旋转机械的共振与油膜振荡附案例说明

共振有的旋转机械在启动升速过程中，当达到某个（或某些）转速时，有时会出现振动急剧增大的现象。有的机器甚至在工作转速下也会产生比较剧烈的振动。这有可能是转子处在临界转速下运行而发生共振所致。机器设备上的每个零部件都有自己的“固有频率”（又称自振频率）。当机器的转速等于固有频率时，就发生共振。所以，当机器在某一转速下振动增大时，就要识别是否存在共振。若属共振，只要改变转速（增大或减小），振幅就会下降。所以通过三维功率谱分析很容易确诊。另外，在设备运行时，由于工作系统内存在有与转速同步的激励源，就会产生类似于共振的“拍振”。比如有台大型水泵的排出管段上截面突然改变而形成流体脉动，其频率与转速十分接近，那么就会产生类似共振的强烈振动。不过这种现象不会长存，而是处在不断的变化之中。还有，故障信号的谐波有时也是产生共振的一个因素，即“谐波共振”。谐波一旦消失（比如故障消除后），谐波共振也就不存在了。油膜振荡有些高性能机械，如蒸汽涡轮机、汽轮发电机、离心压缩机、高速离心泵等，它们的转子系统多属于高速轻载。由于设计或使用方面的原因，轴承容易发生油膜不稳定性，在某种工作状态下，有可能发生高速滑动轴承特有的故障——油膜振荡。为了诊断油膜振荡故障，需要了解油膜振荡产生的条件、故障特征及处理方法。1）产生条件a）油膜振荡发生在高速运行的设备上，通常转速频率大于转子一阶临界转速2倍以上；b）只出现在使用压力油润滑的滑动轴承上。2）初始现象滑动轴承发生的油膜振荡，是轴颈的涡动运动与转子自振频率相吻合时发生的大幅度共振运动。往往来势很猛，瞬间振幅突然升高，很快发生油膜破裂，引起轴颈和轴瓦间互相摩擦，并发生强烈的吼叫声。如果处理不及时，会严重损坏轴承和转子。3）频率特征油膜振荡最重要的标志是它发生时的振动频率（Hz）接近转频的一半，即：f=（0.43~0.48）fr某石油化工厂有一台离心式冷冻压缩机，自更换轴承架和主轴瓦以后，曾试车38次，均由于机器出现强烈振动和吼叫声而告失败。后经振动测试分析，发现振动主频率为92Hz，约为该机转速频率（213Hz）的0.43倍，判断为油膜振荡。后来通过修改轴承的结构设计，油膜振荡问题才得以根本解决。在判断油膜振荡故障时，要注意将其与别的具有类似频率特征的故障区别开来，如转子与定子摩擦，浮环密封被卡住失去浮动作用而激起的振动，以及叶轮中气体激振力激起的振动，均可产生半倍频振动。为了区别，需要结合设备的具体情况分析其产生的条件及频率以外的其他相关因素。4）消除油膜振荡的措施如果诊断属于油膜振荡，可采取以下一些整改措施：a）避开油膜共振区，在设计时，要避免转子工作在两倍一阶临界转速附近；b）增加轴承比压；c）减小轴承间隙；d）控制轴瓦预负荷；e）选用抗振性好的轴承；f）适当调整润滑油温；g）从其他方面分析并消除油膜失稳的因素。诊断实例某化肥厂的二氧化碳压缩机组，从1987年开始振动渐增，至9月4日高压缸振动突然升到报警值而被迫停车。机组运行过程中，在故障发生的前后，均对高压缸转子的径向振动作了频谱分析，谱图如图1所示。故障发生前，振动信号中只有转频（fr）成分，故障发生时，谱图中除转频外，还有明显的半倍频成分。另外，用户平时将机组列入重点设备管理，对机组整机振动值和重要的频率成分进行趋势管理，图2是在196天内的趋势管理图。在机器运行了140多天后，到9月4日，半倍频幅值突增，通频幅值也有所增大，而1倍频、2倍频幅值几乎无变化。据此判断压缩机高压缸轴承存在油膜振荡。在处理过程中进行了工艺参数调整，改善了运行状态，振动降低，9月16日又作振动测试分析，其时0.5倍频已经消失只存在转频成分，这说明油膜振荡问题已经不存在，只有转子的不平衡状态依然存在。这个实例