旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

2013~2014学年第二学期《机械故障诊断技术》结课读书报告

旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

学院：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器 班级：11级测控一班 姓名： 学号： 联系电话： 指导老师：

旋转机械转子不平衡的诊断案例分析综述

摘要: 转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障,

它是旋转机械最常见的故障。在实际应用中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，造成了回转体的不平衡。旋转机械约有近七成的故障与转子不平衡有关,因此对旋转机械的转子不平衡故障的分析、诊断是十分必要的。

关键词:旋转机械 故障诊断 转子不平衡 动平衡

The diagnosis of rotor imbalance of a key rotating

machinery case analysis were reviewed

Abstract: Rotor imbalance is due to partiality of mass of the rotor

parts or the fault caused by rotor parts. It is most common fault of rotating machinery. Because material is uneven blank has some defect and machining and assembling generate errors，even designing has been asymmetrical geometry and so on，the various rotary body of the practical application become to be unbalanced. Nearly seventy percent of rotating machinery fault is related to the rotor imbalance.Thus, it is very necessary to study and analyze the rotor imbalance fault.

Keywords:Rotating machinery; fault diagnosis; Rotor imbalance; dynamic

balancing

前言

一、旋转机械转子不平衡的现象

转子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，是设备和零部件损坏的最常见的四大故障之一。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障。造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介

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质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。 二、转子不平衡的种类

转子不平衡分为以下3种类型: (1)静不平衡

转子上的各偏心质量产生的合力ΣF≠0,转子在旋转时只产生一个离心力,这种不平衡,可以在重力状态下确定,故称静不平衡。静不平衡一般出现在长度与直径之比较小的(即盘状的)转子上,图1(a),通常L/D<1/5。如:单级离心泵,离心风机的叶轮,齿轮,飞轮,皮带轮等。

(2)动不平衡

如果在一个转子上各偏心质量合成出2个大小相等,方向相反但不在同一直径上的不平衡力,转子在静止时虽然获得平衡,但在旋转时就会出现一个不平衡力偶,即ΣM≠0,该力偶不能在静力状态下确定, 而只能在动力状态下确定,故称动不平衡。动不平衡状态一般出现在长度与直径之比较大的(即柱状的)转子上,图1(b),通常L/D>1/5。如多级离心泵,罗茨风机和电动机的转子等。

(3)混合不平衡

如果在一个转子上,既有静不平衡又有动不平衡,即ΣF≠0、ΣM≠0, 就称为混合不平衡,图1(c),混合不平衡是转子失衡的普遍状态,特别是长度与直径之比较大的转子,多产生混合不平衡。

图1 转子不平衡的类型

三、转子不平衡故障机理

设转子的质量为M,偏心质量为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零,具有挠度为a,如图2所示。由于有偏心质量m 和偏心距e

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的存在,当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω 有关,即F = m eω2。众所周知,交变的力(方向、大小均周期性变化)会引起振动,这就是不平衡引起振动的原因。转子转动一周,离心力方向改变一次,因此不平衡振动的频率与转速相一致。

图2 转子力学模型

四、转子不平衡的危害

转子的不平衡是旋转机械主要的激振源,也是其他一些振动故障的主要触发因素。转子的不平衡会产生下列不良的后果:

(1)引起转子反复的弯曲和内应力,造成转子疲劳损坏和断裂。

(2)引起旋转机械产生振动和噪声,会加速轴承、轴封等零件的磨损, 降低机组的工作效率和使用寿命。

(3)转子的振动可以通过轴承、基座传递到基础和周围的建筑物上, 恶化周围的工作环境。

为了改善机组的工作状态,在转子制造、安装调试过程中及大修后, 常常需要进行厂内单转子的动平衡和现场整个轴系的动平衡处理。事实上转子平衡是旋转机械的一个工艺过程,通过改变转子的质量分布的办法,即在转子上适当的地方加上或减去一定的质量,在轴或轴系上尽可能减少转子的不平衡量,减少转子由于不平衡离心力产生的弯曲,以减少机组振动和轴承的动态反作用力，最终使机组平稳地、安全地、可靠地运行。但有时即使转子在工厂和现场均进行了精确的动平衡处理,机组的振动仍然较大。 五、不平衡的故障特征及诊断方法

