偏心的动态响应观察

偏心的动态响应观察Mohsen Nakhaeinejad Suri GaneriwalaSpectraQuest Inc., 8201 Hermitage Rd, Richmond, VA 23228Tel: (804)261-3300 摘要：本文研究了机器在旋转过程中，角偏移和平行偏移对机器行为的动态效应。

在SpectraQuest 公司的机械故障仿真器-精简扩展版（MFS）上，对刚性、橡胶和螺旋光束耦合应用不同程度的角偏移和平行偏移。

在每种情况下，轴速、电机振动、轴承振动和轴承力均被测量。

在时域和频域中研究了力信号和振动信号。

结果表明：耦合刚度对振动和力的影响很大；较大的角偏移和平行偏移可在振动信号中产生低频解调；另外，在角偏移和平行偏移中观察到了由于偏差产生的轴向力。

关键字：偏移，旋转机器，故障诊断，振动引言在旋转机械中，偏心是造成机器损坏和失效的最为常见原因之一。

它造成了至少70%的振动问题[1]。

由于偏心转子产生了轴承力和过多振动，这就使得故障诊断过程更加困难。

因为偏心是不可避免的，所以完全的同心实际上并不存在。

另外，很多像热增长、不均匀应用负荷、不合适底座等因素都可能会对重合造成影响。

振动频谱分析是检测偏心的常用方法，曾经风菲一时。

动态力和振动的深入研究对于理解和检测偏心作用很大。

虽然在振动分析和动力偏心方面分析研究[2-5]很多，但是全面监控偏心转子的实验研究相对有限[6-8]。

本文旨在观察偏心类型、等级和材料对机械响应的影响。

SpectraQuest公司的机械故障仿真器-简洁扩展版（MFS）（图1），是一个用于深入研究多数常见机械故障的综合试验台。

该试验台采用刚性、橡胶和螺旋光束3个不同耦合，引入不同程度的角偏移和平行偏移，通过16通道实现全面监控，并在时域和频域中收集速度、振动、力的数据进行分析。

实验部分实验利用SpectraQuest公司的机械故障仿真器-简洁扩展版（MFS）来进行偏移试验。

MFS是一个常见机械故障的综合试验台，能对旋转机器多数常见故障(包括偏心)进行深入分析，它由两个滚动轴承支撑和主轴连接在一起的感应电机构成的。

图 1. 用于偏心实验的SpectraQuest公司的机械故障仿真器（MFS）和SpectraPad的数据采集卡图2. 用于协调左轴承座和右轴承座的力传感器采用加速计在三个方向上对电机振动、机内轴承振动和外置轴承振动进行测量；在带有内置力传感器的轴承座上对垂直、水平和各个轴承上的轴向力进行测量，用测速计检测光反射轴，实际速度由光谱决定。

利用SpectraPad数据采集板在5120Hz、10秒采样率下同步收集和记录16个通道的数据。

表1.实验中的机械故障仿真器的规格[9]实验研究耦合刚度、偏心的等级和类型对振动和动力的影响。

对每种耦合，采用底座末端的左右两边螺钉分三种级别引入角偏移和平行偏移，并在轴速为50Hz时测量16通道信号，如表2所示。

表2.偏心实验设计结果和讨论对表2设计的实验，每组都对转速计信号、振动和力进行了测量。

图3和图4显示了偏移类型和偏移等级对机器振动的影响。

其中，图3绘制了在不同程度的角偏移情况下，右边轴承座在三个方向上的时域振动信号。

转子通过光束耦合连接到电机上，顶端的图（a-c）是带有对齐转子的正常机器的振动。

本文中，‘低’，‘中等’和‘高’偏移分别代表了15密尔，30密尔，和45密尔的偏移。

水平振动（图.3.b）比纵向振动和横向振动都要大，正像图3.k,m中所示那样，角度偏移能产生由低频（1-2Hz）解调的水平振动和垂直振动；可是，该低频解调在中角偏心（图 3.g-j）中没有显示。

在时域中，轴向振动受偏移影响不大。

图4显示了在三个方向上，存在不同程度平行偏移的外置轴承的时域振动，平行偏心（图4）产生的振动要比角偏心（图3）的多，图4.g-m突出表现了平行偏心在低频（1-2Hz）解调时产生的较大振动。

