平行不对中
两轴中心线平行错开,径向二倍转频往往突出,联轴器两侧径向相位接近反相。
两根由联轴器连接的轴,理想状态下在运行温度时应处于同一条直线上。实际偏差可以分解为两种基本形式:两轴中心线平行但错开一段距离,称为平行不对中;两轴中心线在联轴器处相交成一个夹角,称为角度不对中。现场绝大多数情况是两者同时存在的综合不对中,而且在水平和垂直两个平面内的偏差往往不同。
不对中时,联轴器要在每一转中反复弯曲、滑移或使齿面相对滑动,才能把两根不同心的轴连在一起,由此对两侧轴承产生以一倍和二倍转频为主的周期性附加力和力矩。附加载荷使联轴器侧轴承温度升高、寿命缩短,弹性元件发热开裂,齿式联轴器齿面磨损,膜片联轴器膜片疲劳。很多时候设备是先坏了轴承或联轴器,追查原因才发现是不对中。
还有一种容易被忽视的情况是轴承本身与轴不同心,即轴承歪斜或轴承座孔不同心,它不经过联轴器,但振动表现与角度不对中非常相似。
两轴中心线平行错开,径向二倍转频往往突出,联轴器两侧径向相位接近反相。
两轴中心线成夹角,轴向一倍转频大,联轴器两侧轴向相位接近反相。
实际最常见,径向和轴向都偏大,严重时出现多阶谐波。
轴承外圈或轴承座与轴不同心,轴向振动大,同一轴承座不同位置的轴向相位相反。
频谱特征会受联轴器型式影响。刚性联轴器几乎不能吸收偏差,不对中直接转化为轴承载荷和振动;弹性联轴器吸收了一部分偏差,振动可能并不很大,但弹性元件的磨损和发热明显;齿式联轴器润滑不良时可能卡涩,表现为轴向振动突然增大。时间波形上,不对中常表现为每转出现一到两个重复的峰,波形规则,不像松动那样杂乱。联轴器侧轴承的振动通常比远离联轴器的一端更大,这也是一个有用的方向性线索。
| 类型 | 主要频率成分 | 方向特征 | 相位特征 |
|---|---|---|---|
| 角度不对中 | 一倍转频为主,常伴随二倍、三倍 | 轴向振动大 | 联轴器两侧轴向相位接近反相 |
| 平行不对中 | 二倍转频常与一倍相当甚至更高 | 径向振动大,轴向相对较小 | 联轴器两侧径向相位接近反相 |
| 综合不对中 | 一倍、二倍为主,严重时出现多阶谐波 | 径向和轴向都偏大 | 轴向与径向均出现跨联轴器的相位差 |
| 轴承歪斜 | 一倍、二倍轴向成分 | 轴向偏大,常被误判为角度不对中 | 同一轴承座上下或左右的轴向测点相位接近反相 |
相位是判断不对中最有力的证据,但也是最容易测错的量。以同一个键相信号为基准,在联轴器两侧轴承座的对应位置分别测量水平、垂直和轴向的一倍转频相位。需要特别注意传感器的朝向:联轴器两侧的轴向测点如果都朝向联轴器安装,两个传感器的正方向在空间上是相反的,比较前必须换算到同一个坐标方向,否则会把同相误读成反相。每次测量都应记录传感器的位置和朝向。
换算到同一方向后,联轴器两侧轴向相位接近反相,提示角度不对中;径向相位接近反相,提示平行不对中;两侧相位接近同相,则更可能是不平衡或其他原因。为了区分角度不对中与轴承歪斜,可以在同一个轴承座的上、下、左、右四个位置测轴向相位:整个轴承座沿轴向整体移动时,四点相位接近;轴承座发生扭摆时,对侧两点相位接近反相,这时问题在轴承本身而不在联轴器。
对中通常在冷态停机时进行,但设备在运行温度下会发生热膨胀:电机定子和机座受热,泵壳随介质温度升降,压缩机和汽轮机的机壳与轴承座温度更高,两侧设备的轴心标高和水平位置各自变化。如果冷态对中时没有按设备要求预留热膨胀量,或者预留量与实际不符,就会出现冷态启动振动正常、运行一段时间后振动和轴承温度逐渐升高的情况。输送高温或低温介质的泵、带有热态位移的压缩机组,是热态不对中最常见的设备。
