李 麗 ，肖增弘 ，張超臣 ，李健偉 ，龐智元 ,胡月笛 ，潘宏剛 ，

（1.沈陽工程學院a.研究生部；b.能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

旋轉(zhuǎn)機械主要通過旋轉(zhuǎn)運動完成指定功能，如航空發(fā)電機、汽輪機以及燃氣輪機等都為典型的大型旋轉(zhuǎn)機械，在電力、航空航天及石化等領域被廣泛應用［1］。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中是引起振動故障的主要原因之一［2］。當轉(zhuǎn)子不對中時，會導致設備系統(tǒng)振動、軸承磨損、聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)及油膜失穩(wěn)等一系列問題，危害極大［3］。在這些振動故障中有近70%是因為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)不對中［4］。因此，在重大旋轉(zhuǎn)機械中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中引起的振動故障一直是被關注并研究的課題［5-7］。

國內(nèi)外學者對產(chǎn)生轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中問題做了大量深入研究。Bouaziz［8］對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)偏角不對中這類問題建立動力學方程，分析軸承負載情況，得出在此情況下軸承的流體動力學特性。文獻［9］采用有限元法建立動力學模型進行計算分析，得出不同載荷條件下的滑差率。文獻［10］在考慮軸向預緊力的情況下，建立支撐-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)5個自由度模型并進行動力學分析，得到不對中情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的周期解和分岔影響。馬波［11］針對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平行不對中故障提出了一種定量診斷研究方法，主要通過轉(zhuǎn)子節(jié)點振動的通頻幅值的變化反推出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平行不對中量。韓清凱等［12］針對聯(lián)軸器不對中和支點不對中問題，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學模型進行不對中振動故障動力學特性分析。李明［13-14］等根據(jù)Lagrange方程推導系統(tǒng)的運動微分方程并建立多跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)試驗臺，得出在轉(zhuǎn)子存在偏角不對中情況時，其振幅受偏角不對中量和系統(tǒng)的物理參數(shù)影響，在轉(zhuǎn)速較大時，其軸心軌跡存在曲率突變位置，且軸心軌跡出現(xiàn)“8”字形或多環(huán)橢圓形。何國安［15-16］通過改變軸承標高上的方式，計算在不對中工況下軸承載荷變化情況，并對軸承進行定量振動分析。王文營［17］針對某600 MW汽輪發(fā)電機組的3種不對中類型進行了振動故障診斷分析，并提出了機組運行及檢修處理措施。王延博［18］論述了多種不對中情況下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學機理和振動故障特征，并給出當聯(lián)軸器存在不對中情況時晃度控制的參考標準。

綜上所述，以ZT-3型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺為基礎，搭建多跨多支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，并對其進行不對中量設置，通過動力特性實驗分析，在對中狀態(tài)和不對中狀態(tài)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性存在差異并據(jù)此得出相應結(jié)論。

1 試驗裝置

1.1 基礎試驗裝置簡介

試驗裝置為ZT-3型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺，主要由轉(zhuǎn)子實驗臺本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和EVMA軟件3部分組成［19］。轉(zhuǎn)子試驗臺由底座滑軌、驅(qū)動電機、支撐軸承、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子輪盤和聯(lián)軸器等部件組成。試驗臺的尺寸為1 200 mm×108 mm×145 mm，質(zhì)量約為45 kg，采用直流電動機驅(qū)動，其額定電流為I=2.5 A，輸出功率為P=250 W，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過調(diào)速器的旋鈕調(diào)節(jié)，允許范圍在0～10 000 rpm之間，且升速率可控，最高可達800 rpm左右。電機與轉(zhuǎn)子之間，軸與軸之間通過聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器可以選擇剛性或半撓性，轉(zhuǎn)軸直徑均為φ=9.5 mm，長度分為320 mm的短軸和500 mm的長軸。試驗臺采用大輪盤和小輪盤各3個，其中大輪盤尺寸為φ76×25 mm，質(zhì)量為800 g；小輪盤尺寸為 φ76×19 mm，質(zhì)量為600 g。振動信號傳感器主要有SE系列中靈敏度為8 V/mm的電渦流位移傳感器，MT-3型靈敏度為30 mV/（mm·s-1）的速度傳感器，MT-3型靈敏度為100 mV/g的加速度傳感器及RL-1型紅外線光電轉(zhuǎn)速傳感器。數(shù)據(jù)采集和EVMA軟件由1臺數(shù)據(jù)采集器和1臺筆記本電腦組成，數(shù)據(jù)采集器為16通道，主要采集來自振動信號傳感器的各振動數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后通過網(wǎng)絡雙絞線輸入電腦EVMA軟件，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)特性進行分析。

