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《机器故障诊断系列》第二篇——不平衡(偏心)

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1.诊断不平衡

用专业术语描述:不平衡就是质量和几何中心线不重合所导致的一种故障状态(质心不在旋转轴上)。


2.不平衡

当转子旋转时,其“重心”产生一个离心力作用在轴承上,该力的大小随着转子的旋转而稳定的变化。该力随时间的变化呈正弦曲线形状——当然你可能对此已经是相当的熟悉了,就像我们在仿真模拟试验时,放一枚硬币在风扇上见到的正弦曲线信号一样。


我们知道离心力的大小同机器的速度以及偏心部分质量的大小是成正比的。如果你在仿真模拟试验中改变一下速度和质量,就可以观察到信号是如何随之改变的。因此,如果机器出现不平衡,我们就会看到一个转速频率的正弦时域波形,同时在1×处出现一个很高的波峰。然而,由于其它振动信号源(松动、不对中、轴承磨损、噪音等等)的影响,实际的信号不会是标准的正弦波。但在我们的这个例子中,产生的仍然是比较标准的正弦信号。


3.评估不平衡的严重程度

那么,你应该如何恰当的确定不平衡状态的严重程度呢?在这里我们将为你提供一些用来判断的基本原则,但正如你所知,轴的旋转速度影响着向心力的大小,并最终对振动的大小产生影响。事实上,不平衡力与速度的平方成正比(当转子转速低于它的临界速度时)。转动速度旋钮改变速度大小,你就可以在波形上看到振幅的变化。


每个包含有转子(包括风扇、泵等)的设备都或多或少的存在着不平衡问题——而不会是绝对的平衡状态。其结果是在基频对应的1×处出现一个波峰,如果机器的其它部分相对“安静”,那么频谱中的1×波峰就会成为主导波峰,并且其时域波形呈正弦曲线。因此你可以根据振幅的大小来判断不平衡是否已经引起了故障。机器的大小还会影响到我们所使用的振动报警极限值。一般的原则是:对于小型设备,其振动极限可减小4dB(×0.63);对于低速的大型设备,其振动极限可增加4dB(×0.63);对于高速往复设备,其振动极限可增加8 dB(×2.5)。因此可接受的1×振动水平主要取决于机器的尺寸和速度,下表中列出了在转速为1800~3600RPM的设备的参考振动级。


4.诊断不平衡的重要性

不平衡现象普遍存在,它之所以如此重要是因为它会在轴承和密封件上产生具有破坏性的应力。我们在维修部分曾经讨论过关于“主动维修”的内容(我们也称之为精确维修或以提高可靠性为目的的维修),这是减少不平衡现象和“二次”故障的重要手段。如果我们对机器进行精确平衡(对中),它们的可靠性就会得到很大提高。精确平衡对于高速机器来说尤为重要,因为机器的速度越高产生的不平衡力也就越大。


5.认识不平衡

不平衡有两种类型:静态不平衡和偶不平衡。


最简单的不平衡类型就是“重心”位于转子上非旋转中心的某一个点处。这也被称为静态不平衡,因为即使转子不旋转它仍然存在——如果将转子放在一个无摩擦力的轴承上,其“重心”会转至最低的位置。静态的不平衡导致转子两端的轴承在1×处出现不平衡应力,并且两端轴承上应力的方向相同,其产生的振动信号同相位。一个单纯的静态不平衡将在振动频谱中产生一个强烈的基频波峰,其振幅与不平衡的严重程度以及旋转速度的平方呈正比,轴承在1×处的相对振幅取决于转子“重心”的位置,如图1所示。

图1 静态不平衡

图2 偶不平衡

一个偶不平衡转子在静止的情况下可能是平衡的(当置放在无摩擦力的轴承上,它看起来是完全平衡的)。但是一旦开始旋转,它就会在两端轴承上产生反相离心力。如果仅从振动频谱上来看它们都是很相似的,如图2所示;我们只能通过相位测定来帮助区分偶不平衡和静态不平衡这两种不平衡状态。


