[工学]Chapter03_旋转机械故障诊断.ppt

机械电子工程学院 第三章 旋转机械故障诊断 本章内容 1、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平 衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和 防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。 2、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不 对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。 3、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故 障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。 4、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩 擦引起失稳的机理等。 5、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳 定故障等。 机械电子工程学院 第三章 旋转机械故障诊断 本章要求 1、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。 2、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施 。 3、理解转子摩擦故障的机理和特征。 4、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。 5、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。 机械电子工程学院 旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因 素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与 旋转中心存在一定程度的偏心距，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，就是不平衡故障。 不平衡可分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。 3.1.1 转子不平衡的类型 转子不平衡产生的离心力 3.1 转子不平衡故障诊断 机械电子工程学院 1、静不平衡 不平衡位于转子的中部，在 这种情况下，只要在不平衡量 沿径向的反方向上加一个配重 就可以消除不平衡，如右图所 示。转子上部圆点代表不平衡 量，下部的圆点代表加的配重 。 静不平衡的主惯性轴平行于 旋转轴。存在静不平衡的转子 旋转时，产生一个周期作用的 离心力，使其形成一阶振动。 3.1.1 转子不平衡的类型 机械电子工程学院 2、偶不平衡 如右图所示，m1=m2， 转子的重心是在旋转轴上 ，但主惯性轴和旋转轴不 重合，因而至少要放置两 块配重才能达到平衡的目 的，如图中与m1和m2所对 应画圈的地方。当转子转 动时，由每一侧的不平衡 重量产生相反的离心力， 将使转子产生振动。 3.1.1 转子不平衡的类型 机械电子工程学院 3、动不平衡 动不平衡是以上两种不平衡的综合， m1m2，转子的重心不 在旋转轴上，而且主惯性轴与旋转轴也不平行。对于这类平衡 至少需要两个配重。 事实上一个平衡良好的转子也不能做到绝对平衡，总是存在 微量的不平衡，因此，在转子振动信号的频谱上总会出现转速 频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡 量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。 3.1.1 转子不平衡的类型 机械电子工程学院 3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响 3.1.2.1 临界转速的动力特性 在工程上，把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临 界转速。 临界转速是指由不平衡离心力引起转子共振现象时的转速 。 转子运动的力学模型 机械电子工程学院 转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有 关。 实际情况表明，带有一个转子的轴系，可简化成具有一个 自由度的弹性系统，有一个临界转速；转轴上带有二个转子， 可简化成二个自由度系统，对应有二个临界转速，依次类推。 其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速 ，比 之大的依次叫做二阶临界转速 、三阶临界转速 。 3.1.2.1 临界转速的动力特性 机械电子工程学院 一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应 低于一阶临界转速 的0.75倍；工作转速高于一阶临界转速 时，要求在下列范围内（i为临界转速的阶数）： 3.1.2.1 临界转速的动力特性 从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。 