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(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行振動(dòng)診斷時(shí)經(jīng)常遇見的故障，此類故障的振動(dòng)頻譜上以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率為主，轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動(dòng)、不對(duì)中、軸彎曲等都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻譜上的工頻能量增大，而且旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備經(jīng)常同時(shí)存在以上兩種或更多類型的故障。進(jìn)行振動(dòng)診斷時(shí)需要綜合考慮振動(dòng)時(shí)域波形、頻譜特征，振動(dòng)的方向性，振動(dòng)特征在不同工況下的變化以及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，才能找到振源，準(zhǔn)確定位故障原因。

1 工頻類故障振動(dòng)診斷

文章主要針對(duì)剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工頻類故障進(jìn)行研究，即工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械工頻類故障實(shí)施振動(dòng)診斷前，首先要結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置盡可能反映出旋轉(zhuǎn)機(jī)械整個(gè)軸系的振動(dòng)大小分布情況。大多數(shù)故障所激發(fā)的振動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的橫向平面和軸向平面，通常采集垂直、水平、軸向三個(gè)方向的振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，根據(jù)振動(dòng)診斷的需要在不同的工況下進(jìn)行多次振動(dòng)測(cè)試。然后分析振動(dòng)時(shí)域波形、頻譜和相位，查看時(shí)域波形有無沖擊，確定振動(dòng)頻譜里出現(xiàn)的各頻率成分與工頻之間的關(guān)系是工頻的整數(shù)倍還是其他，找出各頻率成分之間的大小比例關(guān)系。相位分析可以反映出設(shè)備的振動(dòng)形式，是區(qū)分工頻類故障的有效手段。

（1）轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合而產(chǎn)生不平衡交變的力，引起的振動(dòng)會(huì)影響整個(gè)軸系。在工況穩(wěn)定的情況下振動(dòng)幅值和相位穩(wěn)定，振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速升高振動(dòng)幅值變大，振動(dòng)幅值不隨負(fù)荷的增大而增大，在測(cè)試條件允許的情況下，通過改變轉(zhuǎn)速和負(fù)載，查看振動(dòng)瀑布圖上的工頻能量變化情況，可以作為判斷轉(zhuǎn)子不平衡的重要依據(jù)。通常徑向振動(dòng)遠(yuǎn)大于軸向振動(dòng)，但對(duì)于懸臂轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡是主要故障時(shí)，軸向振動(dòng)幅值可能會(huì)達(dá)到和徑向振動(dòng)相當(dāng)?shù)某潭壬踔脸^徑向振動(dòng)。由于在水平方向和垂直方向上的設(shè)備剛度不同，一般水平方向振動(dòng)大于垂直方向振動(dòng)；時(shí)域波形近似正弦波，但由于松動(dòng)、噪聲等其他振動(dòng)信號(hào)的影響，實(shí)際的時(shí)域波形信號(hào)不會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；振動(dòng)頻譜上以轉(zhuǎn)頻為主，頻譜中轉(zhuǎn)頻能量占總能量的一半以上，如果只存在轉(zhuǎn)子不平衡故障，轉(zhuǎn)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(dòng)相位差接近90°，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡問題多和制造時(shí)幾何尺寸不同心、材質(zhì)不均相關(guān)，轉(zhuǎn)子上線運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)不平衡問題，通常是由于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境有液、固雜質(zhì)或腐蝕，使轉(zhuǎn)子不對(duì)稱磨損或產(chǎn)生不對(duì)稱沉積[2]。

（2）各轉(zhuǎn)子中心線沒有處在同一直線上時(shí)會(huì)造成軸系不對(duì)中，不對(duì)中的原因有安裝誤差、溫度變化熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。不對(duì)中轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生附加徑向力和附加軸向力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異常振動(dòng)。角度不對(duì)中主要引起軸向振動(dòng)，振動(dòng)頻譜上以轉(zhuǎn)頻為主，也有二倍轉(zhuǎn)頻和三倍轉(zhuǎn)頻出現(xiàn)，二倍轉(zhuǎn)頻幅值高低常取決于聯(lián)軸器的類型和結(jié)構(gòu)。不對(duì)中越嚴(yán)重，聯(lián)軸器兩側(cè)相位差越接近180°，若只有不對(duì)中故障，沒有其他故障共存，聯(lián)軸器兩側(cè)相位差也越接近180°。雖然振動(dòng)大小和不對(duì)中的嚴(yán)重程度有關(guān)，但并不是直接的比例關(guān)系，同時(shí)也受運(yùn)轉(zhuǎn)速度、扭矩等影響，不對(duì)中故障對(duì)轉(zhuǎn)子的激勵(lì)力隨轉(zhuǎn)速的升高而變大。

（3）基礎(chǔ)類松動(dòng)或剛度不足故障指系統(tǒng)結(jié)合面存在間隙或連接剛度不足，造成機(jī)械阻尼偏低，機(jī)組振動(dòng)變大，振動(dòng)頻譜中以工頻為主，振動(dòng)具有方向性。對(duì)于此類故障的振動(dòng)測(cè)試，除了在轉(zhuǎn)子支撐軸承上布置測(cè)點(diǎn)之外，還應(yīng)下移到設(shè)備底腳、基礎(chǔ)平板和混凝土基礎(chǔ)上，比較不同位置在工頻處的振動(dòng)幅值和相位。

