旋转机械振动故障诊断及分析(2015.3)分解

旋转机械振动故障诊断及分析郭兴贵[e-mail]★影响旋转机械振动的因素★汽轮发电机组的振源分析★旋转机械的故障诊断★旋转机械振动故障的处理方法★旋转机械振动故障诊断及处理实例一、影响旋转机械振动的因素旋转机械，尤其是大型汽轮发电机组轴系的振动十分复杂，影响因素较多，不但有静态的，而且有动态的，并且这些因素往往综合作用，相互影响。影响旋转机械（及其轴系）振动的主要因素主要包括：1、临界转速当转子的工作转速接近其临界转速时，就要发生共振，这是产生极大振动的主要原因之一。因此，在转子设计时，应保证工作转速相对于其临界转速有足够的避开率。2、支座特性通常轴承座的振动幅值与转子激振力的大小成正比，与支承系统的动刚度成反比。所以，在转子激振力一定的条件下，轴承座的振动大小主要决定于支承系统的动刚度。增大轴承座的刚度，可使振动响应峰值转速略有抬高，但可较大的降低轴承座振动峰值。为避免转子与支座发生共振现象，应使支座自振频率与工作频率之比大于2。3、轴承特性轴承是提供转子系统阻尼的主要来源。阻尼的大小不仅对振动系统的稳定性有直接的影响，而且对振动响应峰值也有很大的影响。轴承的动力特性不仅与轴承的几何尺寸有关，而且还与轴承型式、流体介质和流动状态、线性与非线性计算方法等因素有关。通常减小轴承的长径比能提高油膜刚度，增大轴承偏心率，提高轴承的稳定性；当间隙比较小时，增大间隙比可提高轴承的刚度和阻尼，增加轴承的稳定性，当间隙比较大时，反而会降低稳定性，使失稳转速降低；应用低粘度的润滑油或提高平均油温，可以增加轴承的稳定性；从轴承型式上，一般认为圆轴承的承载能力最强，但稳定性较差，椭圆轴承稳定性较好，可倾瓦轴承稳定性最好。4、转子动平衡质量在线性系统（绝大多数情况），转子不平衡响应的峰值与转子上残余不平衡量的大小成正比。减少不平衡量可以明显地降低响应峰值，尽可能的提高转子动平衡精度是提高转子振动品质的有效措施。5、转子温度效应在高参数或超临界汽轮机中，高、中压转子温度较高，这会引起转子材料弹性模量的变化。材料的弹性模量随温度的升高而降低，从而使转子的弯曲刚度和临界转速降低，故在分析计算中应计入转子温度变化的影响。当汽缸或轴承座温度较高时，会引起支撑系统动刚度降低,使得轴瓦振动增大。当带负荷运行时，如果转子存在不均匀的温分布，会导致转子产生热弯曲，引起振动增大。6、汽流激振在高参数、大容量，尤其是超临界汽轮机的高压转子中，由于汽隙（叶顶间隙和汽封间隙）的不均匀会引起附加的蒸汽力作用，它可影响轴系的稳定性，使失稳转速降低。另外，对于喷嘴调节的汽轮机，在某些负荷工况，因部分进汽改变轴承的动特性，也可能导致轴承失稳。7、转子间的连接和找中安装因素是轴系振动一个重要影响因素。对于动平衡质量较好的转子，如果连接偏差较大，也会引发振动。在轴系中，找中时应进行预调，以保证在热态时轴系是一条光滑曲线，减少轴心的偏差，确保轴承有良好的动力特性。此外，在安装时，要保证动、静部件间隙均匀，且尺寸合理，防止局部间隙过小引起动静碰摩而产生振动以及径向间隙偏差较大引起汽流激振。8、运行方式异常维持转机正常的运行方式是保证其振动状态稳定的因素之一。启停及运行过程中应根据设备及系统特性进行操作。二、汽轮发电机组的振源分析1、机械激振力1.1转子质量不平衡在现场发生的机组振动故障中，约80％是由于转子质量不平衡造成的。原因主要有：(1)制造过程中机械加工不精确或材质不均匀，使得转子上各部件的横断面相对于转动中心轴线不对称，或转子在机械加工及热处理过程中的残留变形引起。(2)运行过程中转子上动叶片的不均匀磨损，盐垢的不均匀沉积，动叶或拉金的断裂，中心孔堵头脱落，运行时转子的热变形。(3)大修时进行过可能破坏转子质量平衡的技术操作：如拆装或更换叶轮、叶片等。1.2靠背轮和转子找中心不正a.靠背轮的影响⑴靠背轮平面瓢偏，当拧紧靠背轮螺丝后，转子将产生静变形（即挠度），在轴颈上会呈现较大的晃摆，在旋转状态处，静变形将产生旋转的强迫振动。⑵靠背轮连接螺栓有紧力差别，其产生的后果和瓢偏一样。⑶两个靠背轮止口或连接螺栓节圆不同心，当拧紧靠背螺丝后，两个转子会产生偏心，这种偏心在旋转状态下直接产生激振力，而且以力偶形式作用在两个相邻的轴承上。