转动频率低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子， 如电动机、中小型离心式风机等。转动频率高于转子一阶横向 固有频率的转子为柔性转子，如燃气轮机转子。 刚性转子 准刚性转子 柔性转子 机械电子工程学院 3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响 取坐标系Oxy，在x和y两坐标方向上列力的平衡式： 上式的特解为： 式中， 为离心力导前位移的角度，称为相位角；A为 振幅。 机械电子工程学院 3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响 式中阻尼比为： 机械电子工程学院 3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响 转子的振幅与相频响应曲线 机械电子工程学院 3.1.3 转子不平衡振动的故障特征 转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动 ，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产 生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频 率就是转子的转速频率： 当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下： 1、时域波形为近似的等幅正弦波。因为单纯的不平衡振动， 转速频率的高次谐波幅值很低。 2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，意味着转轴同一截面上 相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90。椭圆是因为轴承 座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。 机械电子工程学院 3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为 不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动。 4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。 3.1.3 转子不平衡振动的故障特征 典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹 机械电子工程学院 5、转子的进动方向为同步正进动。 6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降 。 7、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。 8、敏感参数（振幅）具有如下特征： 振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速是平方指 数关系。 当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂 抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。 3.1.3 转子不平衡振动的故障特征 机械电子工程学院 3.1.4 不平衡振动故障的原因及防治 3.1.4.1 固有质量不平衡 固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡 ，而与操作运行情况无关。 引起固有质量不平衡的原因主要是设计错误、材料缺陷、 加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。 固有质量不平衡将在转子上产生稳定的转速频率振动，在 给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随时间变化，但如 果温度、负荷等条件变化，振动也可能会发生变化。 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。 机械电子工程学院 3.1.4.1 固有质量不平衡 例：气压机的不平衡振动 某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气 压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。 气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力 0.102MPa，出口压力为1.35MPa，转速为10700r/min。轴承 型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。 