轉動設備振動頻譜1N振源判斷與處置

轉動設備振動頻譜分析是最常用的故障診斷分析方法。對振動頻譜中最常見的1N分量所對應的可能振動源，結合理論與實際案例進行比較分析，發現不同振動源之間在1N分量中的差別，以保證故障處理方案正確高效。研究結果可供理論工作者和現場工程技術人員借鑒運用。

轉動設備振動頻譜1N振源判斷與處置

華能淮陰電廠 沙德生/文

一、概述

在現場振動故障檢測診斷分析中，頻譜分析是最常用、最重要的分析方法之一。當檢測分析發現振動的頻率與轉機轉速所對應的頻率一致時，通常稱為一倍頻振動，寫作1N。

診斷振動故障，檢測振動頻率，進行頻譜分析，會發現有很多頻率特征，并對應著不同故障。例如，一般把頻率帶分為低頻、中頻和高頻部分，低頻部分對應于轉子異常、基礎松動；中頻部分對應于軸承滾道表面損傷、水流激振；高頻部分對應于金屬疲勞、氣流激振等。

大量的振動案例說明，低頻部分振動故障的比例是比較高的，尤其是1N振動，有數據表明，這類故障占到振動故障的30%以上。很多人看到振動頻譜特征主要是1N，會簡單地認為是轉子不平衡，希望通過做動平衡進行解決。結果發現是錯誤的，有的能得到解決，有的效果不明顯，還有的則是處理后效果明顯，然而一段時間后會重復出現等。所以對頻譜特征主要是1N的情況進行更加細致地分類分析研究，對于現場準確查找故障原因，少走彎路，及時解決問題具有現實意義。

二、1N振源幾種類型案例分析與處置

造成1N振動頻譜特征的振源一般有轉子“真”不平衡（靜不平衡、偶不平衡、動不平衡）和轉子“假”不平衡（轉子摩擦：硬摩擦、軟摩擦；轉子積灰：葉輪積灰、葉片積灰；轉子積油：中心孔進油、轉子調節頭進油；共振：轉子共振、基礎共振、轉子靠背輪外圈共振等幾種情況）。轉子“假”不平衡（轉子摩擦、積灰、積油）具有與轉子“真”不平衡同樣的振動原理，即由于轉子上質量不平衡，在轉子旋轉過程中產生一個與轉速一致的循環交變力，導致轉子的周期性振動。但由于上述三類“假”不平衡激振力的不穩定性和不持續性，使它們與真正的轉子不平衡及處置方式有明顯的不同。

1.轉子“真”不平衡及處置

轉子的每一個平面重心與中心都完全重合，轉子是平衡態。轉子不平衡，分為靜不平衡、偶不平衡和動不平衡三種情況。從轉子整體尺寸看重心和中心重合，即轉子處于靜平衡狀態。如果轉子的重心與中心在一個平面中，又不重合，則轉子處于靜不平衡狀態；轉子的重心與中心在兩個或兩個以上平面中，不重合且距離相同、方向相反，則轉子處于偶不平衡狀態；既有靜不平衡又有偶不平衡的情況，叫動不平衡。

現實中由于轉子材料的不均勻性、安裝誤差，以及靜平衡或動平衡的精確性等，轉子出廠時都帶有不同程度的不平衡分量，如果遇到安裝的基礎差、阻尼小、影響系數大等條件，調試轉動時，就會出現較大振動。如某廠#3機組甲吸風機，調試開機振動即達100um，通過現場動平衡，加了800g平衡塊，振動降到20um以內。

另外，由于檢修更換備件質量差、檢修工藝差、檢修人員無轉子平衡的知識等出現低級錯誤，也會出現轉子不平衡情況。如，某電廠供油泵檢修時，更換了一副靠背輪，最后發現新裝的靠背輪里有個很大的氣孔；又如，某廠GGH驅動電機振動大，最終發現是電機后部冷卻風扇損壞后，隨意更換了一個軸孔大一號的風扇，重心偏離所致；再如，某電廠凝泵（立式泵）大修開啟后振動大，動平衡計算，影響系數較大，推算出幾克偏差，即可影響電機上部10多絲，最終查找到彈性柱銷聯軸器里六根柱銷中，有一根柱銷上本應裝4個彈性圈，結果只裝了3個等。通過以上案例可以發現，因為檢修的一些低級錯誤而導致轉機振動異常的事件不在少數，所以，要重視對檢修人員關于轉機平衡意識和知識的培訓，注重對更換部件的檢查，注重檢修的工藝質量。對于平衡要求高的轉子部件更換或檢修時，更要注意質量平衡問題，有的需要配重完成。

