原理

圖1 轉子不平衡

不平衡是指旋轉機械的轉子部件質心相對於旋轉軸的軸心發生偏心。

出現不平衡的原因包括：轉子的機械損傷或污染物堆積，軸彎曲或軸孔偏離中心、齒輪的機械損傷等。

頻譜圖

圖2 不平衡頻譜圖

描述

不平衡轉子的振動信號，其時間波形和頻譜圖一般具有如下典型特徵：

1）原始時域波形的形狀接近一個純正弦波。

2) 振動信號的頻譜圖中，諧波能量主要是集中在轉子的工作頻率(1X)上，即基頻振動成分所佔的比例很大，而其它倍頻成分所佔的比例相對較小。

3) 在升降速過程中，當轉速低於臨界轉速時，振幅隨轉速的增加而上升。當轉速越過臨界轉速之後，振幅隨轉速的增加反而減小，並趨向於一個較小的穩定值。當轉速等於或接近臨界轉速時，轉子會產生共振，此時振幅具有最大峯值。

4) 當工作轉速一定時，振動的相位穩定。

5) 轉子的軸心軌跡圖呈橢圓形。

6) 轉子的渦動特徵爲同步正進動。

7) 純靜不平衡時支承轉子的兩個軸承同一方向的振動相位相同，而純力偶不平衡時支承轉子的兩個軸承振動呈反相，即相位差180°。但實際轉子一般既存在一定的靜不平衡，又存在一定的力偶不平衡(即存在動不平衡)，此時支承轉子的兩個軸承同一方向振動相位差一般在0-180°之間變化。

8) 在外伸轉子不平衡情況下可能會產生很大的軸向振動。在轉子外伸端不平衡時，支承轉子的兩軸承的軸向振動相位相同。

9) 因介質不均勻結垢時，工頻幅值和相位是緩慢變化的。

診斷實例

案例1 某大型離心式壓縮機組蒸汽透平經檢修更換轉子後，機組啓動時發生強烈振動。壓縮機兩端軸承處徑向振幅達到報警值，機器不能正常運行。主要振動特徵如圖3所示。

圖3 壓縮機振動特徵

由圖可見：

1）振動大小隨轉速升降變化明顯；

2）時域波形爲正弦波；

3）軸心軌進爲橢圓；

4）振動相位穩定，爲同步正進動；

5）頻譜中能量集中於1X頻，有突出的鋒值，高次諧波分量較小。

診斷意見：

根據以上振動特徵，壓縮機發生強烈振動的原因是轉子不平衡造成的。檢查該轉子的庫存記錄，發現庫存時間較長，因轉子較重，保管員未按規定週期盤轉，初步斷定是轉子動平衡不良造成的。

處理措施：

機組故障是由於轉子不平衡，短期內不會迅速惡化。考慮到化工生產工藝流程不能中斷，經研究決定實施監護運行。

生產驗證：

在加強監測的前提下維持運行，其振動趨勢穩定。維持運行一個大修週期(18個月)後，大修時更換轉子並送專業廠檢查，發現動平衡嚴重超標。

案例2 某52萬噸年尿素裝置CO2壓縮機組低壓缸轉子，大修後開車振動值正常，但在線監測系統發現其振動值有逐步增大的趨勢。其時域波形爲正弦波，頻譜以1X頻爲主，分析其矢量域圖，相位有緩慢變化的現象。如下圖：

圖4 CO2壓縮機漸變不平衡振動特徵

診斷意見：

經過兩個月連續觀測，根據其振動特徵，對照本文所述對幾類不平衡故障的甄別方法，判定其故障爲漸變不平衡，是由於轉子流道結垢或局部腐蝕造成。

處理措施：

漸變不平衡短期內不會迅速惡化，若中斷生產將會導致巨大的經濟損失，因此決定利用在線監測系統監護其運行，待大修時再做處理。

生產驗證：

6個月後工廠年度大修，更換轉子後在機修車間檢查，轉子並不彎曲。目測無結垢和腐蝕現象，一度對故障診斷結論提出了懷疑。但送專業廠拆卸檢查後發現，一軸套內側（不拆卸轉子時看不到）發生局部嚴重腐蝕，導致轉子不平衡質量逐漸增大。