第7章_机械零部件故障监测与诊断技术1

79第7章机械零部件故障诊断技术7.1转轴组件故障振动诊断技术7.1.1概述大部分机械设备都有转轴组件（或称转子系统），它包括转子（轴、传动件、联轴器等）和转子轴承等部分。它的转速一般较高，其工作状态不仅影响设备本身的运行质量，而且影响安全，可能造成机毁人亡的严重事故，所以对转轴组件的监测与诊断在安全、经济两方面都有重要的意义。异常的振动是转子故障的主要表现形式，零件松动、转子不平衡、联接不对中、转轴裂纹和变形等缺陷都能通过振动快速、准确地反映出来。过大的振动也往往是设备直接破坏的主要原因。所以通过振动诊断转轴组件的状态是目前普遍采用的一种方法。工作转速远低于临界转速的转子称为刚性转子，例如，电动机、水泵和通风机等一般机械的转子。工作转速接近或高于临界转速的转子称为柔性转子，如燃气轮机和离心式压缩机等的转子。这里只介绍最具普遍意义的刚性转子的故障振动诊断技术。7.1.2转子振动特点一、转子自由振动转轴组件若受冲击，在弹性力作用下必然激发转子作自由振动。1．横向（弯曲）自由振动如图7-1是一个在刚性支承上的单圆盘转子力学模型，圆盘质量为m，轴的横向刚度为k，忽略转轴质量，忽略阻尼。若转子受横向冲击则转子运动方程为：图7-1对称单圆盘转子模型kxdtxdm22它的通解为：)sin(tAxc式中：c——转子横向振动固有圆频率，kmc/；x——转子横向挠度。上式表明转子受冲击后，转轴将在其平衡位置附近作自由振动。振动规律为简谐运动，振幅A和初相角取决于初始条件，振动频率（2/ccf）取决于转子的结构，称为转子横向（弯曲）振动的固有频率或称自振频率（有时固有圆频率c也称为固有频率），它是转子的重要属性。实际上转子是多自由度振动系统，有多个自振频率，这里是指最低的一阶自振频率。802．扭转自由振动转子除作横向自由振动外，若受扭转冲击还要产生扭转自由振动（如图7-2），上述横向自由振动的结论也适用于扭转自由振动。扭转自由振动也是简谐运动，扭转自由振动的固有频率为：图7-2扭转振动模型rrkJ式中：J——圆盘对转轴的转动惯量；rk——轴的扭转刚度。二、转子故障振动刚性转子故障激发的振动主要是同步振动，又称强迫振动。振动的频率等于转子的旋转频率（转频）及其倍频；振幅一般随转速的增加而增大。故障激发的振动大多数是横向振动（转子上的质点在垂直轴线方向发生位移的振动），横向振动对机械设备的影响也最大。因此，转子振动监测的主要目标是转子的横向振动。直接监测转轴的振动有时是十分困难的，常常要通过监测轴承座的振动来获取转轴的振动信息。由于转轴与轴承座间的非线性特性以及其它振源的干扰，转轴的振动信息要受到影响，所以在轴承座上由传感器获得的振动信息往往要通过信号分析处理后，才能得到转轴的振动信息。应当注意异常的振动不一定是由故障引起，例如载荷波动时也会使振动信号的频率和幅值产生异常的变化。7.1.3主要故障振动诊断转轴组件的故障很多，不同故障引起的振动有不同特点，这些特点就是我们诊断故障的依据。这里只介绍几种主要故障的机理及其特点。一、不平衡故障振动诊断转子质量中心与转动轴线不重合称为不平衡。这样的转子在转动时要产生离心惯性力，引起转子系统的强迫振动。产生不平衡的原因很多，如设计方面的原因、转子的材质不均、加工和装配误差、转轴变形以及使用过程中由于腐蚀、磨损、介质结垢或转子局部损坏等原因都要造成转子不平衡。不平衡是不可避免的，仅当不平衡量超过了规定，才认为转子出现了不平衡故障。有关资料表明转子不平衡故障约占旋转机械故障的30％，所以它是一种最常见的故障。811．不平衡振动分析如图7-3所示，设转轴中部圆盘的质量为m，质量中心为C，几何中心为A，偏心距ACe，转轴两端在轴承中可自由旋转，轴承刚度很大，不考虑阻尼。当转子静止时轴没有静挠度，圆盘的几何中心A与转动轴线上O点重合，转子的不平衡量（重径积）用矢量me表示。