旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)與平衡

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1、杜秉謙,旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)與平衡,前言,汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是關(guān)系到發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)熱點(diǎn)之一，特別在新機(jī)組試運(yùn)或機(jī)組檢修后第一次起動(dòng)時(shí)，振動(dòng)問(wèn)題也是影響機(jī)組能否成功啟動(dòng)的關(guān)鍵。近三十年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多起由于振動(dòng)大而導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組軸承斷裂惡性事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良影響。因此，設(shè)法減少旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不良振動(dòng)是工程上非常重要的研究課題。 由于機(jī)組產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因是多方面的，情況復(fù)雜，涉及到設(shè)計(jì)制造、安裝、檢修和運(yùn)行各個(gè)方面，所以，無(wú)論是檢修人員還是運(yùn)行人員具備這方面的基本知識(shí)都是十分必要的。,振動(dòng)的危害,汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生過(guò)大振動(dòng)的危害，主要表現(xiàn)在對(duì)設(shè)備和人身兩方面。對(duì)設(shè)備的危害主要

2、表現(xiàn)在以下方面：,1、動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦。由于機(jī)組單機(jī)容量的增大和效率要求的提高，汽輪機(jī)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(dòng)下，極易造成動(dòng)靜部分摩擦，由此不但直接造成動(dòng)靜部件的損壞，而且當(dāng)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?xí)l(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(huì)造成轉(zhuǎn)子的熱彎曲，使軸和軸承振動(dòng)進(jìn)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(dòng)的危害,2、加速某些部件的磨損和產(chǎn)生偏磨。因振動(dòng)而產(chǎn)生不均勻磨損的部件，主要有軸頸，蝸母輪、活動(dòng)式聯(lián)軸節(jié)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑壞、勵(lì)磁機(jī)的整流子等等。對(duì)靜止部件來(lái)說(shuō)，主要是加速滑銷(xiāo)系統(tǒng)的磨損。發(fā)電機(jī)滑

3、環(huán)和勵(lì)磁機(jī)整流子橢園度過(guò)大，將使電刷冒火。滑銷(xiāo)系統(tǒng)磨損后，會(huì)使機(jī)組膨脹失常。 3、動(dòng)靜部件的疲勞損壞。由于振動(dòng)，使某些部件產(chǎn)生過(guò)大的動(dòng)應(yīng)力，因而導(dǎo)致疲勞損壞，并且由此造成事故進(jìn)一步的擴(kuò)大。這種疲勞損壞雖然要有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，但是隨著部件上應(yīng)力的增大，時(shí)間過(guò)程可以大為縮短。所以有些機(jī)組盡管只是在起停過(guò)程中發(fā)生了幾次大振動(dòng)，但也能使某一部件發(fā)生疲勞損壞。在現(xiàn)場(chǎng)，由于振動(dòng)而使另件發(fā)生疲勞損壞的，以軸瓦烏金破碎較多。當(dāng)破碎的烏金塊落入油隙時(shí)，會(huì)把軸瓦烏金輾壞或引起整個(gè)軸瓦的燒毀。,振動(dòng)的危害,4、某些緊固件的斷裂和松脫。過(guò)大振動(dòng)使軸承座地腳螺栓斷裂和某些另件發(fā)生松動(dòng)而脫落，失去原有的功能，從而使機(jī)組發(fā)生

4、事故。過(guò)大振動(dòng)使緊固件發(fā)生松動(dòng)的另一種形式是基礎(chǔ)二次灌漿松裂，使軸承座動(dòng)剛度降低，使軸承振動(dòng)進(jìn)一步增大。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)較為常見(jiàn)，有時(shí)還會(huì)引起基礎(chǔ)和周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生裂紋。 5、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。汽輪機(jī)汽封間隙的大小，與汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)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(jī)組的振動(dòng)狀況。過(guò)大振動(dòng)會(huì)使汽封間隙磨大，使機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性降低。,振動(dòng)的危害,6、直接或間接造成設(shè)備事故。當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生過(guò)大振動(dòng)時(shí)，危急保安器或機(jī)組的其它保護(hù)儀表的正常工作將直接受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起這些部件的誤動(dòng)作，直接造成事故停機(jī)。 發(fā)電機(jī)定子鐵芯和端部線圈振動(dòng)過(guò)大，會(huì)使鐵芯過(guò)熱損壞，使繞組與繞組間或繞組對(duì)地短路。

