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旋转机械故障诊断6．1旋转机械振动的动力学特征及信号特点6.1.1转子特性转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等）所组成。从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。刚性转子：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。柔性转子：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。在工程上，我们也把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临界转速。当代的大型转动机械，为了提高单位体积的做功能力，一般均将转动部件做成高速运转的柔性转子(工作转速高于其固有频率对应的转速)，采用滑动轴承支撑。由于滑动轴承具有弹性和阻尼，因此，它的作用远不止是作为转子的承载元件，而且已成为转子动力系统的一部分。在考虑到滑动轴承的作用后，转子——轴承系统的固有振动、强迫振动和稳定特性就和单个振动体不同了。柔性转子的临界转速由于柔性转子在高于其固有频率的转速下工作，所以在起、停车过程中，它必定要通过固有频率这个位置。此时机组将因共振而发生强烈的振动，而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的振动是一般的强迫振动，幅值都不会太大，共振点是一个临界点。故此，机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。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nc1，比之大的依次叫做二阶临界转速nc2、三阶临界转速nc3。工程上有实际意义的主要是前几阶，过高的临界转速已超出了转子可达的工作转速范围。临界转速的变动为了保证大机组能够安全平稳的运转，轴系转速应处于该轴系各临界转速的一定范围之外，一般要求：刚性转子n0.75nc1柔性转子1.4nc1n0.7nc2式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。机组的临界转速可由产品样本查到或在起停车过程中由振动测试获取。需指出的是，样本提供的临界转速和机组实际的临界转速可能不同，因为系统的固有频率受到种种因素影响会发生改变。设备故障诊断人员应该了解影响临界转速改变的可能原因。一般地说，一台给定的设备，除非受到损坏，其结构不会有太大的变化，因而其质量分布、轴系刚度系数都是固定的，其固有频率也应是一定的。但实际上，现场设备结构变动的情况还是很多的，最常遇到的是换瓦，有时是更换转子，不可避免的是设备维修安装后未能准确复位等等，都会影响到临界转速的改变。多数情况下，这种临界转速的改变量不大，处在规定必须避开的转速区域内，因而被忽略。•6．1．2转子—轴承系统的稳定性转子系统的稳定与失稳：转子——轴承系统的稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定的。若响应随时问增加，则转子系统就失稳了。油膜涡动与油膜振荡：在瓦隙较大的情况下，转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致使油膜合力与载荷不能平衡，就会引起油膜涡动。油膜涡动是一种比较典型的失稳。机组的稳定性能在很大程度上取决于滑动轴承的刚度和阻尼。当系统具有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。反之系统具有负阻尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡。油膜涡动与油膜振荡都是油膜承载压力波动的反映，表现为轴的振动。（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件①只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润滑轴承上不发生。②油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。（2）油膜涡动与油膜振荡的信号特征①油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持f=（0.43～0.48）fn。②油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化。③两者的振动随油温变化明显。（3）油膜涡动与油膜振荡的振动特点①油膜涡动的轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双椭圆，较稳定。②油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。（4）消除措施①设计时使转子避开油膜共振区；②增大轴承比压，减小承压面；③减小轴承间隙；④控制轴瓦预负荷，降低供油压力；⑤选用抗振性好的轴承结构；⑥适当调整润滑油温；⑦从多方面分析并消除产生的因素。•6.1.3转子的不平衡振动机理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。静不平衡：偏心距较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦阻力矩，表现为某一点始终恢复到水平放置的转子下部，其偏心力矩小于摩擦阻力矩的区域内，称之为静不平衡。动不平衡：偏心距较小时，不能表现出静不平衡的特征，但是在转子旋转时，表现为一个与转动频率同步的离心力矢量，离心力F=Meω2，从而激发转子的振动。这种现象称之为动不平衡。特点：静不平衡的转子，由于偏心距e较大，表现出更为强烈的动不平衡振动。要求：虽然作不到质量中心与旋转中心绝对重合，但为了设备的安全运行，必需将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。（1）不平衡故障的信号特征①时域波形为近似的等幅正弦波。②轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，这是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。③频谱图上转子转动频率处的振幅。④在三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其他成份较小。（2）敏感参数特征①振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与角速度ω是指数关系。