实际工程中,由于轴的各个方向上刚度有差别,特别是由于支承刚度各向不同,因而转子对平衡质量的响应在x 、y 方向不仅振幅不同,而且相位差也不是 90°,因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆,如图3所示。

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由上述分析可知,转子不平衡故障的主要振动特征如下。 (1) 振动的时域波形近似为正弦波(图3)。

(2) 频谱图中,谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波,使整个频谱呈所谓的“枞树形”,如图4所示。

图3 转子不平衡的轴心轨迹

图4 转子不平衡故障谱图

图5 转子不平衡的主要特征

(3) 当ω<ωn 时, 即在临界转速以下,振幅随着转速的增加而增大;当ω>ωn 后,即在临界转速以上,转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值; 当ω接近

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于ωn时,即转速接近临界转速时,发生共振,振幅具有最大峰值。振动幅值对转速的变化很敏感,如图5所示。

(4) 当工作转速一定时,相位稳定。 (5) 转子的轴心轨迹为椭圆。

(6) 从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。

轴弯曲与不平衡有相似的频谱特征。区分方法是：低转速下检查转子各部位的径向跳动量，可判断是否有初始弯曲；在一定转速下改变机组负荷，若振动随负荷而变化，则可能是局部摩擦、受热或冷却不均匀引起的热弯曲。

旋转机械转子不平衡的案例分析

案例一：

一大型离心式压缩机组蒸汽透平经检修更换转子后，机组启动时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅达到报警值，机器不能正常运行。检测后其主要振动特征如图6所示。

图6 压缩机振动特征

由图6可见：

（1）振动大小随转速升降变化明显； （2）时域波形为正弦波； （3）轴心轨迹为椭圆；

（4）振动相位稳定，为同步正进动；

（5）频谱中能量集中于1×频，有突出的峰值，高次谐波分量较小。 诊断意见：根据以上结果可知，完全符合转子不平衡引起的振动特征，由此可以判定压缩机发生强烈振动的原因是由于转子不平衡造成的。

经检查该转子的库存记录，发现该转子库存时间较长，因转子较重，库房管理员未按规定周期盘转，所以初步断定是因此而造成的转子动平衡不良。

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处理措施：机组故障原因是转子不平衡，短期内不会迅速恶化。考虑到化工生产工艺流程生产不能中断，经研究决定，监护运行。在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋势。维持运行一个大修周期后，下次大修时更换转子并送专业厂检查，发现动平衡严重超标。

案例二：

某石化公司炼油厂一台压缩机组轴承箱振值突然增大，现已超过报警值，该压缩机组由电机驱动，由刚性联轴器连接，电机转速7501~11212r/min，该机组结构简图如图7所示。测试的有关数据见表1。

图7 该机组结构简图

表1 机组运行6075r/min时各测点振值及GAP电压值

分析：经到现场对该压缩机机组进行现场测试，从表1测得的数据来看，测点VT2431/VT2432和VT2433/VT2434水平方向全频值均大于垂直方向全频值；从测得的频谱图来看，测点VT2431/VT2432和VT2433/VT2434均以工频占主导（见图8和图9），且轴心轨迹为不规则椭圆，见图10。

