旋转机械故障诊断-不平衡

旋转机械设备不平衡故障与分析水龙分析系统目录CONTENTS概述1不平衡类型2不平衡的机理分析3转子动平衡原理4不平衡的故障诊断5故障原因与治理措施6现场动平衡7不平衡故障诊断实例8一、概述什么是不平衡不平衡是质量和几何中心线不重合所导致的一种故障状态（质心不在旋转轴上），不平衡带来的后果是增加附加载荷。其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。不平衡又有哪些危害动不平衡会产生离心力，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，损坏轴系密封，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。制造时几何尺寸不同心，材质不均；组装安装不当；12345故障

原因一、概述轴水平放置太久，或受热不均，造成永久性或暂时变形；工作中液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积；零件配合过松，旋转式间隙偏大，造成偏心。一、概述研究不平衡振动目的认识设备不平衡故障的高故障率重视不平衡振动故障的高危害性熟悉不平衡振动故障的故障机理掌握诊治不平衡故障的技术方法弄清产生不平衡振动的工程原因二、不平衡的类型力偶不平衡质量中心线轴线与轴几何中心线轴线相交于转子的重心处的一种不平衡状态。动不平衡质量中心线与轴几何中心线轴线既不平行也不相交的不平衡状态。动不平衡基本上是力不平衡和力偶不平衡两者的组合。力不平衡就是质量中心线离开且平行于轴中心线的一种转子不平衡状态。不平衡悬臂转子不平衡被驱动转子位于两轴承外侧的不平衡状态。三、不平衡的机理分析1、设备产生不平衡振动的原因MeMeM0ω通俗的讲，不平衡振动的根本原因就是旋转体上存在者多余的质量。使转子质量中心和旋转中心线之间存在偏心距，当转子旋转时便形成了周期性的离心力干扰，并通过“转子—轴承”系统，在支承上产生动载荷（动反力），进而迫使机器产生左右摇摆的“不平衡”振动。三、不平衡的机理分析2、怎么消除不平衡振动eωMeMmr0满足平衡的条件e———偏心距。是转子重心偏离中心的距离，为转子单位质量的不平衡矢量，表征不平衡程度高低的物理量。（um=g.mm/kg）U———“质径积”。工程上习惯称为不平衡量，是指向半径方向上的一个矢量，表征了不平衡量的大小，（gmm）M———转子质量，（kg）。通过调整配重m或平衡半径r来减小平衡的实质就是减小质量中心的偏心距提高和控制设备装配质量的重要性三、不平衡的机理分析三、不平衡的机理分析3、不平衡的基本类型静不平衡(力不平衡）C主惯性轴线C旋转轴线AB刚性转子静不平衡轴心涡动轨迹力不平衡就是离心惯性力只作用在转子重心C所在的径向平面上、转子质量中心线等距平行于轴几何中心线的一种不平衡状态。三、不平衡的机理分析静不平衡的特点：●主惯性轴线与回转轴线平行；●转子只存在离心惯性力，即静不平衡力，不存在力偶；●静不平衡在两轴承上存在着大小相等的对称作用力；●静不平衡在静止状态下可以观察到，并在重心平面内的反方向施加单个配重后可进行校正。●因转子重心线平行偏于轴线一侧，轴线涡动的轨迹呈现出圆柱形，这种振动也称为圆柱振动旋转轴线主惯性轴线ACB三、不平衡的机理分析aC由惯性力偶引起的不平衡称为力偶不平衡。旋转轴与中心主惯性轴A-B相交于转子质量重心c，并成一夹角，此即为偶不平衡状态。