另外，如果存在较严重平行性偏差，解调时轻微的轴向振动都能被观察到（图4. m）。

图3.不同等级的角失调的外圈轴承座振动。

（轴速f=50Hz，螺旋光束耦合）图4.不同等级的平行偏移的外圈轴承座振动。

（轴速f=50Hz，螺旋光束耦合）不同程度的角偏移和平行偏移情况下，外置轴承水平振动的功率谱如图5所示，50Hz的轴速率能在基准频谱（图5.a）中清晰可见，高次谐波比较微弱，这代表小转子的失衡或者偏心。

引入角偏移就会激起3倍或5倍谐波；引入平行偏心，就会激起3倍或6倍（稍高于5倍谐波）。

角偏心和平行偏心对2倍谐波稍有影响，但对1倍谐波没有影响。

在机器不同位置和方向采集的振动信号的功率谱显示了不同谐波，这些不同谐波可能是由不同位置的机器动力模式所致。

因此，不能把一个独特的振动频谱模式推广为机器所有位置的模式。

不过，只要存在偏差，就能观察到3倍和5倍谐波周围的边带低频解调。

图5.角偏移（左侧）和平行偏移（右侧）的外圈轴承的水平振动的功率谱。

a,d：对中；b,e:偏心；c,f:严重偏心（f=50Hz,螺旋光束耦合）图6.角偏移（左侧）和平行偏移（右侧）的外圈轴承轴向力信号的功率谱。

a,d：对中；b,e:偏心；c,f:严重偏心（f=50Hz,螺旋光束耦合）从带有角偏移和水平偏移的外置轴承座上测量得到的轴向力，被变换到频域，轴向力信号的功率谱如图6所示，包括对准转子、偏心和严重偏心的比较。

对于角偏移和平行偏移，可通过置入故障引入3倍频谱。

轴向力对平行偏移似乎比角偏移更为敏感。

基频（图6.a ，d）几乎没有显示小转子偏心的3倍信息。

因为转子的不平衡产生横向力和振动，其轴向信号和水平信号被淹没。

但是，轴向力信号(尤其是在轴向的)带有偏心信息，很少带有失衡信息，因此，轴向振动和力信号可用于从不平衡故障中检测和分离偏心。

可是，在图6中看到的轴向力频谱不能完全分离角度偏移和平行偏移，故在下文中应用了时域分析。

图7.螺旋束和橡胶联轴器在角不重合时（dx=45密尔）的轴承水平振动。

a）光束耦合在5秒时的时域振动 b) 光束耦合为0.03秒时放大的时域振动c)带有光束耦合的不重合转子的振动频谱d)5秒时橡胶耦合的时域振动e）橡胶耦合为0.03秒时放大的时间域振动f）带有橡胶联轴器的不重合转子的振动频谱（f=50Hz）图8.螺旋束和橡胶轴承在平行不重合时（dx=45密尔）的轴承水平振动。

a）光束耦合在5秒时的时域振动 b) 光束耦合为0.03秒时放大的时域振动c)带有光束耦合的不重合转子的振动频谱d)5秒时橡胶耦合的时域振动e）橡胶耦合为0.03秒时放大的时间域振动f）带有橡胶联轴器的不重合转子的振动频谱（f=50Hz）图7和图8显示在角偏移和平行偏移情况下，耦合对轴承振动的影响，其中，橡胶耦合可以很容易地弯曲和扭转。

图7显示在时-频域内，角偏移时光束耦合和橡胶耦合的振动信号，光束耦合的时域图显示了0.54Hz（图7.a）的调解频率和3倍(图7.b)主频率，这些频率分别显示在频谱（图7.c）中，以此作为边带谐波和3倍谐波；另外，可以观察到其它像1倍，5倍和6倍的频谱；对于橡胶耦合，时域振动（图7.e）显示了3倍主频率，但是解调频率被替换为1.7Hz (图7. d)，其振动频谱（图7.f）也包含高谐波。

两个耦合之间的主要不同是解调频率；另一不同是由光束耦合信号（图7.c）引发的高频（20倍）对橡胶耦合不是很明显。

图8显示了平行偏心在时域和频域中，光束耦合和橡胶耦合的振动信号，也显示了在光束耦合（图8.b）和橡胶耦合（图8.e）中作为主频的3倍频；光束耦合和橡胶耦合的解调被分别替换为1.9Hz和2.4Hz（图8.a,d），这要高于角偏移时的情形；光束信号在20倍（图8.c）时显示高频，这在橡胶耦合中不很明显；在光束耦合和橡胶耦合的平行偏心中观察到的频谱模式几乎覆盖了角偏移中显示的模式。

