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[综合讨论] 故障模式:转子不平衡

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发表于 2022-5-31 13:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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转子不平衡是最常见的故障模式之一。同时,转子不平衡也是相对比较容易监控的。

- 01 -
转子不平衡是必然的

旋转机械的回转体,是设备最重要的部件。电机转子将电能转化为机械能,发电机转子将机械能转化为电能。而风机和泵等的转子叶轮,将机械能转化为流体的动能。还有其它许多例子。旋转机械的身影总是出现在我们周围。

通常,设计的非对称性,材料不均匀,加工和装配误差等等,会在原始状态就给转子带来不平衡。随着目前制造业水平的提高,平衡精度要求也提高了,转子在出厂时存在明显不平衡的现象越来越少。

随着设备使用,转子叶轮表面粉尘堆积结垢,机械刮擦,流体摩擦磨损,介质腐蚀等等,这些导致的不均匀性,都会使转子渐渐不平衡。这种最常见的故障形式,可以通过振动监测的方法,进行非常好的控制。甚至可以利用振动方法,实施现场动平衡,消除这类故障。

还有一种极端的情况,就是转子叶轮上零件飞出,或有杂物撞击并黏附在转子叶轮上。这类突发事故,往往是致命的。但仅仅从振动技术入手,是无法完全控制的。可以单独列出这个话题进行讨论。

所以,不平衡存在是必然的。没有转子可以完全平衡。只要控制好平衡精度,加强监测,转子的平衡问题可控。

- 02 -
驱动外力模型

转子不平衡定义为转子的质量中心与转动中心偏移。大部分情况下,我们用单面平衡的方式来衡量。只有细长的轴,如汽轮机的轴,会按照多面平衡方式来考量。
1.png
转子质量中心与转动中心的偏移距离为r的话,离心力的大小为:
2.png
而加速度传感器所测的是离心加速度在其测量方向的投影。
3.png
角速度ω就是转子转动频率转化而来的。所以,测量不平衡,会得到一个以转子转动频率规律变化的正弦波。

- 03 -
故障后果

转子不平衡产生离心力,给转子带来附加载荷。随着不平衡的进一步发展,振动值逐渐增大,产生噪音,导致轴承磨损,影响机械寿命。许多其它故障会伴生,如松动、摩擦,刮蹭等等。

如果产生突发性不平衡,如零部件脱落或叶轮流道有异物等,设备振动值会突然增大然后后稳定在一定水平上;但也可能导致灾难性后果,如叶片断裂。

因此,在设计和生产阶段,就必要严格控制不平衡测量精度,对转子进行严格地平衡,将振动幅值限定在允许的范围内。运行期间,加强监控,进行趋势分析和预判,安排合理的维修,控制不平衡量。

- 04 -
故障判断

通过振动分析,转子不平衡故障有以下突出特点:

  · 测量径向振动,时域波形和频谱图中,呈现的是稳定的转速频率成份。时域波形为正弦波。频谱图中,转速频率幅值突出。
  · 如果开机或停机时候测试振动,会观测到振动幅值随转速变化而变化,呈线性关系,并且稳定。
  · 轴向振动相对较小。

由于转子不平衡是常态,或多或少总有一些。当有其它因素干扰的时候,需要优先处理。

  · 通常测试时,会针对每个轴承位置,测量水平、垂直、和轴向三个方向的振动。水平安装的设备,如果垂直振动幅值最大,需要怀疑是“基础松动”;如果轴向振动幅值最大,需要怀疑是对中问题。先将这些问题处理完,再回过来看平衡问题是否存在。
  · 如果转速2倍频、3倍频等等整数倍转速频率普遍出现时,预示着可能有对中问题、松动问题、轴弯、轴承安装问题。需要先将这些问题处理后,再回过来看平衡问题是否存在。
  · 如果速度有一些变化,导致转速频率振动幅值有巨大变化,需要怀疑存在“共振”。

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