轉子檢修組裝后，為防止開啟轉動后產生過大的振動，一般先做一下靜平衡。例如中間儲倉式乏氣送粉的排粉機，由于葉輪磨損大，經常更換上經過防磨處理而出現質量不平衡的舊葉輪。換上后，都會做一次靜平衡。常用的方法是：把一定的重塊（G）鎖在每一個葉片上，用秒表測量重塊從固定高度下滑到自然停運時的時間。最長時間Tl和最短時間Td應該出現在對角上。在測出最長時間的那塊葉片側面焊接平衡重塊，重量g=G（Tl2-Td2）/（Tl2+Td2）。靜平衡處理后，仍然出現振動大或運行中振動大，分析出轉子存在動不平衡，則可以進行動平衡。動平衡自動計算或閃光測振計算，都使用影響系數法。

影響系數法可以理解為：

（1）測取原始不平衡所產生的振動矢量，試加重量后，再測取原始不平衡量和新試加重量共同作用產生的振動矢量。兩次測得的矢量，轉換到一個坐標系中；

（2）兩次振動矢量差是由于試加重量造成的。即試加重量產生了一個振動矢量。矢量大小與試加重量的比值為影響系數的大小。矢量與試加重量的夾角為影響系數的角度。

2.轉子“假”不平衡及處置

轉子假不平衡，是相對于真不平衡來說的。實際上無論是摩擦軸彎曲還是積灰積油，都造成了轉子不平衡，頻譜分析出來的特征也是1N。只不過，真不平衡除了1N特征外，振動值的大小和相位穩定。而摩擦彎曲導致的不平衡，會逐漸自行恢復；積灰積油引起的不平衡，振動值和相位則會出現一定的不穩定性。

（1）轉子摩擦振動。

轉子摩擦是指轉子上運動部件的高點與另一部件發生了相互接觸并摩擦。局部摩擦產生局部發熱，局部發熱導致局部彎曲，局部彎曲造成轉子不平衡振動。有的因為振動大，加劇摩擦，軸進一步彎曲，振動快速增大，導致跳機；有的因為摩擦造成磨損，接觸發熱越來越小，振動逐漸穩定；有的則出現摩擦發熱與散熱達到平衡，振動始終維持在高位運行。前兩種情況，是典型的“硬”摩擦又叫金屬摩擦，隨著摩擦加劇，會快速磨損掉接觸部分，脫離接觸，振動快速下降。后一種叫“軟”摩擦又叫非金屬摩擦，摩擦發熱小、磨損小，但會始終若即若離，振動穩定在高值。

“硬”摩擦，在汽輪機大修后開機時最常見。開機過程中，常會出現振動突然變大，甚至立即跳機的情況。這時候，有經驗的老師傅和技術人員通過聽針和振動信號分析判斷，可能是油檔、軸封齒、汽封齒等與轉子發生金屬碰摩。要讓轉子連續盤動，消除軸的熱彎曲后，再次沖轉，一般也就正常了，也有的要如此沖轉三四次才能穩定。在一些輔機軸瓦（承）端蓋上用金屬齒（銅或鋁合金）密封軸處也會發生類似的“硬”摩擦。

“軟”摩擦，與“硬”摩擦引起振動的機理是相同的。但由于非金屬材料不易磨損的特點，接觸摩擦不容易脫離，導致振動不易下降，而且有時由于振動大小和相位又比較穩定，極易與“真”不平衡相混淆，盲目做動平衡，沒有效果。

常見的軟摩擦有環氧樹脂板摩擦、發電機勵磁或接地碳刷、發電機密封瓦浮動摩擦、汽輪機油檔積碳等幾種情況。

1）環氧樹脂摩擦。有的電機冷卻風扇入口導葉用環氧樹脂做成，如果安裝不注意，與冷卻風扇內口發生摩擦，即會導致電機的振動。

2）發電機勵磁或接地碳刷摩擦。勵磁或接地碳刷都是靠壓緊彈簧讓碳棒接觸軸，在軸高速旋轉時，仍能傳導電流。如果彈簧卡死或失去彈性且碳棒又緊緊頂住軸時，就會使軸上高點發熱，引起軸振。某電廠#5機組#7#8瓦處軸振大，特征同熱彎曲類似。清理調整接地碳刷后，恢復正常；