力偶不平衡ACBAB刚性转子偶不平衡产生的园锥型轴线涡动轨迹三、不平衡的机理分析

力偶不平衡的特点在转子两端存在大小相等、方向相反的不平衡力偶；力偶不平衡的合力为0，力偶矩不等于0，即三、不平衡的机理分析力偶不平衡的特点不平衡力偶矩使转子产生“摇摆型”振动；两端支承水平（或垂直）方向相位相差180°（∵晃动相反）严重的力偶不平衡有时会产生显著的轴向振动；在静态下力偶不平衡是平衡的，只有在动态状况下其不平衡特征才有可观察性，旋转轴线呈圆锥形涡动轨迹；根据“力偶必须用力偶平衡”的原则，力偶不平衡需要在垂直回转轴线的两个校正平面内分别进行校正。三、不平衡的机理分析三、不平衡的机理分析动不平衡动不平衡是转子的旋转轴线与主惯性轴（A—B）即不平行又不重合的状态，它由静不平衡和力偶不平衡两种状态叠加而成。aCABCAB刚性转子动不平衡产生的园锥型轴线涡动轨迹三、不平衡的机理分析不平衡离心力F和不平衡力偶aF1（aF2

）都不等于零；在静态状况下，动不平衡也具有一定的可观察性；两端支承径向或水平向振动相位在0～180°之间，纯动不平衡故障，振动相位稳定；动不平衡通常可用在两个任意平面上的等效不平衡矢量表示。所以，动不平衡也需要在垂直于轴线的两个平面内校正。动不平衡的旋转轴线同样为“锥形”涡动轨迹，但在轴向和径向都不具有对称性。动不平衡的特点三、不平衡的机理分析悬臂转子不平衡被驱动转子位于轴承1和2的外侧(如果转子位于两个轴承之间，称这种转子为简支转子)。

三、不平衡的机理分析悬臂转子不平衡的特点悬臂转子可产生1X转速频率的轴向力，引起轴向振动，这种轴向振动等于或者大于径向振动幅值。悬臂转子往往除了产生力不平衡之外，还产生大的力偶不平衡，这两种不平衡必须都要修正之。对于单纯悬臂转子不平衡，在轴承1处的轴向方向振动相位将近似等于轴承2处的轴向方向振动相位(±30°)。这里的振动相位差还是取决于与其他的诸如不对中、共振等故障相比较不平衡故障占优势的程度。通常，首先处理力不平衡分量，然后再处理剩下的相位差接近180度的力偶不平衡分量，最终修正悬臂转子的不平衡。因此力偶分量需要在两个平面内彼此相差约180度处加修正重量来修正之。四、转子动平衡原理1、转子的分类

工作转速低于转子的第一阶临界转速n1刚性转子挠性转子n2刚性转子动平衡不考虑转子变形问题转子柔度特性工作转速高于转子的第一阶临界转速刚性转子挠性转子动平衡必须考虑转子的形变位移挠性转子n0r/mincGoeδM≤25%～30%≥40%2、关于转子的饶度令O————轴承中心C————圆盘几何中心G————圆盘质量中心δ————转轴挠度e————偏心距K————转轴在中心的刚度系数————轴承间距四、转子动平衡原理四、转子动平衡原理

在不同状态下的振动测试数据产生的平衡补偿响应会有差异;负载状态测量计算的振动数据会在轻负荷状态产生不平衡过补偿；空载状态测量计算的振动数据会在重负荷状态产生不平衡欠补偿；四、转子动平衡原理3、刚性转子的平衡分析振动的实质是什么？就是力的作用和力的变化，不平衡振动同样是由力而生，这种力称之为惯性离心力，是由两种类型的力组成的，一种是静力，产生静不平衡；另一种是力偶，产生了偶不平衡和动不平衡。所以对不平衡振动的分析，必须由“力”着手。静力的分解根据理论力学原理，一个力可以分解成与其相平行的两个分力四、转子动平衡原理空间不平衡力系与平面会交力系的转化刚性转子是由若干个薄圆盘组合在一起的等效体，因此，可以用刚体力学的方法来处理其存在的不平衡问题。

这样在把空间力系的平衡转化为两个平面汇交力系的平衡问题后，在选定的（A、B）平衡面离心力汇交点上施加等效的校正力-FA和-FB，使两平面内的惯性力之和分别为零，该转子即达了新的平衡状态。四、转子动平衡原理刚性转子的同向分量与反向分量转化在转子的动平衡振动测量中，支承两侧的振动相位多数情况下既不完全同相位也不完全反相位，可以通过矢量运算分解出同向分量和反向分量。

