旋轉(zhuǎn)機械振動與平衡知識分享

杜秉謙

旋轉(zhuǎn)機械振動與平衡振動試驗及分析4振動的危害1振動的允許值2振動故障特性與原因分析3現(xiàn)場振動事故診斷及治理實例5低速動平衡求解方法6相對相位法高速動平衡7前言汽輪發(fā)電機組的振動是關(guān)系到發(fā)電廠安全經(jīng)濟運行的技術(shù)熱點之一，特別在新機組試運或機組檢修后第一次起動時，振動問題也是影響機組能否成功啟動的關(guān)鍵。近三十年以來，國內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生過多起由于振動大而導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組軸承斷裂惡性事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和不良影響。因此，設(shè)法減少旋轉(zhuǎn)機械的不良振動是工程上非常重要的研究課題。由于機組產(chǎn)生異常振動的原因是多方面的，情況復(fù)雜，涉及到設(shè)計制造、安裝、檢修和運行各個方面，所以，無論是檢修人員還是運行人員具備這方面的基本知識都是十分必要的。振動的危害2、加速某些部件的磨損和產(chǎn)生偏磨。因振動而產(chǎn)生不均勻磨損的部件，主要有軸頸，蝸母輪、活動式聯(lián)軸節(jié)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑壞、勵磁機的整流子等等。對靜止部件來說，主要是加速滑銷系統(tǒng)的磨損。發(fā)電機滑環(huán)和勵磁機整流子橢園度過大，將使電刷冒火。滑銷系統(tǒng)磨損后，會使機組膨脹失常。3、動靜部件的疲勞損壞。由于振動，使某些部件產(chǎn)生過大的動應(yīng)力，因而導(dǎo)致疲勞損壞，并且由此造成事故進一步的擴大。這種疲勞損壞雖然要有一個時間過程，但是隨著部件上應(yīng)力的增大，時間過程可以大為縮短。所以有些機組盡管只是在起停過程中發(fā)生了幾次大振動，但也能使某一部件發(fā)生疲勞損壞。在現(xiàn)場，由于振動而使另件發(fā)生疲勞損壞的，以軸瓦烏金破碎較多。當(dāng)破碎的烏金塊落入油隙時，會把軸瓦烏金輾壞或引起整個軸瓦的燒毀。振動的危害4、某些緊固件的斷裂和松脫。過大振動使軸承座地腳螺栓斷裂和某些另件發(fā)生松動而脫落，失去原有的功能，從而使機組發(fā)生事故。過大振動使緊固件發(fā)生松動的另一種形式是基礎(chǔ)二次灌漿松裂，使軸承座動剛度降低，使軸承振動進一步增大。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場較為常見，有時還會引起基礎(chǔ)和周圍建筑物產(chǎn)生裂紋。5、機組經(jīng)濟性降低。汽輪機汽封間隙的大小，與汽輪機熱經(jīng)濟性有密切關(guān)系。而汽封間隙能否保持較小數(shù)值，很大程度上決定于機組的振動狀況。過大振動會使汽封間隙磨大，使機組熱經(jīng)濟性降低。振動的危害6、直接或間接造成設(shè)備事故。當(dāng)汽輪機發(fā)生過大振動時，危急保安器或機組的其它保護儀表的正常工作將直接受到影響，嚴重時會引起這些部件的誤動作，直接造成事故停機。發(fā)電機定子鐵芯和端部線圈振動過大，會使鐵芯過熱損壞，使繞組與繞組間或繞組對地短路。對于水冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子，振動過大會引起引水管斷裂，冷卻水泄漏事故。振動的危害振動對人身的危害也很嚴重。過大的機械振動和噪音，對運行人員的生理將產(chǎn)生不利的影響。在0～100HZ范圍內(nèi)，過大的振動大多數(shù)情況下將引起工作人員顯著的疲勞感覺，降低工作效率，從而降低了預(yù)防、判斷和處理事故的能力。從振動造成的主要危害出發(fā)，不僅額定轉(zhuǎn)速下的過大振動會產(chǎn)生這些危害，而且在起動和停機過程中所發(fā)生的過大振動，也有著類似的危害。在機組起動中，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速下的振動很大時，采用加速的方法沖臨界轉(zhuǎn)速，固然可以使軸承振動得不到發(fā)散。但在停機的過程中，就難以避免在臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生過大的振動。因此，對于臨界轉(zhuǎn)速下振動較大的機組，從改善轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)著手來消除振動應(yīng)當(dāng)是更合理的技術(shù)措施。而沖臨界轉(zhuǎn)速的做法則是電力法規(guī)明令禁止的。振動的允許值一振動的基本概念和專業(yè)術(shù)語簡諧振動是最基本的振動形式，復(fù)雜振動都可以視為多個簡諧振動的合成。所謂簡諧振動，凡符合正弦或余弦規(guī)律的振動，稱為簡諧振動，其數(shù)學(xué)表達式為：振動的允許值

