盡管旋轉(zhuǎn)機械的振動問題往往是許多因素綜合造成的結(jié)果，但各種類型的振動仍有其固有屬性。除振動發(fā)生過程和振動特征上的表現(xiàn)有所不同外，通常振動頻譜可以較完整地反映出振動的性質(zhì)，分析者可根據(jù)測量的振動頻譜分布來尋找振動的起因。然而，有時僅由頻譜分析進行故障診斷仍不能收到很好的效果，因為一些故障類型產(chǎn)生的振動可能有相同或相似的頻譜，這時候就需要通過振動的相位關(guān)系和其他一些相關(guān)因素來作進一步的分析。因此，振動頻譜和相位關(guān)系是振動故障診斷工作中使用的基本工具。下面將列出一些典型故障的振動頻譜特征和相位關(guān)系及振動特征。
3.1.1 質(zhì)量不平衡
質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機械最常發(fā)生的故障。由于機械加工質(zhì)量偏差，運行中聯(lián)軸器、軸承相對位移的改變，鹽等礦物質(zhì)在轉(zhuǎn)軸上不均勻的沉積，軸本身的腐蝕等因素的影響都可能使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡往往導致臨界轉(zhuǎn)速下振動峰值顯著增大。
質(zhì)量不平衡往往反映出很大的1X振動。由跨內(nèi)轉(zhuǎn)子離心力本身引起的不平衡一般表現(xiàn)徑向振動。純靜不平衡時支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承同一方向的振動相位相同，而純力偶不平衡時支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承振動相位呈反相，即相位差為180度。但實際轉(zhuǎn)子一般既存在一定的靜不平衡，又存在一定的力偶不平衡（即存在動不平衡），此時支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承同一方向振動相位差在０～１８０度之間變化。
但是在外伸轉(zhuǎn)子不平衡情況下可能會產(chǎn)生很大的軸向振動。在轉(zhuǎn)子外伸端不平衡時，支撐轉(zhuǎn)子的內(nèi)跨兩軸承的軸向振動相位相同。
一般在分析由轉(zhuǎn)子不平衡離心力等引起的振動采用線性轉(zhuǎn)子動力學理論，此時假設(shè)振幅相對于軸承間隙較?。ㄍǔ?0～15%的軸承間隙）。但在發(fā)生大不平衡時（如汽輪機末級葉片脫落），振動性質(zhì)會發(fā)生，在一定的轉(zhuǎn)速下振幅并不隨不平衡力大小的增大而線性增加，而是往往產(chǎn)生非線性振動特性。呈現(xiàn)的振動頻譜較為豐富，除基頻分量外，可能還有大量的0.5X，1.5X，2X，2.5X等低、高頻成分量。
如果大不平衡是發(fā)生在接近穩(wěn)定性界限轉(zhuǎn)速（失穩(wěn)轉(zhuǎn)速）附近運行的轉(zhuǎn)子上，振動頻率除基頻外，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率的低頻振動分量。
3.1.2不對中
不對中是旋轉(zhuǎn)機械最為常見的故障之一。轉(zhuǎn)子不對中通常是指相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。轉(zhuǎn)子不對中可以分為聯(lián)軸器不對中和軸承不對中，其結(jié)果是在聯(lián)軸器處產(chǎn)生附加彎矩。軸系產(chǎn)生不對中的原因通常是加工制造誤差和安裝誤差及基礎(chǔ)受熱不均、基礎(chǔ)下沉不均、機組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形等其他因素。
3.1.2.1 聯(lián)軸器不對中
聯(lián)軸器不對中有聯(lián)軸器偏角不對中（端面瓢偏）、平行不對中（不同心）和平行偏角不對中三種情況。聯(lián)軸器端面瓢偏表現(xiàn)為產(chǎn)生較大的軸向振動，且沿聯(lián)軸器兩端測量的振動相位反相，一般情況軸向振動以1X和2X分量為主，但有時也會有一些3X振動分量。聯(lián)軸器不同心產(chǎn)生的振動現(xiàn)象和端面瓢偏時的相似，但其表現(xiàn)為較大的徑向振動，且沿聯(lián)軸器兩端測量振動相位相反，此時2X振動分量常大于1X分量，其大小決定于聯(lián)軸器類型和結(jié)構(gòu)。當聯(lián)軸器端面瓢偏或不同心較嚴重時，可能產(chǎn)生一些更高的振動諧波分量（4X~8X），而且這時聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)會對振動頻譜的特征產(chǎn)生重要影響。