AB0A——A端测点的振动矢量；0B——B端测点的振动矢量；C——A/B连线的中点。0C——两个测点振动的同相分量；CACB——两个测点振动的反相分量；00900180027000C●用同相平衡配重平衡振动的同相分量——静不平衡风量；用反相平衡配重平衡振动的反相分量——力偶不平衡分量。四、转子动平衡原理刚性转子空间不平衡力系的平衡条件oruL1L2mrum1r1m2r2工程应用不论转子初始不平衡量如何分布，总可以在选定的两个校正平面内进行校正。转子的不平衡由静不平衡和动不平衡组成，两者可分别校正。对刚性转子来说可直接作动平衡校正，而无需先对转子作静平衡，因为动平衡合格的转子，静不平衡也是合格的。五、不平衡的故障诊断1、力不平衡（静不平衡）轴的两端水平方向或者垂直方向相位差接近0°；单个轴承水平与垂直方向相位差接近90°；1XRPM总是占主导位置；第一临界转速一下，振幅的变化与速度平方成正比；只需在转子重心平面进行。2、力偶不平衡轴的两端相位差为180°；1XRPM总是占主导位置；第一临界转速一下，振幅的变化与速度平方成正比；同样也会引起轴向振动；平衡需要在180°的两个平面进行。五、不平衡的故障诊断3、动不平衡轴的两端径向相位差为0°～180°之间任意角度；1XRPM总是占主导位置；两轴承水平方向相位差与垂直方向相位差相匹配；当不平衡较为突出时，单个轴承上水平方向与垂直方向相位差大致为90±40°；平衡需要在双面修正。五、不平衡的故障诊断4、悬臂转子不平衡在轴向和径向均会产生1XRPM振动；相位轴向数值稳定而径向不稳定；悬臂转子存在静不平衡和偶不平衡，需要同时消除两种不平衡的方法方能解决。五、不平衡的故障诊断五、不平衡的故障诊断转子不平衡的振动特征序号特征参量故障特征原始不平衡渐变不平衡突发不平衡123456789时域波形特征频率常伴频率振动稳定牲振动方向相位特征轴心轨迹进动方向矢量区域正弦波1×较小的高次谐波稳定径向稳定椭圆正进动不变正弦波1×较小的高次谐波逐渐增大径向渐变椭圆正进动渐变正弦波1×较小的高次谐波突发性增大后稳定径向突变后稳定椭圆正进动突变后稳定五、不平衡的故障诊断转子不平衡的振动敏感参数序号敏感参数随敏感参数变化情况原始不平衡渐变不平衡突发不平衡1234567

振动随转速变化振动随油温变化振动随介质油温变化振动随压力变化振动随流量变化振动随负荷变化其他识别方法明显不变不变不变不明显不明显低速时振幅趋于零，运行初期振动值就处于较高的水平明显不变不变不变不明显不明显随着运行时间的推移，振动逐步增大明显不变不变不变不明显不明显振幅突然增加，然后稳定六、故障原因与治理措施转子不平衡故障原因分析与治理措施序号原因分析主要原因原始不平衡渐变不平衡突发不平衡1

设计原因结构不合理结构不合理，易结垢。材质不合理，易腐蚀。结构不合理，应力集中。系统设计不合理，造成异物进入流道2制造原因制造误差大，材质不均匀，动平衡精度低。材质用错，光洁度不够，易结垢，表面处理不好，易腐蚀热处理不良，有应力，入口滤网制造缺陷3安装维修转子上零部件安装错误，零件漏装转子未除垢转子有较大预负荷4操作运行

介质带液，造成腐蚀，介质脏，造成结垢超速、超负荷运行，入口阻力大，导致部件损坏。进入流道。介质带液，导致腐蚀断裂5状态劣化转子上配合零件松动转子回转体结垢，转子腐蚀疲劳，腐蚀。超期服役6