当转子转动时，由于离心惯性力作用轴产生动挠度x，转子作弓形旋转运动，在稳定状态时，不平衡量（重径积）为()mex。由它产生的、作用在圆盘上的离心惯性力与弹性恢复力平衡，故得图7-3垂直轴上的旋转圆盘如下等式：kxxem2)(解之，得2222)/(1)/(ccemkmex式中：mkc/。由前可知，c是转子横向振动的固有频率。当c，即2/cf时，轴的动挠度趋近无穷大，离心惯性力趋近无穷大，它能使设备破坏，故称这个转速为转子的临界转速。对于刚性转子c，轴的动挠度0x，可以忽略不计。因此，刚性转子的离心惯性力始终为2meF它在Ｘ，Ｙ方向的分力为tFFxcostFFysin它们都是周期变化的简谐力，所以要引起转子系统在Ｘ，Ｙ方向作强迫振动，振动规律为同频率的简谐运动。2．不平衡振动特点（1）主要是横向简谐振动，频率等于转频，没有或很少倍频分量。（2）转频低于转子横向固有频率时，转速增加，振幅也随之明显增大。这与测点处轴颈不同心或椭圆度造成的假振动信号不同。（3）转子支承系统沿旋转方向各处都有振动，但相位不同，振幅也不同，随各方向的刚度变化而异，一般说水平方向刚度最小，所以振幅最大。这与基础引起的振动只在一个方向不同。（4）转子两端的支承振动相位相同（静不平衡时），或相反（动不平衡时）。二、不对中故障振动诊断需要用联轴器联接的两根轴，轴线若不重合（不对中）将引起轴变形、轴振动和轴承损坏，危害很大。联轴器本身偏转、轴承磨损、轴的挠曲变形和基础变形等都是造成轴线不重合的原因。轴线不对中有两种情况：平行不对中和角度不对中。实际上这两种不对中常常是同时存在（图7-4）。82eα平行不对中角度不对中同时存在图7-4轴线不对中1.不对中振动分析1）平行不对中F2eO2O1SPO2F1FeO1PP图7-5轴线平行不对中受力分析图7-5表示用刚性联轴器联接的轴在轴线平行不对中时的受力情况，当连接螺栓所在位置P点对偏心方向的角位移为)(t时，由于两半联轴器上的P点不能分离，所以金属纤维2PO受拉伸，金属纤维1PO受压缩，取1POPS，则因ePO2，故可认为21POSO，因此1PO和2PO的相对变形量约为teSOcos2如果两半联轴器尺寸和材料相同，两者的变形量近似相等，则1PO和2PO的变形量均为tecos21设联轴器在1PO，2PO方向的刚度为k，则2PO方向拉力为tkekFcos21它在21OO方向的径向分力为tFFcos1ttkecoscos21tke2cos21)2cos1(4tek即tkekeF2cos4411PO方向的压力及其在21OO方向的径向分力与拉力及其径向分力的大小相等方向相反。由上可知：径向分力的前项不随时间改变，其作用是使两轴线的不对中量减小。后项是随时间而变化的周期力，其作用是使转轴产生二倍转频的横向谐振动。2）角度不对中轴线角度不对中时，轴线相交成一定角度，除附加径向力产生的二倍频横向振动外，还要在附加轴向力作用下产生以转频为周期的较大轴向振动。2．不对中振动特点平行不对中特点：（1）主要是横向振动，频率为转频的两倍，不对中越严重，二倍频分量越大；83（2）幅值对转速变化不敏感；（3）转子两端的支承振动相位相反，靠近联轴器两支承的振动相位也相反。角度不对中振动特点：（1）有横向振动，还有轴向振动，幅值对转速变化不敏感。轴向振动的振幅大于横向振动，频率等于转频。（2）被联接的两根轴，轴向振动相位相反。三、松动振动诊断由于基础联接不牢，轴承外圈有较大间隙或过盈联接的过盈量不足等因素都能引起振动，其特点为方向性强（在松动方向振动大）。除有转频分量外，还有一系列大振幅高次倍频分量。四、轴上裂纹振动诊断如果设计不当（选材不当或结构不合理）或加工方法不当，会引起应力集中导致横向疲劳裂纹，引起断轴事故，危害极大。在静止条件下监测裂纹，可以用磁力探伤、超声、荧光着色等手段直接监测，非常有效。在运转过程中监测裂纹的发生和发展就比较困难，至今还没有完善地解决。