原理

图1 转子不平衡

不平衡是指旋转机械的转子部件质心相对于旋转轴的轴心发生偏心。

出现不平衡的原因包括：转子的机械损伤或污染物堆积，轴弯曲或轴孔偏离中心、齿轮的机械损伤等。

频谱图

图2 不平衡频谱图

描述

不平衡转子的振动信号，其时间波形和频谱图一般具有如下典型特征：

1）原始时域波形的形状接近一个纯正弦波。

2) 振动信号的频谱图中，谐波能量主要是集中在转子的工作频率(1X)上，即基频振动成分所占的比例很大，而其它倍频成分所占的比例相对较小。

3) 在升降速过程中，当转速低于临界转速时，振幅随转速的增加而上升。当转速越过临界转速之后，振幅随转速的增加反而减小，并趋向于一个较小的稳定值。当转速等于或接近临界转速时，转子会产生共振，此时振幅具有最大峰值。

4) 当工作转速一定时，振动的相位稳定。

5) 转子的轴心轨迹图呈椭圆形。

6) 转子的涡动特征为同步正进动。

7) 纯静不平衡时支承转子的两个轴承同一方向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支承转子的两个轴承振动呈反相，即相位差180°。但实际转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的力偶不平衡(即存在动不平衡)，此时支承转子的两个轴承同一方向振动相位差一般在0-180°之间变化。

8) 在外伸转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支承转子的两轴承的轴向振动相位相同。

9) 因介质不均匀结垢时，工频幅值和相位是缓慢变化的。

诊断实例

案例1 某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。主要振动特征如图3所示。

图3 压缩机振动特征

由图可见：

1）振动大小随转速升降变化明显；

2）时域波形为正弦波；

3）轴心轨进为椭圆；

4）振动相位稳定，为同步正进动；

5）频谱中能量集中于1X频，有突出的锋值，高次谐波分量较小。

诊断意见：

根据以上振动特征，压缩机发生强烈振动的原因是转子不平衡造成的。检查该转子的库存记录，发现库存时间较长，因转子较重，保管员未按规定周期盘转，初步断定是转子动平衡不良造成的。

处理措施：

机组故障是由于转子不平衡，短期内不会迅速恶化。考虑到化工生产工艺流程不能中断，经研究决定实施监护运行。

生产验证：

在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定。维持运行一个大修周期(18个月)后，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2 某52万吨年尿素装置CO2压缩机组低压缸转子，大修后开车振动值正常，但在线监测系统发现其振动值有逐步增大的趋势。其时域波形为正弦波，频谱以1X频为主，分析其矢量域图，相位有缓慢变化的现象。如下图：

图4 CO2压缩机渐变不平衡振动特征

诊断意见：

经过两个月连续观测，根据其振动特征，对照本文所述对几类不平衡故障的甄别方法，判定其故障为渐变不平衡，是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成。

处理措施：

渐变不平衡短期内不会迅速恶化，若中断生产将会导致巨大的经济损失，因此决定利用在线监测系统监护其运行，待大修时再做处理。

生产验证：

6个月后工厂年度大修，更换转子后在机修车间检查，转子并不弯曲。目测无结垢和腐蚀现象，一度对故障诊断结论提出了怀疑。但送专业厂拆卸检查后发现，一轴套内侧（不拆卸转子时看不到）发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大。