第6章旋转机械故障诊断

第六章旋转机械故障诊断主讲：王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院大型汽轮机外形及转子多级汽轮机转子转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡6．1动力学特征及信号特点何谓旋转机械主要运动由旋转运动来完成的机械汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机核心：转轴组件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。高压转子中压转子低压转子发电机转子三个中心：质量、几何、回转中心转子三个中心：几何中心S；质量中心G；回转中心O。不重合是必然的；重合是偶然的。刚性转子与柔性转子转子系统分类刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下判别依据：一般工作转速6000r/min的机械系统属于刚性转子系统同步振动：振动频率=工作频率强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应柔性转子系统：工作转速在一阶临界转速以上判别依据：一般工作转速6000r/min的机械系统属于柔性转子系统亚同步振动：振动频率工作频率自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象柔性转子的临界转速柔性转子在起、停车过程中，它必定要通过固有频率这个位置，此时机组将发生共振；而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的幅值都不会太大，共振点是一个临界点。机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。临界转速与自由度数目相等转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目相等。一个转子的轴系，具有一个自由度，有一个临界转速；二个转子，二个自由度，有二个临界转速，依次类推；转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1；只有前几阶临界转速工程上有实际意义。避让临界转速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。临界转速会变吗？一般不会改变：因为临界转速是固有特性，是与生俱有的；偶尔也会改变：1.设备运行故障：松动、轴承损坏等；2.设备大修后：更换轴瓦、改变过盈量等。6．1．2转子—轴承系统的稳定性(油膜涡动与油膜振荡)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。动压轴承工作状态轴颈在轴承内旋转时油膜压力分布θ－偏位角e－偏心距c－平均间隙，c=R-rψ－相对间隙，ψ＝c/rε－相对偏心率，ε=e/rhmin－最小油膜厚度hmin=c–e=c(1-ε)涡动的概念涡动是转子轴颈在作高速旋转（自转）的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动；涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可以是反向的（与轴旋转方向相反）；涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步的。油膜涡动的机理轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，则轴颈从油楔间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动，涡动速度就是油楔本身的前进速度。研究表明，涡动的速度大约是转子转动速度的一半，所以又称为半速涡动。半速涡动因为油具有黏性，所以轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为rω，而轴瓦表面的油流速度为0假设油流速度呈直线分布轴颈某一直径扫过的面积，即为油楔入口与出口的流量差dQedtrldteClωrdteClωrΩ222dtdQrel2121ω21Ω当轴承两端泄漏量时，可得：0dtdQ油膜涡动不必惊慌涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是一种比较平静的转子涡动运动，转子仍能平稳地工作；轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图1-5（a)所示。油膜涡动与油膜振荡图谱油膜振荡十分可怕随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加剧。如果转子的转速升高到第一临界转速的2倍以上时，半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。这种现象称为油膜振荡，如图1（c）、（d）所示。油膜振荡极具危害性。油膜振荡的图谱特征轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅，频谱会呈现组合频率的特征；若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临界转速，即Ω＝ωc1。轻载转子在一阶临界转速之前就可能发生不稳定的半速涡动，但不产生大幅度的振动越过一阶临界转速后振幅减少当达到两倍一阶临界转速时，振幅增大并且不随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡中载转子过了一阶临界转速后会出现半速涡动油膜振荡在二倍的一阶临界转速之后出现重载转子低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很大的振动转速达到两倍的一阶临界转速之后的某一转速时，突然发生油膜振荡油膜涡动与油膜振荡的特征轴承升速过程振动瀑布图从油膜涡动发展到油膜振荡涡动频率c/min转子转速r/min油膜涡动与油膜振荡的发生条件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。油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上（柔性转子）。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=（0.42～0.48）fn，轴心轨迹双椭圆；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；轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。③两者的振动随油温变化明显。