靠背轮造成振动的特点是：振动的主要分量与转速相符，但包含有一定的非基波分量，因此在激起普通强迫振动的同时，可能还会激起高次谐波和分谐波共振。b.转子找中心的影响通常所指的转子找中心，实际上是找轴承中心，即通过调整轴承座的标高和左右位置，使冷态下两靠背轮圆周和平面的偏差力求最小，使轴系在给定的支撑数目下，能连成一条连续的自然垂弧曲线。对于刚性或半绕度性靠背轮，由于它有对中的止口配合部分或配合螺栓部分，所以即使中心略有不正，即轴承座定位略有不当，当拧紧螺丝后，转子将会自动同心，因而它并不直接产生振动的激振力，但由于轴承座相对位置的变动将会引起下列后果：⑴使轴瓦载荷分配不合理，载荷过大者会使轴瓦温度升高，过小者易使转子失稳，发生轴瓦自激振动。⑵破坏了已经调整好的动静间隙，可能会引起静摩擦或汽流激振。⑶改变了轴系支撑条件，即改变了轴系振动系统的参数，导致转子临界转速和振型曲线发生变化。⑷转子和联轴器受额外应力。1.3热不平衡很多汽轮发电机组在热态时振动较大，其原因是由于发电机转子或气轮机转子、汽缸等发生了不均匀加热或冷却，产生了不对称的变形，这种变形称之为热变形。热变形破坏了转子的质量平衡，从而引起振动。a.发电机转子的热不平衡造成发电机产生热不平衡的原因是由于转子上某些零件产生不对称热变形和转子热弯曲。产生不对称热变形的零件主要是端部零件，特别是端部线包，由于线包受热膨胀在径向发生不对称位移，破坏了转子的质量平衡。热弯曲的原因主要是由制造和材质方面的缺陷所引起，另一方面是运行方面的原因引起的。b.汽轮机转子的热不平衡汽轮机转子热不平衡的主要原因是转子产生热弯曲，引起热弯曲的原因有以下几个方面：⑴转轴上内应力过大。⑵转轴材质不均。⑶汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其它套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足和不均匀。⑷转轴存在径向不对称温差。c.汽缸、轴承座膨胀不良汽缸、轴承座的膨胀不良可能会在以下三种形式表现出来：⑴轴承座之间的相互位置发生了变动，导致转子中心的变动。⑵改变了动静部件之间径向间隙，可能产生静摩擦，引起转子热弯曲而造成振动。⑶改变了轴承和台板之间的接触状态，可能会降低了轴承座动刚度。2、电磁激振力在汽轮发电机组中，若振动随励磁电流增加而增大时，表明激振力来自发电机转子，振动是由不对称的电磁力引起的。引起不对称电磁力的原因：⑴发电机转子线圈匝间或对地短路。当转子励磁线圈的部分线匝失去作用时，在所有的同步电机中都会产生不均衡的电磁力，因而出现一个与转子一起旋转的径向不均衡力，从而引起振动。⑵发电机转子和静子之间空气间隙不均匀。当转子与静子不同心时，转子的自重弯曲变形以及油膜厚度的变化等，都将使圆周上的空气间隙产生不均匀，磁极在经过最小空气间隙时，单向磁引力为最大；而当磁极中线经过这最小气隙时，磁引力为最小，这种不均衡的电磁力会引起转子和静子的振动。3、支撑系统的刚性不足、共振汽轮发电机组的振动实质上是轴系激振力与支承部分（轴承座和基础）可承受能力之间的对立统一。在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比。由于支撑系统共振，轴承座动刚度降低，在激振力不变的情况下，轴承振幅增大。或相邻与轴承座连接的基础、较大直径的管路、汽缸、发电机和励磁机静子等部件部件的共振，振动能量传给了轴承座，也可能造成轴承振幅增大。4、轴承座的轴向振动引起轴向振动的原因可用“松、斜、卡”三个字来概括。“松”是指轴承座与台板、台板与基础之间的连接存在松动，造成轴承座轴向动刚度不足或两侧刚度不对称，使轴承座在激振力的作用下发生轴向偏转。“斜”是指轴在轴瓦内偏斜，使得轴颈在轴瓦内的油膜承力中心随转速周期性地沿轴向变化，造成轴承座的轴向偏转。“卡”主要是指球面瓦因加工不良或紧力过大而发生卡涩，起不到自动调节的作用。5、摩擦振动机组的摩擦主要分为转轴摩擦和动静局部摩擦。⑴转轴摩擦引起热弯曲造成机组的强迫振动。转轴摩擦产生热弯曲一般是由于静止部件（如汽封齿和油挡等）直接和轴本身相摩擦造成。转子产生热弯曲的原因有转轴存在振动或晃动、滑销系统工作不正常、汽缸变形和动静间隙过小等。