故障诊断方法与应用-旋转机械故障机理与诊断技术-2

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的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分•原始不平衡•渐发性不平衡•突发性不平衡按机理可分为：静失衡、力偶失衡、准静失衡、动失衡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刚性转子不平衡的形式静不平衡离心惯性力系有合力动不平衡=静不平衡+偶不平衡离心惯性力系合成为一合力和一合力偶偶不平衡离心惯性力系有合力偶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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速相一致。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，振动方程式为：2sinMycykyMet22sinnnyyyet归一化后：其中：阻尼系数102,Mcn自振频率；激振频率。Mkn602n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：222221nnneeHY其中：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2222212arctan21nnnnnHH()----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，当/n1时出现节点。转子不平衡故障机理与诊断阻尼对转子临界转速的影响阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响。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转子不平衡故障机理与诊断轴心轨迹转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹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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转子不平衡与转速的关系当ωωn时，即在临界转速以下，振幅随着转速的增加而增大；当ωωn后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当ω接近ωn时，发生共振，振幅具有最大峰值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的主要特征转子不平衡故障机理与诊断故障特征原始不平衡、渐变不平衡、突发不平衡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故障特征静不平衡、力偶不平衡的幅值谱相似静不平衡•转子两侧轴承的振动相位相同力偶不平衡•转子两侧轴承的振动相位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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•振动大小随转速升降变化明显•时域波形为正弦波•轴心轨迹为椭圆•振动相位稳定，为同步正进动•频谱中能量集中于1×频，有突出的峰值，高次谐波分量较小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，没有增大的趋势•维持运行一个大修周期后，下次大修发现动平衡严重超标•原因：转子库存时间较长，转子较重，未按规定周期盘转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2某52万吨/年尿素装置CO2压缩机组低压缸转子，大修后开车振动值正常，但在线监测系统发现其振动值有逐步增大的趋势。旋转机械故障诊断转子不平衡CO2压缩机渐变不平衡振动特征转子不平衡故障机理与诊断诊断实例2振动特征分析•时域波形为正弦波•频谱图中，以1×频为主•分析其矢量域图，相位有一缓慢变化诊断意见：故障原因为渐变不平衡，是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成的处理措施：监护运行生产验证•6个月后大修时检查到转子并不弯曲•目测无结垢和腐蚀现象•拆卸检查后发现一轴套内侧发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大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转子不平衡故障的特征小结主要表现为径向振动振动能量主要集中在工频的1倍频振动幅值随转速升高而迅速增大振动幅值不随负荷的增大而增大同一平面X、Y方向振动相位差90°会引起地基的不均匀沉降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转子不平衡故障的诊断改变转速，做瀑布图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转子不平衡故障的诊断机器出现不平衡故障的同时，常常还伴有其他的问题，如：不对中、松动等。其他类的故障也会引起工频1倍频的振动能量在给出结论前，需要进行综合分析旋转机械故障诊断转子不平衡现场动平衡技术双面平衡的布置和方法10111011QBBQAA,20222022QBBQAA,0221102211BPPAPP幅值相位转速ABIIIAB1.测原始振动A0，B0。2.平面I内加试重Q1，测得振动A1，B1。3.计算影响系数4.平面II内加试重Q2，测得振动A2，B2。5.计算影响系数6.按下式求得校正质量P1，P2。现场动平衡技术现场动平衡针对整个系统的平衡试重的方向选择相位的测量•互谱、互相关评价某种平衡方法的原则平衡精度高平衡时，开车次数少。校正质量数目少，总质量小。测试仪器和设备较少。对操作者的技术水平没有过高的要求。现场动平衡技术利用影响系数法进行现场平衡的影响因素振动信号的质量•测点上所测取的振动值应该是由转子不平衡所产生的，而实际信号中还有其它因素产生的振动响应。测量时应尽量保证振动信号的质量，包括选择对不平衡振动敏感点及采用滤波排噪等方法。转子的刚性程度•实际转子不可能是绝对的刚性的，而柔性的存在会使转子在不同转速下具有不同的不平衡状态，这样会因加试重时转速的不一致等因素，而使所求得影响系数具有误差系统的线性程度•若不平衡质量与振动值之间的线性关系较差，则不容易确定试重与测点振动值之间的对应程度，而且振动值的相位关系对非线性反应更为灵敏。不对中故障机理与诊断造成不对中的原因安装误差管道应变影响温度变化热变形基础沉降不均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旋转机械故障诊断转子不对中不对中的危害-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与诊断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：轴线位移且交叉旋转机械故障诊断转子不对中e(a)平行不对中(b)角度不对中(c)综合不对中不对中故障机理齿式联轴器平行不对中不对中故障机理齿式联轴器平行不对中2cos2121coscos2sin21cossinDDDyDDxdDdydDdx2sin2cosdtDddtdydtdxVK/)/()/(222/2)2/(dtdDVKK不对中故障机理刚性联轴器平行不对中两半联轴节旋转时，在螺栓力作用下有把偏移的两轴中心拉到一起的趋势PO1=PS,PO2e,O1S⊥PO2SO2=PO2-PO1=ecosωt若两半联轴节尺寸和材料相同，则PO1受压缩、PO2受拉伸，两者变形量近似相等•δ=SO2/2=ecosωt/2设刚度为K，则•F=Kδ=Kecosωt/2不对中故障机理刚性联轴器平行不对中将F进行分解Fy前一项不随时间而变化，力图把两个联轴节的不对中量缩小Fy后一项与Fx，是随转速而变化的两倍频激振力，即：联轴节每旋转一周，径向力交变两次不对中方向上的一对螺钉，当螺钉拉紧时，一个受拉、一个受压。旋转过程中，每转180°，拉压状态交变一次，旋转一周，交变两次，使轴在径向上产生两倍频振动。tKeKeteKtFFy2cos44cos2cos2tKetFFx2sin4sin不对中故障机理角度不对中螺栓拉力作用下，两半联轴节中存在一个弯矩，力图减小两轴中心线的交角轴旋转一周，弯矩作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也每周变化一次，由此引起工频振动上侧螺孔旋转到下侧时，螺孔距离增大，拉伸力变化一次。联轴节带着轴发生轴向蹿动，振动频率为转速频率下侧螺孔转到上侧时，螺孔距离变小，拉紧力减弱，不存在迫使轴产生轴向蹿动的力不对中故障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励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