在工程上，還常用單位時間內(nèi)的振動次數(shù)，即頻率，用f表示，國際單位為赫茲Hz。f=1/T＝ω/2π。在振動專業(yè)使用的術(shù)語中，把與轉(zhuǎn)速頻率相同的頻率稱為基頻，二倍轉(zhuǎn)速頻率稱二倍頻（或簡稱倍頻），依次類推。圖1－1給出了簡諧振動的波形，圖上標(biāo)出了各參數(shù)的物理意義。振幅、頻率（或周期）和相位這三個參數(shù)直接決定了系統(tǒng)的運動狀態(tài)。故常將這三個參數(shù)稱為振動三要素。圖1－1簡諧振動振動的允許值將振動位移對時間求一次和二次導(dǎo)數(shù)，可以求得振動速度V和加速度a。為了簡單起見，令φ＝0，即y＝Asinωｔ，則由上式可知，當(dāng)振動點的位移是簡諧振動時，則其速度和加速度同樣也是簡諧振動，并且三者的周期完全相同，相位依次相差π/2；振幅分別為A，Aω和Aω2。對于振動度量通常有峰值、平均值和有效值三種度量方法?，F(xiàn)場使用的測振儀輸出的振動位移一般是指峰－峰值（即雙振幅）。對于一個純正的簡諧振動波形，平均值為