5、對(duì)于水冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，振動(dòng)過(guò)大會(huì)引起引水管斷裂，冷卻水泄漏事故。,振動(dòng)的危害,振動(dòng)對(duì)人身的危害也很?chē)?yán)重。過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)和噪音，對(duì)運(yùn)行人員的生理將產(chǎn)生不利的影響。在0100HZ范圍內(nèi)，過(guò)大的振動(dòng)大多數(shù)情況下將引起工作人員顯著的疲勞感覺(jué)，降低工作效率，從而降低了預(yù)防、判斷和處理事故的能力。 從振動(dòng)造成的主要危害出發(fā)，不僅額定轉(zhuǎn)速下的過(guò)大振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生這些危害，而且在起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中所發(fā)生的過(guò)大振動(dòng)，也有著類(lèi)似的危害。在機(jī)組起動(dòng)中，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)很大時(shí)，采用加速的方法沖臨界轉(zhuǎn)速，固然可以使軸承振動(dòng)得不到發(fā)散。但在停機(jī)的過(guò)程中，就難以避免在臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生過(guò)大的振動(dòng)。因此，對(duì)于臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)較大的機(jī)組，從

6、改善轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)著手來(lái)消除振動(dòng)應(yīng)當(dāng)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(dòng)的允許值,一振動(dòng)的基本概念和專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ) 簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最基本的振動(dòng)形式，復(fù)雜振動(dòng)都可以視為多個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。 所謂簡(jiǎn)諧振動(dòng)，凡符合正弦或余弦規(guī)律的振動(dòng)，稱(chēng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,振動(dòng)的允許值,在工程上，還常用單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，即頻率，用f表示，國(guó)際單位為赫茲Hz。f=1/T/2。在振動(dòng)專(zhuān)業(yè)使用的術(shù)語(yǔ)中，把與 轉(zhuǎn)速頻率相同的頻率稱(chēng)為基頻，二倍轉(zhuǎn)速頻率稱(chēng)二倍頻（或簡(jiǎn)稱(chēng)倍頻），依次類(lèi)推。 圖11給出了簡(jiǎn)諧振動(dòng)的波形，圖上標(biāo)出了各參數(shù)的物理意義。振幅、頻率（或周期）和相位這三個(gè)參數(shù)直接決定了系統(tǒng)

7、的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。故常將這三個(gè)參數(shù)稱(chēng)為振動(dòng)三要素。,圖11簡(jiǎn)諧振動(dòng),振動(dòng)的允許值,將振動(dòng)位移對(duì)時(shí)間求一次和二次導(dǎo)數(shù)，可以求得振動(dòng)速度V和加速度a。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，令0，即yAsin，則,由上式可知，當(dāng)振動(dòng)點(diǎn)的位移是簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，則其速度和加速度同樣也是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，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(duì)于振動(dòng)度量通常有峰值、平均值和有效值三種度量方法?，F(xiàn)場(chǎng)使用的測(cè)振儀輸出的振動(dòng)位移一般是指峰峰值（即雙振幅）。 對(duì)于一個(gè)純正的簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形，平均值為 有效值為,當(dāng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的表達(dá)式為y=xm sin時(shí)，則振動(dòng)的峰值（單振幅）、平均

8、值和在效值的關(guān)系為：,振動(dòng)的允許值,振動(dòng)速度的有效值也稱(chēng)振動(dòng)烈度。圖1-2表示出了三者之間的關(guān)系。,圖1-2,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行中的汽輪發(fā)電機(jī)組，在任何情況下都會(huì)有振動(dòng)，而振動(dòng)過(guò)大又會(huì)造成極大的危害，所以運(yùn)行中的機(jī)組振動(dòng)必須保持在一定的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍就是振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)原水電部1980年頒布的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1-1。,表11汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（雙振幅）,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),軸承振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)以軸承座的垂直、水平和軸向三個(gè)方面振動(dòng)中最大者為評(píng)定依據(jù)。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1-3所示，即垂直振動(dòng)應(yīng)在軸承頂蓋上方，正中位置垂直地測(cè)量，水平和軸向振動(dòng)應(yīng)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(cè)量

