柴油发电机振动原因、危害及频谱图分析

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纵向振动对柴油发电机的影响和危害

摘要：新装柴油发电机组试运或大修后第一次启动时，振动问题是影响其能否成功启动的关键。一般而言，造成振动的原因均由发电机定转子励磁线对中不准、燃烧的不稳定性及各缸工作的不均匀性引起的。同时不应忽视联轴器对轴系纵向振动的影响，以往的案例中也出现过因高弹安装问题导致的发电机组纵向振动故障。经验表明，尽可能的减小发电机转子轴与轴向定位装置之间的间隙也有助于减轻纵向振动。因此，应根据发电机的极坐标图、频谱瀑布图、极联图、轴心位置图、轴心轨迹图、振动趋势图、波形频谱图来分析得知，设法减少旋转机械的不良振动是重要的研究课题。

一、机械振动定义和标准

1、旋转机械振动的标准

      我国是参照国际标准化组织《ISO1086-2：1996》制定旋转机械振动烈度评价标准的。分为A、B、C、D四个区域，它们的分界线是根据以下公式得出：区域边界A/B Sρρ=4800/√n；区域边界B/C Sρρ=9000/√n；区域边界C/D Sρρ=13200/√n，如图1和表1所示。

表1    柴油发电机组振动烈度评价标准

区域A 新投产发电机组的振动应在此区域内 区域B 振动在此区域内的发电机组通常认为是合格的，可以照常运行 区域C 振动在此区域内的发电机组不适宜长期连续运行。一般来说，该发电机可在这种状态下运行有限时间，直到有采取补救行动的适合时机为止 区域D 振动在此区域内，通常认为其剧烈程度足以引起发电机组损坏

2、振动定义

      机械振动是指系统在某一位置（通常是静平衡位置）附近所作的往复运动。振动的专业术语比较多，这里只介绍两个重要术语：振幅、振动频率。

（1）振幅——振动体距平衡位置的最大位移。显然振幅越大，则振动越大，反之，则振动越小。

（2）振动频率——单位时间内完成的运动数。振动频率越大，则振动越剧烈。

      振动可分为自由振动和受迫振动：系统受一个初始扰动后任其自身振动称为自由振动；系统在外力作用下（通常是重复性的力）所作的振动称为受迫振动。柴油机发电机组在运转时产生的振动都是受迫振动。

3、波德图

      波德图是反映发电机振动幅值、相位随转速变化的关系曲线，见图2。图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰－峰值，另一个是相位。从波德图上可以得到以下信息：

（1）转子系统在各种转速下的振幅和相位；

（2）转子系统的临界转速；

（3）转子系统的共振放大系数(Q=Amax/ε)，一般小型发电机组Q在3～5甚至更小，而大型发电机组在5～7，超过上述数值，很可能是不安全的；

（4）转子的振型；

（5）系统的阻尼大小；

（6）转子上机械偏差和电气偏差的大小；

（7）转子是否发生了热弯曲。

      由这些数据可以获得有关发电机振动、动平衡状况和振动体的刚度、阻尼特性等动态数据。

图1  柴油发电机组振动烈度曲线

图2  发电机振动幅值和相位波德图

二、振动的原因及其危害

1、旋转机械振动产生的原因

（1）连接刚度不足发电机组基座单薄，支撑强度不够；基座与机座之间垫片连接不好，螺丝松动；机座结构刚度不足。

（2）机械本身存在缺陷由于长期使用，缺乏保养，运动副的间隙过大；运动件损坏，产生不平衡质量，运动时产生不平衡力。

（3）联轴节缺陷齿轮式联轴器长时间运行，齿轮因磨损产生齿厚和齿隙不均，齿面接触不良；弹性柱销联轴器长时间运行，弹性胶老化、变形、磨损脱落，联接胶座孔磨损变形，联接螺丝疲劳折断。刚性联轴器平面跳动大，端面与轴中心不垂直等。

（4）修理、安装的精度差修理中更换运动件时没有考虑质量、间隙；电机与柴油机中线调整不合规范；在调整中线时垫片使用不合理等。

2、发电机纵向振动的危害

      机械振动往往会导致轴承的过度磨损、机件裂纹的形成、紧固件松弛、结构和机械的破坏、机械设备频繁的维修，以及由此引起的过高费用、焊点破裂引发的电路故障、绝缘材料磨损造成的短路等。工作人员长时间在振动环境中会感到疼痛、不适，工作效率低下。

（1）造成曲轴曲柄销承受额外的弯曲应力和拉压应力，严重时会产生曲轴的弯曲疲劳破坏；

（2）降低与曲轴相接触的零部件的可靠性和使用寿命，比如造成止推瓦的磨损、活塞和缸套的偏磨等。

（3）对于非电控柴油发电机，纵向振动会影响到康明斯发电机组的配气相位和供油正时，降低设备整体性能；

（4） 对于刚性连接发电机组，纵向振动会造成连接螺栓承受额外的拉压应力，严重时会造成疲劳损坏；对于弹性连接发电机组，由于高弹普遍采用过盈配合连接方式，过大的纵向振动振幅势必会造成高弹减振橡胶件的损坏；

（5） 包括纵向振动在内的各种振动是发电机组主要的噪声源之一，人们普遍认为只有出现了共振才会造成破坏，但实际上即使纵向振动不在共振状态多种激励共同影响下造成的剧烈振动也会对设备造成损坏。

