旋转机械振动与平衡

振动试验及分析4 振动的危害1振动的允许值2振动故障特性与原因分析3 现场振动事故诊断及治理实例5 低速动平衡求解方法6相对相位法高速动平衡7 前言 汽 轮 发 电 机 组 的 振 动 是 关 系 到 发 电 厂 安 全 经 济 运 行 的技 术 热 点 之 一 ， 特 别 在 新 机 组 试 运 或 机 组 检 修 后 第 一 次起 动 时 ， 振 动 问 题 也 是 影 响 机 组 能 否 成 功 启 动 的 关 键 。近 三 十 年 以 来 ， 国 内 外 曾 经 发 生 过 多 起 由 于 振 动 大 而 导致 汽 轮 发 电 机 组 轴 承 断 裂 恶 性 事 故 ， 造 成 了 巨 大 的 经 济损 失 和 不 良 影 响 。 因 此 ， 设 法 减 少 旋 转 机 械 的 不 良 振 动是 工 程 上 非 常 重 要 的 研 究 课 题 。由 于 机 组 产 生 异 常 振 动 的 原 因 是 多 方 面 的 ， 情 况 复 杂 ， 涉及 到 设 计 制 造 、 安 装 、 检 修 和 运 行 各 个 方 面 ， 所 以 ， 无论 是 检 修 人 员 还 是 运 行 人 员 具 备 这 方 面 的 基 本 知 识 都 是十 分 必 要 的 。 振动的危害 汽 轮 发 电 机 组 发 生 过 大 振 动 的 危 害 ， 主 要 表 现 在 对 设备 和 人 身 两 方 面 。 对 设 备 的 危 害 主 要 表 现 在 以 下 方 面 ：1、 动 静 部 分 发 生 摩 擦 。 由 于 机 组 单 机 容 量 的 增 大 和 效 率 要 求 的 提高 ， 汽 轮 机 通 流 部 分 的 间 隙 ， 特 别 是 径 向 间 隙 一 般 都 比 较 小 ，在 较 大 的 振 动 下 ， 极 易 造 成 动 静 部 分 摩 擦 ， 由 此 不 但 直 接 造 成动 静 部 件 的 损 坏 ， 而 且 当 汽 封 间 隙 大 后 ， 增 大 了 转 子 轴 向 推 力 ，引 起 推 力 瓦 温 度 升 高 ， 甚 至 会 发 生 推 力 瓦 损 坏 事 故 。 如 果 摩 擦直 接 发 生 在 转 軕 处 ， 将 会 造 成 转 子 的 热 弯 曲 ， 使 轴 和 轴 承 振 动进 一 步 增 大 ， 形 成 恶 性 循 环 ， 由 此 常 常 引 起 转 轴 的 永 久 弯 曲 。 振动的危害2、 加 速 某 些 部 件 的 磨 损 和 产 生 偏 磨 。 因 振 动 而 产 生 不 均 匀 磨 损 的部 件 ， 主 要 有 轴 颈 ， 蜗 母 轮 、 活 动 式 联 轴 节 ， 发 电 机 转 子 滑 坏 、励 磁 机 的 整 流 子 等 等 。 对 静 止 部 件 来 说 ， 主 要 是 加 速 滑 销 系 统的 磨 损 。 发 电 机 滑 环 和 励 磁 机 整 流 子 椭 园 度 过 大 ， 将 使 电 刷 冒火 。 滑 销 系 统 磨 损 后 ， 会 使 机 组 膨 胀 失 常 。3、 动 静 部 件 的 疲 劳 损 坏 。 由 于 振 动 ， 使 某 些 部 件 产 生 过 大 的 动 应力 ， 因 而 导 致 疲 劳 损 坏 ， 并 且 由 此 造 成 事 故 进 一 步 的 扩 大 。 这种 疲 劳 损 坏 虽 然 要 有 一 个 时 间 过 程 ， 但 是 随 着 部 件 上 应 力 的 增大 ， 时 间 过 程 可 以 大 为 缩 短 。 所 以 有 些 机 组 尽 管 只 是 在 起 停 过 程 中 发 生 了 几 次 大 振 动 ， 但 也 能 使 某 一 部 件 发 生 疲 劳 损 坏 。 在现 场 ， 由 于 振 动 而 使 另 件 发 生 疲 劳 损 坏 的 ， 以 轴 瓦 乌 金 破 碎 较多 。 当 破 碎 的 乌 金 块 落 入 油 隙 时 ， 会 把 轴 瓦 乌 金 辗 坏 或 引 起 整个 轴 瓦 的 烧 毁 。 振动的危害4、 某 些 紧 固 件 的 断 裂 和 松 脱 。 过 大 振 动 使 轴 承 座 地 脚 螺 栓 断 裂 和某 些 另 件 发 生 松 动 而 脱 落 ， 失 去 原 有 的 功 能 ， 从 而 使 机 组 发 生事 故 。 