气压机组布置图（1汽轮机，2同步离合器， 3气压机，4联轴节，5齿轮箱，6电动机） 机械电子工程学院 3.1.4.1 固有质量不平衡 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375、376的振幅 达到60um，此后又上升至90um左右。信 号分析显示振动频率中工频成分占绝对优 势，375、376的轴心轨迹为椭圆，确 认是转子不平衡引起的振动。 另外又从转子过程的极坐标图上看出， 转子在做高速动平衡时，也曾显示9700 11000r/min之间具有明显峰值。 375测点的极坐标图 机械电子工程学院 3.1.4.1 固有质量不平衡 因此分析认为，该转子的工作转速就在它的二阶临界转速 附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠 齿轮箱一侧的375、376测点振幅最高，决定在这一侧的 联轴节上做现场动平衡。 动平衡次序 第一次现场动平衡 （联轴节配重5.3g） 第二次现场动平衡 （联轴节配重8.2g） 测点375376375376 配重前工频（幅值/相位）65um/23552um/34845um/29922um/322 配重后工频（幅值/相位）19um/23413um/34517um/2856um/349 两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化 机械电子工程学院 3.1.4.1 固有质量不平衡 动平衡前后相位稳定，动平衡后测点375、测点376测点处的 通频振幅和工频振幅下降十分明显，其原因如下： 1、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气压 机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴节上的不平衡量 对于引发转子振动十分敏感。 2、转子工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡将在工作 转速下引起明显的转子振动。当转速下降至1000r/min以下，转 子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显。 3、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独做动 平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴节 上重复去重，造成联轴节新的不平衡。 机械电子工程学院 转子运行过程中的不平衡，可分成： 1、转子弯曲： 1）临时性弯曲 2）永久性弯曲 2、原始平衡状态破坏： 1）转子上零件破裂或飞离 2）固体杂质在叶轮上沉积 3）叶轮除锈后产生的不平衡 4）轴上零件松动 3.1.4.2 转子运行中的不平衡 机械电子工程学院 临时性弯曲是指转子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缓解或 消除不平衡振动。 常见的临时性弯曲主要有以下几种情况： 1、转子受热不均匀引起的临时性弯曲。对于这种转子在启动 之前必须充分盘车，避免启动后引起过大的振动。 2、转子自重引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在卧式的柔性 转子上经常会遇到。例如转子由于搁置过久，在自重作用下发 生弯曲变形。这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率 ，而且转速频率的幅值随着转速的上升而增大。弯曲的校直可 以通过较长时间慢转转子来达到。 3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲 机械电子工程学院 3、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯 曲。 压缩机发生喘振时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发 生弯曲变形。轻度喘振，转子弯曲量不大，可以通过慢转转子 加以消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以致发生转 子与静止元件之间的碰撞摩擦，出现这种情况，就需要对转子 进行热处理校直，并重新进行动平衡。 温度突变或负荷变化过快，致使转子发生临时性弯曲，是引 起机器振动的一个主要原因。因此对于汽轮发电机组和汽轮机 驱动的离心压缩机组，启停过程中一定要按操作规程进行，开 车前和停机后均需要有一定时间的盘车过程。 3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲 机械电子工程学院 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经形成的弯曲应力，因此 变成永久性弯曲变形。 前述影响转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能成为 永久性弯曲。 