旋轉機械工頻類故障振動診斷

孟坤蔭

（寶武裝備智能科技有限公司，上海 201999）

工頻類故障是對旋轉機械進行振動診斷時經常遇見的故障，此類故障的振動頻譜上以轉子旋轉頻率為主，轉子不平衡、基礎松動、不對中、軸彎曲等都會導致振動頻譜上的工頻能量增大，而且旋轉機械設備經常同時存在以上兩種或更多類型的故障。進行振動診斷時需要綜合考慮振動時域波形、頻譜特征，振動的方向性，振動特征在不同工況下的變化以及設備結構特點等，才能找到振源，準確定位故障原因。

1 工頻類故障振動診斷

文章主要針對剛性轉子系統的工頻類故障進行研究，即工作轉速在一階臨界轉速以下的轉子系統。對旋轉機械工頻類故障實施振動診斷前，首先要結合設備結構特點選擇振動檢測點，測點布置盡可能反映出旋轉機械整個軸系的振動大小分布情況。大多數故障所激發的振動發生在轉軸的橫向平面和軸向平面，通常采集垂直、水平、軸向三個方向的振動波形數據，根據振動診斷的需要在不同的工況下進行多次振動測試。然后分析振動時域波形、頻譜和相位，查看時域波形有無沖擊，確定振動頻譜里出現的各頻率成分與工頻之間的關系是工頻的整數倍還是其他，找出各頻率成分之間的大小比例關系。相位分析可以反映出設備的振動形式，是區分工頻類故障的有效手段。

（1）轉子不平衡是由于轉子質心與旋轉中心不重合而產生不平衡交變的力，引起的振動會影響整個軸系。在工況穩定的情況下振動幅值和相位穩定，振動幅值與轉速的平方成正比，隨著轉速升高振動幅值變大，振動幅值不隨負荷的增大而增大，在測試條件允許的情況下，通過改變轉速和負載，查看振動瀑布圖上的工頻能量變化情況，可以作為判斷轉子不平衡的重要依據。通常徑向振動遠大于軸向振動，但對于懸臂轉子，當轉子不平衡是主要故障時，軸向振動幅值可能會達到和徑向振動相當的程度甚至超過徑向振動。由于在水平方向和垂直方向上的設備剛度不同，一般水平方向振動大于垂直方向振動；時域波形近似正弦波，但由于松動、噪聲等其他振動信號的影響，實際的時域波形信號不會是標準的正弦波；振動頻譜上以轉頻為主，頻譜中轉頻能量占總能量的一半以上，如果只存在轉子不平衡故障，轉頻能量可占總能量的80%以上；同一軸承垂直方向與水平方向的振動相位差接近90°，轉子兩端支撐軸承水平方向相位差與兩端支撐軸承垂直方向相位差接近[1]。新轉子出現轉子不平衡問題多和制造時幾何尺寸不同心、材質不均相關，轉子上線運行一段時間后出現不平衡問題，通常是由于轉子運轉環境有液、固雜質或腐蝕，使轉子不對稱磨損或產生不對稱沉積[2]。

（2）各轉子中心線沒有處在同一直線上時會造成軸系不對中，不對中的原因有安裝誤差、溫度變化熱變形、基礎沉降不均等。不對中轉子在旋轉中會產生附加徑向力和附加軸向力，使轉子產生異常振動。角度不對中主要引起軸向振動，振動頻譜上以轉頻為主，也有二倍轉頻和三倍轉頻出現，二倍轉頻幅值高低常取決于聯軸器的類型和結構。不對中越嚴重，聯軸器兩側相位差越接近180°，若只有不對中故障，沒有其他故障共存，聯軸器兩側相位差也越接近180°。雖然振動大小和不對中的嚴重程度有關，但并不是直接的比例關系，同時也受運轉速度、扭矩等影響，不對中故障對轉子的激勵力隨轉速的升高而變大。

