旋转机械不平衡故障的诊断.docx

机械故障诊断技术读书报告 院系：机械与汽车工程学院 专业：机械设计制造及自动化 班级：13机制（升） 姓名：林媛 学号：1302224001 指导老师：王平 学年：2014-2015学年第一学期旋转机械不平衡故障的诊断案例综述The Summary of Unbalanced Rotating Machinery Fault Diagnosis Cases【摘要】： 在理想的情况下回转体旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但在实际应用中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，造成了回转体的不平衡，即使静态平衡了，回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，从而产生了不平衡的离心力，就造成了动态的不平衡。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有70%的故障与转子不平衡有关。因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。 【关键词】：旋转机械 转子 不平衡故障诊断【Abstract】：Intheidealcase,nomatterhowtherotarybodyisrotatingornotrotating,thepressureonthebearingsisthesame,sothattherotarybodyisbalanced.However,becausematerialisunevenblankhassomedefectandmachiningandassemblinggenerateerrors,evendesigninghasbeenasymmetricalgeometryandsoon,thevariousrotarybodyofthepracticalapplicationbecometobeunbalanced.EvenunderStaticbalance.Whentherotarybodyisrotating,centrifugalforceofinertiageneratedoneachtinyparticlecantcanceleachotherout.Thentherotarybodyproduceunbalancedcentrifugalforceandcausedynamicimbalance.Rotorimbalanceisduetopartialityofmassoftherotorpartsorthefaultcausedbyrotorparts.Itismostcommonfaultofrotating machinery.Accordingtostatistics,70%faultofrotatingmachineryisaboutwiththerotorimbalance.Therefore,thereisbestpracticalsignificanceforresearchanddiagnosisofunbalancedfault. KeyWords:Rotatingmachinery;Rotor;ImbalanceFaultdiagnosis. 目录前言1一、不平衡的种类1二、不平衡故障机理2三、不平衡故障的特征2四、转子不平衡的诊断方法4五、转子不平衡故障机理及诊断原因6六、案例分析7 1、不平衡逐渐增大的故障诊断7 2、原始质量偏心引起的不平衡14 3、转子腐蚀造成的失衡16 4、叶片磨损造成的转子失衡17 5、气压机三种不同原因造成的不平衡故障19总结32参考文献34【前言】： 不平衡是质量和几何中心不重合所导致的一种故障状态（质心不在旋转轴上），不平衡带来的后果是增加附加载荷，是备和零部件损坏的最常见的故障之一。转子（包括其组合件：叶轮、转轴、联轴器、键座等）不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，通常是由于加工误差，装配误差，材料不均匀，以及运行中的腐蚀、磨损、结垢、零部件脱落等原因引起，这些因素有时只有一种，有时有几种同时存在，带来的后果是使有一定质量的转子由于不平衡而引起偏心，具有了偏心质量，旋转时产生离心力，这个变化（大小、方向）的力就会引起机组振动。