有效值為當(dāng)簡諧振動的表達式為y=xmsinωｔ時，則振動的峰值（單振幅）、平均值和在效值的關(guān)系為：振動的允許值振動速度的有效值也稱振動烈度。圖1-2表示出了三者之間的關(guān)系。圖1-2振動標(biāo)準(zhǔn)運行中的汽輪發(fā)電機組，在任何情況下都會有振動，而振動過大又會造成極大的危害，所以運行中的機組振動必須保持在一定的范圍內(nèi)，這個范圍就是振動的標(biāo)準(zhǔn)。我國原水電部1980年頒布的汽輪發(fā)電機組振動標(biāo)準(zhǔn)見表1-1。表1－1汽輪發(fā)電機組軸承振動標(biāo)準(zhǔn)（雙振幅）轉(zhuǎn)速r/min優(yōu)（μｍ）良（μｍ）合格（μｍ）15003000302050307050振動標(biāo)準(zhǔn)軸承振動評定標(biāo)準(zhǔn)以軸承座的垂直、水平和軸向三個方面振動中最大者為評定依據(jù)。振動測點的布置如圖1-3所示，即垂直振動應(yīng)在軸承頂蓋上方，正中位置垂直地測量，水平和軸向振動應(yīng)在軸承上蓋水平結(jié)合面上方沿軸向位置，水平地和軸向地測量。為了便于比較，各軸承座上的測點位置應(yīng)當(dāng)固定，測量部位應(yīng)作出標(biāo)記。圖1-3軸承座振動測點位置振動標(biāo)準(zhǔn)隨著測量技術(shù)的進步，已具備了轉(zhuǎn)軸振動作為評定尺度的條件，我國參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO7919-2制訂了陸地安裝大型汽輪發(fā)電機組“轉(zhuǎn)軸徑向振動測量與評定”標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)軸的相對振動（轉(zhuǎn)軸相對于軸承）和絕對振動（轉(zhuǎn)軸相對于地面）振動位移峰－峰值的推薦數(shù)值見表1-2和表1-3。表1-2轉(zhuǎn)軸相對位移推薦值（μｍ）區(qū)域上界額定轉(zhuǎn)速（r/min）1500180030003600A100908075B120-200120-185120-165120-150C180-320180-290180-260180-240振動標(biāo)準(zhǔn)表1-3轉(zhuǎn)軸絕對位移推薦值（μｍ）區(qū)域上界額定轉(zhuǎn)速（r/min）1500180030003600A12011010090B170-240160-220150-200145-180C260-385265-350250-320245-290表中區(qū)域A：新投產(chǎn)機組的振動應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)；區(qū)域B：在此區(qū)域內(nèi)為合格，可以長期運行；區(qū)域C：在此區(qū)域內(nèi)的機組，對長期連續(xù)運行而言認為是不合格的，一般來說，在采取措施之前，可以有限的運行一段時間。振動標(biāo)準(zhǔn)1986年我國機械工業(yè)部發(fā)布了《汽輪機組的機械振動標(biāo)準(zhǔn)》，對發(fā)電用的汽輪機組中汽輪機部份的機械振動選定振動烈度作為描述機組振動狀態(tài)的品質(zhì)參數(shù)，表1-4給出了汽輪機振動烈度的評定等級。表1-4JB4057-85振動標(biāo)準(zhǔn)振動標(biāo)準(zhǔn)振動標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)上式可以相互換算。對于50Hz的振動位移與振動烈度的對應(yīng)值如表1-5所示。表1-5振動位移與振動烈度對應(yīng)值Vf(mm/s)0.450.711.121.82.84.57.111.218.028.045.071.0Sp-p(μｍ)46.310162540.663100162250406630振動標(biāo)準(zhǔn)在我國JB4057-85標(biāo)準(zhǔn)中，還給出了以軸相對(軸相對于軸承)振動位移最大峰峰值的評定準(zhǔn)則，在準(zhǔn)則I（按額定功率、轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工況的振動值極限評定）中規(guī)定軸的相對振動位移峰峰值分為四個品質(zhì)段，各品質(zhì)段的意義同前。品質(zhì)段間的極限值分別為Sp-pmaxA、Sp-pmaxB、Sp-pmatC表示（見圖1-4）對于功率大于60MW，轉(zhuǎn)速為1500、3000r/min的發(fā)電用汽輪機組，各極限值按下列各式計算：振動標(biāo)準(zhǔn)

在準(zhǔn)則Ⅱ（按正常穩(wěn)定工況的振動值變化極限評定）中，振動變化極限值應(yīng)不大于Sp-pmaxA的75%（不論是增加還是減少）。軸振動位移最大峰峰值的測量應(yīng)在鄰近軸承的徑向平面內(nèi)進行，每個測量平面內(nèi)安裝一對探頭，彼此互相垂直（90°±5°）一般與水平面各成45°的傾斜角，并且各探頭的軸線偏離旋轉(zhuǎn)軸的徑向線≯±5（見圖1-5）。以兩個方向上測得的位移峰－峰值中較大者為評定依據(jù)。國家電力公司于2000年9月28日發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》（國電發(fā)[2000]589號文）對汽輪發(fā)電機組振動提出了具體的反事故措施，規(guī)定發(fā)生下列情況之一應(yīng)立即打閘停機：振動標(biāo)準(zhǔn)機組在啟動過程中，在中速暖機之前，軸承振動超過0.03mm；通過臨界轉(zhuǎn)速時，軸承振動超過0.10mm