轉(zhuǎn)動設(shè)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(yīng)的可能振動源，結(jié)合理論與實際案例進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)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(jié)果可供理論工作者和現(xiàn)場工程技術(shù)人員借鑒運用。

轉(zhuǎn)動設(shè)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(xiàn)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(dāng)檢測分析發(fā)現(xiàn)振動的頻率與轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速所對應(yīng)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(jìn)行頻譜分析，會發(fā)現(xiàn)有很多頻率特征，并對應(yīng)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(yīng)于轉(zhuǎn)子異常、基礎(chǔ)松動；中頻部分對應(yīng)于軸承滾道表面損傷、水流激振；高頻部分對應(yīng)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(shù)據(jù)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(rèn)為是轉(zhuǎn)子不平衡，希望通過做動平衡進(jìn)行解決。結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(fù)出現(xiàn)等。所以對頻譜特征主要是1N的情況進(jìn)行更加細(xì)致地分類分析研究，對于現(xiàn)場準(zhǔn)確查找故障原因，少走彎路，及時解決問題具有現(xiàn)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(zhuǎn)子“真”不平衡（靜不平衡、偶不平衡、動不平衡）和轉(zhuǎn)子“假”不平衡（轉(zhuǎn)子摩擦：硬摩擦、軟摩擦；轉(zhuǎn)子積灰：葉輪積灰、葉片積灰；轉(zhuǎn)子積油：中心孔進(jìn)油、轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)頭進(jìn)油；共振：轉(zhuǎn)子共振、基礎(chǔ)共振、轉(zhuǎn)子靠背輪外圈共振等幾種情況）。轉(zhuǎn)子“假”不平衡（轉(zhuǎn)子摩擦、積灰、積油）具有與轉(zhuǎn)子“真”不平衡同樣的振動原理，即由于轉(zhuǎn)子上質(zhì)量不平衡，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速一致的循環(huán)交變力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的周期性振動。但由于上述三類“假”不平衡激振力的不穩(wěn)定性和不持續(xù)性，使它們與真正的轉(zhuǎn)子不平衡及處置方式有明顯的不同。

1.轉(zhuǎn)子“真”不平衡及處置

轉(zhuǎn)子的每一個平面重心與中心都完全重合，轉(zhuǎn)子是平衡態(tài)。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子整體尺寸看重心和中心重合，即轉(zhuǎn)子處于靜平衡狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)子的重心與中心在一個平面中，又不重合，則轉(zhuǎn)子處于靜不平衡狀態(tài)；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子處于偶不平衡狀態(tài)；既有靜不平衡又有偶不平衡的情況，叫動不平衡。

現(xiàn)實中由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)差、阻尼小、影響系數(shù)大等條件，調(diào)試轉(zhuǎn)動時，就會出現(xiàn)較大振動。如某廠#3機(jī)組甲吸風(fēng)機(jī)，調(diào)試開機(jī)振動即達(dá)100um，通過現(xiàn)場動平衡，加了800g平衡塊，振動降到20um以內(nèi)。

另外，由于檢修更換備件質(zhì)量差、檢修工藝差、檢修人員無轉(zhuǎn)子平衡的知識等出現(xiàn)低級錯誤，也會出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)新裝的靠背輪里有個很大的氣孔；又如，某廠GGH驅(qū)動電機(jī)振動大，最終發(fā)現(xiàn)是電機(jī)后部冷卻風(fēng)扇損壞后，隨意更換了一個軸孔大一號的風(fēng)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(shù)較大，推算出幾克偏差，即可影響電機(jī)上部10多絲，最終查找到彈性柱銷聯(lián)軸器里六根柱銷中，有一根柱銷上本應(yīng)裝4個彈性圈，結(jié)果只裝了3個等。通過以上案例可以發(fā)現(xiàn)，因為檢修的一些低級錯誤而導(dǎo)致轉(zhuǎn)機(jī)振動異常的事件不在少數(shù)，所以，要重視對檢修人員關(guān)于轉(zhuǎn)機(jī)平衡意識和知識的培訓(xùn)，注重對更換部件的檢查，注重檢修的工藝質(zhì)量。對于平衡要求高的轉(zhuǎn)子部件更換或檢修時，更要注意質(zhì)量平衡問題，有的需要配重完成。