具有很大弯曲变形的转子，不能用动平衡方法校正，必须用 热处理方法把转子校直，或者用精加工方法来消除弯曲。 3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲 机械电子工程学院 轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质 量偏心类似的旋转矢量激振力，与质心偏离不同点是轴弯曲会 使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的一阶转动 频率振动。 轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同，特征如下： 时域波形为近似的等幅正弦波。 轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，由于 轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦，故轨迹有时会有摩擦的特 征。 频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。与不平衡故障 的区别在于：弯曲在轴向方面产生较大的振动。 转轴弯曲的振动故障特征 3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲 机械电子工程学院 转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，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。 如果飞离块质量大，振幅突升明显。如果飞离块质量小，它 所产生的不平衡矢量与原始不平衡矢量相叠加，使测点处测得 的振幅可能是增大或减小，相位角、轴心轨迹形状与原来的不 相同。 对这类故障进行诊断，最好在监测转子振幅的同时也能监测 相位。高速转子零件的碎裂或飞离是一种较大的质量不平衡， 往往对转速变化非常敏感，降低转速，振幅就会明显下降。 3.1.4.2.3 转子上零件碎裂或飞离 机械电子工程学院 如一些高温的并带有黏性的催化剂微粒、管道中的锈蚀、气 源中的粉尘等进入机器的流道，黏结在叶轮上，由于质量分布 不均匀，引起转子的不平衡。 这种因固体杂质沉积引起的不平衡所表现的振动现象，往往 是振幅逐渐加大，转速频率成分占有突出的地位，而且随着转 速的增加振幅呈抛物线状态增大。有时结垢可以达到非常严重 的程度，并产生转子与静子之间的摩擦与磨损。 3.1.4.2.4 固体杂质在叶轮上沉积 消除措施： 1、从工艺上采取限制杂质进入机器。 2、从转子结构上防止杂质大量沉积。 3、在入口处间断地喷入少量清水或溶剂，利用机器旋转离心 力使水流冲刷积垢，进行在线清洗。 机械电子工程学院 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，设备维修中不恰当的措施就可能给机器带来振 动问题，必须引起注意。 3.1.4.2.5 叶轮除锈后产生的不平衡 带有各种零件的转子在运转中可能发生松动，例如叶轮、平 衡盘、止推盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松， 使转子在高转速下发生松动；还有材料选择不良或是工作介质 腐蚀性严重，引起轴套和轮壳内部发生腐蚀而松动。 此外，滚动轴承外圈配合间隙过大，轴在旋转时外圈也跟着 作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。 3.1.4.2.6 轴上零件松动 机械电子工程学院 轴上零件松动在振动频率和相位上的特征： 1、松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大，零件内孔扩 大，与转轴之间发生松动，并偏置于零件重心一侧或轴中心线 弓状回旋的外侧，导致转子转速频率成分幅值迅速增大。 2、振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出现大量 转速频率的高次谐波，偶尔也可能出现1/2、1/3转速频率的分 数次谐波成分。 3.1.4.2.6 轴上零件松动 3、振动信号振幅不稳定，相位随时间变动，而且频谱图上会 出现许多连续的噪声谱线，表明转子振动带有一定程度的不稳 定随机冲击。 4、可能产生“拍振”现象，拍振的频率一个是轴的转速频率， 另一个是稍低于轴转速的松动零件转速频率。 机械电子工程学院 1、振幅随转速的变化 质量不平衡振动，在临界转速之前振幅随转速的升高而升高 ，临界转速之后振幅有所下降。而转子弯曲振动属于恒力幅的 激振，虽然振幅也随转速的上升而升高，但无确定关系。 2、相位随转速的变化 转子质量不平衡，按照其振型特点，在支承转子的两端轴承 上，同一径向方向的振动相位可能相同，也可能相差很大，随 着转速变化，两者相位往往处于变动之中。而转子的弯曲不平 衡通常是在同一平面内发生，弯曲振动只能激起一阶振型，因 此它在两端轴承上的振动相位相同或很接近，随着转速变化， 由于转子弯曲变形方向不变，因而相位变化很小。 3.1.4.3 转子弯曲不平衡和质量不平衡的鉴别 机械电子工程学院 3、振幅随负荷的变化 质量不平衡引起的振动一般不随负荷变化而变化，但是转子 弯曲振动则随着负荷的升高而加大。