判断热态影响,可以比较冷态启动初期与热态稳定后的振动幅值和跨联轴器相位;更直接的方法是停机后尽快复测对中,或在运行中用位移传感器、光学方法测量轴承座位置的变化,得到实际热态偏移量,再据此修正冷态预留量。
管道附加力是另一个常见来源。进出口管道安装时强行对口,或者管道受热膨胀后推拉泵壳,会使机壳变形、轴心偏移,即使联轴器刚刚对好,管道一接上又不对中了。检查方法是在联轴器上架设百分表,逐个松开进出口法兰螺栓,观察轴的位移;位移明显说明管道存在附加力,需要调整管道和支架后再对中。底座变形和软脚同样会改变对中状态,应在对中之前先处理。
| 故障 | 相似表现 | 区分要点 | 确认方法 |
|---|---|---|---|
| 弯轴 | 轴向一倍转频大 | 同一转子两端轴向相位接近反相,与联轴器状态无关 | 脱开联轴器单机运行仍然存在,测轴的径向跳动 |
| 机械松动 | 多阶谐波,二倍偏高 | 常伴有分数谐波,方向性强,相位不稳定 | 紧固前后对比,测地脚与基础之间的振幅相位台阶 |
| 不平衡 | 一倍转频高 | 以径向为主,轴向小,同一轴承水平与垂直相位接近九十度 | 改变转速观察,必要时试重验证 |
| 共振 | 某一方向振动很大 | 对转速变化敏感,方向性强 | 敲击测试或升降速扫频 |
| 两极电机电磁振动 | 二倍转频附近成分突出 | 两倍电源频率与二倍转频非常接近,分辨率不足时会混为一个峰 | 提高频率分辨率,观察断电瞬间的变化 |
| 联轴器本身损坏 | 一倍、二倍及谐波 | 对中良好时仍然出现,弹性件或齿面已磨损 | 停机检查联轴器,测量联轴器的跳动 |
处理顺序很重要:先消除软脚和底座变形,再释放管道附加力,然后按设备要求的冷态预留量重新对中,最后检查和更换已经损坏的联轴器元件和轴承。顺序颠倒,往往对完中一紧地脚或一接管道又偏了。对中允差按设备要求、相关标准或合同约定执行,不同转速和联轴器型式的要求不同。
复测要在设备达到正常运行温度并稳定之后进行,与处理前在相同测点、相同工况下对比,重点看轴向振动、二倍转频和跨联轴器相位是否恢复正常,同时观察联轴器侧轴承温度。如果对中数据合格而振动特征没有改善,就要回头检查弯轴、轴承歪斜和联轴器本身。轴承或联轴器已经损坏的,可以结合损坏件的磨损痕迹分析,确认附加载荷的方向与不对中判断是否一致。
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冷态对好不代表热态也对中。管道附加力、底座变形、软脚、联轴器损坏和轴承歪斜,都会表现出类似不对中的特征。需要热态复核对中,检查管道力,并用同一轴承座多点相位排除轴承歪斜。
以同一键相为基准,在两侧对应位置测量同一方向,并考虑传感器朝向,换算到同一坐标后再比较。接近反相提示不对中,接近同相则更可能是不平衡或其他原因。
不一定。松动、轴承歪斜、联轴器损坏都会产生二倍转频;两极电机的两倍电源频率紧邻二倍转频,分辨率不足时很容易混淆。应结合轴向振动、跨联轴器相位和高分辨率频谱判断。
常用做法是停机后尽快复测对中,或在运行中用位移传感器、光学方法监测轴承座位置的变化,得到热态偏移量后修正冷态预留量。高温泵、压缩机和汽轮机组尤其需要这样做。
弹性联轴器能容许一定偏差,但偏差会以附加力和弹性件磨损的形式转移到轴承和联轴器上,缩短使用寿命。仍应按设备要求或相关标准的对中允差进行对中。