。 具有不對中的故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運(yùn)行過程中將產(chǎn)生一系列有害于設(shè)備的動態(tài)效應(yīng)，如引起機(jī)器連軸器偏轉(zhuǎn)、軸承早期損壞、油膜失穩(wěn)、軸彎曲變形等，導(dǎo)致機(jī)器發(fā)生異常振動，危害極大。 轉(zhuǎn)子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。軸徑在軸承中偏斜稱為軸承不對中。機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。軸系不對中又分為平行不對中、角度不對中和綜合不對中三種情況。不對中的作用就像轉(zhuǎn)子上有一個不定向的預(yù)載荷，容易引起軸向振動。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在不對中故障時，具有以下特征： (1) 轉(zhuǎn)子徑向振動出現(xiàn)二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，隨著不對中的情況加重，二倍頻所占的比例增加； (2) 典型的軸心軌跡為香蕉形，正進(jìn)動。二倍頻增加的過 程中相應(yīng)的軸心軌跡 從香蕉型變?yōu)?“ 8” 字形，如圖 23所示； 圖 23 不對中故障軸心軌跡 (3) 連軸器不對中時軸向振動較大，振動頻率為一倍頻，振動幅值和相位穩(wěn)定 ， 軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定 ； (4) 振動對負(fù)荷變化敏感。 轉(zhuǎn)子彎曲 轉(zhuǎn)子彎曲與不平衡相似，但是兩者是有區(qū)別的，質(zhì)量不平衡是指各橫截面的質(zhì)心連線與幾何中心連線存在偏差。 而轉(zhuǎn)子彎曲是指各橫截面哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。 轉(zhuǎn)子彎曲故障的軸心軌跡一 般為香蕉型與不對中故障相似但是其軸心軌跡不會因為二倍頻分量的增加而變?yōu)椤?8”字形，軸心軌跡如圖 24所示 圖 24 轉(zhuǎn)子彎曲軸心軌跡 轉(zhuǎn)子彎曲有永久性彎曲和臨時性彎曲兩種情況。 轉(zhuǎn)子永久性彎曲和轉(zhuǎn)予臨時性彎曲與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心基本相同。其不同之處是，具有轉(zhuǎn)子永久性彎曲故障的機(jī)器，開機(jī)啟動時振動就較大：而轉(zhuǎn)子臨時性彎曲的機(jī)器，則是隨著開機(jī)升速過程振幅增大到某一值后有所減小。 轉(zhuǎn)子碰磨 隨著機(jī)組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙的不斷減小，以及運(yùn)行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等的影響，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子碰摩故障。在 國產(chǎn) 20萬千瓦氣輪發(fā)電機(jī)組中，已有多臺因動靜碰摩而造成轉(zhuǎn)子彎曲的嚴(yán)重事故。根據(jù)摩擦部位的不同，碰摩分為兩種情況，轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的摩擦，成為徑向碰摩；轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的摩擦，成為軸向碰摩。從不同的角度，摩擦還可以分為局部摩擦和全周摩擦；早期、中期和晚期碰摩等。 碰摩是一個復(fù)雜的過程，從機(jī)理上分析，碰摩振動對轉(zhuǎn)子有以下幾方面的影響： (1) 直接影響轉(zhuǎn)子的運(yùn)動可以分為自轉(zhuǎn)和進(jìn)動兩種形式。摩擦對自轉(zhuǎn)的影響在于附加了一個力矩，因此，在轉(zhuǎn)子原有力矩不變的條件下有可能使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動。至于進(jìn) 動，由于摩擦力的干預(yù)可能使正進(jìn)動轉(zhuǎn)化為反進(jìn)動，特別是全周摩擦，常常產(chǎn)生所謂的“干摩擦”現(xiàn)象，從而引起自激振動，影響轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)行，甚至損壞機(jī)組。 (2) 間接影響摩擦的作用使動靜部件相互抵觸，相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)子的支撐條件，增大了系統(tǒng)的剛度，改變了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速及振型，且這種哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 附加的支承是不穩(wěn)定的，所以可能引起不穩(wěn)定的振動和非線性振動。 (3) 沖擊影響局部碰摩除了摩擦作用外還會產(chǎn)生沖擊作用，其直觀效應(yīng)是給轉(zhuǎn)子施加了一個瞬態(tài)的激振力，激發(fā)轉(zhuǎn)子以固有頻率作自由振動。雖然自由振動是衰減的，但由于碰摩在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都 產(chǎn)生沖擊激勵作用，在一定的條件下有可能使轉(zhuǎn)子振動成為疊加自由振動的復(fù)雜振動。 (4) 熱變形摩擦引起的熱變形可能引起轉(zhuǎn)子彎曲，加大偏心量，使振動加大。轉(zhuǎn)子碰摩的定量分析比較困難。一般來說，轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生碰摩時，轉(zhuǎn)子受到靜止件的附加力作用，它是非線性和時變的，因此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非線性振動，在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富，不僅有工頻，還有高次和低次的諧波分量，當(dāng)摩擦加劇時，這些諧波分量的增長很快。 轉(zhuǎn)子碰磨的故障特征有： (1) 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)前頻譜豐富，波形畸變；軸心軌跡不規(guī)則變化，正進(jìn)動； (2) 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)后波形嚴(yán)重 畸變或削波，軸心軌跡發(fā)散，反進(jìn)動； (3) 輕微摩擦?xí)r同頻幅值波動，軸心軌跡帶有小圓環(huán)，如圖 25(a)所示。 (4) 碰摩嚴(yán)重時，各頻率成分幅值迅速增大，軸心軌跡附加的小環(huán)也增加，如圖 25(b)所示。 (5) 系統(tǒng)的剛度增加，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)展寬，各階振動的相位發(fā)生變化。 (6) 工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨著時間緩慢變化 t相位逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。 (a) (b) 圖 25 轉(zhuǎn)子碰磨軸心軌跡 油膜震蕩 油膜軸 承因其承載性好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長等優(yōu)點 ， 在各種機(jī)械、各個行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。采用流體膜潤滑軸承的目的主要是減少摩擦與磨損，但軸承油膜對轉(zhuǎn)子振動特性有很大影響。油膜振蕩是軸頸帶動潤滑油高速流動時，高速油流反過來激勵軸頸，使其發(fā)生強(qiáng)烈振動的一種白激振蕩現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子軸徑在油膜中的劇烈振動將會直哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 接導(dǎo)致機(jī)器零部件的損 壞。 轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速在失穩(wěn)轉(zhuǎn)速以前的轉(zhuǎn)動是平穩(wěn)的，當(dāng)達(dá)到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速后即發(fā)生半速渦動，隨之轉(zhuǎn)速的提高，渦動角速度也隨之增加，但總保持著約等于轉(zhuǎn)動速度一半的比例關(guān)系，半速渦動一般并不劇烈，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升到比 一階臨界轉(zhuǎn)速的 2倍稍高以后，由于此時的半速渦動的渦動速度與轉(zhuǎn)軸的第一階臨晃轉(zhuǎn)速相重合即產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的振動現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。油膜振蕩發(fā)生以后，就將始終保持約等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的渦動頻率，而不在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而升高。 