ff故障原因轴承参数设计不合理轴承制造不符合技术要求安装不当油温或油压不当润滑不良轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等油膜振荡的防治措施设计上尽量避开油膜共振区(应使ω避免为2ωc1)增加轴承比压轴承比压是指轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷增加轴承比压，即提高轴承承载能力系数，增大轴颈偏心率，以提高油膜稳定性常用的方法是减小轴瓦的长度减小轴承间隙试验表明，减小轴承间隙，可提高发生油膜振荡的转速减小间隙，相当于增大了轴承的偏心率ε=e/cdlPq油膜振荡的防治措施控制适当的轴瓦预负荷轴承的预负荷定义为对于圆柱轴承，c=Rp-Rs，预负荷为0预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴颈半径，相当于起到了增大偏心率的作用椭圆轴承的稳定性优于圆柱轴承多油楔轴承的稳定性较好spkRRcP1油膜振荡的防治措施选用抗振性好的轴承对于高速转子，通常采用多油楔可倾瓦轴承调整油温适当地升高油温，减小油的黏度，可以增加偏心率对于已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动的阻尼作用，有时对降低转子的振幅有利。6．1．3转子的不平衡振动机理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。故障原因分析制造时几何尺寸不同心、材质不均安装方式不好，如用斜键等轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心不平衡的原因转子机械损伤污染物堆积轴弯曲轴孔偏离中心风扇机械损伤污染物堆积轴孔偏离中心齿轮机械损伤轴孔偏离中心不平衡的原因滑轮/槽轮机械损伤琐丝太大轴孔偏离中心飞轮机械损伤偏心孔轴孔偏离中心轴轴弯曲不规则加工不平衡的原因叶轮机械损伤腐蚀联轴器机械损伤轴孔偏离中心电气绕组铜线分布不均不平衡的原因铸造缺陷热膨胀由于每个部件热膨胀率不同影响转子平衡轴孔太大不平衡的种类按发生不平衡的过程可分为：原始不平衡渐发性不平衡突发性不平衡按机理可分为：静不平衡偶不平衡动不平衡静不平衡偶不平衡=静不平衡+偶不平衡静不平衡偶不平衡静不平衡与偶不平衡不同性质的不平衡的振幅变化趋势（1）原始不平衡；（2）渐变不平衡；（3）突发不平衡。转子不平衡的轴心轨迹同步采集转子不平衡故障谱图转子不平衡与转速的关系•当ωωn，即在临界转速下，振幅随着转速的增加而增大；•当ω接近ωn时，发生共振，振幅具有最大峰值；•当ωωn，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；•当工作转速一定时，相位稳定.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（一枝独秀）。4.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。6．1．4转子与联轴器不对中机理据美国MONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的50-60%是由转子不对中引起的。转子不对中的类型轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜轴系不对中：各转子不处在同一直线上平行不对中：轴线平行位移角度不对中：轴线交叉成一角度综合不对中：轴线位移且交叉电机水泵POPIMOMI不对中类型正确对中e=0,=0平行不对中e0,=0角度不对中e=0,0综合不对中e0,0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。不对中的危害滚动轴承振动噪声过度磨损“卡死”滑动轴承油膜承载失稳半速涡动油膜振荡严重时油膜破裂而烧损轴瓦-热像图30,000out平行10,000/inchout角1,000/inchout角不对中62°F105°F0对中不对中故障机理由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲力。随着转动，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。转子不对中的故障特征振动的振幅与转子的负荷有关负荷越大、振幅越大不对中故障对转子的激振力随转速的升高而加大激励力与不对中量成正比轴系具有过大的不对中量时，转子在运动中产生附加径向力和附加轴向力，使转子产生异常振动平行不对中主要引起径向振动角度不对中主要引起轴向振动振动频率径向振动以工频的2倍频为主，也有1倍频的成分轴向振动以工频的1倍频为主，也有2x，3x。转子不对中的故障特征振动幅值平行不对中：振动频谱中2x幅值超过1x幅值的50％角不不对中：轴向2x或3x幅值约是1x转频幅值的30％~50％2x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构联轴节两侧轴承振动的相位差平行不对中，径向振动差180°角度不对中，轴向振动差180°轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈联轴器不对中A典型的频谱相位关系平行不对中定义：当转子轴线之间存在径向位移。平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向振动较大。频谱中2X较大，常常超过1X，这与联轴节结构类型有关。角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高次（4X～8X）振动。联轴节两侧径向振动相位差180。联轴器不对中B定义：当转子轴线之间存在偏角位移。角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为1X和2X；还常见1X、2X或3X都占优势的情况。如果2X或3X超过1X的30％到50％，则可认为是存在角不对中联轴节两侧轴向振动相位相差180.典型的频谱相位关系角不对中轴承不对中C轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差，由于结构上的原因，轴承在水平和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。虽然油膜能够在一定程度上弥补不对中的影响，但不对中过大时，会使轴承的工作条件发生改变，在转子上产生附加的力和力矩，甚至使转子失稳或产生碰磨。轴承不对中同时使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配，负荷较大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡典型的频谱相位关系轴承不对中对中不良设备的轴心轨迹全息谱中的特征：•特征频率为二倍