chap3_旋转机械故障诊断.

Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术1旋转机械是指依靠转子旋转运动来完成主要功能的机械，在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。化工过程装备中大量使用的各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等是典型的旋转机械。在大型化工、石化、电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产中的关键设备。例如：炼油厂催化工段的三机组或四机组，大化肥装置中的四大机组或五大机组，乙烯装置中的三大机组，电力行业的汽轮发电机组、泵和水轮机组，钢铁部门的高炉风机和轧钢机组以及生产流程中的某些重要旋转机械，它们出现了故障，直接影响到整个生产线，因此是状态监测与故障诊断的主要对象。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术2何谓旋转机械o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、电动机等o核心：转轴组件转子、轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器滑动轴承、滚动轴承支座、定子、机座密封、密封装置Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术3故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运转失稳，产生异常振动和噪声，工作转速，输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息就不一样，根据这些特有的信息，可以对机器故障进行诊断。振动是机器故障最基本的信息特征，振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。由于旋转机械故障的多样性和故障因果关系的复杂性，很多相似的故障现象并不一定源于同一原因，在现场进行故障诊断时，还需要利用振动信号之外更多的信息，对机器的振动特点，运行参数的变化以及设计、安装、维修、操作中带来的多种因素进行综合分析，才能作出较为符合实际的诊断结论。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术4转子不平衡故障诊断转子不对中故障诊断滑动轴承故障诊断转子摩擦故障诊断浮环密封故障诊断叶片式机器中流体激振故障诊断高速旋转机械不稳定自激振动的分析方法Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术53.1转子不平衡故障诊断旋转机器的转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，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。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”的。900)602(222neGnegGemF离心力与偏心距的方向一致，以角速度绕轴旋转。力通过转轴作用在轴承上，使轴承承受附加动载荷，引起转子或轴承的不平衡振动。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术6tmekyycymtmekxxcxmsincos222222)2(])(1[)(nneA2)(12arctannn在共振点上，振动位移总是滞后于激振力90°，而与阻尼大小无关。测量转子的临界转速，常常利用相位的变化点来确定。阻尼越大，转子过临界转速时的振幅越小，接近临界转速时，这种阻尼衰减作用尤为明显。正常的高速旋转机器，在启动过程中阻尼值必须在某一限定值以内，并且升速时应迅速通过临界转速。)sin()cos(tAytAx特解Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术7转子不平衡振动的故障特征1)不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。2）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。3）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术83.1转子不平衡故障诊断4)转子的进动方向为同步正进动。5）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。6）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。reAOCAmOO’kyx转子几何中心的运动称为“涡动”或“进动”，与Ω同向正进动Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术9不平衡振动的故障原因和防治措施固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频率振动，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。固有质量不平衡产生的主要原因有：1.设计错误；2.材料缺陷；3.加工与装配误差；4.动平衡方法不当。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术10实例3-1气压机的不平衡振动某炼油厂催化车间气压机组，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。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60μm，此后又上升至90μm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。另外又从转子升速过程的极坐标图上看出（见图3-6），转子在到达工作转速时，振幅迅速增长，相位也有明显变化。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。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术11转子运行中的不平衡分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种。