因为负荷增大，作用在弯 曲转子上的不平衡流体径向力也增加。 3.1.4.3 转子弯曲不平衡和质量不平衡的鉴别 机械电子工程学院 转子恒速运转，质量不平衡将在转子径向方向上形成一个不 变的旋转离心力，转子运动的轴心轨迹形状接近于一个圆或椭 圆，也就是说，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。 机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等故障 ，虽然轴承或机体上的振动频率也像不平衡振动那样，表现以 转速频率为主，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变 化，而是在某一个方向上出现同相位或接近180反相位的定向 振动，这种“定向振动” 在轴心轨迹上表现为一条倾斜的直线或 接近一条直线形状。 3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别 机械电子工程学院 3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别 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 相互垂直的两个方向相 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。 定向振动与不平衡振动的鉴别 机械电子工程学院 3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别 例：机壳变形 某大型化工厂新安装的一台离心泵 ，功率为147KW，由转速3600r/min 的电动机驱动。安装时电动机与泵进 行了仔细对中，泵开始运转时电动机 出现了很大振动，电动机的两个轴承 上水平方向振幅为25mm/s，垂直方向 振幅为20mm/s，泵和电动机轴向振幅 小于5mm/s，电动机振动频率为转速 频率。从测量数据看，似乎是电动机 的不平衡故障，但是进一步作相位分 析，发现电动机靠泵侧的轴承在水平 和垂直方向上的相位相同，而外侧轴 承相位差180。 电动机底脚刚性不足引起的振动 机械电子工程学院 3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别 电动机底脚刚性不足引起的振动 电动机4个底脚的振幅为（单位mm）： 4个底脚的振幅大小差别很大，说明 电动机的振动模式是以对角线进行摆 振，也就是说，底脚 和 的螺 钉虽然坚固，但是底脚支承刚度不足 ，产生了上述前后轴承的“定向振动” 问题。为了证明这一点，操作者在不 停机状态下把底脚 处的固定螺钉 放松，果然电动机的振动幅值下降了 75%。 机械电子工程学院 1、情况简介 某厂芳烃车间一台离心式氢气压缩机是该厂生产的关键设备 之一。驱动电动机功率为610KW，压缩机轴功率550KW，主机 转子转速15300r/min，属4级离心式回转压缩机，工作介质是氢 气，气体流量38066立方/小时，出口压力1.132MPa，气体温度 200，该压缩机配有本特利（Bently）公司7200系列振动监测 系统；测点有7个，测点A、B、C、D为压缩机主轴径向位移传 感器，测点E、F分别为齿轮增速箱高速轴和低速轴轴瓦的径向 位移传感器，测点G为压缩机主轴轴向位移传感器。 3.1.6.1 不平衡故障案例 该压缩机没有备用机组，全年8000h连续运转，仅在大修期 间可以停机检查。生产过程中一旦停机将影响全线生产。因该 机功率大、转速高，介质是氢气，振动异常有可能造成极为严 重的恶性事故，是该厂重点监测的设备之一。 3.1.6 不平衡故障案例分析 机械电子工程学院 该机组于5月中旬开始停车大检修，6月初经检修各项静态指 标均达到规定的标准。 6月10日下午启动后投入催化剂再生工作，为全线开车作准备 。再生工作要连续运行一周左右。再生过程中工作介质为氮气 （分子量为28，相对氢气较大），使压缩机负荷增大。压缩机 启动后，各项动态参数，如流量、压力、气温、电流振动值都 在规定范围内，机器工作正常。 运行不到两整天，于6月12日上午振动报警，测点D振动值越 过报警限，高达6080um之间波动，测点C振动值也偏大，在 5060um之间波动，其它测点振动没有明显变化。 3.1.6.1 不平衡故障案例 机械电子工程学院 谐波频率/Hz5月21日振幅6月12日振幅改变量 1254.88170.93295.62125 2510.8038.0238.820 3764.6534.4035.381 41021.5323.3826.723 5月21日D点频谱图6月12日D点频谱图 3.1.6.1 不平衡故障案例 机械电子工程学院 2、诊断结论 1）转子出现了明显的不平衡，可能是因转子的结垢所致。 2）振动虽然大，但属于受迫振动，不是自激振动，不可怕。 3、建议： 1）可以不停机，再坚持运行45天，直到催化剂再生工作完 成。 2）密切注意振动状态，催化剂再生工作完成后有停机的机会 ，做解体检查。 3.1.6.1 不平衡故障案例 监测系统仪表只指示出各测点振动位移的峰峰值，它说 明设备有故障，但是什么故障就不得而知了。