9、。為了便于比較，各軸承座上的測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)固定，測(cè)量部位應(yīng)作出標(biāo)記。,圖1-3軸承座振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，已具備了轉(zhuǎn)軸振動(dòng)作為評(píng)定尺度的條件，我國(guó)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO7919-2制訂了陸地安裝大型汽輪發(fā)電機(jī)組“轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)測(cè)量與評(píng)定”標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)軸的相對(duì)振動(dòng)（轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軸承）和絕對(duì)振動(dòng)（轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地面）振動(dòng)位移峰峰值的推薦數(shù)值見(jiàn)表1-2和表1-3。,表1-2轉(zhuǎn)軸相對(duì)位移推薦值（）,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),表1-3轉(zhuǎn)軸絕對(duì)位移推薦值（）,表中區(qū)域A：新投產(chǎn)機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)； 區(qū)域B：在此區(qū)域內(nèi)為合格，可以長(zhǎng)期運(yùn)行； 區(qū)域C：在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組，對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行而言認(rèn)為是不合格的，一般來(lái)

10、說(shuō)，在采取措施之前，可以有限的運(yùn)行一段時(shí)間。,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),1986年我國(guó)機(jī)械工業(yè)部發(fā)布了汽輪機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)電用的汽輪機(jī)組中汽輪機(jī)部份的機(jī)械振動(dòng)選定振動(dòng)烈度作為描述機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的品質(zhì)參數(shù)，表1-4給出了汽輪機(jī)振動(dòng)烈度的評(píng)定等級(jí)。,表1-4JB4057-85振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)上式可以相互換算。對(duì)于50Hz的振動(dòng)位移與振動(dòng)烈度的對(duì)應(yīng)值如表1-5所示。,表1-5振動(dòng)位移與振動(dòng)烈度對(duì)應(yīng)值,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),在我國(guó)JB4057-85標(biāo)準(zhǔn)中，還給出了以軸相對(duì)(軸相對(duì)于軸承)振動(dòng)位移最大峰峰值的評(píng)定準(zhǔn)則，在準(zhǔn)則I（按額定功率、轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工況的振動(dòng)值極限評(píng)定）中規(guī)定軸的相對(duì)振動(dòng)位移峰峰值分為四個(gè)

11、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(jiàn)圖1-4）對(duì)于功率大于60MW，轉(zhuǎn)速為1500、3000r/min的發(fā)電用汽輪機(jī)組，各極限值按下列各式計(jì)算：,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),在準(zhǔn)則（按正常穩(wěn)定工況的振動(dòng)值變化極限評(píng)定）中，振動(dòng)變化極限值應(yīng)不大于Sp-pmaxA的75%（不論是增加還是減少）。 軸振動(dòng)位移最大峰峰值的測(cè)量應(yīng)在鄰近軸承的徑向平面內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)測(cè)量平面內(nèi)安裝一對(duì)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(jiàn)圖1-5）。以?xún)蓚€(gè)方向上測(cè)得的位移峰峰值中較大者為評(píng)定依據(jù)。 國(guó)家電

12、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(xiàng)重點(diǎn)要求（國(guó)電發(fā)2000589號(hào)文）對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)提出了具體的反事故措施，規(guī)定發(fā)生下列情況之一應(yīng)立即打閘停機(jī)：,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中，在中速暖機(jī)之前，軸承振動(dòng)超過(guò)0.03mm； 通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，軸承振動(dòng)超過(guò)0.10mm或相對(duì)軸振超過(guò)0.26mm，應(yīng)立即打閘停機(jī)，嚴(yán)禁強(qiáng)行通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速或降速暖機(jī)； 機(jī)組運(yùn)行中要求軸承振動(dòng)不超過(guò)0.03mm或相對(duì)軸振不超過(guò)0.08mm，超過(guò)時(shí)應(yīng)設(shè)法消除。當(dāng)相對(duì)軸振大于0.26mm應(yīng)立即打閘停機(jī)： 當(dāng)軸承振動(dòng)變化0.015mm或相對(duì)軸振變化0.05mm，應(yīng)查明原因設(shè)法消除，當(dāng)軸承振動(dòng)突然增加0.05mm時(shí)，應(yīng)立即打閘停機(jī)。,振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),Thank You !,