过 大 振 动 使 紧 固 件 发 生 松 动 的 另 一 种 形 式 是 基 础 二 次 灌浆 松 裂 ， 使 轴 承 座 动 刚 度 降 低 ， 使 轴 承 振 动 进 一 步 增 大 。 这 种现 象 在 现 场 较 为 常 见 ， 有 时 还 会 引 起 基 础 和 周 围 建 筑 物 产 生 裂纹 。5、 机 组 经 济 性 降 低 。 汽 轮 机 汽 封 间 隙 的 大 小 ， 与 汽 轮 机 热 经 济 性有 密 切 关 系 。 而 汽 封 间 隙 能 否 保 持 较 小 数 值 ， 很 大 程 度 上 决 定 于 机 组 的 振 动 状 况 。 过 大 振 动 会 使 汽 封 间 隙 磨 大 ， 使 机 组 热 经济 性 降 低 。 振动的危害6、 直 接 或 间 接 造 成 设 备 事 故 。 当 汽 轮 机 发 生 过 大 振 动 时 ， 危 急 保安 器 或 机 组 的 其 它 保 护 仪 表 的 正 常 工 作 将 直 接 受 到 影 响 ， 严 重时 会 引 起 这 些 部 件 的 误 动 作 ， 直 接 造 成 事 故 停 机 。 发 电 机 定 子 铁 芯 和 端 部 线 圈 振 动 过 大 ， 会 使 铁 芯 过 热 损 坏 ， 使绕 组 与 绕 组 间 或 绕 组 对 地 短 路 。 对 于 水 冷 发 电 机 转 子 ， 振 动 过 大 会 引 起 引 水 管 断 裂 ， 冷 却 水 泄漏 事 故 。 振动的危害 振 动 对 人 身 的 危 害 也 很 严 重 。 过 大 的 机 械 振 动 和 噪 音 ， 对 运行 人 员 的 生 理 将 产 生 不 利 的 影 响 。 在 0 100HZ范 围 内 ， 过 大 的振 动 大 多 数 情 况 下 将 引 起 工 作 人 员 显 著 的 疲 劳 感 觉 ， 降 低 工 作效 率 ， 从 而 降 低 了 预 防 、 判 断 和 处 理 事 故 的 能 力 。从 振 动 造 成 的 主 要 危 害 出 发 ， 不 仅 额 定 转 速 下 的 过 大 振 动 会 产 生这 些 危 害 ， 而 且 在 起 动 和 停 机 过 程 中 所 发 生 的 过 大 振 动 ， 也 有着 类 似 的 危 害 。 在 机 组 起 动 中 ， 当 临 界 转 速 下 的 振 动 很 大 时 ，采 用 加 速 的 方 法 冲 临 界 转 速 ， 固 然 可 以 使 轴 承 振 动 得 不 到 发 散 。但 在 停 机 的 过 程 中 ， 就 难 以 避 免 在 临 界 转 速 下 发 生 过 大 的 振 动 。 因 此 ， 对 于 临 界 转 速 下 振 动 较 大 的 机 组 ， 从 改 善 转 子 平 衡 状 态着 手 来 消 除 振 动 应 当 是 更 合 理 的 技 术 措 施 。 而 冲 临 界 转 速 的 做法 则 是 电 力 法 规 明 令 禁 止 的 。 振动的允许值一 振 动 的 基 本 概 念 和 专 业 术 语简 谐 振 动 是 最 基 本 的 振 动 形 式 ， 复 杂 振 动 都 可 以 视 为 多 个 简 谐 振动 的 合 成 。所 谓 简 谐 振 动 ， 凡 符 合 正 弦 或 余 弦 规 律 的 振 动 ， 称 为 简 谐 振 动 ，其 数 学 表 达 式 为 ： 振动的允许值 在 工 程 上 ， 还 常 用 单 位 时 间 内 的 振 动 次 数 ， 即 频 率 ， 用 f表 示 ，国 际 单 位 为 赫 兹 Hz。 f=1/T /2 。 在 振 动 专 业 使 用 的 术 语 中 ，把 与 转 速 频 率 相 同 的 频 率 称 为 基 频 ， 二 倍 转 速 频 率 称 二 倍 频（ 或 简 称 倍 频 ） ， 依 次 类 推 。 图 1 1给 出 了 简 谐 振 动 的 波 形 ， 图 上 标 出 了 各 参 数 的 物 理 意 义 。振 幅 、 频 率 （ 或 周 期 ） 和 相 位 这 三 个 参 数 直 接 决 定 了 系 统 的 运动 状 态 。 故 常 将 这 三 个 参 数 称 为 振 动 三 要 素 。 