旋转机械振动的故障分析
摘要：近年来，随着旋转机械向大型化方向发展，振动分析中的一些概念正在不断深入。本文对旋转机械振动故障进行了分析，主要介绍了强迫振动中的支撑系统刚度不足引发的振动故障分析、动静部件摩擦引起的振动故障分析以及自激振动中的油膜震荡故障分析和汽流激振故障分析，阐述了其故障机理、故障特征及故障治理方法。关键词：故障分析;旋转机械振动;强迫振动;自激振动
中图分类号：F407.47
1.引言
汽轮机、发电机、燃气轮机、压电机、泵等都属于旋转机械，是电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后，大多会带来经济损失。振动在设备故障中占了很大的比重，是影响安全、稳定运行的重要因素。振动又是设备的“体温计”，直接反应了设备的健康状况，是设备安全评估的重要指标。
振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在：振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏;振动过大将会造成通流部分摩擦，严重时将会导致大轴弯曲;振动过大还将使部件承受大幅度交变应力，容易造成转子、连结螺栓、管道、地基等的损坏。因此，分析旋转机械振动产生故障的原因，研究其解决方法具有非常重要的意义。
2.旋转机械振动的分析基础
振动是一个动态量。振动量按正弦或余弦函数规律周期性变化，可以写为：
其中，A为振幅，为初始相位，ω为角频率，T为周期。
振动分析的三要素：幅值、频率和相位。不管振动信号多么复杂，都课可以将其分解为不同频率、幅值和相位的简谐分量的合成。
采用信号分析理论中的快速傅里叶变换可以很方便的求出复杂振动信号所含频率分量的幅值和相位。目前频谱分析已成为振动故障诊断领域的最基本工具。频谱分析的作用可以概括为以下两点：
(1)不用故障所对应的频率不同。
(2)多种故障的频率特征具有很强的相似性，频率特征并不是故障诊断的充分条件。
3.旋转机械强迫振动的故障分析
振动系统中阻尼总是客观存在的。系统要维持振动，必须有能量不断输送给振动系统、如果维持振动的能量是由外界激振力提供的，那么这种振动成为强迫振动。如果维持振动的能量是由系统自身运动提供的，那么这种振动就成为自激振动。旋转机械振动故障从性质上可以分为强迫振动和自激振动两大类。
旋转机械常见故障中属于强迫振动的有转子不平衡、热弯曲、不对中、电磁激振、共振、摩擦等。
3.1支撑系统刚度不足引发的振动故障分析
连接刚度和结构刚度是影响支撑系统刚度的两个主要因素。例如，当大型汽轮发电机组低压排气缸刚度不足时，经常会造成位于其上的轴承出现较大振动。在工作转速下，结构共振实际上也是由于结构刚度不足引起的。
解决这类振动，理论上应该改进设计，提高刚度，通过调频仿佛避开共振区。但是，受现场条件限制，对于重达几十吨到上百吨的部件而言，大幅度提高结构刚度很困难。由于所有转速下的振动幅值都是与不平衡成正比的，共振转速下，动刚度很小，振动对不平衡力变化较其他转速更为敏感。不平衡力稍许减小，振动即可能大幅度减小。因此运行中结构部件即使出现共振，通过精细动平衡，减小转子上的激振力，也可以取得比较好的减振效果。国内多台机组的实践表明，出现结构共振故障后，仅改变支撑刚度往往是不够的，大多需要调整转子动平衡。
3.2动静部件摩擦引起的振动故障分析
为了减小漏汽，大型旋转机械动静间隙通常设计的很小，在安装、检修和运行中稍有不慎就可能发生动静摩擦。摩擦故障可引起力冲击效应和热冲击效应。力冲击效应：对于摩擦力较大或者较轻的转子，动静部件摩擦时，转轴表面会受到摩擦力的冲击作用，可能激发转子自由振动响应。热冲击效应：摩擦时会产生高温，重摩擦的稳定高于轻摩擦侧，摩擦不均匀将会导致转子表面温度分布不均匀，引起转子热变形。
摩擦故障特征：
(1)受摩擦力冲击效应影响，振动波形和轴心轨迹上将会出现毛刺、削波等畸变。
(2)受摩擦热冲击效应影响，转轴产生热变形。
(3)摩擦程度较轻时，振动幅值和相位具有波动特性。
摩擦故障的处理方法：
(1)采用摩擦方法扩大动静间隙。
(2)减小转轴振动、晃度和外界干扰。
(3)通过标高调整、改变动静间隙和轴颈中心位置。
4.旋转机械自激振动故障分析
4.1.旋转机械油膜震荡故障分析
油膜轴承工作原理：静止状态下轴颈位于轴承正下方，转子旋转时，轴颈将向旋转方向偏移。轴承内的空气分为收敛油楔区和发散油楔区。在收敛油楔区内，润滑油由大截面流向小截面，产生正压力，在发散油楔区，油压为零。润滑油压合成后，会产生一个向上的力将转子支撑起来。
油膜震荡故障机理分析：油膜震荡故障大所发生在机组启动升速和超速试验过程中。当机组升到一定转速时，转子产生涡动，涡动频率等于转动频率的一半。随着转速的升高，涡动频率随之升高，但始终保持等于转动频率的一半。当转速升到临界转速附近时，油膜半速涡动重新出现。转速升至两倍临界转速时，涡动频率与转子固有频率重合，产生共振，油膜涡动发展为油膜震荡。由此可见，只有当转速大于两倍转子固有频率时，才有可能发生油膜振荡故障，同时还与系统稳定性、阻尼等其它因素有关。
油膜振荡故障特征：
(1)振动频率始终等于转子系统固有频率，不随转速的变化而变化。
(2)油膜振荡之前，振动以工频分量为主。振动突变后，低频分量逐渐成为主要频率成分。
(3)振动具有幅值大和突发性双重特性。
(4)只有当转速大于两倍转子临界转速后，才可能发生油膜振荡。
油膜振荡故障治理方法：
(1)减小外界扰动。
(2)更换轴承形式。
(3)改进轴承工作状况。
4.2旋转机械汽流激振故障分析
汽流激振故障的理论和试验研究比油膜振荡故障复杂。
汽流激振力的来源：
(1)叶顶间隙不均匀产生的激振力。
(2)密封间隙不均匀产生的激振力。
(3)部分进汽和转子偏心等因素产生的静态气流力。
汽流激振故障特征：
(1)对负荷变化较敏感。
(2)汽流激振引起的振动与调节阀门开启顺序和开度等有一定关联。
(3)汽流激振引起的振动具有突发性。
(4)蒸汽参数越高，汽流激振力越大。
汽流激振故障治理方法：
(1)改进汽封设计。
(2)优化调节阀开启顺序。
(3)减少转子与汽缸之间的偏心。
(4)采取反漩流措施。
5.总结
(1)本文简单介绍了旋转机械振动的分析基础，包括相关概念和振动传感器的简介。
(2)本文对简单地对旋转机械的强迫振动和自激振动的故障作出分析，通过建立振动的故障模型，分析其故障机理和特性，提出了相应的解决方法。
(3)关于振动的故障分析还需要进一步完善其知识体系，如设备知识的传递函数、模态分析及转子动力学等。
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