依照惯例，设备 应立即停下来，解体检修，寻找并排除故障，但这要使再生工 作停下来，进而拖延全厂开车时间。 机械电子工程学院 3、事后验证情况 6月18日催化剂再生工作圆满完成，压缩机停止运行。 6月20日对机组进行解体检查，发现机壳气体流道上结垢十分 严重，结垢最厚处达20mm左右。转子上结垢较轻，垢的主要成 分是烧蚀下来的催化剂，第一节吸入口处约34的流道被堵， 只剩一条窄缝。 因此检修工作主要是清垢，其它部位如轴承、密封等处都未 动，然后安装复原，总共只用了两天时间。 6月25日压缩机再次起动，压缩机工作一切正常。 3.1.6.1 不平衡故障案例 机械电子工程学院 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 1、情况简介 某公司一台200MW汽轮发电机组，型式为超高压、中间再热 单抽冷凝式。在长期的运行中，该机高压转子振动一直保持在 较好范围，轴承振动小于10um，轴振动小于100um。 1998年在一次热态起动时2#轴、3#轴、1#轴承和2#轴承振动 出现短时突增，被迫紧急关小闸门；再次开大蒸汽闸门，使转 子迅速加速，冲过临界转速（称为冲车）后并网运行。并网后 ，2#轴和1#轴承、2#轴承振动虽然仍处于良好范围，但其振动 有明显增大趋势，经连续观察运行近一月，也未能恢复至以前 运行时的振动水平。 机械电子工程学院 曲线1停机前1#轴承振动1um，热态启动后为6um 曲线2停机前2#轴承振动6um，热态启动后为1618um 曲线3停机前2#轴振动80um，热态启动后为120140um 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 4月6日热起动情况 4:25冲车：低速（500r/min）、10min，摩擦检查。 4:25升速至1600r/min，此时1#轴承振动达120um，2#轴承振 动达65um，2#、3#轴振动达到监测表的满量程（即轴振动值已 大于400um），运行人员采取紧急关闸措施停机。 5:05转子静止后盘车，大轴挠度值增大为120um，盘车电流 32A。 6:40再次起动，快速冲车至3000 r/min额定转速，然后并入电 网。 从热态启动数据知：在起动过程中，机组1#轴承、2#轴承及 2#轴、3#轴振动异常增大，紧急关闸停机后，电动盘车时机组 大轴挠度值增加较大，盘车电流略有增加。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 2、数据分析 1）探头所在处的转子跳动值（大轴挠度）从30um增加至 120um，比起动前增大了4倍，反映出高压转子弯曲程度加剧， 提示转子可能已发生弯曲。 2）从振动频率以及振值随转速变化的情况来看，其症状和转 子失衡极为相似。但停机前运行一直很正常，只是在机组停车 后再次起动中振动异常，且在并网后一直维持较大振值，缺乏 造成转子失衡的理由或转子零部件飞脱的因素，故可排除转子 失衡的可能。 3）综合两次起动及并网运行一个月后停机惰走的振动情况， 表明机组在第一次起动时即存在较大的热弯曲，而停车后间隔 1.5h再次起动，盘车时间不足，极易造成转子永久性弯曲。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 在第一次热态起动时，高压转子的轴及轴承振动急剧增加 ，转速刚达1600r/min时，轴振动即已超满量程值，即至少已大 于400um。 机组起动并网连续运行近一月，振动一直处于稳定状态。 1#轴承、2#轴承和2#轴振幅在热态起动后比历史数据有明显 的增大，并且振幅增大的主要原因是1倍频振幅增大。 工频振幅的增大反映出转子弯曲程度的增大，振幅的稳定反 映出弯曲量的大小基本恒定。1#轴承和2#轴承的相位角也一起 保持稳定，且基本相近，2#轴振动的相位角较数据变化了近20 。相位的稳定性表明弯曲的方向基本不变，2#轴振动的相位角 增大，表明还受到轴系角度对中状况变差（转子弯曲所致）的 影响。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 查起动后运行近一月的频谱图，除1倍频振动和2#轴处的少 量2倍频振动成分外，无其它振动频率成分。少量2倍频振动成 分的产生，经分析认为是高压转子弯曲后与中压转子的对中性 变差所造成的。 中、低压转子各轴承及各轴的振动与历史数据相比基本无 变化，反映出故障的发生部位主要是在高压转子。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 3、诊断结论 转子故障的历史记录表明，该机组曾发生高压末三级围带铆 接不良造成的围带脱落故障，并且末三级围带具有铆接点较薄 弱的结构特点。因此，转子可能存在热弯曲的情况下进行起动 ，同时又发生了临界振动过大及转子挠度增大的异常情况，不 能排除围带再次受到损伤的可能性。如围带损伤容易造成脱落 ，可能进一步发生运行中的动静碰摩而使转子严重损伤。 尽管该机高压转子的振动仍在良好范围以内，但从各种参数 的综合分析来看，均表明高压转子上已发生了转子弯曲故障。 而无论是转子弯曲引起机组过临界振动过大或是存在围带损伤 等事故隐患，均对该机组安全运行构成极大的威胁。 诊断结论：立即进行提前大修，解体查明故障并予以消除。