图 1 1 简 谐 振 动 振动的允许值将 振 动 位 移 对 时 间 求 一 次 和 二 次 导 数 ， 可 以 求 得 振 动 速 度 V和 加 速 度 a。为 了 简 单 起 见 ， 令 0， 即 y Asin ， 则 由 上 式 可 知 ， 当 振 动 点 的 位 移 是 简 谐 振 动 时 ， 则 其 速 度 和 加 速 度 同 样也 是 简 谐 振 动 ， 并 且 三 者 的 周 期 完 全 相 同 ， 相 位 依 次 相 差 /2； 振 幅 分别 为 A， A和 A2。 对 于 振 动 度 量 通 常 有 峰 值 、 平 均 值 和 有 效 值 三 种 度 量 方 法 。 现 场 使 用的 测 振 仪 输 出 的 振 动 位 移 一 般 是 指 峰 峰 值 （ 即 双 振 幅 ） 。对 于 一 个 纯 正 的 简 谐 振 动 波 形 ， 平 均 值 为 有 效 值 为当 简 谐 振 动 的 表 达 式 为 y=xm sin 时 ， 则 振 动 的 峰 值 （ 单 振 幅 ） 、平 均 值 和 在 效 值 的 关 系 为 ： 振动的允许值振 动 速 度 的 有 效 值 也 称 振 动 烈 度 。 图 1-2表 示 出 了 三 者 之 间 的 关 系 。 图 1-2 振动标准运 行 中 的 汽 轮 发 电 机 组 ， 在 任 何 情 况 下 都 会 有 振 动 ， 而 振 动 过 大 又 会 造 成极 大 的 危 害 ， 所 以 运 行 中 的 机 组 振 动 必 须 保 持 在 一 定 的 范 围 内 ， 这 个范 围 就 是 振 动 的 标 准 。 我 国 原 水 电 部 1980年 颁 布 的 汽 轮 发 电 机 组 振 动标 准 见 表 1-1。表 1 1汽 轮 发 电 机 组 轴 承 振 动 标 准 （ 双 振 幅 ）转 速 r/min 优 （ ） 良 （ ） 合 格 （ ） 15003000 3020 5030 7050 振动标准轴 承 振 动 评 定 标 准 以 轴 承 座 的 垂 直 、 水 平 和 轴 向 三 个 方 面 振 动 中 最 大 者 为评 定 依 据 。 振 动 测 点 的 布 置 如 图 1-3所 示 ， 即 垂 直 振 动 应 在 轴 承 顶 盖 上方 ， 正 中 位 置 垂 直 地 测 量 ， 水 平 和 轴 向 振 动 应 在 轴 承 上 盖 水 平 结 合 面上 方 沿 轴 向 位 置 ， 水 平 地 和 轴 向 地 测 量 。 为 了 便 于 比 较 ， 各 轴 承 座 上的 测 点 位 置 应 当 固 定 ， 测 量 部 位 应 作 出 标 记 。 图 1-3轴 承 座 振 动 测 点 位 置 振动标准随 着 测 量 技 术 的 进 步 ， 已 具 备 了 转 轴 振 动 作 为 评 定 尺 度 的 条 件 ， 我 国 参 照国 际 标 准 化 组 织 的 ISO7919-2制 订 了 陆 地 安 装 大 型 汽 轮 发 电 机 组 “ 转轴 径 向 振 动 测 量 与 评 定 ” 标 准 。 转 轴 的 相 对 振 动 （ 转 轴 相 对 于 轴 承 ）和 绝 对 振 动 （ 转 轴 相 对 于 地 面 ） 振 动 位 移 峰 峰 值 的 推 荐 数 值 见 表 1-2和 表 1-3。 表 1-2转 轴 相 对 位 移 推 荐 值 （ ） 区 域 上 界 额 定 转 速 （ r/min）1500 1800 3000 3600A 100 90 80 75B 120-200 120-185 120-165 120-150C 180-320 180-290 180-260 180-240 振动标准表 1-3转 轴 绝 对 位 移 推 荐 值 （ ）区 域 上 界 额 定 转 速 （ r/min）1500 1800 3000 3600A 120 110 100 90 B 170-240 160-220 150-200 145-180C 260-385 265-350 250-320 245-290表 中 区 域 A： 新 投 产 机 组 的 振 动 应 在 此 区 域 内 ； 区 域 B： 在 此 区 域 内 为 合 格 ， 可 以 长 期 运 行 ； 区 域 C： 在 此 区 域 内 的 机 组 ， 对 长 期 连 续 运 行 而 言 认 为是 不 合 格 的 ， 一 般 来 说 ， 在 采 取 措 施 之 前 ， 可 以 有 限 的 运 行 一 段 时间 。 