旋转机械不对中故障的分析与研究

1旋转机械不对中故障的分析与研究摘要本文指出什么是旋转机械不对中故障，并介绍不对中故障的形式以及特征，然后通过两个具体案例来介绍处理实际问题中不对中故障的一般分析方法，最后得出结论。关键词：不对中故障；故障诊断；故障机理；旋转机械1、前言随着现代化工业的快速发展和日益激烈的市场竞争形势，作为企业的重要关键性设备，大型旋转机械的安全、可靠、连续运行至关重要。一旦发生故障不但会给企业造成重大经济损失，而且可能产生严重的社会影响，因此大型旋转机械各类故障的早期诊断与快速排除显得尤为重要。不对中故障【1】是旋转机械最常见的故障之一，60%的旋转机械故障都是由不对中引起的【2】。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列对设备有害的动态响应，例如引起设备的振动、联轴器的偏转、轴承的磨损和油膜的失稳、轴的挠曲变形等，危害极大，所以，对转子系统的不对中故障的研究具有重要的现实意义。为了满足理论研究和工程实际的需要，国内外许多学者和工程技术人员对于不对中故障的机理、振动特征及诊断方法进行了广泛的研究。以下（图1）是从EI数据库检录得到的最近20年各国对不对中故障的研究比较。图1近二十年各国对旋转机械不对中的研究状况22、旋转机械不对中故障的概述机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安装误差及运行中支承架不均匀膨胀、管道作用力、机壳膨胀、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备运行的动态效应，如引起设备的振动、机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和轴的弯曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。3、不对中故障的分类及特征3．1不对中故障的分类刘娅、潘汉军、陈进【3、4】根据联轴器设计制造厂商对联轴器定义的动力传递面及联轴器中心两个概念，把联轴器对中定义为左半联轴器和右半联轴器的相对位置关系完全处于设计状态（理想状态）（如图2（a）所示），即同时满足：（1）左半联轴器的轴线和右半联轴器的轴线重台于联轴器的设计轴线；（2）左半联轴器的中心和右半联轴器的中心重合于联轴器设计中心。上述对中的定义中，条件（2）同时影响两半联轴器在径向和轴向的相对位置对于联轴器的轴向位置，工程实践中比较容易克服。忽略半联轴器的轴向位置，可以把联轴器不对中定义为以下3类：（1）平行不对中：半联轴器轴线平行于联轴器设计轴线．且两个半联轴器中心在径向上不重合（如图2（b）所示）；（2）倾角不对中：半联轴器轴线与联轴器设计轴线有一定的倾角，且两个半联轴器中心在径向上重合（如图2（c）所示）；（3）平行倾角不对中：半联轴器轴线与联轴器设计轴线有一定的倾角，且两个半联轴器中心在径向上不重合（如图2（d）所示）。图2联轴器的各种对中状态3．2不对中故障的特征不对中故障的主要振动特征为：31）齿式联接不对中的特征频率为转速频率的2倍，转子径向振动出现工频和2倍频，不对中量越严重，2倍频所占比重越大；2）时域曲线类似正弦曲线轴心轨迹为香蕉形或八字形，正进；3）联轴器不对中故障产生的对转子的激励力幅值，随转速的升高而加大，因此高速旋转机械应更加注重转子的对中要求；4）激励力幅与不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力幅成线性加大；5）联轴器同一侧相互垂直的2个方向，2倍频的相位差是基频的2倍；联轴器2侧同一方向的相位在平行位移不对中时为0°，在角位移不对中时为180°，综合位移不对中时为0°～180°；6）轴系转子在不对中情况下，中间齿套的轴心线产生相对位移，在平行位移不对中时的回转轮廓为一圆柱，角位移不对中时为一圆锥体，综合作用不对中时是介于两者之间的形状，回转体的回转范围由不对中量决定；7）振动随负荷变化敏感。