转子弯曲转子临时性弯曲，是指转子因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减缓或消除不平衡振动。如，转子受热不均；自重引起临时性弯曲；气流冲击、温度和载荷突变引起的弯曲等。转子发生永久性弯曲，是指经过慢转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形成的弯曲应力，因此永久性弯曲变形,很难用动平衡方法消除。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术12实例3-4喘振引起空压机转子的临时性弯曲某石化公司乙烯装置上使用一台德国制造的GA1000型离心式空压机，该机在制造厂做喘振试验时，由于放空消音器振裂而落入管内，阻塞了放空管，使压缩机出口压力升高，机器提前发生喘振。因为未及预料，延迟了关闭进口阀时间，引起机器强烈喘振。事后中方要求开盖检查，发现转子径向跳动量偏了0.12mm，即转子发生了弯曲。该厂采用的校正措施，是在1000r/min转速下开盖慢转转子约一小时，重新测量径向跳动量，结果下降到0.01mm，在允许范围之内，以后投产运行也很正常。这种用低速慢转转子校正临时性弯曲的措施十分有效，因为在慢转过程中由于转子的重力作用，轴的不同侧面受到交变应力作用，将轴转内临时性弯曲形成的应力释放，使轴的变形获得了矫正。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术13转子平衡状态破坏转子在运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器振动，在生产中经常会遇到。对于这类故障必须掌握机器的工作特点、振动变化规律，注意观察分析，相对于其他故障类型来说，寻找故障原因的难度要小些。转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，将产生阶跃式的不平衡，引起振幅和相位的突然变化。这种变化属于瞬态响应，此后将会衰减下去，因而振幅突变后将在某一数值上稳定下来。固体杂质沉积在叶轮上的情况屡见不鲜，例如一些高温的并带有粘性的催化剂微粒进入机器的流道，就粘结在叶轮上，由于质量分布不均匀，引起转子的不平衡。除此之外，管道中的锈蚀、气源中的粉尘在叶轮流道内沉积，均会引起转子的不平衡。有些压缩机在运行中常会遇到工艺气体和固体杂质对叶轮基体金属的冲蚀，设备维修中（如，除锈）不恰当的措施就可能给机器带来振动问题，必须引起注意。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术14带有各种零件的转子在运转中可能发生松动，例如叶轮、平衡盘、止推盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松，使转子在高转速下发生松动；还有材料选择不良或是工作介质腐蚀性严重，引起轴套和轮壳内部发生腐蚀而松动。此外，滚动轴承外圈配合间隙过大，轴在旋转时外圈也跟着作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。①松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大；②由于存在松动间隙，振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出现大量转速频率的谐波，偶然也可能出现1/2、1/3转速频率的次谐波成分；③如果松动间隙较大，零件的不平衡矢量随机地绕轴转动。振幅不稳定，相位随时间变化；④如果转子在稳态下产生零部件松动，则可能会产生“拍振”现象，拍振的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴速度的松动零件转速频率。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术153.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术16定向振动与不平衡振动故障的鉴别转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴心轨迹形状接近于一个圆或椭圆，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生接近90°的相位差。机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等故障，虽然轴承或机体上的振动频率也像不平衡振动那样，表现以转速频率为主，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变化，而是在某一个方向上出现同相位或接近180°反相位的振动，这种称为“定向振动”。在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近一条直线形状。对于这类故障，应该采用相位测量和轴心轨迹分析方法，与单纯的不平衡振动区别开来。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术17鉴别内容不平衡振动定向振动振动频率转速频率转速频率相互垂直的二个方向相位差接近90°接近0°或180°轴心轨迹形状圆或椭圆某一方向上近似一条直线故障原因转子固有不平衡，转子弯曲，转子平衡状态破坏等机体变形，皮带轮或齿轮偏心，机座松动，基础共振等3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术18实例3-14基础共振某大型化工装置上使用一台单级离心泵，由一台转速为3600r/min的电动机直联驱动。因为电动机振动非常剧烈，常出故障，所以不得不为该泵配置备用电动机。对该机组的振动测试结果，电动机水平方向的振幅为23mm/s，垂直方向振幅为30mm/s,振动频率为电动机的转速频率；而泵的振幅很低，不超过5mm/s。对电动机水平和垂直方向上的相位测量，发现两者精确地同相，也就是发生了较典型的“定向振动”。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术19转子的动平衡方法22mrMeMmre改变不平衡旋转体的质量分布来消除旋转轴系的离心力作用，使转子达到运转平稳的这个过程成为“平衡”。不平衡度：平衡精度等级：1000eGISO1940平衡精度等级：G0.4开始，按2.5倍递增。一般转子G6.3。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/11工业装备故障诊断技术20转子的动平衡方法从转子平衡的角度看，运转中