当动静发生接触时，摩擦部位温度升高，使转轴产生不对称温差，从而可能引起转子热弯曲而造成振动。⑵动静局部摩擦引起涡动。动静局部摩擦通常是指静止部件（如阻汽片或隔板）碰触到叶轮、叶片等的转动部件，这种金属之间的干摩擦会造成一种自激振动现象—摩擦涡动。动静局部摩擦会产生直接的冲击力、摩擦力以及系统刚度的改变。6、自激振动（1）轴瓦的自激振动轴瓦自激振动是由滑动轴承里的油膜所激发的一种振动现象。它是大型汽轮发电机组的常见故障，一旦发生会对机组的安全有极大威胁。轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。振动频率约为当时实际转速之半的称为半速涡动。涡动是旋转的一种特殊形式，它是指不但转轴围绕其轴线旋转，而且轴线本身还在轴瓦中进行回转。油膜振荡是指当转速升至比第一临界转速的两倍稍高之后，此时半速涡动的速度与第一临界转速相重合，这种半速涡动将被共振放大，而表现为剧烈的振动，这种现象称之为油膜振荡。（2）汽流激振汽流激振是蒸汽激振力诱发的在汽轮机高（中）压转子上产生的一种自激振动现象。随着汽轮机蒸汽参数的提高（如超临界压力机组），会导致高压缸进汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在高压转子上的切向力对动静间隙、密封结构以及转子与汽缸对中度的灵敏度提高，增大了作用在高压转子的激振力。这些将使得轴系振动稳定性降低，严重时会诱发高压转子失稳，产生很大的突发性低频振动。蒸汽激振力近似地正比于机组的出力，故由蒸汽激振引起的不稳定振动就成为限制超临界压力机组出力的重要因素，直接影响了机组的可用率。汽轮发电机的振动，往往是由多种复杂因素综合作用的结果，基本上体现了发电厂转动机械振动的各种因素。引起转动机械振动的原因是多方面的，设计、安装和检修、电气、介质、系统等等。以上所述只对几个主要振源作了分析。若能准确及时地判断产生振动的振源，对预防和减小转动机械的振动都非常重要。7、各种转动机械一般振动故障分类机械种类部件一般故障原因转子机械部件—主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的旋转机械部件动叶弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,腐蚀,积垢,共振密封松动,弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙叶轮弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,汽蚀,腐蚀,积垢,共振转轴热弯曲,机械弯曲,裂纹轴颈伤痕,晃度超标圆盘轮盘耸起,刮伤,松动齿轮磨损,裂纹,表面剥落,麻点,断裂推力盘耸起,刮伤,裂纹围带拉筋断裂、摩擦机械种类部件一般故障原因转子机械部件—主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的旋转机械部件联轴器连接不良,磨损,断裂冷却风扇弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,腐蚀,积垢,共振活塞裂纹,断裂,松动曲轴弯曲,断裂,裂纹,刮伤,不合适间隙转子特性不平衡,临界转速,油膜涡动/振荡,气动/液力涡动,喘振,扭振电气部分的旋转机械部件转子线圈断裂、短路集电环工作不正常转子/定子间隙偏心,间隙太大或过小机械种类部件一般故障原因轴承滚动轴承伤痕,麻点,松动,龟裂,表面剥落,润滑不足滑动轴承刮伤,磨损,伤痕,松动,不对中推力轴承刮伤,磨损,伤痕,松动,不对中定子机械部件—主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的定子机械部件轴承座共振,松动,裂纹机壳共振,弯曲,断裂,裂纹,不合适间隙,松动,积垢,腐蚀,气蚀,阻塞隔板共振,弯曲,断裂,裂纹,不合适间隙,松动,积垢,腐蚀,阻塞喷嘴阻塞,断裂密封松动,弯曲,断裂,摩擦,裂纹,不合适间隙汽缸变形,偏斜,孔径偏斜,共振,裂纹机械种类部件一般故障原因定子电气部件(电力/机械转换、电力传输)的定子部件定子铁芯松动,变形,失园度大,不对中定子线圈断裂,短路,发热端部线圈断裂,短