振动标准1986年 我 国 机 械 工 业 部 发 布 了 汽 轮 机 组 的 机 械 振 动 标 准 ， 对 发 电 用的 汽 轮 机 组 中 汽 轮 机 部 份 的 机 械 振 动 选 定 振 动 烈 度 作 为 描 述 机 组 振 动状 态 的 品 质 参 数 ， 表 1-4给 出 了 汽 轮 机 振 动 烈 度 的 评 定 等 级 。表 1-4 JB4057-85振 动 标 准 振动标准 振动标准根 据 上 式 可 以 相 互 换 算 。 对 于 50Hz的 振 动 位 移 与 振 动 烈 度 的 对 应 值 如 表1-5 所 示 。 表 1-5 振 动 位 移 与 振 动 烈 度 对 应 值Vf(mm/s) 0.45 0.71 1.12 1.8 2.8 4.5 7.1 11.2 18.0 28.0 45.0 71.0 Sp-p( ) 4 6.3 10 16 25 40.6 63 100 162 250 406 630 振动标准在 我 国 JB4057-85标 准 中 ， 还 给 出 了 以 轴 相 对 (轴 相 对 于 轴 承 )振 动位 移 最 大 峰 峰 值 的 评 定 准 则 ， 在 准 则 I（ 按 额 定 功 率 、 转 速 下 稳定 工 况 的 振 动 值 极 限 评 定 ） 中 规 定 轴 的 相 对 振 动 位 移 峰 峰 值 分为 四 个 品 质 段 ， 各 品 质 段 的 意 义 同 前 。 品 质 段 间 的 极 限 值 分 别为 Sp-pmaxA、 Sp-p maxB、 Sp-pmatC表 示 （ 见 图 1-4） 对 于 功 率大 于 60MW， 转 速 为 1500、 3000r/min的 发 电 用 汽 轮 机 组 ， 各 极 限值 按 下 列 各 式 计 算 ： 振动标准 在 准 则 （ 按 正 常 稳 定 工 况 的 振 动 值 变 化 极 限 评 定 ） 中 ， 振 动变 化 极 限 值 应 不 大 于 Sp-pmaxA的 75%（ 不 论 是 增 加 还 是 减 少 ） 。轴 振 动 位 移 最 大 峰 峰 值 的 测 量 应 在 邻 近 轴 承 的 径 向 平 面 内 进 行 ，每 个 测 量 平 面 内 安 装 一 对 探 头 ， 彼 此 互 相 垂 直 （ 90 5 ）一 般 与 水 平 面 各 成 45 的 倾 斜 角 ， 并 且 各 探 头 的 轴 线 偏 离 旋 转 轴的 径 向 线 5（ 见 图 1-5） 。 以 两 个 方 向 上 测 得 的 位 移 峰 峰值 中 较 大 者 为 评 定 依 据 。 国 家 电 力 公 司 于 2000年 9月 28日 发 布 的 防 止 电 力 生 产 重 大事 故 的 二 十 五 项 重 点 要 求 （ 国 电 发 2000589号 文 ） 对 汽 轮 发 电 机 组 振 动 提 出 了 具 体 的 反 事 故 措 施 ， 规 定 发 生 下 列 情 况 之 一应 立 即 打 闸 停 机 ： 振动标准 机 组 在 启 动 过 程 中 ， 在 中 速 暖 机 之 前 ， 轴 承 振 动 超 过 0.03mm； 通 过 临 界 转 速 时 ， 轴 承 振 动 超 过 0.10mm或 相 对 轴 振 超 过 0.26mm，应 立 即 打 闸 停 机 ， 严 禁 强 行 通 过 临 界 转 速 或 降 速 暖 机 ； 机 组 运 行 中 要 求 轴 承 振 动 不 超 过 0.03mm或 相 对 轴 振 不 超 过0.08mm， 超 过 时 应 设 法 消 除 。 当 相 对 轴 振 大 于 0.26mm应 立 即 打闸 停 机 ： 当 轴 承 振 动 变 化 0.015mm或 相 对 轴 振 变 化 0.05mm， 应 查 明 原因 设 法 消 除 ， 当 轴 承 振 动 突 然 增 加 0.05mm时 ， 应 立 即 打 闸 停 机 。 振动标准