由于設(shè)備結(jié)構(gòu)、剛度等不同，同一種故障類型表現(xiàn)出的振動(dòng)特征會(huì)有變化，而且設(shè)備會(huì)出現(xiàn)多種故障共存，如不平衡故障常常還伴有不對(duì)中、松動(dòng)等，這幾類故障都會(huì)引起工頻能量上升，在振動(dòng)診斷中一定要綜合分析。

2 工程實(shí)例

2.1 不對(duì)中

某廠卷取機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。卷取芯軸與外支承接上的軸承座通過聯(lián)接螺栓進(jìn)行聯(lián)接，運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備負(fù)載持續(xù)變化，巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有異音出現(xiàn)。

圖1 卷取機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在外支承上的軸承座采集水平、垂直、軸向三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，軸向振動(dòng)明顯大于水平方向和垂直方向的振動(dòng)，且軸向振動(dòng)隨卷取負(fù)荷變化而變化，卷取負(fù)荷變大，振幅升高。軸向振動(dòng)頻譜以轉(zhuǎn)頻為主，高次諧波分量小。結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，卷取芯軸與外支承軸承座的相對(duì)位置和配合間隙調(diào)整不當(dāng)，存在不對(duì)中故障，芯軸與外支承軸承座之間存在一個(gè)彎矩，芯軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向交變一次，彎矩施加于聯(lián)接螺栓的彎曲變形每周也變化一次，由此引起工頻振動(dòng)。解體檢查發(fā)現(xiàn)有聯(lián)接螺栓斷裂，調(diào)整芯軸與外支承軸承座的相對(duì)位置和配合間隙并更換聯(lián)接螺栓后，軸承座振動(dòng)明顯下降。

2.2 基礎(chǔ)剛度差

某廠鍋爐給水泵電機(jī)振動(dòng)異常，對(duì)電機(jī)兩側(cè)軸承的垂直、水平、軸向進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，電機(jī)負(fù)荷側(cè)軸承三個(gè)方向的振動(dòng)速度有效值都小于1mm/s，電機(jī)自由側(cè)軸承振動(dòng)速度有效值如表1所示。電機(jī)自由側(cè)垂直方向振動(dòng)幅值明顯大于水平方向和軸向的振動(dòng)幅值，電機(jī)自由側(cè)垂直方向振動(dòng)波形類正弦波，頻譜上以電機(jī)轉(zhuǎn)頻為主，如圖2所示。

表1 電機(jī)自由側(cè)軸承振動(dòng)值 單位：mm/s

圖2 電機(jī)自由側(cè)垂直方向振動(dòng)頻譜

沿電機(jī)軸線對(duì)電機(jī)安裝基板上的多個(gè)測(cè)點(diǎn)在垂直方向進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明安裝基板上振動(dòng)分布不均勻，越靠近自由側(cè)軸承支撐處振動(dòng)越大，設(shè)備底腳和基礎(chǔ)平板之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。綜合分析認(rèn)為，電機(jī)自由側(cè)軸承底角處支撐剛度不足，建議加固自由側(cè)軸承底部支撐。采取臨時(shí)措施加固底部支撐后，設(shè)備振動(dòng)速度有效值下降明顯，如表1所示。電機(jī)自由側(cè)底部支撐加固圖如圖3所示。

2.3 轉(zhuǎn)子失衡

某廠蒸汽排放風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度有效值嚴(yán)重超標(biāo)，風(fēng)機(jī)非電機(jī)側(cè)水平方向振動(dòng)速度有效值達(dá)到18.83mm/s，振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。風(fēng)機(jī)兩測(cè)點(diǎn)的徑向振動(dòng)幅值大于軸向，軸向振動(dòng)幅值約為水平方向振動(dòng)幅值的1/3。各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形類正弦波、無沖擊，振動(dòng)頻譜中能量集中于轉(zhuǎn)頻，高次諧波分量很小，如圖4所示。風(fēng)機(jī)軸承座及安裝基礎(chǔ)均無松動(dòng)，且該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子投入運(yùn)行時(shí)間很短，振動(dòng)并非緩慢上升。分析認(rèn)為振動(dòng)增大的主要原因是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡突然遭到破壞，屬于突發(fā)不平衡，需要檢查轉(zhuǎn)子上是否有異物脫落或者葉片開裂。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪有葉片開裂。

圖3 電機(jī)自由側(cè)底部支撐加固圖

表2 蒸汽排放風(fēng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：mm/s

圖4 風(fēng)機(jī)電機(jī)側(cè)水平方向時(shí)域波形和頻譜

3 結(jié)論

文章通過轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)剛度不足、不對(duì)中等常見工頻故障實(shí)例，討論了旋轉(zhuǎn)機(jī)械工頻類故障的振動(dòng)診斷方法，綜合振動(dòng)信號(hào)的時(shí)、頻域振動(dòng)特征以及設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面找出振源，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械工頻類故障振動(dòng)診斷提供了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。