1.2 多跨多支撐轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的建立

上述試驗臺可進行拆卸組裝，選取2根320 mm的短軸、1個半撓性聯(lián)軸器、1個剛性聯(lián)軸器、2個大輪盤和3個支撐軸承構(gòu)成多跨多支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，如圖1所示。多跨多支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)搭建好后，檢查設備是否連接好。盤動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)無問題后，啟動驅(qū)動電機，低速驅(qū)動轉(zhuǎn)子，無問題后方可試驗。

圖1 多跨多支點轉(zhuǎn)子試驗臺

1.3 多跨多支撐轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對中狀態(tài)

建立如圖2所示的健康轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，即聯(lián)軸器對中狀態(tài)良好的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)［1］，并進行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗。提取轉(zhuǎn)速由3 000 rpm升速到4 000 rpm的軸心軌跡和頻譜圖，如圖3和圖4所示。從軸心軌跡觀察出，軸心軌跡呈現(xiàn)出近似圓形，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸心軌跡越趨向圓形。從頻譜圖中可以看出其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動主要表現(xiàn)為1X。

圖2 健康轉(zhuǎn)子

圖3 健康轉(zhuǎn)子軸心軌跡

圖4 健康轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下x、y方向的頻譜

2 平行不對中故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學實驗

在上述健康轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗臺基礎上，搭建平行不對中量為0.05 mm、0.08 mm和0.10 mm，不平行率δ分別為0.53%、0.84%和1.05%的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障試驗臺，并進行動力學試驗。其中不平行率為δ=ε為不平行量，d為轉(zhuǎn)軸直徑），具體實驗方法是在聯(lián)軸器適當位置處放置不同厚度的墊塊以模擬平行不對中情況。

圖5和圖6分別為不平行量為0.05 mm，不平行率為0.53%時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡圖和頻譜圖。由此可見，隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，軸心軌跡逐步趨向橢圓形。在轉(zhuǎn)速較低時，系統(tǒng)的運動以1x為主，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，2x特征有所顯現(xiàn)。

圖5 不平行率為0.53%的軸心軌跡

圖6 不平行率為0.53%時不同轉(zhuǎn)速下x、y方向的頻譜

圖7 不平行率為0.84%的軸心軌跡

圖8 不平行率為0.84%時不同轉(zhuǎn)速下x、y方向的頻譜

圖7 和圖8分別為不平行量為0.08 mm，不平行率為0.84%時，在不同轉(zhuǎn)速下測得的具有平行不對中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡圖和頻譜圖。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，軸心軌跡由逐步趨向“香蕉”型轉(zhuǎn)為最后出現(xiàn)“8”字形，并且2x特征更加明顯。

圖9 不平行率為1.05%的軸心軌跡

圖10 不平行率為1.05%時不同轉(zhuǎn)速下x、y方向的頻譜

圖9 和圖10為不平行量為0.1 mm，不平行率為1.05%時的軸心軌跡及頻譜圖。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，渦動明顯增強，軸心軌跡越來越趨向“8”字形，頻譜圖中2x成分明顯并且逐漸增大。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

多跨多支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平行不對中實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖11、圖12及表1分析可得出，在3 000～3 500 rpm時，x、y方向的1x振幅增長率幾乎相同，說明在此轉(zhuǎn)速期間，振動對x、y方向的影響基本相同；不對中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在3 000～3 500 rpm時，1x和2x的振幅增長普遍率小于3 500～4 000 rpm時的振幅增長率，說明轉(zhuǎn)速越高時轉(zhuǎn)子的振動幅度越大；當平行不對中量為1.02%，轉(zhuǎn)速在3 500～4 000 rpm時，1x和2x振幅增長率最大，分別為0.954和0.190。

圖11 1倍頻不同轉(zhuǎn)速不同位置的振幅

圖12 2倍頻不同轉(zhuǎn)速不同位置的振幅

表1 多跨多支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平行不對中實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文建立了多跨多支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗裝置，通過試驗測得多跨多支點對中狀態(tài)時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和存在平行不對中故障時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡圖和頻譜圖。通過對比試驗結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）多跨多支點平行不對中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應主要體現(xiàn)為1x和2x分量。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中時，1x和2x隨著轉(zhuǎn)速升高，明顯增大，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)。

2）轉(zhuǎn)子的軸心軌跡在轉(zhuǎn)速較低且不平行率較小時為同步運動，但隨著轉(zhuǎn)速的提高和不對中量的增加，其軸心軌跡呈現(xiàn)相對規(guī)則的“8”字形和“香蕉”形。并且軸心軌跡在一些特定位置時曲率突變，說明在該系統(tǒng)中的某些位置，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在劇烈振動。

3）轉(zhuǎn)速越高不平行率越大時，振幅越大，說明此時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動強烈。