哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 转子振动机理和轴心轨迹特征
在旋转机械状态检修系统中，影响设备运行状态的因素是多种多样的，包括振动、瓦温、气蚀等。由于振动的广泛性、振动信号的多维性、测振技术的实用性，一般监测系统均将振动信号作为主要监测项目。设备在运行过程中必然会产生不同程度的振动。据统计，约有70％的故障或事故都在振动信号中有所反映，振动的超标威胁着旋转设备的安全运行。当振动超过一定限度时就会对设备造成危害，严重时将威胁设备安全运行，带来巨大的经济损失。
2.1 旋转机械振动机理分析
对于机械设备来说，通常会产生两种不同形式的振动：强迫振动和自激振动。强迫振动是由外界对系统持续激励所引起的。它是从外界不断地获得能量来补充阻尼所消耗的能量，使系统得以维持持续的等幅振动。外界激励的来源可能是直接作用在振动系统上的激振力，也可能是由于系统中运动部件的不平衡离心惯性力，再就是由支撑件的持续运动而引起。这些激励作用可能是周期性的，也可能是非周期性的。如旋转机械运动中的质量不平衡、几何轴线不对中、齿轮啮合不好、传动件配合不当、轴颈轴承问隙过大等都会引起机械设备的强迫振动。同样，往复机械设备一般都具有大质量的曲柄活塞机构，这些大质量构件在高速周期性运动时就会产生周期性的惯性力，进而就可引起机器和基础的强迫振动及曲轴的扭转振动。强迫振动会使设备或结构产生过大的动应力，成为疲劳破坏的重要原因。
自激振动是依靠系统自身各部分间相互偶合而维持的稳态周期振动，是无需周期变化的外力就能维持的稳态振动，因而与强迫振动有原则性的区别。自激振动的突出特点是它的自治性，即当它处于自激振状态时并不承受随时间变化的外力，而是依靠系统的各个组成部分间相互作用的内力来维持稳态周期振动的。引起自激振动的原因很多，其产生的机理也十分复杂，如油膜振荡使转子出现涡动失衡等。
引起机械振动的的主要原因有：(1)因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动，其主要特征是机组振幅随机组转速变化较敏感，其振幅一般与转速的二次方成正比，且水平振动较大（2)机组转动部件与固定部件相碰(或摩擦)所引起的机组振动，其特征为：一般振动较强烈，并常常伴有撞击声响(3)因轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动，其特征为：机组振幅随机组负荷变化较明显(4)因机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引起的机组振
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哈尔滨理工大学学士学位论文 动，其特征为：机组在空载低转速运行时，机组便有明显振动。
2.2 转子振动的基本特征
转子正常工作，即转子在无故障状态，具体说是转子处于平衡状态、对中情况良好、转轴截面的径向刚度相等、转轴与机壳之间无摩擦等条件下的状态，在此情况下，转子运动不受干扰。频率成分以一倍频为主，混有少量噪声成分。理想轴心轨迹为圆形，但由于实际上不平衡总是存在的，轴心轨迹往往是椭圆形。正常情况下的轴心轨迹与不平衡的轴心轨迹在形状上相同，但正常情况下的振幅比不平衡时要小的多。
旋转机械的主要部件是转子，其结构形式虽然多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是适用的。由于做了上述种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械时不够精确，但基本上能够说明转子振动的基本特性。
图2-1 单圆盘转子
大多数情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一水平线上。设转子上的圆盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的重量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形。此时，由于静变形较小，对转子运行的影响不显著，可以忽略不计，即认为圆盘的几何中心O’与轴线AB上O点重合,如图2-1所示。转子开始转动后，由于离心力的作用，转子产生动挠度。此时转子有两种运动：一种是转子的自身旋转，即圆盘绕其轴线AO’B的转动；另一种是弓形转动，即弯曲的轴心线AO’B与轴承联线AOB组成的平面绕AB轴线的转动。
这时，圆盘的中心O’在相互垂直的两个方向上，以某一频率做简谐振动。一般情况下，两个方向的振幅不相等，因此圆心O’的轨迹为椭圆，O’的这种运动是一种涡动或进动。转子的涡动方向与转子的转动角速度同向时，称为正进动；反向时，称为反进动。由于有转子正进动和反进
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哈尔滨理工大学学士学位论文 动的存在使得的轴心轨迹具有较复杂的形状。一般情况下，当非同步涡动的角速度与转子角速度的关系为整数比时，轴心轨迹仍将是一条封闭的曲线，否则轴心轨迹不是封闭的。
2.3 常见故障原因及轴心轨迹的特征
2.3.1 转子不平衡