三、柴发振动频谱图表

1、极坐标图

      极坐标图是把振幅和相位随转速变化的关系用极坐标的形式表示出来，见图3。图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。这种极坐标表示方法在作用上与波德图相同，但它比波德图更为直观。

      振幅-转速曲线在极坐标图中是呈环状出现的，临界转速处在环状振幅最大处，且此时从弧段上标记的转速应该显示出变化率为最大。用电涡流传感器测试轴的振动时，在极坐标图中可以很容易得到轴的原始晃度矢量，即与低转速所对应的矢量。从带有原始晃度的图形要得到扣除原始晃度后的振动曲线也很容易做到，为此，只要将极坐标系的坐标原点平移到与需要扣除的原始晃度矢量相对应的转速点，原图的曲线形状保持不变。这样，原曲线在新坐标系中的坐标即是扣除原始晃度后的振动响应。

2、频谱瀑布图

      用某一测点在启停机（或正常运行中）时连续测得的一组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图，见图4。图中Z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和Z轴是平行的。从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。

图3  发电机极坐标图

图4  发电机频谱瀑布图

3、极联图

      极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图，如图5所示。它的Z轴是转速，工频和各个倍频及分频的轴线在图中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。在分析振动与转速有关的故障时是很直观的。该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。

4、轴心位置图

      轴心位置图用来显示轴颈中心相对于轴承中心位置，如图6所示。这种图形提供了转子在轴承中稳态位置变化的观测方法，用以判别轴颈是否处于正常位置。

      当轴心位置超出一定范围时，说明轴承处于不正常的工作状态，从中可以判断转子的对中好坏、轴承的标高是否正常，轴瓦是否磨损或变形等等。如果轴心位置上移，则预示着转子不稳定的开始。通过对轴颈中心位置变化的监测和分析，可以预测到某些故障的来临，为故障的防治提供早期预报。一般来说轴心位置的偏位角应该在20°～50°之间。

图5  发电机极联图

图6  发电机轴心轨迹图

5、轴心轨迹图

      轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹，如图7所示。通常，转子振动信号中除了包含由不平衡引起的基频振动分量之外，还存在由于油膜涡动、油膜振荡、气体激振、摩擦、不对中、啮合等等原因引起的分数谐波振动、亚异步振动、高次谐波振动等等各种复杂的振动分量，使得轴心轨迹的形状表现出各种不同的特征，其形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

6、振动趋势图

      在发电机组运行时，可利用趋势图来显示、记录发电机的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时间变化的，如图8所示。这种图形以不同长度的时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在分析发电机组振动随时间、负荷、轴位移或其它工艺参数的变化时，这种图给出的曲线十分直观，对于运行管理人员来说，用它来监视发电机组的运行状况是非常有用的。

图7  发电机轴心轨迹图

图8  发电机振动趋势图

7、波形频谱图

      在对振动信号进行分析时，在图9时域波形图上可以得到一些相关的信息，如振幅、周期（即频率）、相位和波形的形状及其变化。这些数据有助于对振动起因的分析及振动机理的研究。但由于从波形图上不能直接得到我们所需要的精确数据，现在已经很少有人用它来确定振动参数。但它可以在实时监测中作为示波器用来观察振动的形态和变化。

      我们知道，对于一个复杂的非谐和的周期性的振动信号，可以用傅立叶级数展开的方法得到一系列的频率成分。对振动波形进行FFT处理则得到振动的频谱分布，即频谱图（如图10所示），该图反映了振动的频率结构。

图9  发电机波形频谱图

图10  发电机频谱分析的示意图

四、纵向振动激励力源分析

1、轴系纵向振动激励力源分析

      轴系纵向振动主要是由轴向（X向）不平衡扰力造成的，如图11所示。在理想情况下，康明斯发电机组曲轴轴向（X向）并不受力，但在实际工作中，受零部件的加工及装配误差和部件的不均匀受热、受力变形（主要指曲轴的受力变形）等因素的影响，康明斯发电机组缸内燃烧压力推动活塞在Y向运动时，其燃烧压力在X向会存在一个分力（1、2、3、4、5、n为气缸数） ，该分力通过连杆共同作用在曲轴上。其中：简谐力为各缸气缸燃烧压力在X向分力的合力，也是发电机组轴系纵向振动的一个主要激励力源之一。

2、发电机纵向振动激励力源分析

      根据发电机的工作特点，发电机在起励后其定、转子磁励线将自动寻找对中，以保证磁场稳定，即决定电机X向（轴向）扰力大小及特性的是发电机内部定、转子磁励线的相对位置。发电机X向扰力主要会在如下两种情况下出现：

（1） 发电机在静止状态下定、转子磁励线出现错位，使得发电机组在启动后的起励过程中，为了保证电机运行中磁场的稳定，磁场在X向上会产生一个轴向力迫使转子轴移动至系统稳定。

（2） 发电机在静止状态下定、转子磁励线对中良好，如果稳定运转的电机转子收到一个轴向外力影响并造成一定位移时，磁场在X向上会产生一个相反的轴向力迫使转子回到原来的稳定位置。当外力和位移为一变量时，在发电机组的磁场特性作用下，便会出现轴系的纵向振动。

（3）固定于发电机转子轴上的冷却风扇在运转时也会产生一个X向力，该轴向力的大小与发电机组转速成正比。