下面就针对转子不平衡做一下详细的介绍和分析。 1、 不平衡的种类 造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况: (1)原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。 (2)渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。 (3) 突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。 不平衡按其机理又可分为静失衡、力偶失衡、准静失衡、动失衡四类。 2、 不平衡故障机理 设转子的质量为M，偏心质量为m，偏心距为e，如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，具有挠度为a，如【图1】所示。 【图1】 转子力学模型 由于有偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两兼而有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度有关，即Fme2。众所周知，交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。转子转动一周，离心力方向改变一次，因此不平衡振动的频率与转速相一致，振动的幅频特性及相频特性。 三、不平衡故障的特征 实际工程中，由于轴的各个方向上刚度有差别，特别是由于支承刚度各向不同，因而转子对平衡质量的响应在x、y方向不仅振幅不同，而且相位差也不是90,因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆，如图2所示。 由上述分析知，转子不平衡故障的主要振动特征如下。(1)振动的时域波形近似为正弦波（【图2】）。(2)频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”，如【图3】所示 【图3】转子不平衡故障频谱(3) 当时，即在临界转速以下，振幅随着转速的增加而增大；当n后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当接近于n时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对转速的变化很敏感，如【图4】所示。 (4) 当工作转速一定时相位稳定。(5)转子的轴心轨迹为椭圆。 (6)从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。【图4】转子不平衡主要特征4、 转子不平衡的诊断方法 转子不平衡的诊断依据主要见【表1】和【表2】, 对于原始不平衡、渐变不平衡和突发性不平衡这三种形式，其共同点较多，但可以从以下两个方面对其进行甄别。 (1)振动趋势不同原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的水平，见【图5（a）】；渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的推移，振值逐步升高，见【图（5）b】； 突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较高的水平，见【图5（c) 】。【表1】 转子不平衡诊断敏感参数【表2】转子不平衡敏感参数【图5】几种不同性质的不平衡的振动变化趋势 (2)矢量域变化不同 原始不平衡：矢量域稳定于某一允许的范围，见【图6(a)】； 【图6】 几种不同性质的不平衡矢量域变化趋势渐变不平衡：矢量域逐渐变化，见【图6(b)】；突发不平衡：矢量域某一时刻发生突变，见【图（c）】，然后稳定。五、转子不平衡故障分析及治理原因上述三类转子不平衡的故障原因分析及相应治理措施见【表3】。 六、案例分析例1不平衡逐渐增大的故障诊断某化工厂的离心压缩机高压缸的径向振动自3月份以来呈不断增长趋势，有的测点振动峰峰值从27m增长到4月底的50m，几乎翻了一番，工厂对这样的增长幅度深为担忧，并有停车检修的想法。