转子上可能同时存在着静态不平衡和偶不平衡,这种情况称之为动态不平衡。这是我们在实际当中会经常遇到的现象。如果没有相关的相位信息,我们将很难区分静态和动态不平衡。对动态不平衡进行校正时,需要在多个平面上进行平衡,而从理论上讲,静态不平衡只需要添加一个平衡重就可以矫正。然而想要确定平衡块的安装位置就必须准确的找到相反的不平衡点的位置,但事实上这通常是很难实现的。


6.振动分析

我们已经知道了时域波形是正弦曲线,并且在频谱中应该有一个较大的1×基频波峰。如果再重新进行一次动画仿真,我们会看到同样的结果。对于一个水平放置的机器,我们可看到径向,即水平和垂直方向的振动特征。测得的1×基频振幅取决于设备安装的刚度及其不平衡的程度,在不平衡程度相同的情况下,弹性安装的机器比刚性安装的机器有着更高的1×基频振幅。


应该对水平和垂直方向上的1×基频振幅作一个比较。二者越接近,不平衡的可能性就越大。但是不管怎样,机器在某个方向上的刚度越小,该方向上的基频振幅就越大。


7.垂直安装的机器

对于垂直安装的机器,例如泵。通常是从地基上建的悬臂,无论是哪个部件出现不平衡,都会在电动机末端产生最大的1×基频振幅。当在径向(水平或垂直方向)上进行测量,频谱上会出现一个很强的基频波峰。为了区分电动机和泵的不平衡,可以断开泵与电动机间的连接,然后单独对电动机进行测量观察它的1×基频振幅。如果此时测量的1×基频振幅仍然很高,那么问题就出在电动机上,否则就是泵的问题。


8.悬吊式旋转机器

在工业生产中,悬吊式的泵和风扇是非常常见的设备。你必须仔细的对旋转机械进行检查,查看是否有部件悬垂或在两端由轴承支撑。对于悬吊或悬臂式设备,你仍然会在1×基频处看到很高的振幅,如图3所示。然而这次你会在轴向、垂直和水平三个方向上都观测到同样的显示。我们应该在最靠近叶轮或风扇叶片的轴承上进行测量。


我们在轴向上观察到高强度的基频振幅是由于不平衡在轴上产生的一个弯曲力矩,从而导致轴承箱沿轴向移动,悬吊式旋转设备的例子有紧密耦合的泵、轴流式风机以及小型涡轮等。

图3 悬吊或悬臂式设备的频谱

9.不平衡的原因

有很多原因导致机器出现不平衡。当然,如果由于缺乏培训或相应的设施(时间),或机器开始就没有进行正确的平衡,那么设备就会始终处于不平衡状态,并导致密封件和轴承损坏。另外,下列情形也能引起不平衡:风扇转子堆积的不均匀污垢;材质均匀性差,特别是铸件(如:气泡、多孔部分、砂眼等);配件的尺寸不同(如:轴、孔径);偏心转子(稍后就将进行讨论);转子上有裂缝;滚子偏转(如造纸厂的滚筒);机加工的误差;电机绕组质量分布不均匀;转子上的不均匀腐蚀;失去平衡重。


10.数据分析

我们已经知道了为何会在悬垂或悬臂机械的水平、垂直以及轴向上得到高幅的1×基频波峰,同时也看到了它们的时域波形都是呈正弦波形。对它的分析是很简单的。只需要识别出转速频率处的波峰(1×),同时查看其水平和垂直方向上的数据(如果是悬吊式机械则还包括轴向)。问题真正的关键是要保证你不会把其它完全不同的问题误诊为不平衡。