轉(zhuǎn)子檢修組裝后，為防止開啟轉(zhuǎn)動后產(chǎn)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(jī)，由于葉輪磨損大，經(jīng)常更換上經(jīng)過防磨處理而出現(xiàn)質(zhì)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(yīng)該出現(xiàn)在對角上。在測出最長時間的那塊葉片側(cè)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(xiàn)振動大或運行中振動大，分析出轉(zhuǎn)子存在動不平衡，則可以進(jìn)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(shù)法。

影響系數(shù)法可以理解為：

（1）測取原始不平衡所產(chǎn)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(chǎn)生的振動矢量。兩次測得的矢量，轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)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(chǎn)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(shù)的大小。矢量與試加重量的夾角為影響系數(shù)的角度。

2.轉(zhuǎn)子“假”不平衡及處置

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)定。而摩擦彎曲導(dǎo)致的不平衡，會逐漸自行恢復(fù)；積灰積油引起的不平衡，振動值和相位則會出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定性。

（1）轉(zhuǎn)子摩擦振動。

轉(zhuǎn)子摩擦是指轉(zhuǎn)子上運動部件的高點與另一部件發(fā)生了相互接觸并摩擦。局部摩擦產(chǎn)生局部發(fā)熱，局部發(fā)熱導(dǎo)致局部彎曲，局部彎曲造成轉(zhuǎn)子不平衡振動。有的因為振動大，加劇摩擦，軸進(jìn)一步彎曲，振動快速增大，導(dǎo)致跳機(jī)；有的因為摩擦造成磨損，接觸發(fā)熱越來越小，振動逐漸穩(wěn)定；有的則出現(xiàn)摩擦發(fā)熱與散熱達(dá)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(fā)熱小、磨損小，但會始終若即若離，振動穩(wěn)定在高值。

“硬”摩擦，在汽輪機(jī)大修后開機(jī)時最常見。開機(jī)過程中，常會出現(xiàn)振動突然變大，甚至立即跳機(jī)的情況。這時候，有經(jīng)驗的老師傅和技術(shù)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(zhuǎn)子發(fā)生金屬碰摩。要讓轉(zhuǎn)子連續(xù)盤動，消除軸的熱彎曲后，再次沖轉(zhuǎn)，一般也就正常了，也有的要如此沖轉(zhuǎn)三四次才能穩(wěn)定。在一些輔機(jī)軸瓦（承）端蓋上用金屬齒（銅或鋁合金）密封軸處也會發(fā)生類似的“硬”摩擦。

“軟”摩擦，與“硬”摩擦引起振動的機(jī)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(dǎo)致振動不易下降，而且有時由于振動大小和相位又比較穩(wěn)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(huán)氧樹脂板摩擦、發(fā)電機(jī)勵磁或接地碳刷、發(fā)電機(jī)密封瓦浮動摩擦、汽輪機(jī)油檔積碳等幾種情況。

1）環(huán)氧樹脂摩擦。有的電機(jī)冷卻風(fēng)扇入口導(dǎo)葉用環(huán)氧樹脂做成，如果安裝不注意，與冷卻風(fēng)扇內(nèi)口發(fā)生摩擦，即會導(dǎo)致電機(jī)的振動。

2）發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)時，仍能傳導(dǎo)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(fā)熱，引起軸振。某電廠#5機(jī)組#7#8瓦處軸振大，特征同熱彎曲類似。清理調(diào)整接地碳刷后，恢復(fù)正常；

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

4）汽輪機(jī)油檔積碳。汽輪機(jī)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(huán)境溫度較高，即會使油碳化，而不斷堆積，當(dāng)堆積到一定高度，就會發(fā)生與轉(zhuǎn)軸碰摩，引起振動。由于積碳硬度不同，磨損也不同，振動呈現(xiàn)明顯的不確定性和不穩(wěn)定性。