这台机器年初刚经过大修，离下次年度大修还有八个月之久。四五月份应该是生产的黄金时期，停工一天，即减少产值20万元，而检修一次要花费几天时间，加上检修费用，造成的经济损失可想而知。因为该机是工厂的关键设备，配备了转子监测系统和诊断系统，可以对机器振动增大的原因作进一步分析，以决定是否停车检修。（1） 数据处理压缩机组分为高压缸和低压缸两部分，代号分别为9102j（HP）和9102j（LP）,通过增速箱（代号9102G）联接，压缩机由工业透平（代号9102j）驱动，其排列简图和振动探头分布情况如【图7】所示,其中，测头编号以G开头的为轴位移测点，以X开头的为径向振动测点，标注的每个径向振动测点各有水平方向（H）和垂直方向（V）两个探头。所以探头都是振动位移传感器，机器工作时，透平驱动低压缸，并通过增速箱带动高压缸转子旋转，低压缸转子转速为6446r/min左右，高压缸转子转速为13175r/min左右，经过简单的换算，高压转子振动的基频和主要倍频见【表4】。 【 图 7 】振动测点分布图 【表4】高压缸振动基频和倍频【图8-a】和【图8-b】分别为高压转子左轴承测点(即X9108)在垂直和水平方向的振动频谱，【图8-c】和【图8-d】分别是右轴承测点（X9109）垂直和水平方向振动频谱，频谱图上纵坐标是振幅（单位m），横坐标是频率，图下的数据依次为按振幅大小排列的序号、频率（以r/min为单位）及该分量的振幅。从频谱图上看出，主要的频率分量只有一个，即基频分量，其余倍频分量均极小，所占比例在10%以下（见【表5】）。再从此的转子轴心轨迹来看（如【图9】），轨迹很规则，基本上呈圆形，波动很小，并且为正进动（轴心轨迹旋向与转子转速旋向相同）。 【表 5】倍频成分相对百分比（百分比%/幅值m） 【图 8】 高压缸转子径向振动频谱 【图 9】轴承轨迹图 a）左轴承 b）右轴承为进一步了解情况，将3月份以来的转子振动数据作趋势分析，【图10】为转子左轴承水平方向振动从3月20日到5月4日的趋势图，a、b、c分别为峰峰值、基频和2倍频的趋势，右轴承在同时期的振动趋势与左轴承类似。可以看到，2倍频分量的振幅基本上没有变化，振动峰峰值增长的原因全是由于基频振动分量的增长。【图10】 左轴承振动趋势图a）峰峰值 b）1倍频 c）2倍频（2） 故障原因分析根据该机运行经验，为振动增加的原因可能是：1） 探头失效，引起测试数据不准；2） 转子对中不良；3） 压缩机高压缸内部气流不稳；4） 油膜涡动；5） 转子不平衡量增加。现在依据上面的分析所得的信息来确定振动上升的原因。探头失效造成振幅读数增加的可能性是不存在的。数据表明，高压缸四个径向振动探头的振幅有所增加。根据经验，四个探头同时失效的可能性较小，再说，如果探头有问题，输出的振动信号各频率分量振幅应该同时增加或减弱，其频率分量也不一定和转子回转频率对应上，因此，可以排除这种可能性。转子对中条件恶化引起振动增加的可能性也不存在。若是因为转子不对中，则主要特征应该是振幅谱上2倍频分量增加，并在整个振动信号中占有较大比重，轴心轨迹狭长。振动信号的处理信号却显示。2倍频没有明显变化，在整个振动振幅中所占的比例还不足10%，轴心轨迹如【图9】所示。压缩机内部工作气流不稳定所激发的振动，一般在频谱上会出现一些与转子或其零部件固有频率有关的频率成分，而实际频谱上并不存在这样的频率成分，所以认为工作介质气流稳定，不构成激振原。【图8】上直接可以看出，1/2倍频附近没有明显的频率分量存在，可以排除油膜涡动的可能性。相反地，由频率上突出的基频分量和轴心轨迹图上的圆形轨迹，可以比较有把握的认为，不平衡是振动中的主要因素，有趋势图上基频变化曲线和振动峰峰值变化曲线（见【图10】）的吻合也可以确定，不平衡增加是转子振动转子振动增加的主要原因，因此，转子振动增加的原因是不平衡的增加。高压缸转子转速高达13000r/min以上，对转子的微小不平衡量也很敏感。当然，引起转子不平衡逐渐增加的原因是非常多的。根据以往的运行数据和检修记录，认为导致不平衡增加的原因有二：一是由于转子叶片结垢或磨损不均匀使得不平衡增加。如此的话，当转子继续运转时，结垢或磨损有可能趋于均匀，使振动逐渐平缓甚至降低。二是由于机器基础的热变形造成转子挠度变形加大而是振动增加。