转动设备振动频谱1N振源判断与处置

2016-03-07

电力设备管理 2016年1期

转动设备振动频谱分析是最常用的故障诊断分析方法。对振动频谱中最常见的1N分量所对应的可能振动源，结合理论与实际案例进行比较分析，发现不同振动源之间在1N分量中的差别，以保证故障处理方案正确高效。研究结果可供理论工作者和现场工程技术人员借鉴运用。

转动设备振动频谱1N振源判断与处置

华能淮阴电厂沙德生/文

一、概述

在现场振动故障检测诊断分析中，频谱分析是最常用、最重要的分析方法之一。当检测分析发现振动的频率与转机转速所对应的频率一致时，通常称为一倍频振动，写作1N。

诊断振动故障，检测振动频率，进行频谱分析，会发现有很多频率特征，并对应着不同故障。例如，一般把频率带分为低频、中频和高频部分，低频部分对应于转子异常、基础松动；中频部分对应于轴承滚道表面损伤、水流激振；高频部分对应于金属疲劳、气流激振等。

大量的振动案例说明，低频部分振动故障的比例是比较高的，尤其是1N振动，有数据表明，这类故障占到振动故障的30%以上。很多人看到振动频谱特征主要是1N，会简单地认为是转子不平衡，希望通过做动平衡进行解决。结果发现是错误的，有的能得到解决，有的效果不明显，还有的则是处理后效果明显，然而一段时间后会重复出现等。所以对频谱特征主要是1N的情况进行更加细致地分类分析研究，对于现场准确查找故障原因，少走弯路，及时解决问题具有现实意义。

二、1N振源几种类型案例分析与处置

造成1N振动频谱特征的振源一般有转子“真”不平衡（静不平衡、偶不平衡、动不平衡）和转子“假”不平衡（转子摩擦：硬摩擦、软摩擦；转子积灰：叶轮积灰、叶片积灰；转子积油：中心孔进油、转子调节头进油；共振：转子共振、基础共振、转子靠背轮外圈共振等几种情况）。转子“假”不平衡（转子摩擦、积灰、积油）具有与转子“真”不平衡同样的振动原理，即由于转子上质量不平衡，在转子旋转过程中产生一个与转速一致的循环交变力，导致转子的周期性振动。但由于上述三类“假”不平衡激振力的不稳定性和不持续性，使它们与真正的转子不平衡及处置方式有明显的不同。

1.转子“真”不平衡及处置

转子的每一个平面重心与中心都完全重合，转子是平衡态。转子不平衡，分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡三种情况。从转子整体尺寸看重心和中心重合，即转子处于静平衡状态。如果转子的重心与中心在一个平面中，又不重合，则转子处于静不平衡状态；转子的重心与中心在两个或两个以上平面中，不重合且距离相同、方向相反，则转子处于偶不平衡状态；既有静不平衡又有偶不平衡的情况，叫动不平衡。

现实中由于转子材料的不均匀性、安装误差，以及静平衡或动平衡的精确性等，转子出厂时都带有不同程度的不平衡分量，如果遇到安装的基础差、阻尼小、影响系数大等条件，调试转动时，就会出现较大振动。如某厂#3机组甲吸风机，调试开机振动即达100um，通过现场动平衡，加了800g平衡块，振动降到20um以内。

另外，由于检修更换备件质量差、检修工艺差、检修人员无转子平衡的知识等出现低级错误，也会出现转子不平衡情况。如，某电厂供油泵检修时，更换了一副靠背轮，最后发现新装的靠背轮里有个很大的气孔；又如，某厂GGH驱动电机振动大，最终发现是电机后部冷却风扇损坏后，随意更换了一个轴孔大一号的风扇，重心偏离所致；再如，某电厂凝泵（立式泵）大修开启后振动大，动平衡计算，影响系数较大，推算出几克偏差，即可影响电机上部10多丝，最终查找到弹性柱销联轴器里六根柱销中，有一根柱销上本应装4个弹性圈，结果只装了3个等。通过以上案例可以发现，因为检修的一些低级错误而导致转机振动异常的事件不在少数，所以，要重视对检修人员关于转机平衡意识和知识的培训，注重对更换部件的检查，注重检修的工艺质量。对于平衡要求高的转子部件更换或检修时，更要注意质量平衡问题，有的需要配重完成。