“軟”摩擦由于摩擦輕微，磨損小、發(fā)熱量小，在不平衡響應(yīng)系數(shù)比較大的軸系中才會引起振動。所以，當(dāng)遇到立式泵、軸瓦支撐托空等軸系支撐阻尼小的結(jié)構(gòu)時，檢修應(yīng)當(dāng)分外小心。該動靜避開的，要增加檢修時工序監(jiān)測；是彈簧壓緊卡澀的，要經(jīng)?；顒铀蓜?；是密封瓦變形卡澀，要加強檢測和檢修質(zhì)量；是積碳引起的，要降低環(huán)境溫度，無碳可積。另外對于浮動油擋、接觸式油檔風(fēng)擋也會因為“軟”摩擦而出現(xiàn)振動，特別是當(dāng)不平衡響應(yīng)系數(shù)的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)重點關(guān)注。

（2）轉(zhuǎn)子積灰振動。

在吸風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)等一類輸送介質(zhì)中有粉或灰的轉(zhuǎn)機(jī)中，有時因為結(jié)構(gòu)死區(qū)、磨損空隙、檢修不當(dāng)?shù)仍斐娠L(fēng)機(jī)的葉輪、葉片上積灰。一般灰在逐步積到轉(zhuǎn)動的葉輪上時，是均勻的，轉(zhuǎn)子也是平衡的，一般不會引起振動。當(dāng)葉輪、葉片上沉積的灰脫落時，且是不均勻掉落后，則轉(zhuǎn)子出現(xiàn)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(jī)振動飄移。消除的辦法就是利用風(fēng)壓吹掃積灰部位，避免積灰產(chǎn)生；又如某電廠增壓風(fēng)機(jī)突發(fā)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(dāng)于副葉輪），減少灰進(jìn)入死區(qū)，同時把風(fēng)機(jī)出口風(fēng)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(guān)注。風(fēng)機(jī)的葉片如飛機(jī)葉片，內(nèi)部空心。在有灰的介質(zhì)中運轉(zhuǎn)，必然存在磨損。當(dāng)某個葉片磨出縫隙時，即有灰慢慢進(jìn)入葉片的空心部位，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)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(dāng)其他葉片接二連三出現(xiàn)磨損縫隙而進(jìn)灰時，都會引起轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致振動的變化。所以，對于葉片是機(jī)翼型葉片的風(fēng)機(jī)，要多關(guān)注葉片迎風(fēng)面的磨損情況，及時均勻堆焊，防止出現(xiàn)縫隙進(jìn)灰。

（3）轉(zhuǎn)子積油振動。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸內(nèi)部和風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)頭內(nèi)部空間，可能因為封頭螺栓密封失效，轉(zhuǎn)子冷熱交變以及調(diào)節(jié)油泄漏，出現(xiàn)積油。汽輪機(jī)中心空進(jìn)油，在運行過程中隨著轉(zhuǎn)子溫度的升高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子圓周方向出現(xiàn)溫差；汽化的油在低溫端凝結(jié)，釋放熱量，同樣引起轉(zhuǎn)子的徑向和軸向溫差。

對于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)頭內(nèi)部積油，則要做到在一個密封圈壽命周期內(nèi)及時更換，同時在更換時保證密封圈的質(zhì)量和更換工藝的質(zhì)量。

3.轉(zhuǎn)子及基礎(chǔ)共振分析與處置

轉(zhuǎn)子上總是存在不平衡分量的，當(dāng)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的激振1N頻率與轉(zhuǎn)子、基礎(chǔ)或轉(zhuǎn)子上的部件出現(xiàn)共振時也會激起大的振動。最常見的當(dāng)屬汽輪機(jī)升降速時的過臨界現(xiàn)象。

