旋转机械设备动平衡故障与分析.ppt
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1、,旋转机械设备动平衡故障与分析,徐光增,(讲座),统计指出,旋转机械设备发生的振动故障,60% 以上是由于旋转部件质量不平衡造成的。这些信息的统计来源于以下三个方面: 新建造设备振动故障监测统计; 等级计划修理后的设备振动监测故障统计; 设备日常运行维护过程中发生的振动故障统计。,第一节 概述,1.1 轴系质量不平衡振动故障率统计,某2#系统设备 2003年10月小修后,监测设备60台,诊断振动故障11台,设备故障 率18.3。其中 动平衡故障 8台 73; 轴承故障 1台 9; 对中故障 1台 9; 其他故障 1台 9。 2004年9月,日常维护监测设备55台(组),诊断故障机器6台(组),
2、 故障率10.9。其中 不平衡故障 4台 67 ; 轴承 故障 2台 33,某3号系统设备 2006年2月振动监测设备65台,故障设备6台,故障率9.2%,其中: 不平衡故障设备5台 占故障设备 83%; 不对中故障设备1台 占故障设备 16%, 某4号系统设备 2006年振动监测设备69台,故障设备22台,其中不平衡故障设备13台, 占故障设备的 59%; 某9号系统设备 2008年,振动监测设备52台,故障设备13台,不平衡故障10台,76.9%,不平衡故障的平均故障率为:,第一节 概述, 当然,不同类型的故障率,与设备管理的科学性、状态监测技术 的正确选择以及故障诊断水平都有密切关系。,
3、 多数行业的统计信息具有可比性,特殊行业的不平衡故障率甚至 还高,例如冶金、水呢等;,1.2 轴系质量不平衡故障的影响, 设备振动超标、噪音增大;, 破坏轴系的对中联结;, 损坏轴系密封;, 轴承动反力增大加速损坏;, 轴系运转部件磨损量增大;, 使轴系运转紊乱;,第一节 概述,前摆头,后摇尾,中间紊乱,1.2 轴系质量不平衡故障的影响,2003年对某系统两台汽轮发电机组进行状态监测,由于1# 发电机存在严重的不平衡振动,使整个机组振动超标,并导致机组轴系处于“紊乱”运行状态,在相同工况下,1#机组比2#机组的运行噪声高出8db。,第一节 概述,V 10 mm/s,A 30 m/s2,A 20
4、0 m/s2,D 80 um,不平衡振动使整个轴系的基准间隙发生形变,1.2 轴系质量不平衡故障的影响,轴承使用寿命与设备振动的基本关系,第一节 概述,H 轴承有效使用寿命(小时) c 轴承静负荷 (N),L 轴承动负荷(N) M 相对振动部件的重量(KG),v 测量振动值(mm/s) 振动频率(r/min),第一节 概述,c 轴承静负荷5000 (N) L 轴承动负荷(100,000 N),M 部件重量(6000 千克力) rpm 1800 (r/min),第一节 概述,不平衡作用力对轴系“密封”部件性能的损伤远大于轴承器件,尤其对“介质泄漏”有严格要求的设备对此更应该引起足够的重视,中海油
5、炼化某炼油分公司重整生成油塔底泵事故分析,中海油炼化某炼油分公司重整生成油塔底泵事故分析,2011年7月10日2#泵组投入运行,9点钟“点检”工采集到的一组振动数据说明,该泵组的运行质量已经处于故障状态。,8.4 mm/s,采集信息已基本满足了对泵组运行状况的定性、定量分析和诊断需求!,2011年7 月11日4时10分,该炼油分公司运行三部400单元的重整生成油塔多级离心泵因机械密封损伤,造成“芳烃”介质泄漏着火,初步统计经济过亿元。,一把不该燃烧的大火,xx炼油分公司重整生成油塔底泵事故分析,第一节 概述,1.3 研究不平衡振动故障的目的,研究不平衡振动目的,认识设备不平衡故障的高故障率,重