治理措施按要求对转子进行动平衡。按要求对位安装转子上的零部件。消除转子上松动的部件。转子除垢、进行修复。定期检修。保证介质清洁，不带液，防止结垢和腐蚀停机检修，更换损坏的转子。停机清理流景异物。消除应力，防止转子损坏。七、现场动平衡转子的平衡方法平衡机法（固定式/移动式）现场动平衡方法大机组转子出厂做平衡困难；牵连工程大、维修周期长、工作效率低轴系平衡问题；大直径叶轮转子动平衡失效的问题现场动平衡就是在设备正常的支承和与运转条件下，通过振动测量、分析、计算，对其不平衡状态实施现场校正的一种平衡技术。技术简练、高效快捷、经济实用；通常情况下，有3～5次启停车操作即可把不平衡振动降低到安全水平受到现场操作条件的制约优点：缺点：技术方法绘图法解析计算法影响系数法三元法七、现场动平衡七、现场动平衡1、现场动平衡测试（1）.测试系统的组成现场动平衡振动测试系统主要由测量振动的传感器、参考信号测量传感器（键相传感器）、测试仪器和转子基准标记组成，如图所示：现场动平衡测试模型（2）.测试仪器的功能和性能七、现场动平衡测量功能测量功能是动平衡仪的基本功能。动平衡仪将传感器传输到仪器的电信号进行处理，显示测量振动的数据，并储存数据供平衡计算使用。信号处理包括信号放大、滤波和振动相位生成等。动平衡报告内容主要包括被平衡转子设备振动的情况、动平衡评价标准、平衡后达到的水平、动平衡校正配重的情况等。动平衡计算功能动平衡报告功能动平衡计算功能应包括原始不平衡振动分析、影响系数计算、校正质量的大小和相位的计算以及校正质量的合成与分解等。测试仪器功能七、现场动平衡测试仪器性能1灵敏度：仪器的输出量与被测振动量的比值，反映仪器的灵敏程度；测量范围：保持输入信号与输出信号成线性关系时，输入信号幅值的允许变化范围；2频率范围：灵敏度变化不超过允许值时可使用的频率范围；3相位差：在使用频率范围内，输出信号相位角与输入信号相位角的差值随频率变化而改变的大小；4分辨率：输出信号的变化量可以分辨时，输入信号量的最小变化量；5环境条件：做现场动平衡时应特别注意诸如温度、湿度、磁场、噪声、射线等对测试仪器的影响；6使用操作方便，便于携带，测量准确可靠；7七、现场动平衡（3）.不平衡测量及判定转子不平衡的振动特征123456时域波形为简谐波，少毛刺；轴心轨迹为圆或椭圆；1X频率为主；径向的水平方向和垂直方向振动幅值相差不大，通常水平方向较大；轴向振动不大；振幅随转速升高而增大（刚性转子）；7相位稳定、水平和垂直方向相位差90°，实际应用中，相位相差50°-90°都可以认为是不平衡。七、现场动平衡转子不平衡所测得的典型振动信号时域及频谱波形如下图所示，转子转速为2250RPM。七、现场动平衡2、现场动平衡实施（1）.确定设备故障类型以某手持式动平衡仪为例，介绍现场动平衡实施步骤。、在设备转子支撑座处分别在垂直、水平方向加装振动加速度传感器；、在设备主界面选择“分析”，进入双通道分析；、选择时域分析根据设备转速选定分析上限、下限频率。下限频率必须选择低于设备转频的值；上限频率可以选择为设备转速的10倍；波形长度可选择为大于上限频率的值；七、现场动平衡、按照选定的参数进行采集，可以观察采集的时域波形，在分析中选择频谱分析，则可观察频域波形；、观察设备振动相位是否具有动平衡典型特征。在主界面中进入“平衡向导”，点击“新建”，新建一个双面动平衡。输入设备转速，其他选项保持默认。进入初始振动测量，观察振动相位是否稳定，同时两个通道相位差是否在90°左右。图例中相位差=347°–77°=270°（90°）。七、现场动平衡（2）.判断设备平衡方式七、现场动平衡（3）.按向导指示进行动平衡固定转速传感器在转子表面沿轴向贴上反光条，调节支架的高度使得转速传感器的光点正对着反光条；固定振动传感器在轴承座上用磁座或快速接头固定振动传感器；