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图8

图9

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图10

诊断结论：分析认为造成该机组高振值的主要原因是机组轴系不平衡。 诊断意见：结合机组运行实际情况认为转子存在严重损伤，建议立即停车检查。

生产验证：在次日对该机组进行了解体检修，发现第二级叶片上有明显裂纹，第一、三级叶片上分别存在多处细小裂纹，叶片出现了较严重缺损。因此证明了此次诊断的正确性。

案例三：

长岭炼化公司1#烟气轮机机组运行仅一个多月后停机检修发现转子叶片存在明显冲蚀且有较多催化剂块状物粘附,热态下烟气轮机轴心线高出风机轴心线0.73mm,存在明显不对中现象。检修时,清除转子上的灰垢后进行了低速动平衡校验,去重40多克,并适当调整了对中曲线。重新开机,烟气轮机振动在50m以下,风机振动更低,但烟气轮机稳定运行一个月左右后,又出现故障。第二次停机检修时发现转子上积附较多催化剂粉尘,但未出现粉尘结块现象,清理转子后,进行了低速动平衡校验,去重4g,重新调整了对中曲线。第二次开机前进行盘车(盘车转速75 r /min),烟气轮机振动约40m,过临界转速临近区域(约3600 r/min)时,烟气轮机振动达到90m,之后振动缓慢下降,当转速升到5400 r/min时,振动为45m,启动电机,将烟气轮机转速升至额定转速,此时烟气轮机振动突然上升至85m(此时烟气蝶阀开度为20),运行约半小时后,停止电机,转速降至3600r/min时,烟气轮机

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振动明显上升。

烟气轮机前后轴承振动测点布置,如图11所示。

图11 烟气轮机机组组成及测点布置图

使用加速度传感器测量烟气轮机运行时前后轴承振动,不同日期测得的数据,见表2。

表2 烟气轮机前后轴承振动加速度测量值??位: mm / s

案例分析：从表2可以看出,检修后烟气轮机后轴承(对应图11的测点9)轴向(9A)振动降低,但水平方向和垂直方向振动则反之;烟气轮机前轴承(对应图11的测点10)不论水平方向(10H),还是垂直方向(10V)振动均明显上升。这是烟气轮机故障运行征兆。

为了提取烟气轮机故障运行振动特征信息,及时准确识别烟气轮机故障发生类型,将CSI2115在线采集系统采集的烟气轮机在停机、升速及工作过程前后轴承振动时域信号作如下分析:

图12是烟气轮机停机过程前轴承振动瀑布图,它表示烟气轮机停机过程前轴承振动随转速的变化。烟气轮机停机过程是该图从下往上速度逐渐降低,过程中烟气轮机转速先以工频转速保持一段时间,然后逐渐降低,最后直至烟气轮机停止。由图可发现,烟气轮机在减速过程中前轴承振动频率及其幅值随转速降低而减小。这是由于烟气轮机转子不平衡激振力幅值与转速对应的频率的平方成正比,因此烟气轮机在停机过程中前轴承振动幅值随转速降低而减小。

图13是烟气轮机停机过程后轴承振动瀑布图,它表示烟气轮机停机过程后轴承振动随转速的变化。该图也是从下往上速度逐渐降低, 过程中烟气轮机转速先以工频转速保持一段时间,然后逐渐降低,最后直至烟气轮机停止。由图可看出，

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烟气轮机在停机过程中后轴承振动先增大后减少。

图12 烟气轮机停机过程前轴承振动瀑布图

图13 烟气轮机停机过程后轴承振动瀑布图

诊断结论：由以上烟气轮机减速过程或停机过程前后轴承振动瀑布图分析可知, 烟气轮机在减速或停机过程前后轴承振动变化明显。因此,可初步诊断烟气轮机故障可能是由转子不平衡引起的。

诊断意见：建议立即停车检查。

生产验证：烟气轮机在进行维修时检查发现, 一、二级涡轮盘间及动叶片表面存在大量催化剂粉尘粘附结垢。

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案例四：(转子渐发性不平衡故障诊断)

故障监测系统结构如图14所示上位机采用LabVIEW软件开发平台，LabVIEW是灵活的图形化编程语言。具有强大的显示、数据存储、数据分析等处理分析能力。数据采集卡采用NI公司8位的PCI一4472 DAQ动态信号采集卡。加速度传感器经电荷放大器后通过PCI一4472采集输入到控制计算机中。