另外，汽輪機(jī)升降速時，也會出現(xiàn)基礎(chǔ)共振，如某電廠200MW機(jī)組的過臨界振動；凝泵電機(jī)變頻改造后，也會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，如某電廠凝泵改造后，在轉(zhuǎn)速1300r/min時，出現(xiàn)共振點；低速重載柱銷聯(lián)軸器的外圈由于磨損、偏心等也會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，如某電廠鋼球磨煤機(jī)電機(jī)與減速機(jī)連接的靠背輪，外圈共振。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，過轉(zhuǎn)子臨界，都屬于常見情況。因為轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，工作中都會發(fā)生振動異常；汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中基礎(chǔ)發(fā)生共振的情況非常少見，應(yīng)深入查明基礎(chǔ)剛度改變的原因；對于變頻改造的泵而言，由于工作轉(zhuǎn)速是調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)特性上，避開共振轉(zhuǎn)速。對于尼龍柱銷聯(lián)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(qū)別和判別

在進(jìn)行振動頻譜分析時，如發(fā)現(xiàn)主要的成份是1N，也不能輕易采取做動平衡的辦法進(jìn)行消除，還需要進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)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(qū)別

（1）“真”不平衡的振動特征：工作狀態(tài)下，不受工況變化影響，頻譜1N，振動穩(wěn)定，相位角穩(wěn)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(nèi)的低速部分，有異音，振動突變，升速與降速過程中同樣轉(zhuǎn)速振動值不對應(yīng)，相位角有變化；

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

（4）轉(zhuǎn)子葉片或葉輪表面積灰振動特征：頻譜1N，振動不穩(wěn)定，有時有突變，有時明顯飄移，相位不穩(wěn)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(wěn)定，階段性波動；

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

（7）風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)頭積油振動特征：頻譜1N，振動大小和相位不穩(wěn)定、不重合，隨著開機(jī)次數(shù)增加，開機(jī)時的振動也會越來越大；

（8）機(jī)組轉(zhuǎn)子和基礎(chǔ)共振特征：頻譜1N，振動值隨轉(zhuǎn)速增加或減少有明顯的峰值；

（9）尼龍柱銷聯(lián)軸器外圈工作轉(zhuǎn)速共振特征：頻譜1N，振動穩(wěn)定，相位角穩(wěn)定，調(diào)換聯(lián)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(zhuǎn)子共振或基礎(chǔ)共振，大多發(fā)生在汽輪機(jī)啟停過程中，比較接近。但“硬”摩擦，一般發(fā)生在大修后啟動過程中，且在1000r/min以內(nèi)的低速部分，啟停幾次，容易消除，而轉(zhuǎn)子共振或基礎(chǔ)共振則在固定轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯的峰值。

（2）上述（4）條轉(zhuǎn)子葉片或葉輪表面積灰和第（6）、（7）條轉(zhuǎn)子積油的振動特征比較接近。但轉(zhuǎn)子葉片或葉輪表面積灰發(fā)生振動突變，在運行中也會發(fā)生，而轉(zhuǎn)子積油振動異常，只發(fā)生在汽輪機(jī)或有動葉調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)當(dāng)中，且振動增大有一個過程。汽輪機(jī)開機(jī)后數(shù)十分鐘或1～2h；風(fēng)機(jī)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(qū)分。其中第（3）條“軟”摩擦發(fā)生時，振動或相位不穩(wěn)定，比較好剔除。第（1）、（5）、（8）振動特征在一個短時間內(nèi)完全相同。但第（5）只發(fā)生在葉片是空心的風(fēng)機(jī)上，而第（8）只發(fā)生在尼龍柱銷聯(lián)軸器上。

四、結(jié)束語

振動頻譜分析是最常見的分析工具。當(dāng)發(fā)現(xiàn)振動頻譜是1N時，不要盲目地認(rèn)為振源就是不平衡或其他異常，還要結(jié)合其他特征進(jìn)行細(xì)致地甄別判斷。上述分析內(nèi)容和案例對“同類”振動異常的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并為分類分析區(qū)別明確了判斷特征，為準(zhǔn)確診斷類似故障提供了一些經(jīng)驗，供參考。

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