设备状态监测与故障诊断技术第5章-旋转机械故障诊断技术

2019/8/51第五章旋转机械故障诊断技术旋转机械是指齿轮箱、离心风机、离心泵、汽轮机、燃气轮机、发电机、电动机、离心压缩机、水轮机、航空发动机等机械设备，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、造纸、船舶、航空以及一些军事工业部门。随着科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、高速和自动化方向发展，这对提高安全性和可靠性，对发展先进的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切的要求。旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究，发展比较成熟的故障诊断技术，具有一定的代表性，因此书的重点部分，也是难点部分。2019/8/52第五章旋转机械故障诊断技术学习目标：掌握旋转机械典型故障，如转子不平衡、转子不对中、共振、机械松动、转子摩擦、滑动轴承故障、转轴裂纹、流体动力激振、拍频振动等的机理和特征；掌握滚动轴承故障诊断技术、齿轮故障诊断技术；了解电动机故障诊断技术、皮带驱动故障诊断技术；熟悉利用征兆的故障诊断方法。2019/8/53第一节旋转机械典型故障的机理和特征一、转子不平衡不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。转子不平衡故障包括：①转子质量不平衡、②转子偏心、③轴弯曲、④转子热态不平衡、⑤转子部件脱落、⑥转子部件结垢、⑦联轴器不平衡等，不同原因引起的转子不平衡故障规律相近，但也各有特点。2019/8/541．转子质量不平衡力不平衡：不平衡产生的振动幅值在转子第一临界转速以下随转速的平方增大。例如，转速升高1倍，则振动幅值增大3倍。在转子重心平面内只用一个平衡修正重量便可修正之。力偶不平衡：至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正。动不平衡：动不平衡是不平衡的最普遍的类型，它是力不平衡和力偶不平衡两者的组合。悬臂转子不平衡：悬臂转子不平衡包含力不平衡和力偶不平衡两者。总是必需要在两个修正面内加以修正重量。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/552．转子偏心：皮带轮、齿轮、轴承和电动机框架等旋转中心与几何中心线偏离时出现偏心。最大的振动出现在两个转子中心连线方向上。3．轴弯曲：弯曲的轴引起大的轴向振动，如果弯曲接近轴的中部，占优势的振动出现在转子转速频率，如果弯曲接近力偶，则占优势的振动出现在2倍转速频率。用千分表可以证实轴的弯曲。在汽轮发电机组中，通常是在盘车时和盘车后测量晃动度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。4．转子热态不平衡：在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡。热弯曲引起的振动一般与负荷有关。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/565．转子部件脱落可以将部件脱落失衡现象看作对工作状态的转子的瞬时阶跃响应，主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定，振动幅值一般会有较明显的增大，如果有在线监测系统的话将能捕捉到这一情况。为了防止脱落部件在惯性力作用下飞出使机体发生二次事故，必要时应及时停机检修。6．转子部件结垢由于结垢需要一定长甚至相当长的时间，所以振动是随着年月逐渐增大的。7．联轴器不平衡通常是联轴器两端轴承的振动较大。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/57转子不平衡的总体振动特征：通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大；轴心轨迹成为椭圆形；Aω稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大。同时会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“纵树形”，如下图所示：第一节旋转机械典型故障的机理和特征图5.1转子不平衡故障谱图2019/8/58实例一：转子不平衡故障的诊断波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小图5.00风机传动示意图2019/8/59某化纤公司聚酯装置一台热媒加热炉燃烧风机，2002年9月26日采集的径向速度频谱图中转速频率占绝对优势，是典型的转子（叶轮）不平衡信息，此时振动幅值相对不大，无需修理。电机风机FIMOMIFO实例二：转子不平衡故障的诊断图5.2燃烧风机传动示意图2019/8/510热媒炉燃烧风机振动幅值——转速对照表监测日期9月26日10月22日10月29日11月25日转速频率(Hz)28.4442.6632.0629.42转速(RPM)1706256019241765振动幅值(MM/S)4.75499.53396.18045.1166本案例利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作，确保了设备安全稳定运行。同时它也充分印证了这一理论：不平衡产生的振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大（注：转子产生的离心力F=MEω2，式中，M—转子质量，E—偏心距，ω—旋转角速度）。10月22日振值出现大幅上升，查频谱图得知转速被调高，因此分析这很可能是造成振动增大的直接原因；在满足工艺要求的前提下两次调低转速，结果振值重又回落。实例二：转子不平衡故障的诊断2019/8/511在涤纶短纤维生产工艺流程中有这样一台瓶颈设备——喂入机，纤维丝束从喂入轮绕过，由于其结构和用途的特殊性，喂入轮不平衡现象频发。它们的共同频谱特征是：喂入轮转速频率占绝对优势。电机齿轮箱喂入轮实例三：转子不平衡故障的诊断图5.4喂入机传动示意图图5.5喂入机轮不平衡速度谱图2019/8/512结合喂入轮实际特点，引起其不平衡的诱因主要有：制造误差，锈蚀，表面结垢，磨损引起的喂入轮轴系配合松动等。以前在检修时发现，由于操作人员经常用水冲洗喂入轮致其内部进水，其安装螺栓已经产生了大量锈蚀①，再加之油剂等产生的工艺杂质附着在喂入轮齿形表面越积越厚(结垢)②，是造成喂入轮不平衡现象频发的主要原因。为此，已将其列为工艺处理注意事项，并要求操作人员利用缠辊等停机机会及时对喂入轮表面进行清理。