热变形主要受气温影响，不论实际上是哪个原因，振动都是渐变的，不会突然造成机器的损坏。（3） 诊断结论通过上述分析，诊断意见是：1） 转子振动增加的主要原因是不平衡量的增加，但转子运转平稳，振动变化较缓，只要注意监测，在振副峰峰值到达报警值以前，不必停车检修。2) 建议在下次大修时，对转子进行现场动平衡校验，以降低振动值。根据诊断意见，机组继续运转，直至下次大修，在这八个多月的运行中，机组运行平稳，虽然振幅平稳上升，但没发生什么故障，未影响生产正常进行，事实证明，诊断结果是正确的。例2原始质量偏心引起的不平衡某氢压机组大检修时更换转子后于4月底重新开机，在转速为8700r/min左右，尚未达到额定转速（11600r/min）之前，压缩机内侧振幅即达56m，达一级报警（50m）以上，接近二级报警值（60m）。当时曾有人怀疑本特例振动监测仪器指示有误，为分析机组强振的原因，进行了振动测试和诊断。其振动呈现出如下一些特点：1） 各测点振动均以转子工频为主导成分（见【图11】），特别是振幅最高的压缩机内测点3X、3Y，工频更是占绝对优势； 【图11】 氢压机振动频谱2） 振幅随着转速上升明显；3） 各测点的轴心轨迹重复性尚可，亦无明显尖角突变点，压缩机内侧轨迹为一形状较规则的椭圆（见【图12】）。 【图12】 氢压机轴心轨迹 4） 二维全息谱上工频较圆（见【图13】）。 【图13】 氢压机振动二维全息图5） 机组振动幅值的增长主要表现为转子工频幅值的增长。据此分析认为本特立压振动监测仪表指示的机组振幅真实，机组振动超标的原因是压缩机转子存在较严重的初始质量不平衡。对该转子进行高速动平衡校验后，开机一次成功，振幅降至30m以下。例3 转子腐蚀造成的失衡某富气压缩机大检修后处于备用状态，半年多时间没有投用过。该机组额定转速为8000r/min,1997年8月18日开机时，转速在2000r/min以上即产生较大振动，振幅40m左右。当转速上升至2560r/min左右时，振动急剧上升，达到110m左右，机组无法正常运行。随后，将转速降至2000r/min左右后快速冲至6000r/min，压缩机外侧轴振动为115m左右，内侧仍为40m左右，轴承壳体上测得的振幅为H:1.8mm/s，V:6.4mm/s，垂直方向振值较正常运行时增大约6倍，几分钟后，压缩机内侧振值迅速上升，接近120m，机组被迫停机。当转速至4600r/min左右时（接近转子的第一阶临界转速4200r/min），压缩机外侧振值达200m以上，直到转速低于3500r/min后，外侧振值才慢慢降低。从频谱图上可以看出，转速低于2500r/min时，全部测点均以转子工频成分为主；转频接近于2000r/min时，压缩机外侧4X、4Y的工频幅值显著增大，有较丰富的高倍频成分；转速大6000r/min左右时，工频占绝对优势，同时出现明显的0.5X成分，倍频特别是高频幅值有所增长，且高倍频处谱峰明显“变胖”；降速至4600r/min后，工频幅值显著增大。根据机组转子动力学起动特征及频谱特点分析，得出以下结论：1） 压缩机转子存在较大的不平衡或弯曲，并伴有轻微的动静件摩擦现象。2） 转速升至2600r/min左右时，状态发生明显变化的原因是由于轴瓦紧力不够或部件松动所致。3） 机组振幅严重超标，需停机检查。建议先检查轴瓦及轴承座的工作状况，如不能发现问题，应对转子进行动平衡检查。18日下午钳工即打开轴承座，发现轴瓦有磨损，下瓦瓦背销子松脱。更换轴承后重新开机，强迫仍未消除，后来停机揭盖检修，发现机壳内存在大量的凝缩油，因该机长期停用无法盘车，造成转子上半部腐蚀较下半部严重，转子存在严重的不平衡量。更换转子后重新开机，机组恢复正常。例4叶片磨损造成的转子失衡某炼厂催化烟机机组进行大检修后，于4月1号开始投入使用，4月底以前，烟机蝶阀开度40，烟机南瓦振动在30m左右，其余测点振动均在1030m之间。4月底烟气中催化剂粉尘浓度开始上升（5月中旬最高曾达490mg/m3 ，控制标准为不大于250 mg/m3），从4月28日开始，烟机南瓦振值呈不断上升的趋势，至5月7日最高振值已达75m，调整烟气蝶阀开度后，虽短期振动有所下降，但效果不明显。5月中旬，振动最高达84m，超过一级报警设定值（70m）。17日停烟气后，南瓦振值仍在7080m之间。6月份以后，烟机南瓦振值一直在6080m区间波动，适当调整蝶阀开度后，烟机南瓦振值降至60m左右。