4-旋转机械故障诊断

03:09:40旋转机械是指依靠转子旋转运动进行工作的机器，在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。典型的旋转机械：各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机。用途：在大型化工、石化、压缩电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产中的关键设备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第三章旋转机械故障诊断103:09:40大型气轮机外形及转子203:09:403403:09:40旋转机械的构成主要由转子（轴、叶轮、联轴器等）、轴承（滑动、滚动）、定子或机器壳体等组成。第三章旋转机械故障诊断5600MW汽轮机解体图第三章旋转机械故障诊断03:09:40603:09:40转子的造价昂贵，压缩机转子的价格约占整机的80%。600MW汽轮机转子第三章旋转机械故障诊断703:09:40转子是核心部件，它决定整机的运行状态。旋转机械故障诊断技术：主要是研究转子的状态监测和故障诊断方法。汽轮机中压转子第三章旋转机械故障诊断学习本章的目的03:09:40目的：研究旋转机械的故障机理了解它们的故障类型和信息特征故障的诊断和处理方法，从中积累知识和经验。本章主要介绍内容应用振动信号进行旋转机械诊断的方法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故障原因，在现场进行故障诊断时，还需要利用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。8第三章旋转机械故障诊断03:09:40本章内容1、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。2、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。3、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。4、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩擦引起失稳的机理等。5、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳定故障等。9第三章旋转机械故障诊断03:09:40本章要求1、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。2、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施。3、理解转子摩擦故障的机理和特征。4、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。5、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。103.1转子不平衡故障诊断03:09:403.1.1转子不平衡概念定义：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把产生离心力的原因—旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做不平衡由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”，总是存在微量的不平衡，因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分(或称工频)，但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动113.1转子不平衡故障诊断03:09:40一个带有薄圆盘的刚性转子支承在跨度为1的两个轴承上。假定转子系统没有阻尼，转子的质量为m，质心M距旋转中心O的距离为e(称为偏心距)，旋转角速度为，转子产生的离心力为2222()()60900GnGenFmeeNg123.1转子不平衡故障诊断03:09:40圆盘质量为10kg.盘子的质量偏心距为0.2mm.当转速为6000时.不平衡质量所产生的离心力的大小为该力在轴承上每转变化一次，足以引起转子轴承系统的振动242226000()10210()789()6060nFmeN133.1转子不平衡故障诊断03:09:403.1.2临界转速对不平衡振动的影响一、临界转速的动力特性临界转速是一种由不平衡离心力引起的共振现象在临界转速下.转子出现很大的弯曲变形，并且作弓状回旋运动〔又称“涡动”或“进动”)。弯曲变形后的转子质量中心远离轴承中心线.离心力将大大增加，增大的离心力又将促使转子产生更大的变形，如此相互加剧.不平衡离心力得到了极大的放大。机器产生剧烈振动。14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，比之大的依次叫做二阶临界转速、三阶临界转速。1cn2cn3cn3.1.2临界转速对不平衡振动的影响03:09:4015一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应低于一阶临界转速的0.75倍；工作转速高于一阶临界转速时，要求在下列范围内（i为临界转速的阶数）：1crn)1(7.04.1icrcrinnn从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。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。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。15.0crnn117.05.0crcrnnn17.0crnn刚性转子准刚性转子柔性转子3.1.2临界转速对不平衡振动的影响03:09:40163.1转子不平衡故障诊断03:09:40转子运动的力学模型最简单的转子，两端对称支承于刚性轴承上，中间有一个质量为m的圆盘。当转轴以角速度旋转时，圆盘的离心力使轴发生挠曲，图中O为轴承中心，C为圆盘旋转中心，G为质量中心，动挠度OC=,偏心距CG=e。转子在低速时，G在C的外侧，且O,C.G三点成一直线。当不计圆盘重力影响和系统阻尼时，转子受到的离心力与弹性恢复力相平衡2()mek173.1转子不平衡故障诊断03:09:40即可得到圆盘处的动挠度公式式中k——轴在中点的刚度系数，可由材料力学求得;——转子无阻尼时的横向振动固有频率，当转速时，轴的挠度理论上为无限大，这个角速度就称为轴的临界转速。对某些转子，如果不考虑回转效应等影响，则在临界转速下转子的转速频率等于其横向固有频率。nnkmn183.1转子不平衡故障诊断03:09:40二、阻尼对临界转速下转子振动的影响实际转子总是存在阻尼，这种阻尼力来自工作介质的黏性阻尼、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以及转子轴承系统在振动过程中变形能耗所产生的结构阻尼。对于线性系统，阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反。有阻尼的转子，O、C、G三点就不在同一直线上，OC和CG成角。取坐标系，在x和y两坐标方向上列力的平衡式式中——离心力导前位移的角度，称为相位角;A——振幅。Oxy193.1转子不平衡故障诊断03:09:40式中——阻尼比，。转子的静挠度为2ncm2221[1()](2)stnnAX称为放大因子。是转子的振幅与静挠度之比，其值大小反映了转子共振振幅的高低值不仅取决于频率比还取决于阻尼比n203.1.2.2阻尼对临界转速下转子振动的影响转子的振幅与相频响应曲线当=1时，无阻尼情况下振幅将趋于无穷大;当存在阻尼时，放大因子为即阻尼对振幅具有衰减作用n12振幅的高低是与转速是否接近转子固有频率的程度有很大关系03:09:40213.1.3转子不平衡振动的故障特征转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频率就是转子的转速频率：60nf当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下：1、时域波形为近似的等幅正弦波。因为单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低。2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，意味着转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。椭圆是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。03:09:40223、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动。4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。3.1.3转子不平衡振动的故障特征典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹03:09:40235、转子的进动方向为同步正进动。6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。7、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。8、敏感参数（振幅）具有如下特征：①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。②当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。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。3.1.3转子不平衡振动的故障特征03:09:40243.1.4不平衡振动故障的原因及防治3.1.4.1固有质量不平衡固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡，而与操作运行情况无关。引起固有质量不平衡的原因主要是设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。固有质量不平衡将在转子上产生稳定的转速频率振动，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。03:09:40253.1.4.1固有质量不平衡例：气压机的不平衡振动某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力为1.35MPa，转速为10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。气压机组布置图（1——汽轮机，2——同步离合器，3——气压机，4——联轴节，5——齿轮箱，6——电动机）03:09:40263.1.4.1固有质量不平衡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60um，此后又上升至90um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。另外又从转子过程的极坐标图上看出，转子在做高速动平衡时，也曾显示9700～11000r/min之间具有明显峰值。Ⅵ375测点的极坐标图03:09:40273.1.4.1固有质量不平衡因此分析认为，该转子的工作转速就在它的二阶临界转速附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。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。动平衡次序第一次现场动平衡（联轴节配重5.3g）第二次现场动平衡（联轴节配重8.2g）测点Ⅵ375Ⅵ376Ⅵ375Ⅵ376配重前工频（幅值/相位）65um/235°52um/348°45um/299°22um/322°配重后工频（幅值/相位）19um/234°13um/345°17um/285°6um/349°两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化03:09:40283.1.4.1固有质量不平衡动平衡前后相位稳定，动平衡后测点375、测点376测点处的通频振幅和工频振幅下降十分明显，其原因如下：1、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气压机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴节上的不平衡量对于引发转子振动十分敏感。2、转子工作转速接近第二临界