旋转机械振动分析

旋转型机械设备振动与减振的探讨作者：张连军崔志敬在安装工程中，旋转型机械设备的振动是难以避免的，而超出承受力的振动将对设备本身产生极大的危害，也会对周边环境产生噪音污染。

如何经济有效的将设备的震动减小到最小值，是设计与施工应着重考虑的课题。

一般来说，旋转型机械设备的振动主要由以下几种原因形成：1.转子不平衡。

泵或风机等设备的叶轮或轴等旋转部件经长期运转行成腐蚀和磨损造成转子不平衡从而引起振动；2. 联轴器找正不准确引起设备振动。

设备在生产或安装时联轴器找正不准确使原动机和设备轴同心度差，从而引起设备振动；3.设备基础较轻引起振动。

由于基础太轻或不牢固，易形成设备与基础产生振动的同步性，从而形成强烈振动；4.临界转速引起振动。

设备轴的转速与转子的固有频率相同时就会发生强烈共振，我们常见有些设备在启动时会有较大幅度的振动，而在其正常运转时情况就会大大转好，就是这种原因。

此外泵类设备的振动原因还有汽蚀和喘振。

以上几点中，第4点是设备本体设计的问题，第3点较容易克服，汽蚀和喘振所引起的振动可以通过系统调节来解决，第1、2点原因指的设备内部旋转部分产生不平衡的惯性力矩和力矩强迫基础形成振动，这种振动是安装工程中最常见的。

下面我们主要对由这种原因引起的振动进行分析。

设备基础通常与基坑物质（土壤或其他刚性物质）直接接触，因此旋转设备的回转惯性力或往返惯性力皆传给基坑，从而引起基础与基坑物质的共同振动。

由于基础与基坑的不可分割性及吸振效果，所以通常情况下，我们可以将二者合二为一，看作是一个弹簧系统，从而建立一个单自由度减振系统模型（如下图所示）,即我们只考虑垂直方向上的力（水平方向上的力所产生的振动很容易被可视为水平面无限大的基坑所吸收），所以由工程力学原理可得：m0d2 A/( dt2)+K A=Mrω2cosωt ——式1其中m0——设备基础及设备本体质量K——弹簧刚性M——设备旋转部分质量A——弹簧系统竖向振幅R——旋转部分垂直干扰力r——设备旋转部分偏心距ω——旋转部分干扰圆频率以上数学式为设备基础及本体加速度产生的力、弹簧的作用力与设备本体旋转产生的垂直作用力（R= Mrω2cosωt）之间的数学关系。

旋转机械常见振动故障及原因分析旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等，广泛应用于电力、石化、冶金和航空航天等部门。

大型旋转机械一般安装有振动监测保护和故障诊断系统，旋转机械主要的振动故障有不平衡、不对中、碰摩和松动等，但诱发因素多样。

本文就旋转设备中，常见的振动故障原因进行分析，与大家共同分享。

一、旋转机械运转产生的振动机械振动中包含着从低频到高频各种频率成分的振动，旋转机械运转时产生的振动也是同样的。

轴系异常（包括转子部件）所产生的振动频率特征如表1。

二、振动故障原因分析1、旋转失速旋转失速是压缩机中最常见的一种不稳定现象。

当压缩机流量减少时，由于冲角增大，叶栅背面将发生边界层分离，流道将部分或全部被堵塞。

这样失速区会以某速度向叶栅运动的反方向传播。

实验表明，失速区的相对速度低于叶栅转动的绝对速度，失速区沿转子的转动方向以低于工频的速度移动，这种相对叶栅的旋转运动即为旋转失速。

旋转失速使压缩机中的流动情况恶化，压比下降，流量及压力随时间波动。

在一定转速下，当入口流量减少到某一值时，机组会产生强烈的旋转失速。

强烈的旋转失速会进一步引起整个压缩机组系统产生危险性更大的不稳定气动现象，即喘振。

此外，旋转失速时压缩机叶片受到一种周期性的激振力，如旋转失速的频率与叶片的固有频率相吻合，将会引起强烈振动，使叶片疲劳损坏造成事故。

旋转失速故障的识别特征：1）振动发生在流量减小时，且随着流量的减小而增大；2）振动频率与工频之比为小于1X的常值；3）转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；4）排气压力有波动现象；5）流量指示有波动现象；6）机组的压比有所下降，严重时压比可能会突降；7）分子量较大或压缩比较高的机组比较容易发生。