对于光束耦合，机器振动对平行偏移(图8.a) 的敏感程度要比对角偏移(图7.a)高得多。

而对于橡胶轴承，角偏移振动程度和平行偏移振动程度几乎是一样的（图7.d和8.d）。

转子支撑的旋转机器因偏心的存在而引起了轴承振动和轴承损坏，本文从三个方向上对每个轴承支撑的动态力进行了监测。

图9和图10分别显示了由角偏移和平行偏移所产生的轴承力，在每种情况下，在左侧绘制三个方向上的机内轴承力，而在右侧绘制外置轴承力。

比较每一图表的常值力的平均值和三个不同耦合的偏心的严重程度。

另外，每一个数据点的力变化在表中显示为误差线。

因为在水平方向存在偏心，垂直力没有改变得像在图9.a,d和10.a,d中那样明显。

观察图9和图10，刚性耦合转子对偏移和力变化很敏感，像误差线所示那样，即使在机器几乎完全重合的情况下，也要比其它耦合类型产生的力变化大，能导致较大的轴承动态力和故障。

但是，由于螺旋光束耦合的光束在轴向很灵活，故其轴向力的变化要比刚性耦合高；对角偏移来说，图9.b,e中显示的所有三种耦合，在内圈和外置轴承的水平力是不断增加的；对于平行偏移来说，机内轴承水平力要远高于外置轴承力（图10.b,e），这相对于刚性耦合的变化是很明显的。

所有情况下的垂直力和水平力的变化受偏移的影响不是很大。

可是，当引入更高偏移量时，轴向力变化就会较大；另外，由于偏心的影响，外置轴承所产生的轴向力要比机内轴承所产生的轴向力高得多。

图9.由不同联轴器的角失调所引起的动力结论旋转机器的偏心会产生轴承力和过多振动，从而产生机器故障。

时域分析在诊断偏心方面是一个有用的方法。

偏心能引发2倍到10倍的谐波，这些谐波依赖于信号获取的位置和方向。

时域振动显示了由低频解调（0.5-3Hz）所携带的3倍频率。

轴承座力对偏心的类型和级别很敏感，另外，耦合刚性和耦合结构能明显改变力和振动。

结果表明：带有刚性耦合机器的振动和力对平行偏移的敏感程度都要高于角偏移；就轴向力方面，在螺旋光束耦合的偏心转子中能产生较大变化力，而这在刚性耦合中却没有。

对频域中轴向力的研究显示存在较明显的3倍和5倍角谐波和3倍和6倍的平行偏心的谐波。

参考书[1] Bognatz, S. R., 1995, “Alignment of Critical and Non Critical Machines,” Orbit, pp. 23–25.[2] Sekhar, A. S., and Prabhu, B. S., “Effects of Coupling Misalignment on Vibration of Rotating Machines,Journal of Sound and Vibration, 185, pp. 655–671.[3] Al-Hussain, K. M., and Redmond, I., 2003, “Dynamic Response of Two Rotors Connected by Rigid Mechanical Coupling with Parallel Misalignment,” Journal of Sound and Vibration, 249, pp. 483–498.[4] Prabhakar, S., Sekhar, A. S., and Mohanty, A. R., “Vibration Analysis of a Misaligned Rotor CouplingBearing System Passing through the Critical Speed,” Proc. Inst. Mech. Engrs., 215(C), pp. 1417-1428.[5] Hili, M. Attia, Fakhfakh, T., and Haddar, M., 2006, “Failure Analysis of a Misaligned and UnbalancedFle倍ible Rotor,” Journal of Failure Analysis & Prevention, 6(4), pp. 73-82.[6] Saavedra, P. N., and Ramirez, D. E., 2004, “Vibration Analysis of Rotors for the Identification of ShaftMisalignment Part II: E倍perimental validation,” Proc. IMechE, J. of Mech. Eng., 218 (C), pp.987–999.[7] Patel, T. H., and Darpe, A. K., 2009, “E倍perimental Investigations on Vibration Response of MisalignedRotors,” Mechanical Systems and Signal Processing, 23, pp. 2236–2252.[8] Ganeriwala, S., Patel, S., Hartung, H. A., “Observations Concerning Misalignment Vibration Signatures,”SpectraQuest Technote, 2005.[9] /Products/mfs2010.shtml。