8 旋转机械故障诊断

机械设备故障诊断技术----旋转机械故障诊断北京科技大学机械工程学院黎敏阳建宏2020/1/25旋转机械故障诊断技术旋转机械振动及故障概述旋转机械典型故障分析小结旋转机械振动及故障概述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•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、密封装置旋转机械振动及故障概述振动的分类横向振动：振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动轴向振动：振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动扭转振动：沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振•产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩方向来回变化。yxz0最简单的转子系统旋转机械振动及故障概述旋转机械故障原因分类设计原因•设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动/自激振动•结构不合理，应力集中•设计工作转速接近或落入临界转速区•热膨胀量计算不准，导致热态不对中制造原因•零部件加工制造不良，精度不够•零件材质不良，强度不够，制造缺陷•转子动平衡不符合技术要求旋转机械振动及故障概述旋转机械故障原因分类安装/维修的原因•机械安装不当，零部件错位，预负荷大•轴系对中不良•机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当•转子长期放置不当，改变了动平衡精度操作运行的原因•工艺参数(如介质的温度、压力、流量、负荷)偏离设计值•转速接近或落入临界转速区•润滑或冷却不良•启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长旋转机械振动及故障概述旋转机械故障原因分类机器劣化的原因•长期运行，转子的挠度增大或动平衡劣化•转子局部损坏、脱落或产生裂纹•零部件磨损、点蚀或腐蚀•配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度•机器基础沉降不均匀，机器壳体变形转子的临界转速临界转速What？当转子转速达到某一数值后，振动就大得使机组无法继续工作，即所谓临界转速现象？转子在临界转速下会发生剧烈振动大小？临界转速数值上一般等于转子横向振动的固有频率。大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)形式？一个实际的转子往往有多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等特点？每一阶临界转速下，转子有一个对应的振型单圆盘转子的临界转速reAO01r/ecCAmOO’mktmekytymtmekxtxmc222222dddd临界转速sincoskyx由上式中解出x和y,并求得振幅r。圆盘惯性力＋轴弹性力＝偏心的离心力转子的临界转速影响临界转速的因素支承刚度•只有在支承完全不变形的条件下，支点才会在转子运动过程中保持不动。考虑支承的弹性变形时，就相当于弹簧与弹性转轴相串联。•支承与弹性转轴串联后，总的弹性刚度要低于转轴本身的弹性刚度，使转子的临界转速降低。回转力矩•转子的轴线与支点的连线有夹角，会产生回转力矩，也称陀螺力矩。•正进动时，回转力矩可以提高转子的刚度，临界转速增大；反进动时，降低转子的刚度，临界转速减小。组合转子•组合系统中各转子的各阶临界转速高于单个转子。支承刚度对临界转速的影响小支承刚度大临界转速0K支承刚度降低，临界转速随之下降mkc:临界转速单转子的临界转速和振型单转子的临界转速和振型650MW发电机转子n1=604r/minn2=1840r/minn3=4651r/min多自由度转子有多个临界转速和相应的振型多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组高压转子中压转子低压转子发电机转子多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系发电机转子型n1=1002r/min中压转子型n2=1470r/min高压转子型n3=1936r/min低压转子型n4=2014r/min发电机转子型n5=2678r/min高压转子中压转子低压转子发电机转子轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系单个转子高压转子中压转子低压转子发电机转子刚性支承18051316196510533149弹性支承1693122117409432654多跨轴系高压转子型中压转子型低压转子型发电机转子型刚性支承22841643259211423444弹性支承19361470201410022678轴系的各阶临界转速高于相应的单转子的临界转速弹性支承转子的临界转速低于刚性支承转子的临界转速旋转机械振动及故障概述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旋转机械振动及故障概述两种转子系统振动特点比较刚性系统柔性系统振动特点强迫振动自激振动激振原因由于外部激振力或激振位移引起的在振动过程中，由于系统内部有能量输入而引起的频率与工作频率的关系振动频率=工作频率（同步振动）振动频率工作频率（亚同步振动）频率与转速变化的关系振动频率随转速变化而变化，呈比例关系振动频率在一定范围内可能存在某种比例关系，但超过一定范围后则主要与转子的一阶自振频率有关振幅与转速变化的关系振幅随转速增加而增加，达到临界转速时振幅出现峰值，然后则随转速之增加而减小，趋于某定值随转速的变化振幅有突发变化的可能（增大或减小）阻尼的影响阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