chap3_旋转机械故障诊断

Chap3旋转机械故障诊断2020/1/231旋转机械是指依靠转子旋转运动来完成主要功能的机械。在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。对于某些重要旋转机械，它们出现了故障，将对生产造成严重影响，因此是状态监测与故障诊断的主要对象。故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。振动是机器故障最基本的信息特征，旋转机械的振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/232转子不平衡故障诊断转子不对中故障诊断滑动轴承故障诊断转子摩擦故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2333.1转子不平衡故障诊断旋转机器的转子不平衡是指转子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。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”的。900)602(222neGnegGemF离心力与偏心距的方向一致，以角速度绕轴旋转。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/234临界转速对不平衡振动的影响22221nneekm转子无阻尼时的动挠度nkm转子无阻尼时的横向固有频率时，趋于无穷。n临界转速下转子的转速频率等于其横向固有频率。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/235tmekyycymtmekxxcxmsincos222)(12arctannn)sin()cos(tAytAx特解阻尼对临界转速下转子不平衡振动的影响力的平衡方程2ncm振幅相位角阻尼比22stnmeXek静挠度放大因子2222()[1()](2)nnneA2221[1()](2)nstnAXChap3旋转机械故障诊断2020/1/23阻尼越大，转子过临界转速时的振幅越小，接近临界转速时，这种阻尼衰减作用尤为明显。在共振点上，振动位移总是滞后于激振力90°，而与阻尼大小无关。测量转子的临界转速，常常利用相位的变化点来确定。阻尼对临界转速下转子不平衡振动的影响6Chap3旋转机械故障诊断转子不平衡振动的故障特征1）不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。2）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。3）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。4）转子的进动方向为同步正进动。5）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。6）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。7Chap3旋转机械故障诊断2020/1/238不平衡振动的故障原因和防治措施第一类不平衡振动的故障原因：固有质量的不平衡。固有质量不平衡是转子在原始状态下就已经存在的不平衡，和操作运行情况无关。产生的主要原因有：1.设计错误；2.材料缺陷；3.加工与装配误差；4.动平衡方法不当。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。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/239实例3-1气压机的不平衡振动某炼油厂催化车间气压机组，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。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60μm，此后又上升至90μm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。另外又从转子升速过程的极坐标图上看出（见图3-6），转子在到达工作转速时，振幅迅速增长，相位也有明显变化。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。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2310转子运行中的不平衡又分转子弯曲和转子原始平衡状态破坏两种。转子弯曲转子临时性弯曲，是指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低速长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振动。第二类转子不平衡振动的故障原因：转子运行中的不平衡。实例3-4喘振引起空压机转子的临时性弯曲某石化公司乙烯装置上使用一台德国制造的GA1000型离心式空压机，该机在制造厂做喘振试验时，由于放空消音器振裂而落入管内，阻塞了放空管，使压缩机出口压力升高，机器提前发生喘振。因为未及预料，延迟了关闭进口阀时间，引起机器强烈喘振。事后中方要求开盖检查，发现转子径向跳动量偏了0.12mm，即转子发生了弯曲。该厂采用的校正措施，是在1000r/min转速下开盖慢转转子约一小时，重新测量径向跳动量，结果下降到0.01mm，在允许范围之内，以后投产运行也很正常。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2311转子运行中的不平衡又分转子弯曲和转子原始平衡状态破坏两种。转子弯曲转子永久性弯曲，是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯曲状态，转子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产生的交变力，不足以释放转轴内部已形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。很难用动平衡方法消除。第二类转子不平衡振动的故障原因：转子运行中的不平衡。转子临时性弯曲和永久性弯曲的现象相同，通过振动测量无法区分。永久性的弯曲一般通过慢转转子时测量轴向各个位置上的径向跳动量来进行故障诊断。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2312转子平衡状态破坏转子在运行过程中，其原始平衡状态遭到破坏也会引发机器振动。1、转子零件碎裂或飞离，将产生阶跃式的不平衡，引起振幅和相位的突然变化。