實際旋轉(zhuǎn)機械各轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器處的不對中既有平行不對中又有偏角不對中，因此其引發(fā)的振動特點和頻譜特征是上面兩種情況的綜合結(jié)果。
需要說明的是，當汽輪發(fā)電機組聯(lián)軸器不對中情況較為輕微時，振動頻譜仍基本上呈1X分量。
3.1.2.2 軸承不對中
軸承不對中包括偏角不對中和標高變化兩種情況。目前多使用的自位軸承，因此軸承偏角不對中容易消除。但軸承位置標高的變化使軸承負荷重新分配，從而影響整個軸系的穩(wěn)定性。
3.1.2.3 不對中引起的振動與負荷的關(guān)系
不對中故障振動對負荷變化較為敏感。對于聯(lián)軸器不對中而言，當負荷變化時，由聯(lián)軸器傳遞的扭矩立即發(fā)生變化，如果聯(lián)軸器不對中，則轉(zhuǎn)子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。而對于軸承不對中而言，負荷變化后由于溫度分布的變化，軸承座的熱膨脹不均勻引起軸承不對中，使轉(zhuǎn)子的振動也要發(fā)生變化，但由于熱傳導的慣性，振動的變化在時間上比負荷的改變要滯后一段時間。
3.1.3 軸彎曲
軸彎曲是指轉(zhuǎn)子的中心線處于不直狀態(tài)，彎曲問題通常是產(chǎn)生很大的軸向振動，如果彎曲位于轉(zhuǎn)軸中央附近，支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承軸向振動主要呈1X分量，如果彎曲位于聯(lián)軸器附近，則可能產(chǎn)生較大的2X振動分量。彎軸與質(zhì)量不平衡引起的振動特性區(qū)別在于其不同的相位關(guān)系。彎軸引起的兩軸承軸向振動相位相反，而外伸端質(zhì)量不平衡引起的兩軸承軸向振動相位同相。此外，軸彎曲時一般會在一階臨界轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較大的徑向振動。
3.1.4 轉(zhuǎn)子熱彎曲
熱彎曲是指轉(zhuǎn)子受熱后（如加勵磁電流或帶有功負荷后）使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加的不平衡力（熱不平衡）而導致轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。熱不平衡的機理是轉(zhuǎn)子橫截面而存在某種不對稱因素（材料不對稱、溫度不對稱、內(nèi)摩擦力不對稱等）可能產(chǎn)生彎矩，造成轉(zhuǎn)子彎曲。
引起轉(zhuǎn)子熱彎曲的原因除轉(zhuǎn)子鍛件材料各向異性外，主要有轉(zhuǎn)子受熱不均（如發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生短路、汽輪機轉(zhuǎn)子中心孔進油、聯(lián)軸器連接緊力不足等）、轉(zhuǎn)子受熱不均（發(fā)電機氫冷或水冷通道堵塞、汽機轉(zhuǎn)子局部水擊等）和內(nèi)摩擦效應（發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈熱膨脹受阻產(chǎn)生的軸向不對稱力，即內(nèi)摩擦力）。
轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動主要以基頻分量為主，一般其具有如下特點：（1）振動與轉(zhuǎn)子的熱狀態(tài)有關(guān)，當機組冷態(tài)運行時（空載）振動較小，但隨著負荷或勵磁電流的增加，振動明顯增大；（2）一旦振動增大后快速降負荷或勵磁電流后振動并不立即減小，而是有一定的時間滯后；（3）機組快速解列停機惰走通過一階臨界轉(zhuǎn)速時的振動較啟動過程中的相應值增大很多；（4）轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲后惰走停機時在低轉(zhuǎn)速下（200~400r/min）轉(zhuǎn)軸晃度較大。
3.1.5 轉(zhuǎn)子偏心
與質(zhì)量不平衡一樣，轉(zhuǎn)子偏心率亦產(chǎn)生很大的1X振動分量，但是二者差異在于反映出的振動相位關(guān)系不同，質(zhì)量不平衡時同一軸承垂直和水平方向振動相位一般相差90度，而轉(zhuǎn)子偏心時（或偏心轉(zhuǎn)子本身）的垂直和水平方向振動相位相差0度或180度（其表明直線運動）。若在轉(zhuǎn)子偏心情況下進行轉(zhuǎn)子平衡，其結(jié)果可能是降低一個方向的振動，但增大其他方向的振動。
3.1.6 機械松動
