旋转机械松动引起的振动故障特征与振动机理分析

刘文玲

摘 要：本文对旋转机械发生机械松动的形式进行了介绍，并重点对各类松动形式的故障特征及典型频谱图进行了分析，同时对机械松动产生的振动机理进行了分析。

关键词：机械松动；故障特征；振动机理

在旋转设备运行过程中经常会出现机械松动现象，但在设备运行中机械松动只能通过进行状态检测进行分析才能发现，虽然松动本身不是纯粹的故障，不会产生振动，但会放大设备的其它故障，因此有必要对旋转设备关于松动引起的振动特征及振动机理进行分析。

机械松动有三种形式：结构框架或底座松动、结构或轴承座晃动或开裂引起的松动、轴承在轴承座内松动或部件配合松动。

一、振动特征分析

1.结构框架或底座松动

结构框架或底座松动包括支脚、底板、水泥底座松动或强度不够。框架或底板变形，坚固螺丝松动等情况。它的振动特征为：

●类似不平衡或不对中，频谱主要以1X为主；

●振动具有局部性，只表现在松动的转子上；

●同轴承径向振动垂直，水平方向相位差0或180度；

●如果轴承坚固是在轴向，也会引起类似不对中的轴向振动。

2.结构或轴承座晃动或开裂引起的松动

结构或轴承座晃动或开裂引起的松动主要包括结构或轴承座开裂、支承件长度不同引起的晃动、部件间隙出现少量偏差时、坚固螺丝松动。它的振动特征为：

●主要以2X为特征（主要是径向2X超过1X的50%）；

●幅值有时不稳定；

●振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现，此时要消除不平衡或不对中将很困难；

●在间隙达到出现碰撞前，振动主要是1X和2X，出现碰撞后，振动将出现大量谐频。

3.轴承在轴承座内松动或部件配合松动

轴承在轴承座内松动或部件配合松动包括轴承在轴承座内松动、滚动轴承轴承内圈间隙大、滚动轴承轴承保持架在轴承盖内松动、轴承松动或有相对转动。它的振动特征为：

●常常出现大量的高次谐频，有时10X，甚至20X，松动严重时还会出现半频及谐频（0.5X、1.5X……）成分；

●半频及谐频往往随不平衡或不对是等故障现象；

●振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。

二、振动机理分析

机械松动引起的振动的幅值往往是不稳定的，用频闪灯观察此转子，通常呈现不稳定的图象。比较机器或者结构上不同位置处的振动幅值和相位往往可以帮助检测出机械松动源。在机器或者结构的相邻零部件上测量振动幅值和相位的明显的差别，可以清楚地指出相对运动和机械松动源。除非有某个诸如不平衡或者不对中这样的激振力引起松动，一般情况下不会出现机械松动的振动特性。参见图1中的次序，可以解释机械松动的特性和以二倍转速频率或以较高次谐波频率特征振动的原因。图中说明的是安装在轴承上的不平衡转子，其皮带松动的例子。

图1A中，不平衡的重点旋转到6点钟位置，这时不平衡力指向下方。此不平衡力迫使轴承向下对着轴承支座。图1B中，不平衡的重点旋转到l2点钟位置，这时不平衡力指向上方。这个向上的力把轴承举起，离开轴承支座，如图所示。图1C中，重点旋转到3点钟位置，在此位置时，不平衡力向上举起方向的分力为零。因此，轴承落下，对着轴承支座。轴每转一转中，这种作用产生两个作用力。旋转的不平衡力施加一个力，当轴承落下，对着轴承座时施加第二个力。因此，这种松动产生的振动频率将是二倍转速频率。

机械松动典型地将产生二倍转速频率的振动，也可能会产生三、四、五或者也许六倍f率的高阶次频率的振动。这种振动可能是固定螺栓松动、轴承间隙过大，结构或者轴承座断裂、轴上的转子轮盘松动或者轴上的某些其他零部件松动的后果。大家都知道，电动机、发电机都会引起力矩脉冲振动以同步频率的两倍出现，当同步频率为60赫兹或者3600转/分时，此力矩脉冲振动将以7200转/分出现。由此力矩脉冲振动激起的一根转子条松动或者一个定子绕组松动可以在也许是力矩脉冲频率的二倍或者14400转/分处呈现占优势的振动。

图2中的次序说明机械松动怎样产生三、四倍转速的高阶次频率的，机器按图所示次序摇摆的松动可产生二、三、四或更高阶次转速频率的振动。

三、结束语

每台机械总是有一些固有的间隙的，不管是否有大的不平衡或者不对中，在二倍转速频率和高阶次频率处出现一定的振动是正常的。然而，当高阶次频率处的振动的强度大于旋转速度频率处出现的振动强度的二分之一时，应该怀疑是机械松动。此外，在用平衡或者重新对中方法试图消除振动遇到特别困难时，应该进行直观检查，检测可能的松动状态。

参考文献：

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[2] 陆洪波. 大型旋转机械振动分析及故障诊断技术研究 [D]. 东北大学，2007

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[4] 韩捷，张瑞林，等. 旋转机械故障机理及诊断技术[M]. 北京：机械工业出版社，1997.

（作者单位：淄博职业学院）