3）發電機密封瓦摩擦。發電機的密封瓦隨著軸一起旋轉，但轉速遠遠低于發電機的轉速。如果密封瓦的轉速達到設計轉速，產生的發熱量能被潤滑油及時帶走，則軸的局部不會發熱，也就不會引起振動。假如，因為密封瓦變形（橢圓、瓢偏）等導致密封瓦卡澀等，密封瓦轉速與軸轉速的相對轉速差加大，軸上接觸密封瓦部分軸頸的高點發熱必然增加，產生“輕微”熱彎曲，振動增加。

4）汽輪機油檔積碳。汽輪機油檔是為了密封潤滑油的，在密封齒之間一般都會有油積存，如果此處環境溫度較高，即會使油碳化，而不斷堆積，當堆積到一定高度，就會發生與轉軸碰摩，引起振動。由于積碳硬度不同，磨損也不同，振動呈現明顯的不確定性和不穩定性。

“軟”摩擦由于摩擦輕微，磨損小、發熱量小，在不平衡響應系數比較大的軸系中才會引起振動。所以，當遇到立式泵、軸瓦支撐托空等軸系支撐阻尼小的結構時，檢修應當分外小心。該動靜避開的，要增加檢修時工序監測；是彈簧壓緊卡澀的，要經常活動松動；是密封瓦變形卡澀，要加強檢測和檢修質量；是積碳引起的，要降低環境溫度，無碳可積。另外對于浮動油擋、接觸式油檔風擋也會因為“軟”摩擦而出現振動，特別是當不平衡響應系數的結構時，應重點關注。

（2）轉子積灰振動。

在吸風機、增壓風機、排粉風機等一類輸送介質中有粉或灰的轉機中，有時因為結構死區、磨損空隙、檢修不當等造成風機的葉輪、葉片上積灰。一般灰在逐步積到轉動的葉輪上時，是均勻的，轉子也是平衡的，一般不會引起振動。當葉輪、葉片上沉積的灰脫落時，且是不均勻掉落后，則轉子出現了不平衡，振動驟起。想讓沉積的灰自然均勻掉落是不可能的，所以不讓灰沉積到葉輪上才是防止積灰引起振動的最佳辦法。如某電廠排粉機振動飄移。消除的辦法就是利用風壓吹掃積灰部位，避免積灰產生；又如某電廠增壓風機突發性振動。消除的辦法是在葉輪上均勻布置焊接六個小葉片（相當于副葉輪），減少灰進入死區，同時把風機出口風壓引入，用以吹掃積灰部位，避免積灰，消除振動隱患。

還有一個特例，需要關注。風機的葉片如飛機葉片，內部空心。在有灰的介質中運轉，必然存在磨損。當某個葉片磨出縫隙時，即有灰慢慢進入葉片的空心部位，轉子出現不平衡，振動逐漸加劇。單純做動平衡的辦法只能解一時問題，當其他葉片接二連三出現磨損縫隙而進灰時，都會引起轉子不平衡導致振動的變化。所以，對于葉片是機翼型葉片的風機，要多關注葉片迎風面的磨損情況，及時均勻堆焊，防止出現縫隙進灰。

（3）轉子積油振動。

汽輪機轉子空心軸內部和風機調節頭內部空間，可能因為封頭螺栓密封失效，轉子冷熱交變以及調節油泄漏，出現積油。汽輪機中心空進油，在運行過程中隨著轉子溫度的升高，轉子高溫端的油受熱汽化并吸收熱量，再加上油膜在孔壁周圍的厚度不同，熱交換的程度不同，使轉子圓周方向出現溫差；汽化的油在低溫端凝結，釋放熱量，同樣引起轉子的徑向和軸向溫差。

對于汽輪機轉子空心軸積油的處置方案，唯一的辦法就是檢修一次性做好封頭密封；而對于風機調節頭內部積油，則要做到在一個密封圈壽命周期內及時更換，同時在更換時保證密封圈的質量和更換工藝的質量。