当负荷变化时，由联轴器传递的扭矩立即发生变化，如果联轴器不对中，则转子的运动状态也立即变化；8）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；9）联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为1倍频，振动幅值和相位稳定；10）2倍频共振发生在基频共振之前，而且没有发生第2次共振；过大的不对中量，即使能够安装，也会导致联轴器不符合其运动条件而“卡死”，从而使转子产生巨大的交变应力，对转子系统具有更大的破坏性。4、案例分析4．1案例1【5】图3给出了某厂一台空压机组的结构简图和测点布置图，该机组电机额定转速为l500r／min，功率为200kW，空压机转速7258r／min，空压机一阶临界转速为5252r／min。该空压机在一次严重事故后，经过检修，重新启机测点3振动严重超标，在经过低速动平衡、转轴修复、修轴瓦等措施后，半个月时间内试车8次，测点3振动仍不能满足要求，在第9次试车前，通过振动测试，并进行故障分析与诊断。图4给出了测点1—4径向轴振动的波形频谱图。图3某离心压缩机组结构简图及测点布置图4图4测点1—4轴振动波形频谱图4个测点的径向振动均采用电涡流式位移传感器测量，其呈45°和135°布置，从电机尾端看，左手侧设为X，右手侧设为y。从各个测点振动值看，很明显测点3的振动远远大于其他测点，说明产生振动的原因可能位于测点3附近。从频谱图上看，除了测点1、2有齿轮低速轴的频率成分外，其余各测点各方向的振动均主要表现为高速轴的工作频率（即转频）。因此，按照传统的故障分析方法，该机组的故障应该是空压机转子不平衡，但是，该转子在动平衡机上经过低速动平衡，残余不平衡量已经很小，在许可范围内，因此，诊断结果与实际相矛盾，除非是低速动平衡不能满足此转子的动平衡要求（此转子是柔性转子，工作在一阶临界转速之上）。但是按照文中的研究结果，此机组故障可能还有另一种可能，就是同侧轴承不对中故障。按照文中研究结果，如果存在同侧轴承不对中，应该是测点3附近的轴承与其他轴承不对中，由于轴振动并没有表现出不对中的振动特征，还必须检测测点3处轴承座的振动。图5给出了测点3的轴承座振动的波形频谱图。5图5测点3在轴承座水平（X）和竖直（Y）方向的振动波形频谱图图5的波形频谱图上，可以很明显的看出不对中故障的振动特征，而且根据文中研究结果，能够判断出是测点3处轴承在水平方向上轴承不对中，因此，解决该机组的振动问题，首先应该检测测点3处轴承对中问题。停机后通过打表检测发现，测点3处轴承向左偏了0．19mm，严重超过了标准要求。通过把测点3轴承中心往右调整0．19mm，启机后测点3振动峰幅值降低到正常水平，达到机组振动要求。4．2案例2神东公司某矿选煤厂带式输送机机头的结构简图如图6所示。整个带式输送机由一台额定功率800kW，转速为1480r/min的电机通过联轴器直接驱动减速箱组成，固定在由水泥地板和钢板支架做成的专用刚性基础上。此带式输送机属新安装设备，振动一直很大，尤其是电机。选煤厂多次进行处理都没有解决问题，因此怀疑电机本身有问题。对其用恩泰克DP1500数采器进行了现场测量与分析，测量数据见表1。给出电机靠联轴器端水平测点的分析过程。图6带式输送机机头结构俯视简图6表1故障处理前后3次测量数据mm/s说明：依据国际振动标准IS10816-1，此带式输送机属III类设备，振动速度总值4.5mm/s，则设备运行状态良好；4.5mm/s振动总值11.2mm/s,则设备状态差，不可长期运行；振动速度总值11.2mm/s，则状态恶劣，应立即停机。第一次测量，各测点振值都较大，尤其是电机靠联轴器端水平处振值达64.2mm/s（有效值），其对应频谱如图7所示。图7电机靠联轴器端水平测点振动频谱（第1次）可以看出，频谱图中主要是1500r/min电机工频，由于实际转速和分辨率的影响，电机工频不可能准确显示1480r/min。