转子系统油膜涡动及油膜振荡故障特征分析

第54卷第4期2012年8月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYVO154NO4AUG2012转子系统油膜涡动及油膜振荡故障特征分析朱瑜，张朋波，王雪华北电力大学机械工程系，保定071000摘要介绍了转子系统油膜涡动及油膜振荡的产生机理和故障特征。对转子实验台升速过程的振动信号进行了分析，揭示了转子系统油膜涡动和油膜振荡的发生过程。对典型油膜涡动和油膜振荡信号进行了时频分析，揭示出油膜涡动和油膜振荡的故障特征。关键词油膜涡动；油膜振荡；时频分析分类号TK288文献标识码A文章编号10015884201204030603FAULTFEATUREANALYSISOFOILWHIRLANDOILWHIPFORROTORSYSTEMZHUYU，ZHANGPENGBO，WANGXUEMECHANICALENGINEERINGDEPARTMENT，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071000，CHINAABSTRACTGENERATIONMECHANISMANDFAULTFEATUREOFOILWHIRLANDOILWHIPFORROTORSYSTEMAREINTRODUCEDINTHISPAPERVIBRATIONSIGNALGOTFROMLIFTINGSPEEDPROCESSOFROTORTEXTBEDISANALYZED，ANDGENERATIONPROCESSOFOILWHIRLANDOILWHIPISREVEALEDTYPICALOILWHIFFSIGNALANDTYPICALOILWHIPSIGNALAYEANALYZEDWITHTIMEFREQUENCYANALYSIS，ANDFAULTFEATURESOFOILWHIRLANDWHIPAREALSOREVEALEDKEYWORDSOILWHIRL；OILWHIP；TIMEFREQUENCYANALYSIS0前言高转速、大功率的大型机组支承系统多采用滑动轴承，而油膜涡动和油膜振荡是滑动轴承常见的故障，油膜涡动和油膜振荡的发生会导致转子系统不能稳定运行。掌握油膜涡动和油膜振荡的产生机理和故障特性对预防和排除油膜涡动和油膜振荡具有重要意义。当油膜涡动和油膜振荡发生时，转子系统的振动会出现异常，对异常振动信号的时频分析已成为油膜涡动和油膜振荡故障特性分析的主要手段。本文对油膜涡动和油膜振荡的产生机理和故障特征进行了介绍，并对实测的油膜涡动和油膜振荡数据进行了分析。1油膜涡动和油膜振荡产生机理和故障特征11油膜涡动和油膜振荡产生机理滑动轴承工作时，以轴瓦和轴颈之间的油膜支承转子转动。转子在转动过程中，由于油膜力的作用，转子的中心线将偏离轴瓦的中线。当轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，轴颈从油楔问隙大的地方带人的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油液将会迫使转子中心绕某个平衡点作椭圆轨迹的公转运动，引起涡动。当涡动的激励力仅为油膜时，竭动是稳定的，此时的渴动称为油膜涡动。实际中，当收稿日期20110915油膜涡动发生时，油膜涡动频率约为转子转速的043倍048倍。当转子转速升高时，油膜涡动频率也不断增大。当转子转速升至转子系统一阶临界转速的二倍时，油膜涡动频率将达到一阶临界转速，引起转子系统共振，产生油膜振荡。当转子转速高于临界转速的二倍时，油膜振荡频率始终为一阶临界转速，不再发生变化。12油膜涡动和油膜振荡故障特征油膜涡动和油膜振荡的识别主要通过振动信号的时频分析来实现。油膜涡动和油膜振荡发生时，振动信号的时域波形、频谱图、轴心轨迹以及二维全息谱都会产生一定的变化，这些变化即为油膜涡动和油膜振荡的故障特征，也是识别油膜涡动和油膜振荡的主要依据。油膜涡动和油膜振荡故障的特征如下1油膜涡动和油膜振荡发生时，工频成分会叠加低频成分，时域波形将发生畸变。2油膜涡动的频谱图中出现频率略低于工频一半的涡动频率成分，并且涡动频率成分的幅值和工频成分的幅值之比在0305之间。油膜振荡的频谱图中出现近似转子一阶临界转速的频率成分。对应的幅值和工频对应的幅值之比大于2。3油膜涡动的轴心轨迹图具有大环套小环的特征。油膜振荡发生时，振动加剧，轴心轨迹的变化范围剧烈增大，且呈现紊乱状态。4油膜涡动和油膜振荡发生时，二维全息谱的涡动频率处会出现偏心率很小的椭圆，并且进动方向均为正进动。作者简介朱瑜1987一，男，在读硕士研究生，主要从事旋转机械状态监测与故障诊断研究。308汽轮机技术第54卷性。这主要由于油膜涡动和油膜振荡发生时会产生涡动，由涡动引起的振动信号和工频振动信号相叠加使得信号的时域波形发生畸变。同时，由于涡动频率低于转频，转频信号将受到涡动信号的调制。为了识别油膜涡动和油膜振荡信号的频域特点，对油膜涡动和油膜振荡故障信号进行幅值谱分析。油膜涡动水平与垂直方向振动信号幅值谱如图6所示。油膜振荡水平与垂直方向振动信号幅值谱如图7所示。量、罂暑、删昌、趔频率HZ图6油膜涡动水平与垂直方向振动信号幅值谱图7油膜振荡水平与垂直方向振动信号幅值谱由图6可看出，油膜涡动的幅值谱中出现了23HZ的涡动频率成分和47HZ的工频成分。并且涡动频率略低于工频的一半，涡动频率对应的幅值约为工频所对应幅值的03倍。由图7可看出，油膜振荡的频谱出现了4125HZ的涡动频率成分和1088HZ的工频成分。并且，涡动频率近似为转子的一阶临界转速2500RMIN左右，涡动频率所对应的幅值要高于工频对应的幅值的二倍。同时，在涡动频率和工频之间也出现了一系列的涡动频率和工频的和差频率成分。油膜涡动和油膜振荡发生时，轴心轨迹也具有一定的特点。油膜涡动轴心轨迹图如图8所示。油膜振荡轴心轨迹图如图9所示。善罂删暑、趔嗍水平幅值MV图8油膜涡动轴心轨迹图水平幅值MY图9油膜振荡轴心轨迹图由图8可看出，油膜涡动发生时，轴心轨迹会出现大环套小环的特点。由图9看出，油膜振荡发生时，轴心轨迹混乱。4结论油膜涡动和油膜振荡的故障特征是判别油膜涡动和油膜振荡的主要依据。从油膜涡动和油膜振荡发生过程的分析结果来看，转子转速达到某一较高值时才会产生油膜涡动，转速升至高于一阶临界转速的二倍时出现油膜振荡。对典型油膜涡动和油膜振荡信号的时频分析结果揭示出油膜涡动和油膜振荡的故障特征。参考文献1唐贵基，向玲，朱永利基于HHT的旋转机械油膜涡动和油膜振荡特征分析J中国电机工程学报，2008，28277812刘淑莲，郑水英油膜振荡发展过程实验研究J振动工程学报，2004，171781803曲佳，卞文状，等滑动轴承油膜涡动与油膜振荡的故障诊断J风机技术，2010，27072，784胡荣华