Chapter03_旋转机械故障诊断

机械电子工程学院第三章旋转机械故障诊断本章内容1、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。2、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。3、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。4、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩擦引起失稳的机理等。5、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳定故障等。机械电子工程学院第三章旋转机械故障诊断本章要求1、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。2、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施。3、理解转子摩擦故障的机理和特征。4、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。5、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。机械电子工程学院旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象，就是不平衡故障。不平衡可分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。3.1.1转子不平衡的类型转子不平衡产生的离心力3.1转子不平衡故障诊断机械电子工程学院1、静不平衡不平衡位于转子的中部，在这种情况下，只要在不平衡量沿径向的反方向上加一个配重就可以消除不平衡，如右图所示。转子上部圆点代表不平衡量，下部的圆点代表加的配重。静不平衡的主惯性轴平行于旋转轴。存在静不平衡的转子旋转时，产生一个周期作用的离心力，使其形成一阶振动。3.1.1转子不平衡的类型机械电子工程学院2、偶不平衡如右图所示，m1=m2，转子的重心是在旋转轴上，但主惯性轴和旋转轴不重合，因而至少要放置两块配重才能达到平衡的目的，如图中与m1和m2所对应画圈的地方。当转子转动时，由每一侧的不平衡重量产生相反的离心力，将使转子产生振动。3.1.1转子不平衡的类型机械电子工程学院3、动不平衡动不平衡是以上两种不平衡的综合，m1≠m2，转子的重心不在旋转轴上，而且主惯性轴与旋转轴也不平行。对于这类平衡至少需要两个配重。事实上一个平衡良好的转子也不能做到绝对平衡，总是存在微量的不平衡，因此，在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。3.1.1转子不平衡的类型机械电子工程学院3.1.2临界转速对不平衡振动的影响3.1.2.1临界转速的动力特性在工程上，把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临界转速。临界转速是指由不平衡离心力引起转子共振现象时的转速。转子运动的力学模型机械电子工程学院转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有关。实际情况表明，带有一个转子的轴系，可简化成具有一个自由度的弹性系统，有一个临界转速；转轴上带有二个转子，可简化成二个自由度系统，对应有二个临界转速，依次类推。其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速，比之大的依次叫做二阶临界转速、三阶临界转速。1cn2cn3cn3.1.2.1临界转速的动力特性机械电子工程学院一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应低于一阶临界转速的0.75倍；工作转速高于一阶临界转速时，要求在下列范围内（i为临界转速的阶数）：1crn)1(7.04.1icrcrinnn3.1.2.1临界转速的动力特性从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。转动频率低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子，如电动机、中小型离心式风机等。转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为柔性转子，如燃气轮机转子。15.0crnn117.05.0crcrnnn17.0crnn刚性转子准刚性转子柔性转子机械电子工程学院3.1.2.2阻尼对临界转速下转子振动的影响取坐标系Oxy，在x和y两坐标方向上列力的平衡式：tmekyycymtmekxxcxmsincos22上式的特解为：)sin()cos(tAytAx式中，为离心力导前位移的角度，称为相位角；A为振幅。机械电子工程学院3.1.2.2阻尼对临界转速下转子振动的影响222221nnneAnmc2式中阻尼比为：212arctannn机械电子工程学院3.1.2.2阻尼对临界转速下转子振动的影响转子的振幅与相频响应曲线机械电子工程学院3.1.3转子不平衡振动的故障特征转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频率就是转子的转速频率：60nf当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下：1、时域波形为近似的等幅正弦波。因为单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低。2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，意味着转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。椭圆是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。机械电子工程学院3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动。4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。3.1.3转子不平衡振动的故障特征典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹机械电子工程学院5、转子的进动方向为同步正进动。6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。7、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在轴向上的振幅一般不明显。8、敏感参数（振幅）具有如下特征：①振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速ω是平方指数关系。②当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。