近年来多注意从转子的振动信息中寻找裂纹的发生与发展。计算表明如果轴的中部发生一深度等于1/4直径的裂纹，轴的刚度仅变化10％，固有频率仅变化5％。因此，直接从转子固有频率变化或运转过程中的振动变化发现早期裂纹是困难的。目前较常用的监测方法是监测机械设备在开、停过程中振幅的变化及使用期间这种变化的发展速度。轴上有了开裂纹（工作时裂纹区处于拉应力状态，裂纹呈张开状态），轴的刚度就不是各向同性，轴旋转时振动带有非线性特征，在频谱中除出现转频分量外，还有幅值衰减很快的2倍频、3倍频、5倍频等高频分量，随着裂纹扩张，它们（特别是2倍频分量）的幅值也要随之增大。因此，在设备开、停过程中，转子在经过1/2，1/3，……临界转速时，由于振动的高频成分（2倍频分量、3倍频分量……）与转子的固有频率重合，响应就会出现较明显的共振峰值如图7-6所示，而且在使用期间越来越大。所以将开、停时的信号记录下来，进行分析，如出现次谐共振，且振幅在使用期间又逐渐发展，就应该引起注意，这是目前较有效的诊断方法。图7-6有开裂纹转子共振频谱图7.1.4转子现场平衡技术转子在使用过程中出现了不平衡故障，就需要及时进行平衡校正处理。在没有合适的动平衡机或转子拆卸困难的地方，就需要在现场工作状态下或接近工作状态下进行这项工作。有时即使在动平衡机上平衡了的转子，在运行前也需要进行现场平衡，因为转子在现场的条件与在平衡机上的条件不同，转子的平衡状态要发生变化。84一、转子平衡基本原理图7-7所示的转子，可以看成是由无穷多个薄片沿转动轴线排列组成。这些薄片的质量为m，质量中心与转动中心不重合，偏心距为e，即薄片的不平衡量为meu。若转子以角速度转动，这些不平衡量就要产生无穷多个不同大小、不同方向，但都与转动轴线垂直的离心惯性力。这些离心惯性力使转子产生动挠度，使转轴系统产生振动。图7-7实际不平衡转子从理论上说，要完全平衡这些离心惯性力，应该把每一个薄片的不平衡量都校正过来，也就是说应对每一个薄片加上一个适当的校正量（相反的不平衡量iu），使校正后的每一个薄片的质量中心都与转动中心重合。但是,这既作不到也没有这个（完全平衡）必要，实际上我们只须在有限个平面上加适当的校正量，对转子平衡作近似处理。1．刚性转子平衡原理刚性转子动挠度很小，可以忽略，转子的不平衡量可视为常量。所以可用刚体力学的办法处理转子平衡问题。一般的原则是先将刚性转子的所有不平衡量分解到两个与转动轴线垂直的平面Ⅰ、Ⅱ上（这两个平面应是用来装校正量的平面称平衡平面），然后将两面Ⅰ、Ⅱ上的各分量求和得1U、2U。显平图7-8刚性转子平衡然，刚性转子所有不平衡量的作用与1U、2U的作用相同。因此，对刚性转子一般只须在两个平衡平面Ⅰ、Ⅱ上加入适当的校正量，抵消1U、2U的作用，即可实现刚性转子的平衡要求。由于刚性转子的不平衡量可视为常量，与转速无关。因此，只要在一种转速下校正了平衡，在任何转速下（当然远低于临界转速）转子的平衡状态都不会改变。2．柔性转子平衡原理柔性转子的动挠度大，不能忽略，转子的不平衡量随转速改变而改变，即使在一种转速下按刚性转子平衡原理平衡好的转子，在转速改变时必然要失去平衡。因此，对柔性转子在一种转速下、在两个平衡面上加校正量的原则就不行了。必须增加平衡面的数量，在多种转速下（从启动到工作转速间选取）进行平衡，才能使转子的变形和（或）轴承的振动减少到允许的程度。二、刚性转子现场平衡法——影响系数法现场平衡的关键是找出不平衡量的大小和方位，采用的方法最普遍的是影响系数法。它的基本思想是将转子系统视为线性系统，测振点（一般在轴承或轴颈处）的振动响应是各不平衡量单独作用时振动响应的线性迭加。即若转子平衡面Ⅰ、Ⅱ上的不平衡量为1U、2U，测振点a、b的振动响应是A、B，则可得851122A=αUαU1122B=βUβU式中1α、2α、1β、2β是平衡面Ⅰ、Ⅱ上单位不平衡量在测振点产生的振动响应，称影响