旋轉(zhuǎn)機械振動與平衡

1、杜秉謙 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，情況復雜，涉及到設計制造、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

2、面的基本知識都是十分必要的。振動的危害 汽輪發(fā)電機組發(fā)生過大振動的危害，主要表現(xiàn)在對設備和人身兩方面。對設備的危害主要表現(xiàn)在以下方面：1、動靜部分發(fā)生摩擦。由于機組單機容量的增大和效率要求的提高，汽輪機通流部分的間隙，特別是徑向間隙一般都比較小，在較大的振動下，極易造成動靜部分摩擦，由此不但直接造成動靜部件的損壞，而且當汽封間隙大后，增大了轉(zhuǎn)子軸向推力，引起推力瓦溫度升高，甚至會發(fā)生推力瓦損壞事故。如果摩擦直接發(fā)生在轉(zhuǎn)軕處，將會造成轉(zhuǎn)子的熱彎曲，使軸和軸承振動進一步增大，形成惡性循環(huán)，由此常常引起轉(zhuǎn)軸的永久彎曲。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

3、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?；N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)生過大的動應力，因而導致疲勞損壞，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

4、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、直接或間接造成設備事故。當汽輪機發(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

5、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0100HZ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)

6、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)著手來消除振動應當是更合理的技術(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/2。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11給出了簡諧振動

7、的波形，圖上標出了各參數(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11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數(shù)，可以求得振動速度V和加速度a。為了簡單起見，令0，即yAsin，則 由上式可知，當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/2；振幅分別為A，A和A2。 對于振動度量通常有峰值、平均值和有效值三種度量方法。現(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 有效值為當簡諧振動的表達式為y=xm sin時，則振

8、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振動標準運行中的汽輪發(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準。我國原水電部1980年頒布的汽輪發(fā)電機組振動標準見表1-1。表11汽輪發(fā)電機組軸承振動標準（雙振幅）轉(zhuǎn)速r/min優(yōu)（）良（）合格（）15003000302050307050振動標準軸承振動評定標準以軸承座的垂直、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，即垂直振動應在軸承頂蓋上方，正中位置

9、垂直地測量，水平和軸向振動應在軸承上蓋水平結(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當固定，測量部位應作出標記。圖1-3軸承座振動測點位置振動標準隨著測量技術(shù)的進步，已具備了轉(zhuǎn)軸振動作為評定尺度的條件，我國參照國際標準化組織的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”標準。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（）區(qū)域上界額定轉(zhuǎn)速（r/min）1500180030003600A100908075B120-200120-185120-1

10、65120-150C180-320180-290180-260180-240振動標準表1-3轉(zhuǎn)軸絕對位移推薦值（）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。振動標準1986年我國機械工業(yè)部發(fā)布了汽輪機組的機械振動標準，對發(fā)電用的汽輪機組中汽輪機部份

11、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振動標準振動標準振動標準根據(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值如表1-5所示。表1-5振動位移與振動烈度對應值Vf(mm/s)0.450.711.121.82.84.57.111.218.028.045.071.0Sp-p()46.310162540.663100162250406630振動標準在我國JB4057-85標準中，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則，在準則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

12、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-p maxB、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：振動標準 在準則（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（905）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)2000589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)生下列情況之一應立即打閘停機：振動標準機組在啟動過程中，在中速暖機之前，軸承振動超過0