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 4、解体大修检查情况 经揭缸解体检查证实，高压转子前汽封在距调速级180mm处 弯曲0.08mm，中压转子在19级处弯曲0.055mm，高压汽封、围 带、隔板汽封和中压汽封、隔板汽封及围带均有不同程度的摩 擦损伤，其中，中压19级近半圈围带前缘已磨坏。 为此，高压转子采取直轴、中压转子采取低速动平衡处理， 同时对损伤的围带也进行了相应的处理。 经大修处理后高压转子振动重新恢复到优秀标准内。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 5、故障原因分析 热态起动条件下轴封窜气及摩擦检查时间较长是造成该机组 转子热弯曲的主要原因。 由于轴封汽温、蒸汽参数及机组的热态温度难以匹配和控制 ，转子容易形成较大的热弯曲，使转子与汽封（或围带）的动 静间隙变小，导致过临界时转子与密封部件发生动静碰摩。 摩擦不但使振动的幅值迅速上升，还进一步加剧了转子的弯 曲程度，因而在第一次起动到冲过临界转速时振动过大，紧急 停机之后，伴有在盘车状态下挠度值急剧增大的现象。 3.1.6.2 轴弯曲故障案例 机械电子工程学院 3.2 转子不对中故障诊断 旋转机械多数是由多个转子和轴承组成的一个机械系统，转 子与转子之间用联轴节连接，转子本身由轴承支承。转子不对 中故障是指机器在运行状态下，转子与转子之间的连接对中超 出正常范围，或者转子轴颈在轴承中的相对位置不好，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。 3.2.1 转子不对中故障的原因及分类 转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中。轴承不对中本身 不引起振动，它影响轴承的载荷分布、油膜形态等运行状况。 一般情况下，转子不对中都是指轴系不对中，故障原因在联轴 节处。 机械电子工程学院 3.2.1 转子不对中的原因及分类 1、安装施工中对中超差。 2、冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量， 工作时出现主动转子与从动转子之间产生动态对中不良。 3、轴承座热膨胀不均匀。 4、管道力作用。 5、机壳变形或移位。 6、地基不均匀下沉。 7、基础变形。 8、转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。 当转子存在不对中故障时，不仅机器振动加大，还会发生轴 承偏磨，联轴节过度发热，齿式联轴节齿面磨损，与半联轴节 配合的轴端键槽产生裂纹，膜片联轴节疲劳损坏。 机械电子工程学院 转子不对中类型 3.2.1 转子不对中的原因及分类 机械电子工程学院 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 1、不对中所出现的最大振动往往表现在紧靠联轴节两端的轴 承上。不对中会改变轴承中的油膜压力。由于不对中的结果， 联轴节两端轴承的支承负荷将有较大变化，负荷减小的轴承在 某些情况下可引起油膜失稳。负荷增大的轴承，油膜的非线性 表现更为明显，在一定条件下产生高次谐波。 2、轴承的振动幅值随转子负 荷的增加而增高，当存在平行不 对中时，随着负荷的增加，轴承 上的振幅呈增高趋势。位置低的 轴承振幅比位置高的轴承大，这 是因为轴颈在低位置轴承内被邻 近的高位置轴承架空，油膜稳定 性下降之故。 轴承的振幅与负荷关系 机械电子工程学院 联轴节不对中产生的不平衡力和初始弯曲 3、平行不对中主要 引起径向振动，如果 轴承架在水平和垂直 方向上的刚度基本相 等，则在轴承径向振 幅大的方向就是原始 不对中方向。 角度不对中主要引 起轴向振动，对于刚 性联轴节，轴向振幅 要大于径向振幅。 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 机械电子工程学院 4、不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 （a）径向振动相位与负荷的关系 （b）轴向振动相位与负荷的关系 不对中轴承的振动相位 机械电子工程学院 转子不对中的频谱 6、大型涡轮机械上多跨转子的不对中，一般因为伴随有其它 故障因素，因而振动情况更为复杂。例如，悬臂较长的联轴节， 如果悬臂倾斜或联轴节平行不对中，则可引起像不平衡一样的工 频振动。 5、对于刚性联轴节，平行不对中易激起二倍转速频率的振动 ，同时也存在工频（转速频率）和多倍频的振动成分。角度不 对中易激起工频轴向振动，同时也存在多倍频振动。 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 机械电子工程学院 7、由于在轴承不对中方向上产生了一个预加载荷，轴心轨 迹形状为椭圆形。随着预加载荷的增大，轴心轨迹形状将变为 香蕉形、“8”字形或外圈中产生一个内圈等形状。 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 （a）轻微不对中 （b）中度不对中 不对中故障的轴心轨迹 机械电子工程学院 简单归纳如下： 时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。 