转子检修组装后，为防止开启转动后产生过大的振动，一般先做一下静平衡。例如中间储仓式乏气送粉的排粉机，由于叶轮磨损大，经常更换上经过防磨处理而出现质量不平衡的旧叶轮。换上后，都会做一次静平衡。常用的方法是：把一定的重块（G）锁在每一个叶片上，用秒表测量重块从固定高度下滑到自然停运时的时间。最长时间Tl和最短时间Td应该出现在对角上。在测出最长时间的那块叶片侧面焊接平衡重块，重量g=G（Tl2-Td2）/（Tl2+Td2）。静平衡处理后，仍然出现振动大或运行中振动大，分析出转子存在动不平衡，则可以进行动平衡。动平衡自动计算或闪光测振计算，都使用影响系数法。

影响系数法可以理解为：

（1）测取原始不平衡所产生的振动矢量，试加重量后，再测取原始不平衡量和新试加重量共同作用产生的振动矢量。两次测得的矢量，转换到一个坐标系中；

（2）两次振动矢量差是由于试加重量造成的。即试加重量产生了一个振动矢量。矢量大小与试加重量的比值为影响系数的大小。矢量与试加重量的夹角为影响系数的角度。

2.转子“假”不平衡及处置

转子假不平衡，是相对于真不平衡来说的。实际上无论是摩擦轴弯曲还是积灰积油，都造成了转子不平衡，频谱分析出来的特征也是1N。只不过，真不平衡除了1N特征外，振动值的大小和相位稳定。而摩擦弯曲导致的不平衡，会逐渐自行恢复；积灰积油引起的不平衡，振动值和相位则会出现一定的不稳定性。

（1）转子摩擦振动。

转子摩擦是指转子上运动部件的高点与另一部件发生了相互接触并摩擦。局部摩擦产生局部发热，局部发热导致局部弯曲，局部弯曲造成转子不平衡振动。有的因为振动大，加剧摩擦，轴进一步弯曲，振动快速增大，导致跳机；有的因为摩擦造成磨损，接触发热越来越小，振动逐渐稳定；有的则出现摩擦发热与散热达到平衡，振动始终维持在高位运行。前两种情况，是典型的“硬”摩擦又叫金属摩擦，随着摩擦加剧，会快速磨损掉接触部分，脱离接触，振动快速下降。后一种叫“软”摩擦又叫非金属摩擦，摩擦发热小、磨损小，但会始终若即若离，振动稳定在高值。

“硬”摩擦，在汽轮机大修后开机时最常见。开机过程中，常会出现振动突然变大，甚至立即跳机的情况。这时候，有经验的老师傅和技术人员通过听针和振动信号分析判断，可能是油档、轴封齿、汽封齿等与转子发生金属碰摩。要让转子连续盘动，消除轴的热弯曲后，再次冲转，一般也就正常了，也有的要如此冲转三四次才能稳定。在一些辅机轴瓦（承）端盖上用金属齿（铜或铝合金）密封轴处也会发生类似的“硬”摩擦。

“软”摩擦，与“硬”摩擦引起振动的机理是相同的。但由于非金属材料不易磨损的特点，接触摩擦不容易脱离，导致振动不易下降，而且有时由于振动大小和相位又比较稳定，极易与“真”不平衡相混淆，盲目做动平衡，没有效果。

常见的软摩擦有环氧树脂板摩擦、发电机励磁或接地碳刷、发电机密封瓦浮动摩擦、汽轮机油档积碳等几种情况。

1）环氧树脂摩擦。有的电机冷却风扇入口导叶用环氧树脂做成，如果安装不注意，与冷却风扇内口发生摩擦，即会导致电机的振动。

2）发电机励磁或接地碳刷摩擦。励磁或接地碳刷都是靠压紧弹簧让碳棒接触轴，在轴高速旋转时，仍能传导电流。如果弹簧卡死或失去弹性且碳棒又紧紧顶住轴时，就会使轴上高点发热，引起轴振。某电厂#5机组#7#8瓦处轴振大，特征同热弯曲类似。清理调整接地碳刷后，恢复正常；

3）发电机密封瓦摩擦。发电机的密封瓦随着轴一起旋转，但转速远远低于发电机的转速。如果密封瓦的转速达到设计转速，产生的发热量能被润滑油及时带走，则轴的局部不会发热，也就不会引起振动。假如，因为密封瓦变形（椭圆、瓢偏）等导致密封瓦卡涩等，密封瓦转速与轴转速的相对转速差加大，轴上接触密封瓦部分轴颈的高点发热必然增加，产生“轻微”热弯曲，振动增加。