运行一段时间后，振值又重新上升，其振动特点如下：1） 烟机南瓦测点频谱以转子工频成分占绝对优势，同时存在较小的低、高次谐波成分。其他测点频率为工频及其高次谐波成分；2） 烟机振值的上升主要表现为转子工频成分的上升；3） 烟机南、北瓦的轴心轨迹较光滑，重复性较好，未发现明显尖角突变点。烟机南、北的轴心轨迹图与振动趋势图分别如【图14】、【图15】、【图16】所示。 【图14】 烟机南瓦轴心轨迹图4） 振动最大的烟机南瓦的9X与9Y的振动变化差异较大，7月4日9X振动值显著上升至140m时，9Y振动变化不大，仍在7080m之间波动。 【图15】 烟机北瓦轴心轨迹 【图16】 烟机壳体振动监测趋势图因此分析认为：1） 烟机转子存在较严重的不平衡现象，其原因是烟气粉尘对转子叶片的不均匀冲蚀及粉尘在转子的不均匀积附，从振动变化趋势看，应以粉尘在转子上的不均匀积附为主。2） 目前机组可坚持短期运行，但应注意如下几个方面：A) 设法保持烟气尘浓和颗粒度在较低水平；B) 振幅增长时适当调整烟气蝶阀开度，观察振动变化情况；C) 适当提高烟机轮盘冷却蒸汽压力，以减少粉尘的沉积；D) 加大监测频次，密切注意烟机壳体振动变化趋势；后来，生产装置通过把烟气中的粉尘浓度降低到烟机运行允许值（250mg/m）的情况下，烟机南瓦振动保持在6570m左右，一直稳定运行至8月中旬进行检修。检修发现，叶片受烟气粉尘严重冲蚀，部分叶片已经冲掉近三分之一，且转子轮盘和一、二级轮盘间的空腔内积附有大量的催化剂粉尘，验证了上述诊断结论。例5 气压机三种不同原因造成的不平衡故障：a 结垢；b零件飞脱；c对轮螺栓等造成的失衡。某厂焦化装置富气压缩机由透平驱动，运行一段时间后，振动上升，特别是1988年2月以后，机组振值明显增长，经常发生报警现象。由于该机组为单机运行，运行是否平稳将直接影响整个焦化装置的生产。为弄清机组强振原因，对该机进行了多次监测和分析，其特点如下：1） 时域波形近似为正弦波形；从频谱图上看，振动能量主要集中在转子工频上；轴心轨迹较圆，且重复性较好。如【图17】至【图19】所示。 【图17】 气压机振动时域波形 【图18】 气压振动频谱【图19】气压振动轴心轨迹2） 振值随转速的升高明显上升；3） 振值随运行时间缓慢增长。 分析认为该机组存在较为严重的转子不平衡，其原因为转子存在结垢现象，建议停机检修。3月中旬，该机停机检修，揭盖后发现转子上发生了较为严重的结焦现象，严重影响了转子的平衡状况，并导致轴颈磨损。检修后重新开机，机组振动有明显下降（从50m以上降至30m）。该机组正常运行至7月29日，因雷雨引起停电造成停机，后重新开机时，Bently振动仪表显示振值满量程，机组转速为4400r/min时（额定转速为11000r/min），测振仪测得振值为360m；机组转速为3000r/min时机壳上4H测得的最大振值为8.7mm/s（正常时只有1.0mm/s左右）；且机组运行时振动随转速增加而增加，压缩机内侧测点的振动随转速变化情况见下【表6】转速/（r/min）2000250034004400振值/m3070-90120360【表 6】 压缩机内侧测点振动随转速变化情况从频谱图上看，机组振动能量主要集中在工频上，转速升高后振值增大主要表现为工频增大。当时，有鉴于年初诊断结论，装置技术人员怀疑压缩机内又存在结焦现象，采用蒸汽吹扫后重新开机，振动依然超标。由于机组运行一直正常，强振是在停电造成停机后再次启动时出现的，分析认为机组发生了严重的突变性质量不平衡，且结焦不应是主要矛盾，因为结焦是转子产生动不平衡应是渐进的，机组振值从逐渐增大发展至严重超标应有一段过程，从当时的情况来分析，振值如此之大，机组转子上肯定有部件脱落或有异物卡附，必须立即停机检修。8月1日，机组揭盖检查，发现压缩机第三级叶轮处轴套脱落，掉入叶轮中，其尺寸为直径206（外径）/直径168（内径）*48(长度)mm，同时发现机内有轻微结焦，与诊断结果相符，避免了严重设备故障事故的发生。8月3日，机组检修后重新开机，压缩机运行正常，最大振值为30m，但原来振值处于良好范围的透平部分振动报警，最大振幅值达55m，振动频谱上工频占绝对优势；机组壳体上水平方向振动为4.8mm/s（正常时小于2.0mm/s），有明显增大。综合其他情况分析，怀疑透平转子也出现了不平衡的情况，但不平