3.1.3转子不平衡振动的故障特征机械电子工程学院3.1.4不平衡振动故障的原因及防治3.1.4.1固有质量不平衡固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡，而与操作运行情况无关。引起固有质量不平衡的原因主要是设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。固有质量不平衡将在转子上产生稳定的转速频率振动，在给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随时间变化，但如果温度、负荷等条件变化，振动也可能会发生变化。对于固有质量不平衡引起的振动，最普通的防治办法是改善转子的平衡状态来降低转子的激振力。机械电子工程学院3.1.4.1固有质量不平衡例：气压机的不平衡振动某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力为1.35MPa，转速为10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。气压机组布置图（1——汽轮机，2——同步离合器，3——气压机，4——联轴节，5——齿轮箱，6——电动机）机械电子工程学院3.1.4.1固有质量不平衡该机运行数年后为增大气量，更换了转子，扩大了转子隔板，并且对转子做了高速动平衡。改造后的转子出现了振动超标，靠近齿轮箱一侧的振动测点Ⅵ375、Ⅵ376的振幅达到60um，此后又上升至90um左右。信号分析显示振动频率中工频成分占绝对优势，Ⅵ375、Ⅵ376的轴心轨迹为椭圆，确认是转子不平衡引起的振动。另外又从转子过程的极坐标图上看出，转子在做高速动平衡时，也曾显示9700～11000r/min之间具有明显峰值。Ⅵ375测点的极坐标图机械电子工程学院3.1.4.1固有质量不平衡因此分析认为，该转子的工作转速就在它的二阶临界转速附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠齿轮箱一侧的Ⅵ375、Ⅵ376测点振幅最高，决定在这一侧的联轴节上做现场动平衡。动平衡次序第一次现场动平衡（联轴节配重5.3g）第二次现场动平衡（联轴节配重8.2g）测点Ⅵ375Ⅵ376Ⅵ375Ⅵ376配重前工频（幅值/相位）65um/235°52um/348°45um/299°22um/322°配重后工频（幅值/相位）19um/234°13um/345°17um/285°6um/349°两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化机械电子工程学院3.1.4.1固有质量不平衡动平衡前后相位稳定，动平衡后测点375、测点376测点处的通频振幅和工频振幅下降十分明显，其原因如下：1、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气压机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴节上的不平衡量对于引发转子振动十分敏感。2、转子工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡将在工作转速下引起明显的转子振动。当转速下降至1000r/min以下，转子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显。3、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独做动平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴节上重复去重，造成联轴节新的不平衡。机械电子工程学院转子运行过程中的不平衡，可分成：1、转子弯曲：1）临时性弯曲2）永久性弯曲2、原始平衡状态破坏：1）转子上零件破裂或飞离2）固体杂质在叶轮上沉积3）叶轮除锈后产生的不平衡4）轴上零件松动3.1.4.2转子运行中的不平衡机械电子工程学院临时性弯曲是指转子外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低速长时间盘车方式）或改变操作方式即可缓解或消除不平衡振动。常见的临时性弯曲主要有以下几种情况：1、转子受热不均匀引起的临时性弯曲。对于这种转子在启动之前必须充分盘车，避免启动后引起过大的振动。2、转子自重引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在卧式的柔性转子上经常会遇到。例如转子由于搁置过久，在自重作用下发生弯曲变形。这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率，而且转速频率的幅值随着转速的上升而增大。弯曲的校直可以通过较长时间慢转转子来达到。3.1.4.2.1转轴临时性弯曲机械电子工程学院3、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯曲。压缩机发生喘振时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发生弯曲变形。轻度喘振，转子弯曲量不大，可以通过慢转转子加以消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以致发生转子与静止元件之间的碰撞摩擦，出现这种情况，就需要对转子进行热处理校直，并重新进行动平衡。温度突变或负荷变化过快，致使转子发生临时性弯曲，是引起机器振动的一个主要原因。因此对于汽轮发电机组和汽轮机驱动的离心压缩机组，启停过程中一定要按操作规程进行，开车前和停机后均需要有一定时间的盘车过程。3.1.4.2.1转轴临时性弯曲机械电子工程学院永久性弯曲是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯曲状态。转子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产生的交变力，不足以释放转轴内部已经形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。前述影响转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能成为永久性弯曲。具有很大弯曲变形的转子，不能用动平衡方法校正，必须用热处理方法把转子校直，或者用精加工方法来消除弯曲。3.1.4.2.2转轴永久性弯曲机械电子工程学院轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力，与质心偏离不同点是轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的一阶转动频率振动。轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同，特征如下：①时域波形为近似的等幅正弦波。②轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦，故轨迹有时会有摩擦的特征。③频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。与不平衡故障的区别在于：弯曲在轴向方面产生较大的