4）汽轮机油档积碳。汽轮机油档是为了密封润滑油的，在密封齿之间一般都会有油积存，如果此处环境温度较高，即会使油碳化，而不断堆积，当堆积到一定高度，就会发生与转轴碰摩，引起振动。由于积碳硬度不同，磨损也不同，振动呈现明显的不确定性和不稳定性。

“软”摩擦由于摩擦轻微，磨损小、发热量小，在不平衡响应系数比较大的轴系中才会引起振动。所以，当遇到立式泵、轴瓦支撑托空等轴系支撑阻尼小的结构时，检修应当分外小心。该动静避开的，要增加检修时工序监测；是弹簧压紧卡涩的，要经常活动松动；是密封瓦变形卡涩，要加强检测和检修质量；是积碳引起的，要降低环境温度，无碳可积。另外对于浮动油挡、接触式油档风挡也会因为“软”摩擦而出现振动，特别是当不平衡响应系数的结构时，应重点关注。

（2）转子积灰振动。

在吸风机、增压风机、排粉风机等一类输送介质中有粉或灰的转机中，有时因为结构死区、磨损空隙、检修不当等造成风机的叶轮、叶片上积灰。一般灰在逐步积到转动的叶轮上时，是均匀的，转子也是平衡的，一般不会引起振动。当叶轮、叶片上沉积的灰脱落时，且是不均匀掉落后，则转子出现了不平衡，振动骤起。想让沉积的灰自然均匀掉落是不可能的，所以不让灰沉积到叶轮上才是防止积灰引起振动的最佳办法。如某电厂排粉机振动飘移。消除的办法就是利用风压吹扫积灰部位，避免积灰产生；又如某电厂增压风机突发性振动。消除的办法是在叶轮上均匀布置焊接六个小叶片（相当于副叶轮），减少灰进入死区，同时把风机出口风压引入，用以吹扫积灰部位，避免积灰，消除振动隐患。

还有一个特例，需要关注。风机的叶片如飞机叶片，内部空心。在有灰的介质中运转，必然存在磨损。当某个叶片磨出缝隙时，即有灰慢慢进入叶片的空心部位，转子出现不平衡，振动逐渐加剧。单纯做动平衡的办法只能解一时问题，当其他叶片接二连三出现磨损缝隙而进灰时，都会引起转子不平衡导致振动的变化。所以，对于叶片是机翼型叶片的风机，要多关注叶片迎风面的磨损情况，及时均匀堆焊，防止出现缝隙进灰。

（3）转子积油振动。

汽轮机转子空心轴内部和风机调节头内部空间，可能因为封头螺栓密封失效，转子冷热交变以及调节油泄漏，出现积油。汽轮机中心空进油，在运行过程中随着转子温度的升高，转子高温端的油受热汽化并吸收热量，再加上油膜在孔壁周围的厚度不同，热交换的程度不同，使转子圆周方向出现温差；汽化的油在低温端凝结，释放热量，同样引起转子的径向和轴向温差。

对于汽轮机转子空心轴积油的处置方案，唯一的办法就是检修一次性做好封头密封；而对于风机调节头内部积油，则要做到在一个密封圈寿命周期内及时更换，同时在更换时保证密封圈的质量和更换工艺的质量。

3.转子及基础共振分析与处置

转子上总是存在不平衡分量的，当转速对应的激振1N频率与转子、基础或转子上的部件出现共振时也会激起大的振动。最常见的当属汽轮机升降速时的过临界现象。

另外，汽轮机升降速时，也会出现基础共振，如某电厂200MW机组的过临界振动；凝泵电机变频改造后，也会出现共振现象，如某电厂凝泵改造后，在转速1300r/min时，出现共振点；低速重载柱销联轴器的外圈由于磨损、偏心等也会出现共振现象，如某电厂钢球磨煤机电机与减速机连接的靠背轮，外圈共振。

汽轮机冲转，过转子临界，都属于常见情况。因为转子的工作转速高于转子的临界转速，工作中都会发生振动异常；汽轮机冲转过程中基础发生共振的情况非常少见，应深入查明基础刚度改变的原因；对于变频改造的泵而言，由于工作转速是调节变化的，一旦落入共振频率，即会引起大的振动。为减少共振引起的振动，有的采取精做动平衡的办法，有的则在调节特性上，避开共振转速。对于尼龙柱销联轴器的外圈共振，彻底的解决办法是更换，同时检修时重点检查磨损情况，磨损较大就及时更换。