3.轉子及基礎共振分析與處置

轉子上總是存在不平衡分量的，當轉速對應的激振1N頻率與轉子、基礎或轉子上的部件出現共振時也會激起大的振動。最常見的當屬汽輪機升降速時的過臨界現象。

另外，汽輪機升降速時，也會出現基礎共振，如某電廠200MW機組的過臨界振動；凝泵電機變頻改造后，也會出現共振現象，如某電廠凝泵改造后，在轉速1300r/min時，出現共振點；低速重載柱銷聯軸器的外圈由于磨損、偏心等也會出現共振現象，如某電廠鋼球磨煤機電機與減速機連接的靠背輪，外圈共振。

汽輪機沖轉，過轉子臨界，都屬于常見情況。因為轉子的工作轉速高于轉子的臨界轉速，工作中都會發生振動異常；汽輪機沖轉過程中基礎發生共振的情況非常少見，應深入查明基礎剛度改變的原因；對于變頻改造的泵而言，由于工作轉速是調節變化的，一旦落入共振頻率，即會引起大的振動。為減少共振引起的振動，有的采取精做動平衡的辦法，有的則在調節特性上，避開共振轉速。對于尼龍柱銷聯軸器的外圈共振，徹底的解決辦法是更換，同時檢修時重點檢查磨損情況，磨損較大就及時更換。

三、1N振源類型之間區別和判別

在進行振動頻譜分析時，如發現主要的成份是1N，也不能輕易采取做動平衡的辦法進行消除，還需要進一步進行區別和判別，真正判別出具體振源，采取有針對性的措施，才能消除振動異常。

1.振動特征區別

（1）“真”不平衡的振動特征：工作狀態下，不受工況變化影響，頻譜1N，振動穩定，相位角穩定；

（2）“硬”摩擦振動的特征：頻譜1N和部分高頻分量，在1000r/min以內的低速部分，有異音，振動突變，升速與降速過程中同樣轉速振動值不對應，相位角有變化；

（3）“軟”摩擦振動特征：頻譜1N，振動不穩定，有時有突變，相位角有時穩定有時不穩有時周期性變化；

（4）轉子葉片或葉輪表面積灰振動特征：頻譜1N，振動不穩定，有時有突變，有時明顯飄移，相位不穩定；

（5）空心葉片積灰振動特征：頻譜1N，振動和相位角短時間穩定，階段性波動；

（6）汽輪機中心空進油振動特征：1N振幅隨時間緩慢增大，時間度量大約是數十分鐘或1～2h。出現的工況一般在定速后空負荷或帶負荷的過程中。隨著開機次數增加，開機時的振動也會越來越大，振動大小和相位不穩定、不重合；

（7）風機調節頭積油振動特征：頻譜1N，振動大小和相位不穩定、不重合，隨著開機次數增加，開機時的振動也會越來越大；

（8）機組轉子和基礎共振特征：頻譜1N，振動值隨轉速增加或減少有明顯的峰值；

（9）尼龍柱銷聯軸器外圈工作轉速共振特征：頻譜1N，振動穩定，相位角穩定，調換聯軸器外圈角度后，相位角改變。

2.分類分析判別

（1）上述第（2）條“硬”摩擦和第（7）條轉子共振或基礎共振，大多發生在汽輪機啟停過程中，比較接近。但“硬”摩擦，一般發生在大修后啟動過程中，且在1000r/min以內的低速部分，啟停幾次，容易消除，而轉子共振或基礎共振則在固定轉速出現明顯的峰值。

（2）上述（4）條轉子葉片或葉輪表面積灰和第（6）、（7）條轉子積油的振動特征比較接近。但轉子葉片或葉輪表面積灰發生振動突變，在運行中也會發生，而轉子積油振動異常，只發生在汽輪機或有動葉調節的風機當中，且振動增大有一個過程。汽輪機開機后數十分鐘或1～2h；風機的振動從長期看更是一個緩慢的過程。

（3）上述第（1）、（3）、（5）、（9）四種情況較難區分。其中第（3）條“軟”摩擦發生時，振動或相位不穩定，比較好剔除。第（1）、（5）、（8）振動特征在一個短時間內完全相同。但第（5）只發生在葉片是空心的風機上，而第（8）只發生在尼龍柱銷聯軸器上。

四、結束語

振動頻譜分析是最常見的分析工具。當發現振動頻譜是1N時，不要盲目地認為振源就是不平衡或其他異常，還要結合其他特征進行細致地甄別判斷。上述分析內容和案例對“同類”振動異常的原理進行了詳細的描述，并為分類分析區別明確了判斷特征，為準確診斷類似故障提供了一些經驗，供參考。

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