通常有三種類型的機械松動。第一種類型的松動是指機器的底座、臺板和基礎(chǔ)存在結(jié)構(gòu)松動，或水泥灌漿不實以及機構(gòu)或基礎(chǔ)的變形，此類松動表現(xiàn)出振動頻譜為1X分量。第二種類型的松動主要是由于機器底座固定螺栓的松動或軸承座出現(xiàn)裂紋引起。其振動頻譜除包含1X分量外，還存在相當大的2X分量，有時還激發(fā)出1/2X和3X振動分量。第三種類型的松動是由于部件間不合適的配合引起的，由于松動部件對來自轉(zhuǎn)子動態(tài)力的非線性響應，因而其產(chǎn)生許多振動諧波分量，如1X，2X，3X……nX，這時松動松動通常是軸承蓋里軸承瓦枕的松動、過大的間隙、或者轉(zhuǎn)軸上存在松動葉輪。這種松動的振動相位很不穩(wěn)定，變化范圍很大。
3.1.7 軸承座剛度不足
軸承座或汽缸剛度不足往往導致在較小的軸振動情況下產(chǎn)生較大的瓦振動。引起軸承座或汽缸剛度不足的主要原因是其本身結(jié)構(gòu)剛性較差，軸承座與臺板、基礎(chǔ)之間的連接松動；二次灌漿不好；或基礎(chǔ)、軸承座、與軸承連接的汽缸、發(fā)電機和勵磁機靜子或管道存在共振。
軸承座剛度不足引起的振動一般以1X分量為主，轉(zhuǎn)子振動與軸承座振動之比小于或接近1（通常情況下轉(zhuǎn)子振動與軸承座振動之比為2~4）。
在激振力大小一定的情況下，軸承座振動的大小與軸承座的動剛度成反比。當軸承座處于共振狀態(tài)下時，其動剛度最小。汽輪發(fā)電機組軸承座除存在接近50Hz的固有頻率外，也可能存在100Hz左右的固有頻率（尤其是勵磁機、發(fā)電機軸承）。在發(fā)生共振時，較小的激振力可產(chǎn)生較大的軸瓦振動。
3.1.8 轉(zhuǎn)子碰磨
當旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件接觸時，就發(fā)生動靜碰磨。轉(zhuǎn)子碰摩時會產(chǎn)生類似于機械松動的頻譜。轉(zhuǎn)子碰摩可能是部分碰摩，也可能是整圈碰磨。碰磨一般會產(chǎn)生更多的次諧波振動分量。此外，轉(zhuǎn)子碰磨可能產(chǎn)生一系列完整分數(shù)的諧波振動分量，這類頻譜特別在轉(zhuǎn)子部分碰磨情況下容易產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子碰磨可能也激起許多高頻振動分量。碰磨的危害性很大，即使轉(zhuǎn)軸和軸承烏金短時間碰磨也會造成嚴重后果。
汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)軸和靜子發(fā)生徑向部分碰磨時，振動頻譜主要是基頻成分，但也有2X，3X，4X等高次諧波分量，其中2X分量較大。摩擦時振動急劇增大，而且相位也會發(fā)生變化，相位變化是逆轉(zhuǎn)動方向。碰磨后若轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，則降速過轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時振動也急劇放大。當轉(zhuǎn)子發(fā)生動靜碰磨后，降轉(zhuǎn)速或降負荷振動并不立即減小，反而有所增大，只有當轉(zhuǎn)速或負荷降低到某一數(shù)值后，振動才緩慢減小，即振動變化存在一定的滯后。
3.1.9 轉(zhuǎn)子不對稱
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相對于轉(zhuǎn)子軸線結(jié)構(gòu)剛度不對稱時會造成每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)過程中因自重受彎的撓曲變形情況，這樣在振動頻譜中就會出現(xiàn)穩(wěn)定的2X分量，兩極汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子就很可能出現(xiàn)這種情況。一般發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體開有大、小齒，使轉(zhuǎn)子在兩個互相垂直的軸線上剛度不等，橫截面兩軸線主慣性矩存在差別，轉(zhuǎn)子將發(fā)生2倍頻振動。只要存在主慣性矩差，即使轉(zhuǎn)子質(zhì)量處于平衡狀態(tài)，這種振動仍存在，其振動大小與慣性矩之差和慣性矩之和的比值有關(guān)。大容量發(fā)電機一般在轉(zhuǎn)子本體大齒上開有一定數(shù)量的橫向月牙槽，以使兩軸線截面主慣性矩相接近，或減小兩軸線的撓度差。
兩極發(fā)電機轉(zhuǎn)子若以角速度ω旋轉(zhuǎn)，其靜撓曲線上下變動頻率為2ω，當該頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速一致時，轉(zhuǎn)軸將產(chǎn)生共振，通常將這個轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子副臨界轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的一半，如果轉(zhuǎn)子兩軸線截面主慣性矩存在較大差異，則在副臨界轉(zhuǎn)速時會出現(xiàn)一明顯的振動峰值，其頻率主要為2X分量。