（3）基礎類松動或剛度不足故障指系統結合面存在間隙或連接剛度不足，造成機械阻尼偏低，機組振動變大，振動頻譜中以工頻為主，振動具有方向性。對于此類故障的振動測試，除了在轉子支撐軸承上布置測點之外，還應下移到設備底腳、基礎平板和混凝土基礎上，比較不同位置在工頻處的振動幅值和相位。

由于設備結構、剛度等不同，同一種故障類型表現出的振動特征會有變化，而且設備會出現多種故障共存，如不平衡故障常常還伴有不對中、松動等，這幾類故障都會引起工頻能量上升，在振動診斷中一定要綜合分析。

2 工程實例

2.1 不對中

某廠卷取機設備結構如圖1所示。卷取芯軸與外支承接上的軸承座通過聯接螺栓進行聯接，運行狀態下設備負載持續變化，巡檢發現設備在運轉過程中有異音出現。

圖1 卷取機設備結構簡圖

在外支承上的軸承座采集水平、垂直、軸向三個方向的振動信號，軸向振動明顯大于水平方向和垂直方向的振動，且軸向振動隨卷取負荷變化而變化，卷取負荷變大，振幅升高。軸向振動頻譜以轉頻為主，高次諧波分量小。結合設備結構分析認為，卷取芯軸與外支承軸承座的相對位置和配合間隙調整不當，存在不對中故障，芯軸與外支承軸承座之間存在一個彎矩，芯軸每旋轉一周，彎矩作用方向交變一次，彎矩施加于聯接螺栓的彎曲變形每周也變化一次，由此引起工頻振動。解體檢查發現有聯接螺栓斷裂，調整芯軸與外支承軸承座的相對位置和配合間隙并更換聯接螺栓后，軸承座振動明顯下降。

2.2 基礎剛度差

某廠鍋爐給水泵電機振動異常，對電機兩側軸承的垂直、水平、軸向進行振動測試，電機負荷側軸承三個方向的振動速度有效值都小于1mm/s，電機自由側軸承振動速度有效值如表1所示。電機自由側垂直方向振動幅值明顯大于水平方向和軸向的振動幅值，電機自由側垂直方向振動波形類正弦波，頻譜上以電機轉頻為主，如圖2所示。

表1 電機自由側軸承振動值 單位：mm/s

圖2 電機自由側垂直方向振動頻譜

沿電機軸線對電機安裝基板上的多個測點在垂直方向進行振動測試，測試結果表明安裝基板上振動分布不均勻，越靠近自由側軸承支撐處振動越大，設備底腳和基礎平板之間無相對運動。綜合分析認為，電機自由側軸承底角處支撐剛度不足，建議加固自由側軸承底部支撐。采取臨時措施加固底部支撐后，設備振動速度有效值下降明顯，如表1所示。電機自由側底部支撐加固圖如圖3所示。

2.3 轉子失衡

某廠蒸汽排放風機振動速度有效值嚴重超標，風機非電機側水平方向振動速度有效值達到18.83mm/s，振動測試數據如表2所示。風機兩測點的徑向振動幅值大于軸向，軸向振動幅值約為水平方向振動幅值的1/3。各測點時域波形類正弦波、無沖擊，振動頻譜中能量集中于轉頻，高次諧波分量很小，如圖4所示。風機軸承座及安裝基礎均無松動，且該風機轉子投入運行時間很短，振動并非緩慢上升。分析認為振動增大的主要原因是風機轉子平衡突然遭到破壞，屬于突發不平衡，需要檢查轉子上是否有異物脫落或者葉片開裂。停機檢查發現風機葉輪有葉片開裂。

圖3 電機自由側底部支撐加固圖

表2 蒸汽排放風機測試數據 單位：mm/s

圖4 風機電機側水平方向時域波形和頻譜

3 結論

文章通過轉子不平衡、基礎剛度不足、不對中等常見工頻故障實例，討論了旋轉機械工頻類故障的振動診斷方法，綜合振動信號的時、頻域振動特征以及設備結構等方面找出振源，為旋轉機械工頻類故障振動診斷提供了一定的實踐基礎。