图14 故障监测系统结构框图

采用的风机系统由电机和风机组成。风机的基本负荷和转轴上的离心力通过轴承传递。转轴上零件的故障信息传递到轴承上。在风机和电机两端轴上布置压电式加速度传感器(YDI一12振动传感器)其振动测点位置布局如图15。

图15 风机振动测点布局示意图 1．测点1 2．测点2 3．测点3 4．测点4

故障分析：风机系统采用同步电机驱动。当供电电源的频率恒定时，电机的工作转速稳定735 r／min(即转频率为l2．25 Hz，叶片数为18)。发现在风机轴承箱前后轴承的温度比正常工作的温度有明显的升高，同时测点4的水平和垂直方向振动异常突出。对应测试信号如图16所示,从图16可以看出，振动信号水平和垂直方向的主要频率成分集中在转子的1倍频(12．25 Hz)上。并且伴有较小的高次谐波，同时风机前后轴承的温度升高。

诊断结论：结合风机常见障特征频率进行综合判断，认为风机的转子可能存在不平衡故障。

诊断意见：建议立即停机检查。

生产验证：停机检查发现，风机的叶片上积累了厚度不均的灰尘，清理完灰

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尘重新开机。发现风机的运转一切正常，表明风机确实存在转子不平衡故障。而且这种故障属于转子渐发性不平衡故障。

(a)水平振动信号幅值谱

(b)垂直振动信号幅值谱 图16 测点4振动信号的幅值谱

案例五：(离心压缩机不平衡)

（1）故障情况

某化工厂离心压缩机高压缸的径向振动自3月以来呈不断增长趋势，有的测点振动峰-峰值从27μm增长到50μm，几乎翻了一番(见表3)。

表3 振动通频锋一峰值(μm)

低压缸转速为6446r／min，高压缸转速为13175r／min。

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（2）诊断

利用监测和诊断系统对振动测试信号进行分析诊断，振动测点分布如图17。图17为高压缸5月2日振动频谱。从频谱图可以看出，主要频率分量只有基频分量一个，其余倍频分量均很小，所占比倒在10％以下(表4)。轴心轨迹如图18所示。基本上呈圆形，很规则。波动很小，并且为正进动，即轴心轨迹旋向与转子旋转方向相同。

图17 振动测点分布图

表4 倍频成分百分

（a）

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（b）

(c)

(d)

图17 高压缸5月2日振动频谱

a-左轴承垂直；b-左轴承水平；c-右轴承垂直；d-右轴承水平

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图18 轴心轨迹 a-右轴承；b-左轴承

为了进一步了解情况，将3月份以来的转子振动数据作趋势分析，如图19所示，左右轴承大体类似。可以看出，2倍频分量振幅基本上没有变化，振动通频峰一峰值增长的原因完全是由于基频振动分量的增长。

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图19 左轴承振动趋势分析 a-通频锋-峰值；b-1倍频；c-2倍频

由该机器以往的运行经验，引起振动增加的原因可能有：

①探头失效，引起测试数据不准； ②转子对中不良；

③压缩机高压缸内部气流不稳； ④油膜涡动； ⑤不平衡量增加。

现在根据上面的分析确定振动上升的真正原因。探头失效不可能造成读数增加，因为高压缸四个径向振动探头的振幅都有所增加。而且基频分量明显增长的同时2倍频分量却保持不变。对中不良也可排除，因为对中不良的特征是2倍频分量增长，在振动中占较大比重．并且轴心轨迹狭长。但实际情况并非如此。压缩机内部工作气流不稳所激发的振动，一般在频谱上会出现一些与转子或其零部件固有频率有关的频率成分，而实际频谱上没有这样的频率成分，气流不稳这一条也可排除。又因为0.5倍频附近没有明显的频率分量，所以也不是油膜涡动。

从频谱上突出的基频分量，加之圆形轴心轨迹，可以有把握地认为，不平衡是振动增大的主要原因。另外，趋势图上基频变化曲线与通频振动峰一峰值变化曲线十分吻合，也表明振动增大的原因是不平衡的增大。高压缸转子转速高达