6、视不平衡振动故障的高危害性,熟悉不平衡振动故障的故障机理,掌握诊治不平衡故障的技术方法,弄清产生不平衡振动的工程原因,2.1 设备产生不平衡振动的原因,第二节 不平衡振动机理分析,通俗的讲,不平衡振动的根本原因就是旋转体上存在者多余的质量。使转子质量中心和旋转中心线之间存在偏心距,当转子旋转时便形成了周期性的离心力干扰,并通过“转子 轴承”系统,在支承上产生动载荷(动反力),进而迫使机器产生左右摇摆的“不平衡”振动。,第二节 不平衡振动机理分析,2.2 怎样消除不平衡振动,满足平衡的条件,第二节 不平衡振动机理分析,2.2 怎样消除不平衡振动,e 偏心距。是转子重心偏离中心的距离,为转子单位质
7、量的不 平衡矢量,表征不平衡程度高低的物理量。(um = g.mm/kg)U “质径积”。工程上习惯称为不平衡量,是指向半径方向上 的一个矢量,表征了不平衡量的大小,(g mm)M 转子质量,(kg)。,通过调整配重m或平衡半径r来减小,平衡的实质就是减小质量中心的偏心距,提高和控制设备装配质量的重要性,2.3 不平衡的三种基本类型, 静不平衡(力不平衡),第二节 不平衡振动机理分析,力不平衡就是离心惯性力只作用在转子重心C所在的径向平面上、转子质量中心线等距平行于轴几何中心线的一种不平衡状态。,静不平衡的特点: 主惯性轴线与回转轴线平行; 转子只存在离心惯性力,即静不平衡力,不存在力偶; 静
8、不平衡在两轴承上存在着大小相等的对称作用力; 静不平衡在静止状态下可以观察到,并在重心平面内的反方向施加单 个配重后可进行校正。 因转子重心线平行偏于轴线一侧,轴线涡动的轨迹呈现出圆柱形,这 种振动也称为圆柱振动,第二节 不平衡振动机理分析,讨论,第二节 不平衡振动机理分析,c,(1) 力不平衡使转子的动能增加、扰动力增大,圆盘转子的振动能量,(2) 力不平衡的静态观察特征,有工程指导意义,由惯性力偶引起的不平衡称为力偶不平衡。旋转轴与中心主惯性轴 A-B相交于转子质量重心c, 并成一夹角,此即为偶不平衡状态。,第二节 不平衡振动机理分析, 偶不平衡,偶不平衡的特点 在转子两端存在大小相等、方
9、向相反的不平衡力偶; 力偶不平衡的合力为0,力偶矩不等于0,即,第二节 不平衡振动机理分析,偶不平衡的特点 不平衡力偶矩使转子产生“摇摆型”振动; 两端支承水平(或垂直)方向相位相差1800(晃动相反) 严重的力偶不平衡有时会产生显著的轴向振动; 在静态下力偶不平衡是平衡的,只有在动态状况下其不 平衡特征才有可观察性,旋转轴线呈圆锥形涡动轨迹; 根据“力偶必须用力偶平衡” 的原则,力偶不平衡需要 在垂直回转轴线的两个校正平面内分别进行校正。,第二节 不平衡振动机理分析,不平衡仿真振动真实的揭示了不平衡力在支承轴承上产生的动反力响应,为什么不平衡振动会强力干扰转子支承轴承的运行寿命,?,第二节