180°0°270°90°OO+T

T

1、标定旋转方向和相位；2、定比例尺，矢量够大而不超出图，画初始振动；3、标注试重位置和大小，画试重振动（O+T），必须同一转速下；4、试重振动与初始振动的差就是试重引起的振动，在O和O+T之间画一条线就可以得到试重引起的振动，T由O指向O+T；5、将T平移到坐标原点，保持长度不变，画O的方向延长线；6、T和O的反向延长线的夹角表示试重调制的方向的角度；7、配重重量的计算及方向。旋转方向相位单面动平衡七、现场动平衡绘图法七、现场动平衡初始振动测量：首先测转频的振幅和相位；根据传感器类型选择测量信号类型，并完成下面参数的设置。添加配重的重量和角度。加试重；测量加试重后的振幅和相位；根据事先设置取下或保留试重；仪器自动计算出应加配重量和位置；残余振动测量，继续平衡直到满意为止。影响系数法以下是几种需要进行两平面转子动平衡的转子类型简图和双平面动平衡分析图。几种需要两平面动平衡转子类型图双面动平衡七、现场动平衡七、现场动平衡测量两个测点的初始振动；第1面加试重，测量两个测点的振动；取下第1面所加试重；第2面加试重，测量两个测点的振动；取下第2面所加试重；仪器自动计算出影响系数、两个面上的应加重量和位置；残余振动测量，继续平衡，直到满意为止。七、现场动平衡动平衡测量注意事项在给转子做现场动平衡的过程中，绝对不能改变振动传感器和转速传感器的位置；试重和配重必须要在同一个圆周方向上；必须在转子转速基本稳定的条件下再进行采集；相位计量方向：“同向”表示沿转动方向为角度增加方向；“异向”表示逆转动方向为角度增加方向。七、现场动平衡3、现场动平衡稍微评价（1）.允许剩余不平衡量评价指标（平衡品质级别）实际中没有理想的绝对平衡的转子。所以在实际工作中，达到并保持技术上允许的、经济上合理许用平衡状态就可以。这样就需要制定评价标准对转子的平衡状态进行评价。目前有两种评价指标：一种是评价允许剩余不平衡量的指标；另一种是评价整机不平衡振动状态的指标。允许剩余不平衡量评价方法是按照平衡标准《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第1部分：平衡允差的规范与检验》评价转子的剩余不平衡量来实现的，主要用于刚性转子的评价。常用刚性转子动平衡精度等级精度等级G(mm/s)转子类型举例G630刚性安装的船用柴油机的曲轴驱动件；刚性安装的大型四冲程发动机曲轴驱动件。G250刚性安装的高速四缸柴油机的曲轴驱动件。G100六缸和多缸柴油机的曲轴驱动件。汽车、货车和机车用的（汽油、柴油）发动机整机。G40汽车车轮、箍轮、车轮整体；汽车、货车和机车用的发动机的曲轴驱动件。G16粉碎机、农业机械的零件；汽车、货车和机车用的（汽油、柴油）发动机个别零件。G6.3燃气和蒸气涡轮,包括海轮(商船)主涡轮刚性涡轮发电机转子;透平增压器；机床驱动件;特殊要求的中型和大型电机转子;小电机转子;涡轮泵。G2.5海轮(商船)主涡轮机的齿轮;离心分离机、泵的叶轮；风扇；航空燃气涡轮机的转子部件；飞轮；机床的一般零件；普通电机转子；特殊要求的发动机的个别零件。G1磁带录音机及电唱机驱动件;磨床驱动件;特殊要求的小型电枢。G0.4精密磨床的主、磨轮及电枢、回转仪。七、现场动平衡（2）.整机振动状态评价指标七、现场动平衡常用机泵绝对轴承振动评价不论转子的初始不平衡量沿轴线如何分布，总可以在预定的两个校正平面内进行平衡补偿。刚性转子的平衡与平衡转速无关，（一般平衡转速500～700rpm)即在一定转速下取得平衡的转子，其剩余不平衡质量不随转速变化而改变。转子的平衡状态一般由静不平衡和动不平衡叠加组成，做动平衡时，可以综合校正。七、现场动平衡八、不平衡故障诊断实例案例1案例背景：某地空压机A为英格索兰双螺杆空压机，电机驱动通过增速齿轮给螺杆旋转提供动力，2008年4月一号以前对