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13000r／rain以上，对转子的微小不平衡量很敏感。根据以往的运行记录和检修记录，认为不平衡量增加的可能原因有二：一是转子叶片结垢或磨损不均匀，当继续运转时，结垢或磨损有可能趋于均匀，使振动逐渐平缓甚至降低。二是由于机器基础热变形造成转子挠度变形加大，热变形主要受气温影响。综合上述两种可能原因，可知振动的变化将比较缓慢，不会突然造成机器的损坏。 诊断结论为：

①振动增大主要原因是不平衡量的增加；

②振动变化比较缓慢，不会引起突发事故，只要注意监测，在振幅峰一峰值到达报警值以前，不必停车检修；

③建议下次大修时，对转子进行现场动平衡调试，以降低振动幅值。 （3）验证

根据诊断结论，机组继续运转了18个月，直至大修。振幅缓慢上升，但未发生什么故障，未影响生产正常进行，监测频谱中仍只有基频分量，可见振动原因仍是不平衡，未出现新的振源。

案例六：

炼钢一次除尘风机振动故障诊断。

炼钢一次除尘风机出现振动故障，多因生产过程中产生的烟气、粉尘发生物理和化学反应，在叶轮上形成积垢，引起风机转子不平衡造成的。

处理这类故障，通常只需先清理转子叶片上的积垢，再进行动平衡，就能达到较为理想的效果。

炼钢一次除尘1#风机自投产以来一直达不到额定转速，且频繁出现异常振动。按常规办法清理积垢和动平衡后，虽然振动故障一时得以消除，但稳定运行时间很短，一般1周左右就需停机检修，更换转子。为查找故障原因，彻底解决风机存在的隐患，我们对转子的升速曲线作了分析。

图20是该台风机转子的升速曲线，一阶临界转速大约为1000 r/min，且与二阶临界转速相当接近。为避开临界转速，不得不降速运行，大约在1300 r/min 左右（额定转速为1450 r/min），风机效率大大降低。即使如此，风机仍运行在曲线的一阶陡峭段，靠近一阶临界区。

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图20 炼钢一次除尘风机升速曲线

由此可以看出，是该风机在设计、制造上存在的严重缺陷导致该台风机达不到额定转速。为此委托专业厂家对风机转子重新设计改造后，风机运行较为稳定，停机检修周期延长，动平衡次数大为减少。

总结

通过这门课的学习，我认识到转子的不平衡是产生转子1倍频振动的主要原因, 转子的动平衡又是解决转子不平衡的主要手段;但是在进行转子动平衡之前一定要认真分析转子振动特征, 确保转子动平衡可靠实施。

旋转机械的故障诊断应趋于多种手段的综合诊断，达到故障诊断及时有效，确保证生产的安全稳定运行。据统计,旋转机械约有70%的故障与转子不平衡有关。因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。转子不平衡的诊断要求维修人员应首先从诸多的振动故障中排除其他故障, 确定是否为转子失衡,避免转子平衡无法修复的故障, 如:中心线不对中,轴裂纹和弯曲等。在确认转子失衡的情况下, 分析是何种类型的不平衡,针对不同类型的不平衡, 应用不同的平衡技术,消除不平衡现象,达到设备平衡的目的。

在现代生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果某台设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。总而言之，进行故障争端的的目的就是保障设备安全。在机器设备的故障中, 旋转机械故障占了很大的比重。如气压机，压缩机，叶轮等。我们可以从前面的几个案例中可以看出，对机械设备进行诊断的三个阶段：一状态监测；二分析诊断；三决策处理。设备的故障诊断技术在生产应用中解决

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了一系列的问题，然而不同的设备存在的故障类型也不一样，这就要求工程技术人员能从更具特征信号准确的确定故障类型，然后找出原因并解决，这就要求我们不仅能掌握转子不平衡这种工频类故障的特征，还要掌握其他常见的故障（轴弯曲、不对中等故障）的特征，并能在实践中不断总结经验，为设备的故障诊断技术的发展提供强有力的实践基础。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zuog.html