另一方面,对机器进行平衡时也同样如此。大量的实际案例表明:机器出现平衡问题的同时通常还伴有其它的问题,如不对中、松动等等。你必须先解决了这些问题以后再来处理平衡问题。在研究机器的故障状态时,你会发现许多情况下都会产生高幅的1×基频波峰,这些状态包括:不对中、松动、轴弯曲、转子偏心等。因此你必须确保没有将其它故障误诊为不平衡。可以利用相位来帮助你区分它们。你不必将相位作为常规测试,但可作为特殊的监测方法使用。你可以看到机器上同一轴承在水平和垂直方向上采集的数据其相位相差90度。对于静态不平衡,在机器两端是同相的。对于偶不平衡,机器两端的相位相差180度。然而,在大多数情况下,你遇到的都是动态不平衡(静态不平衡和偶不平衡的组合)。在这个状态下内侧轴承和外侧轴承的相位差没有规律可寻。


11.例一:

下面的数据来自于“锅炉灰斗冲洗泵”。该设备的作用是将灰从动力锅炉中泵出来。它由一个150HP的电动机通过柔性联接带动一个6叶片的离心泵构成。该泵在385英尺(117米)的压力作用下能提供每分钟930加仑(245升)的抽吸能力。我们可以看到有一个0.53 in/sec pk(9.5 mm/sec rms)的1×波峰,对应的时域波形是一个正弦波,如图4所示。

图4 锅炉灰斗冲洗泵时频图

点击谱图右方的“垂直”可以切换至水平方向的数据,你可以看到由一个2.17in/sec pk 或39mm/sec rms的基频波峰,如图5所示。这表示不平衡已经引起了严重的地基柔性/共振。同我们所预料的一样,轴向的振幅要低得多,在这只有0.09in/sec pk(1.6mm/sec rms)。


5 锅炉灰斗冲洗泵垂直方向频谱图


如果你选择“全部数据”并采用“瀑布图”方式进行查看,可以看到经过一段时间以后1×基频的振动幅度逐渐升高。这可能是由于泵的叶片上堆积的污垢分布不均匀或泵轮被腐蚀所引起,如图6所示。如果垂直方向上的振幅也在升高,那么很可能就是由于不平衡状态引起的振幅增加,而不是因为结构上的缺陷影响了水平刚度(也就是影响其水平柔性)。


12.例二:

下面的数据来自于一个造纸厂的“黑色液体泵”。该机器由一个20HP的电动机通过柔性联接驱动一个悬垂的6叶片离心泵。该泵在112英尺(34米)的压力作用下能提供每分钟400加仑(105升)的排量。


在开始深入探讨之前,你是否还能记起我们前面关于悬吊式旋转机械的讨论?如果这样的机器处于不平衡状态,我们不仅能看到在水平和垂直方向上出现高幅的1×基频波峰,同时在轴向上也同样会出现。


我们可以看到在垂直方向上出现高幅1×基频波峰,同时其时域波形图呈正弦形状。时域波形看起来比较乱是因为同时还存在2×和6×的振动分量,如图7所示。


速查看一下其水平方向上的数据,同样可以看到1×基频振幅占主导地位,并且其振幅非常高,如图8所示。


最后,我们看到在轴向上,1×基频仍然占据主导地位并且振幅较高,如图9所示。这样我们就有了一个典型的悬吊式旋转机器不平衡的例子。如果查看其它位置的数据,我们会发现其振幅都非常的低,这都在我们的预料之中。

13.认识偏心

如果滑轮、齿轮、轴承或转子的旋转中心偏离几何中心线就会出现偏心。现在我们对它进行讨论是因为它的症状与不平衡非常相似。偏心的皮带轮/齿轮会在径向上产生很强的1×振动分量,特别是在与皮带平行的方向上。这种情况非常普遍,并且与不平衡很相似,如图10所示。用皮带驱动的设备,会在两个元件上(如电机和风扇)产生高幅的1×基频波峰,但由于速度不同,它们的频率也不相同,如图11所示。


判断采用皮带传动的设备是否偏心可以先移除皮带后通过检查电机的1×基频波峰来决定。在我们分析与电机相关的故障时,会详细讨论转子偏心及其对频谱的影响。

10 偏心的皮带轮/齿轮频谱

11 用皮带驱动设备的频谱


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