这种变化属于瞬态响应，此后将会衰减下去，因而振幅突变后将在某一数值上稳定下来。2、固体杂质沉积引起的不平衡振动往往是振幅逐渐加大，转速成分占有突出的地位，且随着转速的增加振幅呈抛物线状态增大。3、有些压缩机在运行中常会遇到工艺气体和固体杂质对叶轮基体金属的冲蚀，除锈不恰当就可能给机器带来振动问题。4、轴上零件松动破坏了原有转子的平衡精度，产生不平衡的振动。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2313轴上零件松动在振动频率和相位上一般表现为以下特征：①松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大；②由于存在松动间隙，振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出现大量转速频率的谐波；③如果松动间隙较大，零件的不平衡矢量随机地绕轴转动。振幅不稳定，相位随时间变化；④如果转子在稳态下产生零部件松动，会产生“拍振”现象，拍振的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴速度的松动零件转速频率。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/23143.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2315质量不平衡和转子弯曲不平衡的鉴别振幅随速度的变化质量不平衡：转子弯曲：不按以上规律变化相位随转速的变化质量不平衡：转子两端轴承相位可能相同也可能相差很大，随转速的变化大。转子弯曲：转子两端轴承上的相位相同或接近，随转速的变化小。振幅随负荷的变化质量不平衡：不随负荷的变化而变化。转子弯曲：随着负荷增加而加大。3.1转子不平衡故障诊断2222()[1()](2)nnneAChap3旋转机械故障诊断2020/1/2316定向振动与不平衡振动故障的鉴别转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴心轨迹形状接近于一个圆或椭圆，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生接近90°的相位差。定向振动是在某一个方向上出现同相位或接近180°反相位的振动，这种称为“定向振动”。在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近一条直线形状。可以采用相位测量和轴心轨迹分析方法，把定向振动与单纯的不平衡振动区别开来。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2317鉴别内容不平衡振动定向振动振动频率转速频率转速频率相互垂直的二个方向相位差接近90°接近0°或180°轴心轨迹形状圆或椭圆某一方向上近似一条直线故障原因转子固有不平衡，转子弯曲，转子平衡状态破坏等机体变形，皮带轮或齿轮偏心，机座松动，基础共振等3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2318实例3-14基础共振某大型化工装置上使用一台单级离心泵，由一台转速为3600r/min的电动机直联驱动。因为电动机振动非常剧烈，常出故障，所以不得不为该泵配置备用电动机。对该机组的振动测试结果，电动机水平方向的振幅为23mm/s，垂直方向振幅为30mm/s,振动频率为电动机的转速频率；而泵的振幅很低，不超过5mm/s。对电动机水平和垂直方向上的相位测量，发现两者精确地同相，也就是发生了较典型的“定向振动”。3.1转子不平衡故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2319转子不对中故障是转子和转子之间的连接对中超出正常范围，或转子轴径在轴承中的对中位置不良，不能形成良好的油膜和适当的轴承负荷，从而引发机器振动或联轴节、轴承损坏的现象。3.2转子不对中故障诊断机组各转子之间由联轴器联接构成轴系。作用：用于传递旋转运动和扭矩Chap3旋转机械故障诊断引起转子不对中故障的原因有：联轴器初始安装不好轴承中心线偏斜或偏移转子弯曲，同时产生不平衡与不对中故障基础变形、转子与轴承的间隙过大等203.2转子不对中故障诊断Chap3旋转机械故障诊断不对中的后果改变转子轴颈上轴承的相互位置和轴承的工作状态.可能会改变整个轴系的固有频率共振.导致转子受力恶化及支承承受附加激励力.3.2转子不对中故障诊断21Chap3旋转机械故障诊断22平行不对中，此时转子轴心线平行。偏角不对中，此时两转子轴心线相互交叉。平行偏角综合不对中，此时两转子轴心线相互交错。(俯视)(正视)(a)平行不对中(b)偏角不对中(c)平行偏角不对中不对中的分类3.2转子不对中故障诊断Chap3旋转机械故障诊断不对中的分类平行不对中---径向振动突出偏角不对中---轴向振动突出平行偏角不对中233.2转子不对中故障诊断Chap3旋转机械故障诊断2020/1/23243.2转子不对中故障诊断转子不对中故障的其他特征：1)轴承中油膜压力的改变。2)轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。3)不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。4)轴心轨迹的不规则变化。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/23253.2转子不对中故障诊断联轴节不对中的振动频率刚性联轴节的平行不对中teSOcos21212teKKFcos2tKeKeteKteKtFFy2cos44)2cos1(4cos2cos2tKetFFx2sin4sin上式表示Fx、Fy是随转速而变化的两倍频激振力，也就是联轴节每旋转一周，径向力交变两次，转子径向方向上就有两次力的脉动。在频谱上显示两倍频振动。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/23263.2转子不对中故障诊断刚性联轴节的角度不对中在螺栓拉力作用下两半联轴节中存在一个弯矩，弯矩的作用方向是力图减小两轴中心线的交角。轴旋转一周，弯矩的作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也是每周变化一次，由此引起工频振动。Chap3旋转机械故障诊断2020/1/2327齿式联轴节属半挠性联轴节Chap3旋转机械故障诊断2020/1/23283.2转子不对中故障诊断齿式联轴节振动特点用齿式联轴节联接的两个转子即使是平行不对中，但在齿套与齿壳之间仍表现为角度不对中。其振动特点