10、不平衡振动机理分析,力偶不平衡的动态观察特征,动不平衡是转子的旋转轴线与主惯性轴(AB)即不平行又不重合的状态,它由静不平衡和力偶不平衡两种状态叠加而成。,第二节 不平衡振动机理分析, 动不平衡,第二节 不平衡振动机理分析,动不平衡的特点 不平衡离心力F和不平衡力偶aF1( aF2 )都不等于零; 在静态状况下,动不平衡也具有一定的可观察性; 两端支承径向或水平向振动相位在01800之间,纯动不平衡 故障,振动相位稳定; 动不平衡通常可用在两个任意平面上的等效不平衡矢量表示。 所以,动不平衡也需要在垂直于轴线的两个平面内校正。 动不平衡的旋转轴线同样为“锥形”涡动轨迹,但在轴向和 径向都不具有
11、对称性。,3.1 转子分类, 工作转速低于转子的第一阶临界转速, 刚性转子动平衡不考虑转子变形问题,第三节 转子动平衡原理,转子柔度特性, 工作转速高于转子的第一阶临界转速,刚性转子, 挠性转子动平衡必须考虑转子的形变位移,挠性转子,25%30%,40%,3.2 关于转子挠度,第三节 转子动平衡原理,令,讨论,第三节 转子动平衡原理, 当转速=n 时,轴的挠度理论上为无限大, 转子系统受到滑动面间的摩擦阻尼和轴的油膜、气体、液体等多种阻尼 的影响,转轴的挠曲位移被系统阻尼制约在一定的限值范围内。, 转动部件的支承间距越长,越容易发生转动弯曲变形。, 在不同状态下的振动测试数据 产生的平衡补偿响
12、应会有差异, 负载状态测量计算的振动数据会在 轻负荷状态产生不平衡过补偿;, 空载状态测量计算的振动数据会在 重负荷状态产生不平衡欠补偿;,第三节 转子动平衡原理,讨论,初始振动幅值 带负荷、热态工况,3瓦水平振幅 960um1500,动平衡后振幅 空负荷、冷态工况,3瓦水平振幅 68um 100,动平衡后振幅 带负荷、热态工况,3瓦水平振幅 30um 60, 静力的分解,根据理论力学原理,一个力可以分解成与其相平行的两个分力,第三节 动平衡原理,3.3 刚性转子的平衡分析,振动的实质是什么?就是力的作用和力的变化,不平衡振动同样是由力而生,这种力称之为惯性离心力,是由两种类型的力组成的,一种
13、是静力,产生静不平衡;另一种是力偶,产生了偶不平衡和动不平衡。所以对不平衡振动的分析,必须由 “力” 着手。,刚性转子是由若干个薄圆盘组合在一起的等效体,因此,可以用刚体力学的方法来处理其存在的不平衡问题 出差,这样在把空间力系的平衡转化为两个平面汇交力系的平衡问题后,在选定的(A、B)平衡面离心力汇交点上施加等效的校正力- FA和- FB ,使两平面内的惯性力之和分别为零,该转子即达了新的平衡状态,,第三节 动平衡原理, 空间不平衡力系与平面会交力系的转化,在转子的动平衡振动测量中,支承两侧的振动相位多数情况下既不完全同相位也不完全反相位,可以通过矢量运算分解出同向分量和反向分量,第三节 动
14、平衡原理, 刚性转子的同向分量与反向分量,0AA端测点的振动矢量;0BB端测点的振动矢量;C A/B连线的中点。0C两个测点振动的同相分量;,用同相平衡配重平衡振动的同相分量静不平衡风量;用反相平衡配重平衡振动的反相分量力偶不平衡分量。,C,第三节 动平衡原理, 刚性转子空间不平衡力系的平衡条件,工程应用 不论转子初始不平衡量如何分布,总可以在选定的两个校正平面内进行校正。 转子的不平衡由静不平衡和动不平衡组成,两者可分别校正。对刚性转子来说可直接作动平衡校正,而无需先对转子作静平衡,因为动平衡合格的转子,静不平衡也是合格的。,第四节 刚性转子动平衡的支承条件,4.1 刚性转子是一个线性振动系