②当转子上的部件破损时，振幅突然变大。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。•6.1.4转子与联轴节的不对中振动机理转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两类。轴承不对中本身不引起振动，它影响轴承的载荷分布、油膜形态等运行状况。一般情况下，转子不对中都是指轴系不对中，故障原因在联轴节处。引起轴系不对中的原因：①安装施工中对中超差；②冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子之间产生动态对中不良；③轴承座热膨胀不均匀；④机壳变形或移位；⑤地基不均匀下沉；⑥转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。轴系不对中可分为三种情况：①轴线平行不对中②轴线交叉不对中③轴线综合不对中在实际情况中，都存在着综合不对中。只是其中平行不对中和交叉不对中所占的比重不同而已。由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲力。由于转动，这个附加弯曲力的方向和作用点也被强迫发生改变，从而激发出转频的2倍、4倍等偶数倍频的振动。其主要激振量以2倍频为主，某些情况下4倍频的激振量也占有较高的份量。更高倍频的成份因所占比重很少，通常显示不出来。轴系不对中故障特征：①时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。②轴心轨迹图呈香蕉形或8字形。③频谱特征：主要表现为径向2倍频、4倍频振动成份，有角度不对中时，还伴随着以回转频率的轴向振动。④在全息图中2、4倍频椭圆较扁，并且两者的长轴近似垂直。不对中故障甄别：①不对中的谱特征和裂纹的谱特征类似，均以两倍频为主，二者的区分主要是振动幅值的稳定性，不对中振动比较稳定。用全息谱技术则容易区分，不对中为单向约束力，二倍频椭圆较扁。轴横向裂纹则是旋转矢量，二倍频全息谱比较圆。②带滚动轴承和齿轮箱的机组，不对中故障可能引发出通过频率或啮合频率的高频振动，这些高频成分的出现可能掩盖真正的振源。如高频振动在轴向上占优势，而联轴器相联的部位轴向工频亦相应较大，则齿轮振动可能只是不对中故障所产生的过大的轴向力的响应。③轴向工频有可能是角度不对中，也有可能是轴承不对中。一般情况，角度不对中，轴向工频振值比径向为大；而轴承不对中正好相反，因为后者是由不平衡引起，它只是对不平衡力的一种响应。通频振动：表示振动原始波形的振动幅值。选频振动：表示所选定的某一频率正弦振动的幅值。工频振动：表示与所测机器转子的旋转频率相同的正弦振动的幅值。基频振动：工频振动又叫基频振动。例：对于工作转速为6000r/min的机器，工频振动频率是100HZ。•6．1．5转轴弯曲故障的机理设备停用一段较长时间后重新开机时，常常会遇到振动过大甚至无法开机的情况。这多半是设备停用后产生了转子轴弯曲的故障。转子弯曲有永久性弯曲和临（暂）时性弯曲两种情况。永久性弯曲是指转子轴呈弓形。造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷(转轴结构不合理、材质性能不均匀)、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷所致。临时性弯曲指可恢复的弯曲。造成临时性弯曲原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快等致使转子热变形不均匀等。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工频振动。转轴弯曲故障的振动信号特征：（轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同。）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，故轴心轨迹有时会有摩擦的特征；③频谱成份以转动频率为主，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振动。•6．1．6转轴横向裂纹的故障机理转轴横向裂纹的振动响应与所在的位置、裂纹深度及受力的情况等因素有极大的关系，因此所表现出的形式也是多样的。在一般情况下，转轴每转一周，裂纹总会发生张合。转轴的刚度不对称，从而引发非线性振动，能识别的振动主要是1X、2X、3X倍频分量。转轴横向裂纹的振动信号特征：①振动带有非线性性质，出现旋转频率的l×、2×、3×…·等高倍分量，随裂纹扩展，刚度进一步下降，l×、2×……等频率幅值随之增大，相位角则发生不规则波动，与不平衡相角稳定有差别。②开停机过程中，由于非线性谐频关系，会出现分频共振，即转子在经过1／2、1／3……临界转速时，相应的高倍频(2×、3×)正好与临界转速重合，振动响应会出现峰值。③裂纹的扩展速度随深度的增大而加速，相应的l×、2×（倍频）的振动也会随裂纹扩展而快速上升，同时1×、2×相位角出现异常波动。④全息谱表现为2倍频的椭圆形状，与轴系不对中的扁圆形状有明显的差别。故障甄别稳态运行时，应能与不对中故障区分。全息谱是最好的区分方法。•6.1.7连接松动故障的机理松动振动异常的基本原因：振动幅值由激振力和机械阻抗共同决定，松动使连接刚度下降，这是松动振动异常的基本原因。支承系统松动引起异常振动的机理：从以下两个侧面加以说明。1)当轴承套与轴承座配合具有较大间隙或紧固力不足时，轴承套受转子离心力作用，沿圆周方向发生周期性变形，改变轴承的几何参数。进而影响油膜的稳定性。2)当轴承座螺栓紧固不牢时，由于结合面上存在间隙，使系统发生不连续的位移。上述两顶因素的改变，都属于非线性刚度改变，变化程度与激振力相联系，因而使松动振动显示出非线性特征。松动的典型特征是产生2×及3×、4×、5×等高倍频的振动。连接松动故障的振动特征：①轴心轨迹混乱，重心飘移。②频谱图中，具有3×、5×、7×等高阶奇次倍频分量，也有偶次分量。③松动方向的振幅大。当高次谐波的振幅值大于转动频率振幅的1/2时，应怀疑有松动故障。•6．1．8碰摩故障的机理动静件之间的轻微摩擦，开始时故障症状可能并不十分明显，特别是滑动轴承的轻微碰摩，由于润滑油的缓冲作用，总振值的变化是很微弱的，主要靠油液分析发现这种早期隐患；有经验的诊断人员，由轴心轨迹也能做出较为准确的诊断。当动静碰摩发展到一定程度后，机组将发生碰撞式大面积摩擦，碰摩特征就将转变为主要症状。动静碰摩的特点分析：动静碰摩与部件松动具有类似特点。动静碰摩是当间隙过小时发生动静件接触再弹开，改变构件的动态刚度；松动是连接件紧固不牢、受交变力(不平衡力、对中不良激励等)作用，周期性地脱离再接触，同样是改变构件的动态刚度。不同点是，前者还有一个切向的摩擦力，使转