基础共振对旋转机械振动的影响实例

一、概述

对于共振现象的了解，人们Z为熟悉的是18世纪中叶，一队士兵通过法国昂热市一座大桥时，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的震动，Z终断裂塌陷，造成许多人落水丧生。造成惨剧的罪魁祸首就是共振！因为士兵齐步走时，产生的频率正好和大桥的固有频率一致，使桥的振动突然加剧，当振幅达到Z大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。还有古代的鱼洗，用手缓慢有节奏地摩擦盆边两耳，盆会象受击撞一样振动起来，盆内水波荡漾。摩擦得法，可喷出水柱。当两手搓双耳时，产生两个振源，振波在水中传播，互相干涉，使能量叠加起来，所以这些能量较大的水点，会跳出水面。这也是发生了共振。  

自然中有许多地方有共振现象。那么共振的定义是什么呢，共振是指一个物理系统在特定频率下，以Z大振幅做振动的情形。此一特定频率称之为共振频率。人类也在其技术中利用或者试图避免共振现象。

共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语。现象是两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另一个物体也一起振动。 从某种程度上甚至可以说，是共振产生了宇宙和世间万物，没有共振就没有世界，它又有着非常巨大的危害性。

当今，旋转设备广泛应用于工业生产中，在生产中占着十分重要的地位，一旦设备出故障，会给生产或环境造成巨大的影响和损失。在旋转设备故障中，振动故障占绝大多数，振动故障常见的有不平衡、不对中、松动、碰磨、轴承损坏、共振等，共振作为造成振动的主要原因之一，但它的故障特征与不平衡故障特征容易相混淆，共振也分很多种，今天从实际例子出发对基础共振故障的机理和振动特征做介绍，了解一下对旋转设备共振故障的诊断和处理。

二、旋转设备共振故障特征

1、共振发生的原因

  （1）设计、制造方面的原因。

     机组在设计、制造时系统的临界转速设计不尽合理，致使工作转速接近或落入临界转速区。一般将转轴的固有频率所对应的转速当作转子的临界转速，当转子的工作转速与临界转速相等或相近时，设备便会发生共振。

  （2）运行、操作方面的原因。在设备启用、停车或升降转速过程中操作不当，在临界区停留时间过长，从而引起共振，振动增大。

  （3）安装、维护方面的原因。设备安装不当或在使用中，系统的支撑条件（刚度）发生变化，致使设备的固有频率发生改变，从而与激励频率过于接近，引起共振。

2、基础共振的故障特征

  基础和机组的振动形式

当物体A的固有频率和物体B的振动频率相近时,物体B就会引起物体A的共振。所谓物体的固有频率是指，当物体在不受外力作用或所受合外力为零的情况下，振动时的频率，比如，一把尺子，用手使它弯曲，然后松开手，尺子就会振动，这时，振动的尺子受合外力是为零的，此时尺子的振动频率就是尺子的固有频率。

系统一般有多个共振频率，在这些频率上振动比较容易，在其它频率上振动比较困难。假如引起振动的频率比较复杂的话（比如是一个冲击或者是一个宽频振动）一个系统一般会“挑出”其共振频率随此频率振动，事实上一个系统会将其它频率过滤掉。

设备B的振动幅值与设备B的阻尼系数、基础A的自振频率、设备B自振频率与基础A振动频率的比有关。当设备B的自振频率与基础A的自振频率相等时，设备B的振动幅值达到Z大值，在无阻尼的情况下，B的振动幅值将达到无穷大，共振使设备B产生不可估量的破坏。改变基础A的刚度或质量，可以使基础A的自振频率发生改变，从而避免基础共振的发生，减小B的振动。

共振发生时，设备振动的频率显示以一倍频为主，引起一倍频的主要原因有：不平衡、松动、碰磨、共振等。不平衡引起的振动在径向上表现基本相同，而不会出现某个方向振动超大。松动或碰磨会出现高次谐频，而不是单一的一倍频。

故而基础引起共振时的特征与不平衡类似，频率显示以一倍频为主，但会显示出某一个方向上振动极大并呈不稳定性。

三、案例分析

1、案例一：电机基础刚度差，引起共振 

      该引风机电机及轴承箱的基础为金属框架结构（与上图的结构类似），刚启动时转速未达到正常时振动不大，运转正常时设备振动很大，设备振动与基础框架的震动幅值相当，振动幅值极大（50-70mm/s），设备各点引起震动的频率为转速频率的1倍（16.49HZ），设备停运时对基础做敲击试验，得出基础支架的固有频率为（16.89HZ），与电机的1倍转速频率相近，故而产生共振，使振动加剧。 

 也就是说，电机基础框架的自振频率（16.89HZ）与电动机的转速频率（16.49HZ）相近，因此该基础框架与电机的共振引起很大的震动。

一般电动机应该要安装在水泥浇注的地基上，或者安装在很重的底盘上，但该电机的基础框架的刚性较差，故而建议该车间对该电机的基础进行加固，对电机侧的金属框架进行多条加筋处理，使基础部分的固有频率增加，以增大与电机的振动频率（驱动力频率）之差来防止基础的振动。改变基础的固有频率后，故障消除，各点的振动正常。

2、案例二：搅拌器电机因为外加的三角框架引起共振 

我厂聚丙烯一台搅拌器，电机连接2组减速箱，电机处外加了一个钢筋三脚架，设计单位是为了固定电机防止振动的，但该电机在运转中振动很大。 

搅拌器电机新加支撑中北侧支撑管的震动： 

从图中可以看出，外加三脚架的固有频率（10HZ）与电机转速频率（10HZ）相同，故而存在着共振，但频谱图中显示还存在着高次谐频，共振与其它故障并存，它在其中是加剧了振动，故要查明引起振动的根本原因，首先需消除掉搅拌器电机处外加三脚架所产生的共振问题，才能进一步查明问题，消除振动。

车间在去掉搅拌器电机处所加的三脚支撑后，各点振动减小明显，但仍未达到正常值，频谱图上仍显示存在转频的高次谐频，怀疑下部搅拌器有碰磨现象，在进一步拆检过程中发现扇叶确实与罐壁发生了轻微的碰磨。 

四、结语

对设备进行故障诊断时，不能忽视机组及其支撑基础系统的问题，基础共振一般易发生在新建机组或运行转速发生变化的机组上，设计不合理，基础刚性差等原因，其振动特征是振动具有很强的方向性、不稳定性，振动频率以一倍频为主。为防止共振对设备产生破坏性影响，可以通过改变基础的自振频率或改变工作转速有效的消除共振，但有时候系统的工作转速是不容易改变的，就要通过改变基础的刚度或基础的质量来改变基础的自振频率，使该自振频率与转速频率远离，消除共振。

在设备使用的过程中更要加强维护保养，当设备运行条件发生改变（如基础出现裂纹）时，要及时处理消除隐患，以免故障进一步扩展。 

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