油膜震蕩的故障特征有： (1) 油膜振蕩總是發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的 2倍以上。 (2) 油膜振蕩的頻率接近于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速在升高，其頻率特征不變。 (3) 油膜渦動時，軸心軌跡呈內(nèi) 8字型，如圖 26所示；油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，軸心軌跡呈花 瓣形，正進(jìn)動，如圖27所示。 (4) 油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子的撓曲呈一階振型。 (5) 油膜振蕩的發(fā)生和失真具有突然性，并具有慣性效應(yīng)，即升速時產(chǎn)生振蕩的轉(zhuǎn)速比降速時振蕩消失的轉(zhuǎn)速要大。 (6) 油膜振蕩劇烈時，隨著油膜振蕩的破壞，振蕩停止，油膜恢復(fù)后，振蕩再次發(fā)生，這樣持續(xù)下去，軸承與軸頸不斷碰摩，產(chǎn)生撞擊聲，軸瓦內(nèi)油膜壓力有較大的波動。 圖 26 油膜渦動軸心軌跡 圖 27 油膜震蕩軸心軌跡 軸心軌跡測試方法及信號分析 軸心軌跡是軸心上一點相對于軸承座的運(yùn)動軌跡。這一軌跡是在與軸線垂直的 平面內(nèi)。因此要求在該平面內(nèi)的兩個垂直方向安裝電渦流位移傳感器對轉(zhuǎn)軸振動進(jìn)行測量。 整個測量裝置如圖 28所示， 這樣可以同時檢測軸心在 x和 y方向上的振動，將振動輸入到電子示波器中，就可以觀察到經(jīng)濾波后的軸心軌跡圖形。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 28 軸心軌跡測試圖 一般來說，在由不平衡引起的軸的運(yùn)動中，當(dāng)軸的各方向的彎曲剛度相同時，軸的運(yùn)動為同步正進(jìn)動。軸心軌跡為一圓，反映在 X和 Y方向上是只有基頻成分的簡諧振動，而且他們的幅值相等，相位相差 900。但在許多的實際情況下，軸的 各向彎曲剛度及支撐剛度存在差異，由不平衡引起的軸心相應(yīng)不在是一個圓，而是一個橢圓，這對反映在 X和 Y方向上的振動不僅振幅不同，而且相位相差也不是 900。在這種情況下，軸的彎曲相對軸的部位不是固定不變的，而是以軸上某一線為中心的左右擺動。在一般情況下，軸的運(yùn)動除了上述由不平衡響應(yīng)引起的同步正進(jìn)動之外，還存在非同步的正進(jìn)動和反進(jìn)動，有時也稱為正向渦動和反向渦動。這時軸心的運(yùn)動軌跡具有較復(fù)雜的形狀。 我們用運(yùn)動分解的概念來說明軸心軌跡的形成。 ρ為同步正向渦動分量，它以和轉(zhuǎn)子角速度相同的角速度 ω旋轉(zhuǎn)。這樣，構(gòu)成了軸心 c的運(yùn)動軌跡。當(dāng)有渦動存在時，反映在 X和 Y方向上的振動，除了基頻成分之外，還有頻率為 ωe的振動成分。當(dāng) ω和 ωe的關(guān)系為整數(shù)比時，我們?nèi)钥梢垣@得一條封閉曲線的形式的軸心軌跡：當(dāng) ω和 ωe不是整數(shù)關(guān)系時，曲線將是不封閉的。 下面介紹常用的振動信號分析方法。 (1)振動信號的幅值分析方法 應(yīng)用于幅值分析的參數(shù)有：均值、均方根值、最大值、最小值和絕對平均值等。這些參數(shù)計算簡單，對于故障診斷有一定的作用，但它們會因工作條件 (負(fù)載、轉(zhuǎn)速等 )的改變而變化，所以又存在對故障不十分敏感、不好區(qū)分的缺點。因此，人們又引入了無量綱 的幅值參數(shù)，如波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)以及峭度指標(biāo)等。這些參數(shù)對故障有足夠的靈敏度，對信號的幅值、頻率變化不敏感，而只取決于概率密度函數(shù)的形狀，在故障診斷中有廣泛的應(yīng)用。 (2)振動信號的相關(guān)分析方法 相關(guān)分析主要是應(yīng)用相關(guān)系數(shù)與相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)，即通過相關(guān)函數(shù)放大器 放大器 濾波器 濾波器 傳感器 計算機(jī) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 來研究兩個信號之間的相關(guān)性和收斂性。不同的信號有不同的相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)不含有信號的相位信息，只存在單一的量值關(guān)系，而互相關(guān)函數(shù)則包含相位信息，這