引起振动的原因是多方面的,但转子的不平衡是引起机器振动的主要原因之一。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有一半以上的故障与转予不平衡有关。因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。
造成转子不平衡的具体原因很多，主要有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。按其机理又可分为静失衡、力偶失衡、准静失衡、动失衡等四类。
转子的不平衡故障包括：转子质量不平衡、转子初始弯曲、转予热态不平衡、转子部件脱落、转子部件结垢、连轴器不平衡等，不同原因引起的转子不平衡故障规律接近，但也有各自的特点。转子的不平衡故障会产生许多不良后果，首先会引起转子的弯曲和内应力进而引起转子疲劳甚至断裂。其次会引起机器的振动与噪声，加速机械零件的磨损。由质量不平衡引起的转子不平衡的振动特征有
(1) 轴心轨迹为椭圆，如图2-2所示
图2-2 转子不平衡轴心轨迹
(2) 振动的时域波形近似为正弦波；
(3) 频谱图中，能量主要集中在基频并有较小的高次谐波； (4) 其进动特征为正进动。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 2.3.2 转子不对中
大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用连轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等，有可能会造成机器工作时各转子轴线之间产生不对中。
具有不对中的故障转子系统在其运行过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器连轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。
转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。轴径在轴承中偏斜称为轴承不对中。机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称为轴系不对中。轴系不对中又分为平行不对中、角度不对中和综合不对中三种情况。不对中的作用就像转子上有一个不定向的预载荷，容易引起轴向振动。当转子存在不对中故障时，具有以下特征：
(1) 转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，随着不对中的情况加重，二倍频所占的比例增加；
(2) 典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动。二倍频增加的过程中相应的轴心轨迹从香蕉型变为“8”字形，如图2-3所示；
图2-3 不对中故障轴心轨迹
(3) 连轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相位稳定，轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定；
(4) 振动对负荷变化敏感。
2.3.3 转子弯曲
转子弯曲与不平衡相似，但是两者是有区别的，质量不平衡是指各横截面的质心连线与几何中心连线存在偏差。而转子弯曲是指各横截面
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哈尔滨理工大学学士学位论文 的几何中心连线与旋转轴线不重合，二者都会使转子产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。转子弯曲故障的轴心轨迹一般为香蕉型与不对中故障相似但是其轴心轨迹不会因为二倍频分量的增加而变为“8”字形，轴心轨迹如图2-4所示
图2-4 转子弯曲轴心轨迹
转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。
转子永久性弯曲和转予临时性弯曲与转子质量偏心基本相同。其不同之处是，具有转子永久性弯曲故障的机器，开机启动时振动就较大：而转子临时性弯曲的机器，则是随着开机升速过程振幅增大到某一值后有所减小。
2.3.4 转子碰磨
随着机组参数的不断提高，动静间隙的不断减小，以及运行过程中不平衡、不对中、热弯曲等的影响，经常发生转子碰摩故障。在国产20万千瓦气轮发电机组中，已有多台因动静碰摩而造成转子弯曲的严重事故。根据摩擦部位的不同，碰摩分为两种情况，转子外缘与静止件接触而引起的摩擦，成为径向碰摩；转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦，成为轴向碰摩。从不同的角度，摩擦还可以分为局部摩擦和全周摩擦；早期、中期和晚期碰摩等。
碰摩是一个复杂的过程，从机理上分析，碰摩振动对转子有以下几方面的影响：
(1) 直接影响转子的运动可以分为自转和进动两种形式。摩擦对自转的影响在于附加了一个力矩，因此，在转子原有力矩不变的条件下有可能使转子的转速发生波动。至于进动，由于摩擦力的干预可能使正进动转化为反进动，特别是全周摩擦，常常产生所谓的“干摩擦”现象，从而引起自激振动，影响转子的正常运行，甚至损坏机组。
(2) 间接影响摩擦的作用使动静部件相互抵触，相当于增加了转子的支撑条件，增大了系统的刚度，改变了转子的临界转速及振型，且这种
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