如果把上述两个案例放在一起来分析，我们会发现这样一个现象，那就是不管是叶轮还是喂入轮，它们都是悬臂转子，而且又都是盘类零件（注：叶轮也可以看作为盘类零件），即长径比小的零件，这说明悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡。实例三：转子不平衡故障的诊断2019/8/513二、不对中旋转机械单转子系统通常由两个轴承支承。由多个转子串接组成的复杂转子系统，转子与转子间用联轴器联接。因此转子不对中具有两种含义：一是指转子与转子间的联接不对中，主要反映在联轴器的对中性上；二是转子轴颈与两端轴承不对中。电机水泵POMOMIPI有资料表明现有企业在役设备30%～50%存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪费。典型不对中如图所示：第一节旋转机械典型故障的机理和特征图5.6典型不对中示意图2019/8/514后者对滑动轴承来说，与轴承是否形成良好的油膜有直接关系。滚动轴承的对中（如电动机转子两端的轴承对中），主要是由于两端轴承座孔不同轴，以及轴承元件损坏，外圈配合松动，内圈配合松动，两端支座（对电动机来说是前后端盖）变形等，都会引起不对中。有的机器，如汽轮发电机之类的设备，在冷态（未运转时）情况下转子对中情况是符合要求的，一旦运转中温度升高就可能发生热不对中。此外，地脚螺栓松动，基础下沉（这一点对于新安装的设备尤其需要注意），联轴器销孔磨损等故障的存在也会引发不对中。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/515图5-7转子不对中的基本形式a)联轴器不对中；b)轴承不对中；c)带轮不对中第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/5161．角向不对中角向不对中的特征是轴向振动大。典型地出现转速频率和2倍转速频率大的轴向振动。还常见转速频率、2倍转速频率和3倍转速频率都占优势的情况。如果2倍转速频率或3倍转速频率超过转速频率的30%到50%，则可认为是存在角不对中。这些征兆也指示联轴器故障。严重的角向不对中可激起转速频率的许多阶谐波频率。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/5172．平行不对中平行不对中的振动征兆类似于角向不对中，但是，径向方向振动大。2倍转速频率振动往往大于转速频率振动，联轴器的类型和结构决定2倍转速频率振动相对于转速频率振动的高度。角向不对中或平行不对中严重时，可在较高谐振波频率4倍到8倍转速频率谐波处出现大的振动，甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波。3．滚动轴承偏斜地固定在轴上不对中的滚动轴承卡在轴上时，将产生明显的轴向振动。通常，必须卸下轴承并重新正确安装。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/518不对中的总体振动特征：联轴器不对中时轴向振动较大，振动幅值和相位稳定；轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定；振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发生改变，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化。但由于热传导的惯性，振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越严重，二倍频所占比例越大；相邻两轴承的油膜压力反方向变化，一个油膜压力变大，另一个则变小；典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动；第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/519图5.8典型不对中谱图第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/520实例四：转子不对中故障的诊断出现2×频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。振动有方向性。轴向振动一般较大。本例中，出现叶片通过频率。1X频率2X频率叶片通过频率电机水泵POPIMOMI2019/8/521不对中故障的影响和防治：当转子存在不对中时，将产生一种附加弯矩，给轴承增加一种附加载荷，致使轴承间的负荷重新分配，形成附加激励，引起机组强烈振动，严重时导致轴承和联轴器损坏、地脚螺栓断裂或扭弯、油膜失稳、转轴弯曲、转子与定子间产生碰磨等严重后果，所以及时预测处理不对中故障对确保设备正常运行，减少事故损失十分重要。由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题，多年来工程研究人员一直在致力于追求更加科学合理的联轴器找正技术。目前，激光对中仪已在一些大型设备的安装、检修过程中得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/522三、共振强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动幅值急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏。这可能是转子的自然频率，也常常起源于支承框架、基础、齿轮箱甚至传动皮带。如果转子处在或接近共振，由于很大的相位漂移，几乎不可能平衡掉。共振时相位漂移为90度，通过共振时相位漂移接近180度。这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。自然频率通常不随转速变化，这一点有助于识别自然频率，除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上。第一节旋转机械典型故障的机理和特征2019/8/523设备共振案例一——某聚酯圆盘反应器升负荷试验从图中可以看到，特征频率均为电机输出轴工频，这一般为电机转子不平衡信息（后进行修理），从转速调升后出现的振值上升情况也基本可以验证这一判断。升速测试结果如表5-3所示：图5.9圆盘反应器电机径向速度谱图图5.10圆盘反应器电机径向位移谱图2019/8/524设备共振案例一——某聚酯圆盘反应器升负荷试验主轴转速调至4.95rpm时，振动值非常大；但调至5rpm时，振动值复又下降。这说明，4.95rpm时的特征频率17.82Hz为机台一共振频率。后来通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率，最终解决了共振的问题。电机转速电机特征频率主轴转速Rpmμmmm/sHzRpm10351