响对频率及振幅影响不大旋转机械振动及故障概述旋转机械故障分类顶隙激振喘振旋转失速油膜振荡油膜涡动）亚同步振动（自激振动同步振动（强迫振动）柔性转子刚性转子旋转机械故障转子横向裂纹转子与定子摩擦装配件或基础松动轴弯曲不对中不平衡旋转机械故障诊断技术旋转机械振动及故障概述旋转机械典型故障分析小结旋转机械典型故障分析转子不平衡的故障机理与诊断不对中故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断旋转失速与喘振故障机理与诊断动静件摩擦的故障机理与诊断转子支承部件松动的故障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断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，造成偏心旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡故障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转子不平衡故障不平衡的原因滑轮/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转子不平衡故障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转子不平衡故障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转子不平衡故障机理与诊断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•动不平衡旋转机械故障诊断转子不平衡静不平衡偶不平衡=静不平衡+偶不平衡故障机理如下图所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产生不平衡交变的力(方向、大小周期性变化)会引起振动转子转动一周，离心力方向改变一次。因此，不平衡振动的频率与转频相一致。转子不平衡故障机理与诊断旋转机械故障诊断转子不平衡F（t）tec(a)转子系统MFsinty(t)ck(b)振动模型转子不平衡故障机理与诊断无阻尼时，O、O’、G三点成一直线实际转子总存在阻尼工作介质、轴承油膜的黏性阻尼，滑动面之间的摩擦阻尼，轴材料不完全弹性的内摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗产生的结构阻尼阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断不平衡故障的振动机理旋转机械故障诊断转子不平衡设：偏心距e，转子质量M，轴刚度k，阻尼系数c，转速n（r/min），角速度=2n/60，离心力F=Me2，分解为两方向的力为：tsinMetsinFtFtcosMetcosFtFyx22两力相差90，y方向的振动方程为：tsinMekyycyM2tsineyyynn22归一化后：其中：阻尼系数102,Mcn自振角频率Mkn转子不平衡故障机理与诊断故障机理旋转机械故障诊断转子不平衡)sin(tYty上式的通解为：)sin(]1[sin)(2ωψtYDetyntn公式第一部分为瞬态解，是衰减的自由振动，很快消失；公式第二部分为稳态解，是强迫振动：tsineyyynn22转子不平衡故障机理与诊断故障机理旋转机械故障诊断转子不平衡212arctannnH()----幅频响应函数，表示振幅Y随频率比/n的变化而变化的放大系数，当/n1时出现共振峰。()---相频响应函数)sin(tYty222221nnneeHY其中：转子不平衡故障机理与诊断阻尼对转子临界转速的影响旋转机械故障诊断转子不平衡不敏感转子阻尼小阻尼大转速振幅222221nnneeHY阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障的频谱特征振动幅值与转速平方成正比工频的1倍频能量较大同一平面x,y振动相位差90转子不平衡故障的时域特征呈现为类似简谐振动的波形由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的影响，实际的信号不会是标准的正弦波旋转机械故障诊断转子不平衡)sin(tYty转子不平衡故障机理与诊断•正向进动：轴转向与轴心轨迹转向一致–不平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等•逆向进动：轴转向与轴心轨迹转向相反–干摩擦等少数情况下发生旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡的轴心轨迹轴在各个方向上刚度有差别，所以转子轴心轨迹通常为椭圆从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动同步采集H方向V方向转子不平衡故障机理与诊断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，相位稳定旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断诊断实例1某大型离心式压缩机组蒸汽透平经检修更换转子后，机组启动时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅达到报警值，机器不能正常运行。旋转机械故障诊断转子不平衡压缩机振动特征转子不平衡故障机理与诊断诊断实例1振动特征分析•时域波形为正弦波•频域中能量集中于1×频，有突出的峰值，高次谐波分量较小•轴心轨迹为椭圆•进动方向为同步正进动•振动大小随转速升降变化明显诊断意见：强烈振动的原因是振动不平衡处理措施：监护运行生产验证•在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