2、喘振旋转失速严重时可以导致喘振。

喘振除了与压缩机内部的气体流动情况有关，还同与之相连的管道网络系统的工作特性有密切的联系。

旋转机械振动分析与控制旋转机械振动分析与控制旋转机械振动分析与控制是研究旋转机械系统中振动特性和控制方法的一门学科。

随着工业化进程的加快和现代制造业的快速发展，旋转机械的应用越来越广泛。

然而，旋转机械振动问题也逐渐凸显出来，给生产运行和设备维护带来了一定的困扰。

因此，进行旋转机械振动分析与控制的研究具有重要的理论和实践意义。

旋转机械的振动问题主要包括：不平衡振动、轴承振动、齿轮啮合振动、流体力学振动等。

这些振动问题会导致机械系统的性能下降、噪声增加、设备寿命缩短甚至损坏，严重影响生产效率和产品质量。

为了解决旋转机械振动问题，需要对其振动特性进行分析和研究。

首先，需要对机械系统的结构进行建模，确定其自由度和约束条件。

然后，运用振动力学理论和方法，推导出机械系统的振动方程。

通过求解这些振动方程，可以得到机械系统的振动响应，包括振动频率、振幅和相位等参数。

最后，通过对振动响应进行分析和评估，可以确定旋转机械系统的振动特性和存在的问题。

在旋转机械振动控制方面，有很多有效的方法和技术可供选择。

常见的控制方法包括：质量平衡、结构优化、主动控制和被动控制等。

质量平衡是通过在转子上增加质量块，使得旋转机械的质心与转轴中心重合，从而减小不平衡振动。

结构优化是通过改变机械系统的结构参数，提高其刚度和阻尼等性能，来减小振动响应。

主动控制是通过对机械系统施加控制力，改变其振动特性，达到减小振动的目的。

被动控制是通过安装减振器、减震器等装置，消耗和分散振动能量，从而减小振动响应。

随着技术的不断进步和创新，旋转机械振动分析与控制的研究也在不断深入。

新材料的应用、先进制造技术的推广以及智能控制技术的发展，为解决旋转机械振动问题提供了更多的手段和可能性。

未来的研究方向包括：振动信号处理与诊断、主动控制与智能控制、多学科优化设计等。

这些研究将进一步提高旋转机械系统的性能和可靠性，推动现代制造业的发展。

总之，旋转机械振动分析与控制是一门重要的学科，对于提高旋转机械系统的性能和可靠性具有重要的意义。

旋转机械振动及频谱分析
旋转机械振动是指由于旋转机械内部的不平衡、错位、传动链条松弛
等原因引起的振动现象。

这种振动不仅会影响机械设备的正常运行，还会
对设备的寿命和工作效率产生不利影响。

因此，对旋转机械振动进行频谱
分析是非常重要的。

频谱分析是振动分析中最常用的一种方法，它将振动信号分解为不同
频率的成分，并通过频谱图来表示。

在旋转机械振动的频谱分析中，通常
使用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号。

通过频谱分析，可以获得机
械振动信号的频率、振幅和相位等信息。

另外，频谱分析还可以判断机械振动是否超过了允许范围。

在设备正
常工作时，机械振动通常都是存在的，但是如果振动超过了设备的允许范围，则可能会导致机械的故障和损坏。

通过频谱分析，可以将机械的振动
信号与设备的允许范围进行对比，及时发现问题并采取相应的修复措施。

在进行频谱分析时，需要注意一些技术和操作细节。

首先，要选择合
适的传感器和采样频率，以确保采集到准确可靠的振动信号。

其次，还需
要选择合适的频谱分析方法和工具，以确保分析结果的准确性和可靠性。

最后，还需要对分析结果进行合理解读和判断，以及采取相应的修复措施。

旋转机械产生振动的原因1.转子不平衡：转子是旋转机械的核心部件之一，如果在制造或装配过程中转子的质量分布不均匀，或者转子的质量中心与转轴的几何中心不一致，就会导致转子不平衡，产生振动。