15、统, 转子系统的力学模型,第四节 刚性转子动平衡的支承条件, 线性振动系统的四个特征条件, 惯性力与加速度成正比、阻尼力与速度成正比、弹性力与 位移成正比, 简谐激振力作用下的强迫振动也为简谐振动, 系统的固有频率与激励振幅大小无关,只决定于系统特征参数, 系统激励与响应满足“叠加定理” 要求,系统在多个激振力作用下的响应等效为各个激振力单独作用下系统响应的叠加,第四节 刚性转子动平衡的支承条件,4.2 振动系统动刚度, 动刚度的定义,动载荷下结构抵抗变形的能力称为动刚度,单位动态力引起的振动位移,动刚度是用结构的固有频率来衡量的。, 动刚度的量度,干扰力变化很慢(即远小于结构的固有频率),动
16、刚度与静刚度基本相同;,干扰力变化极快(即远大于结构的固有频率),结构变形较小,即动刚度比较大。,干扰力的频率与结构的固有频率相近时,产生共振现象,此时动刚度最小,即最易变形,其动变形可达静载变形的几倍乃至十几倍。,5.1 动平衡机技术,适用于新建造的转动部件;不能在现场和工作 转速下进行平衡;大中修时吊出机器的转子等,第五节 刚性转子动平衡技术,第五节 刚性转子动平衡技术, 7 刚性转子的平衡质量等级(品质),事实上,由于不平衡所引起的振动的大小只是一个相对概念,对于不同类型、 不同尺寸、规格的机器来说,所谓不平衡或振动过大代表着不的含义。,因此,应当根据不同机器设备所允许的振动水平分别对其
17、转子实施合理的、满 足运行要求的平衡。,工程上用“平衡品质”(G)来表征机器转子平衡质量的等级。 根据动平衡工程经验和数学上的相似条件, “平衡品质”的推荐公式为: G=eper/1000 (mm/s) 式中: eper 转子单位质量的不平衡量或偏心距(gmm/kg或um); 对应于工作转速的角速度=2n/60n/10 根据不同设备的运行条件,平衡品质按着2.5的倍数从G0.1G4000共分了11级,二 不平衡振动故障机理分析, 5 刚性转子的平衡方法,特殊环境机械设备做动平衡遇到的问题 大机组转子出厂做平衡困难; 牵连工程大、维修周期长、工作效率低 轴系平衡问题无法解决; 大直径叶轮不能随转
18、子移动导致平衡失效,3,XX变流机组直流机转子结构示意图,第五节 刚性转子动平衡技术, 5 刚性转子的平衡方法,平衡机法(固定式/移动式),现场动平衡方法, 大机组转子出厂做平衡困难; 牵连工程大、维修周期长、工作效率低 轴系平衡问题; 大直径叶轮转子动平衡失效的问题,二 不平衡振动故障机理分析,现场动平衡就是在设备正常的支承和与运转条件下,通过振动测量、分析、计算,对其不平衡状态实施现场校正的一种平衡技术。,优点:,技术简练、高效快捷、经济实用;通常情况下,有35次启停车操作即可把不平衡振动降低到安全水平,缺点:,受到现场操作条件的制约,绘图法,解析计算法,影响系数法,三元法,第一步 在轴承
19、座的主方向测量初始振动,x00,第二部 加试重 原则上,“试重”可任意部位放置,第三步 测量加试重后的振动响应,X11,第四步 计算由试重产生的振动响应,第五步 计算影响系数,X2=X1-X0,第六步 计算校正重量, m2,m1800+0-2,单面动平衡(影响系数)计算法,第四节 现场动平衡技术,m03600-2, 8 刚性转子的平衡质量等级(品质),二 不平衡振动故障机理分析, 9 刚性转子平衡残留质量计算,根据机器设备的转速、功率、回转部件的尺寸、振动标准等基本条件,选择设备的平衡等级(G),计算出设备允许残留的不平衡质量,式中: m 允许残留的不平衡质量(g) M 平衡部件质量(k g)
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