从此频谱分析可以看出，故障原因为基础偏弱，结合其它测点（有2倍频，这里没给出），当时诊断为基础弱且电机与减速箱间轴系不对中，立即停机进行处理。处理后振动情况有所好转，但仍感觉较大，于是对其进行了再次测量与分析，其对应频谱图如图8所示。可以看出，振值（18.3mm/s）比第一次减小了很多，但按国际振动标准，仍较大。图8电机靠联轴器端水平测点振动频谱（第2次）72次频谱图对比，1500r/min工频的振动幅值减小很多（3.65mm/s），但其2倍频增大很多（13.8mm/s）。这是轴系不对中的典型频谱特征，这点从其对应时域波形图（图9）也可以看出。图9电机靠联轴器端水平测点振动时域波形图（第2次）从图9可以清楚地看到，其在一转（0.04S）内，振动幅值有明显变化，这是轴系不对中在时域波形的突出表现。结合其他测点，当时诊断：工频明显减少且其频谱分量很小说明基础加固满足要求，但2倍频的突出增大表明轴系不对中程度加剧。建议尽快安排对其进行严格对中度调整。后来证实在加固基础时，由于时间紧，怕耽误生产，在将电机拆下再装时根本没有严格按照安装要求进行对中调整。经过严格的对中度调整后各测点值都达到要求，设备运行状态良好，详见表1。5、结论及展望不对中故障是旋转机械中最常见的故障，其诊断方法有很多种，但是对大型转子系统，因为许多振动因素比较复杂，同样的不对中量在各种机组上的振动反应是不相同的。因此，对不同对象需要不同的诊断方法，并且从几种方法中获得的结果综合分析判断，才能得到比较切合实际的诊断结论。不对中常用的诊断方法：观察轴承油膜压力随负荷的变化量，用这种方法测得的油膜压力对轴承标高的变化反应较敏感，如果油膜压力增大，意味着轴颈与轴承内表面间隙减小，说明轴承标高在增大，反之说明轴承标高下降；测量轴承或轴承架的位置升高量，可用激光测量，也可用单独支承的非接触式传感器测量；通过停机后校验转子的对中度来了解机器在热态下的联轴节对中情况；最常用的也是最准确的，用振动信号来诊断不对中状况，依据振动特征来分析是哪种故障。诊断的在线监测日益运用到实际工作中，在线监测必然向着智能化、系统化、精确化发展。参考文献【1】韩捷，张瑞林，关惠玲.旋转机械故障机理及诊断技术［M］.北京：机械工业出版社，1997【2】廖伯瑜.机械故障诊断基础［M］.北京：冶金工业出版社，1997【3】刘娅，潘汉军，陈进.联轴器对中误差的特点[J].机械科学与技术，2005，29（5）【4】刘娅，潘汉军，陈进.联轴器的连接状态分析[J].机械科学与技术，2005，29（5）【5】陈宏，冯燕，韩捷，王丽雅.旋转机械不对中形式的新分类及其故障诊断8研究.机床与液压.2004，38（7）【6】王占红，郑辑光，宣亮柱.矿用旋转机械两类故障的诊断与振动机理分析.煤炭科学技术，2006，34（7）【7】韩捷，张瑞林，等．旋转机械故障机理与诊断技术[M]．北京：机械工业出版社，1997【8】刘占生，赵广，龙鑫．转子系统联轴器不对中研究综述[J]．汽轮机技术，2007，49(5)：321—325【9】ModelicaAssociation．DymolaUserManual[M]．Swede：DynasimAB，2008【10】XUM，MARANGONIRD．VibrationAnalysisofAMotor-flexibleCoupling—rotorSystemSubjecttoMisalignmentandUnbalance．PartI：TheoreticalModelAnalysisJI．JournalofSoundvibration，1994，176：663-679【11】SEKHARAS，PRABHUBS．EffectsofCouplingMis．a-lignmentonVibrationsofRotatingMachinery[J]．JournalofSoundandvibration，1995，185：655—671