2.转子偏心：转子在运行过程中，由于受到各种力的作用，会产生偏心现象。

例如，由于轴承老化或磨损，导致转子偏离理想中心位置，这样在旋转时会出现不规则的振动。

3.转轴弯曲：转轴在长期运行中可能会发生弯曲，这可能是由于过载、长期在偏心位置运行或轴材质不均匀等原因导致的。

当转轴弯曲时，会产生较大的离心力，从而导致旋转机械产生振动。

4.轴承异常：轴承是支撑旋转机械转子和传递负荷的重要组件。

当轴承存在异常时，如过早磨损或损坏，轴承回转不灵活，就会导致旋转机械产生振动。

5.转速不匀：旋转机械的转速不匀也是产生振动的原因之一、例如，在内燃机中，气缸的工作过程可能由于火花塞点火的时间、燃烧性能等因素的影响，导致固定转子的周期性加速和减速，从而产生振动。

6.故障松动：旋转机械的各种连接部件，如螺栓、齿轮、轴套等，如果松动或失效，就会导致机械系统不稳定，进而产生振动。

7.液动离心力：一些旋转机械中的工作流体（如离心泵等）在离心力作用下，会产生离心振动。

这种振动可以通过调整流体在机械内的流动方式或增加防振措施进行控制。

以上是旋转机械产生振动的主要原因。

为了减少或消除这些振动，需要采取相应的措施，例如：加强质量控制，保证转子的平衡性；定期检查和维护轴承，确保其正常工作；适当调整机械的结构和设计，降低振动产生的可能性；使用合适的润滑剂和制动装置，减少摩擦引起的振动等等。

第⼆章旋转机械振动分析基础第⼆章旋转机械振动分析基础振动在设备故障诊断中占了很⼤的⽐重，是影响设备安全、稳定运⾏的重要因素。

振动⼜是设备的“体温计”，直接反映了设备的健康情况，是设备安全评估的重要指标。

⼀台机组正常运⾏时，其振动值和振动变化值都应该⽐较⼩。

⼀旦机组振动值变⼤，或振动变的不稳定，都说明设备出现了⼀定程度的故障。

第⼀节振动分析的基本概念振动是⼀个动态量。

图2.1所⽰是⼀种最简单的振动形式——简谐振动，即振动量按余弦或正弦函数规律周期性地变化，可以写为()?ω+=t A y sin （3-1）f πω2=；T f 1= 试中，y 振动位移；A 振动幅值，反映振动的⼤⼩；?振动相位，反映信号在t=0时刻的初始状态；ω为圆频率；f 为振动频率，反映了振动量动态变化的快慢程度；T 为周期。

图2.1简谐振动波形图2.2给出了三组相似的振动波形：图2.2（a ）为两信号幅值不等，图2.2（b ）为两信号相位不等，图2.2（c ）为两信号频率不等。

可见，为了完全描述⼀个振动信号，必须知道幅值、频率和相位这三个参数，⼈们称之为振动分析的三要素。

（a）幅值不等；（b）相位不等；（c）频率不等图2.2 三组相似的振动波型简谐振动时最简单的振动形式，实际发⽣的振动要⽐简谐振动复杂的多。

但是根据付⽴叶变换理论知道，不管振动信号多复杂，都可以将其分解为若⼲具有不同频率的简谐振动。

图2.3 付⽴叶变换图解旋转机械振动分析离不开转速，为了⽅便和直观起见，常以1x表⽰与转动频率相等的频率，⼜称为⼯（基）频，分别以0.5x、2x、3x等表⽰转动频率的0.5倍、2倍、3倍等相等的频率，⼜称为半频、⼆倍频、三倍频。

采⽤信号分析理论中的快速傅⽴叶变换可以很⽅便地求出复杂振动信号所含频率分量的幅值和相位。

⽬前频谱分析已成为振动故障诊断领域最基本的⼯具。

频谱分析所起的作⽤可以概括为以下两点：1）特定故障的频率特征具有必然性。

例如，转⼦不平衡的频率为⼯频，⽓流基振和油膜振荡等故障的频率为低频，电磁激振等故障为⾼频。