轉(zhuǎn)子橫向有了裂紋，也是一種剛度不對稱，所以可用長期監(jiān)控2X振動分量變化的方法來監(jiān)控裂紋的出現(xiàn)與發(fā)展。
3.1.10 滑動軸承
3.1.10.1磨損/間隙問題
套筒軸承輕微的磨損通常表現(xiàn)為1/2X或1/3X成分的次諧波振動分量。但在磨損的后期階段，振動頻譜呈現(xiàn)為較大的1X分量，并伴隨有一些2X和3X分量，有時還會出現(xiàn)少量更高的諧波分量。
3.1.10.2油膜渦動不穩(wěn)定
油膜渦動是普通潤滑軸承發(fā)生次同步不穩(wěn)定振動問題的主要原因。油膜渦動是油膜力激發(fā)的振動，此時正常運行條件的改變（如傾角和偏心率）引起油楔推動轉(zhuǎn)軸在軸承中運動，因而在旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的不穩(wěn)定力使轉(zhuǎn)子發(fā)生渦動（或正進動）。如果系統(tǒng)內(nèi)存在不穩(wěn)定振動。油膜不穩(wěn)定渦動一般是由于過大的軸承磨損或間隙，不合適的軸承設(shè)計，潤滑油參數(shù)的改變等因素引起的。根據(jù)振動頻譜很容易識別油膜渦動不穩(wěn)定，其出現(xiàn)時的振動頻率為同步振動頻率的10%~18%，接近轉(zhuǎn)速頻率的一半，也常稱為油膜半速渦動。
3.1.10.3油膜振蕩不穩(wěn)定
當機器出現(xiàn)油膜渦動不穩(wěn)定，而且油膜渦動頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時就會發(fā)生油膜振蕩。油膜振蕩只有在機器運行轉(zhuǎn)速大于二倍轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速情況下才可能發(fā)生。當轉(zhuǎn)速升至二倍臨界轉(zhuǎn)速時，渦動頻率非常接近轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生共振而引起很大的振動以致油膜失去支撐作用，通常一旦發(fā)生油膜振蕩，無論轉(zhuǎn)速繼續(xù)升至多少，渦動頻率將總保持為轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻率。
3.1.11 高壓轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定振動
由于軸承在設(shè)計上存在不穩(wěn)定因素，或由于整個系統(tǒng)的阻尼不足以抑制蒸汽流經(jīng)汽封間隙所產(chǎn)生的擾動力，汽輪發(fā)電機組就有可能發(fā)生次同步共振。即蒸汽振蕩。
蒸汽激振產(chǎn)生的原因通常有兩個。一是由于調(diào)節(jié)閥開啟順序的原因，高壓蒸汽產(chǎn)生了一個向上抬起轉(zhuǎn)子的力，從而減少了軸承比壓，易使軸承失穩(wěn)。二是由于葉頂徑向間隙不均勻，產(chǎn)生切向分力，以及端部軸封因徑向間隙的不同而產(chǎn)生的壓力渦動，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激振動。蒸汽激振一般發(fā)生在大功率汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子上，當發(fā)生蒸汽激振時，振動的主要特點是振動敏感于負荷，且振動的頻率與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速頻率相符合。但在絕大多數(shù)情況下（蒸汽激振不太嚴重）振動頻率以半頻分量為主。
在發(fā)生蒸汽振蕩時，有時改變軸承設(shè)計是沒有用的，只有改進汽封通流部分的設(shè)計或調(diào)整安裝間隙才能解決問題。
3.1.12 拍振
拍振是振動頻率相近的兩種振動的疊加。因其固有的低頻特性，拍振頻率在一般正常的頻率測量范圍很難測出，但如果將頻譜細化，則可以明顯觀察到兩個頻率非常接近的頻譜峰值，這兩個頻率差就是拍振的頻率。
拍振發(fā)生后的最大振動出現(xiàn)在兩種頻率的振動波形同相時，而最小振動則出現(xiàn)在兩種頻率的振動波形反相時。拍振發(fā)生時能感覺到時起時伏的沖擊噪聲。
拍振一般發(fā)生在兩個或兩個以上的振動源振動頻率相互接近時，如安裝在同一個基礎(chǔ)上且運行轉(zhuǎn)速幾乎相同的兩臺轉(zhuǎn)機上，也經(jīng)常發(fā)生在存在電氣問題的電動機中。
聯(lián)系客服