轴心轨迹图呈香蕉形或8字形。 频谱特征：主要表现为径向2倍频、4倍频振动成份，有 角度不对中时，还伴随着以回转频率的轴向振动。 在全息图中2、4倍频椭圆较扁，并且两者的长轴近似垂 直。 3.2.2 转子不对中故障的主要特征 机械电子工程学院 3.2.3 联轴节不对中的振动频率 3.2.3.1 刚性联轴节 3.2.3.1.1 平行不对中的振动频率 半联轴节发生平行不对中时，在不对中方向上有一对用螺钉 连接的螺孔，当螺钉拉紧时，一个螺孔的旋转半径受拉伸，另 一个受压缩。它们在轴旋转过程中，每转180，各螺孔旋转半 径拉伸和压缩交变一次，作用在半联轴节上的力也交变一次； 旋转360，则力交变两次，使轴在径向方向上产生2倍频率振动 。 机械电子工程学院 3.2.3.1.1 平行不对中的振动频率 平行不对中的联轴节受力分析 机械电子工程学院 刚性联轴节角度不对中引起轴向振动 3.2.3.1.2 角度不对中的振动频率 轴在旋转过程中螺孔距离将发生周期性变化，上侧螺孔原 始距离最近的连接螺栓在旋转到下侧时，由于螺孔距离增大， 就会承受很大拉伸力，轴每旋转一周，拉伸力变化一次。 如果螺栓不变形，则半联轴节就要带着轴沿轴向蹿动一次， 引起转子轴向振动，振动频率正是转速频率。 机械电子工程学院 3.2.3.1.2 角度不对中的振动频率 对于螺孔原始距离最远的下侧螺栓，当轴旋转到上侧时，因 为螺孔距离逐渐接近，螺栓拉紧力逐渐减弱，不存在迫使轴沿 轴向蹿动的力。因此，引起轴向振动的力主要来自原始距离最 短的螺栓。 刚性联轴节角度不对中引起轴向振动 机械电子工程学院 3.2.3.1.3 不对中引起的转子不平衡 联轴节不对中相当于在联轴 节上附加一个不平衡质量，会 产生类似于质量不平衡一样的 振动，尤其是转子悬臂端较长 的联轴节，振动现象可能会表 现得十分明显。 质量较小的转子，不对中的 联轴节当用螺栓接紧后，转子 就被强制弯曲，产生初始变形 ，转子在工作时就破坏了原始 的动平衡状态，产生新的不平 衡振动，表现出不平衡振动的 特征。 联轴节不对中产生的不平衡力和初始弯曲 机械电子工程学院 3.2.3.2 齿式联轴节 存在不对中的联轴节传递转矩时，外齿面与内齿面接触点 上有一正压力N，N在轴向上产生一个分力 ，将转子推向驱动侧 ，直至轴上的止推盘与止推瓦相碰，碰撞后的转子又在反方向 被弹回，如此反复进行，产生轴向振动。 （a）角度不对中产生轴向力 （b）齿面上下接触的轴向距离 齿式联轴节角度不对中引起轴向振动 机械电子工程学院 3.2.3.2 齿式联轴节 角度不对中还会使齿式联轴节旋转时发生齿面相对滑动，产 生摩擦力和摩擦力矩。 齿壳和齿套上对应点在旋转时的相对位置变化 机械电子工程学院 3.2.3.2 齿式联轴节 由于摩擦系数是随着啮合点位置不同而变化，因此每对齿 形成的摩擦力矩在轴旋转过程中也是不相同的。轴每旋转一周 ，轴上某一点的摩擦力发生两次方向突变，形成了两次冲击性 振动，因此会引起2倍频振动。 轴壳齿面摩擦力变化 齿面上的摩擦力矩变化 齿式联轴节不对中引起的摩擦力矩变化 机械电子工程学院 3.2.3.2 齿式联轴节 用齿式联轴节连接的两个转子即使是平行不对中，在齿套与 齿壳之间仍表现为角度不对中。 振动特点归纳如下： 1、齿式联轴节相仿的2个转子如果质量接近，则振动较大的 往往是紧靠联轴节两侧的轴承，轴承上的负荷也会明显增大。 2、不对中引起的轴向振动较大，高次谐波丰富，尤其是2倍 频分量的幅值比正常情况增大得更为明显。 3、紧靠联轴节两端的轴承处，径向振动相位差接近180。 4、径向振动的频率成分实际上受多种因素影响，随着不对中 质量的增加，紧靠轴节的轴承或轴颈振动信号中2 、3 、 的超谐波响应增长比基频更快一些。 机械电子工程学院 3.2.3.3 膜片联轴节 属于半挠性联轴节，在使用中不需要润滑，大大减少维修工 作量，优点如下： 1、允许有较大的平行不对中与角度不对中量，不会发生如齿 式联轴节中的齿面摩擦问题，相对而言，膜片联轴节的使用寿 命更长。 2、齿式联轴节在不对中状态下，由于存在齿顶间隙，还有齿 面的滑动与摩擦，联轴节工作时中间连接齿套会产生微量的摆 动，容易引起不平衡振动。膜片联轴节的中间连接套筒没有此 类问题。 机械电子工程学院 3.2.3.3 膜片联轴节 3、同样的不对中角度，在不对中角度平面上产生的弯曲力矩 ，膜片联轴节是齿式联轴节1/71/10。由于弯曲力矩小，可很 大程度上减轻轴承负荷，提高轴承的使用寿命。 4、当转子发生扭转振动时，齿式联轴节由于存在齿隙，将产 生齿面的冲击，损坏齿面或断齿。膜片联轴节则不存在这类冲 击，因而联轴节本身产生的故障较少，寿命较长。 膜片联轴节的缺点是传递功率相对较小，不能承受过大的轴 向力。 机械电子工程学院 3.2.3.3 膜片联轴节 （a）膜片联轴节的不对中状态 （b）轴旋转时的力矩变化 膜片联轴节不对中产生的力矩变化 螺栓离开最大不对中角度的中心线后，膜片上的螺栓力矩逐渐 降至最低值，每个螺栓轮流经过最大不对中角度的中心线，因而 在膜片上产生了力的脉动。由于力矩脉动而形成的振动频率为： 机械电子工程学院 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 例1：基础下沉产生轴承油膜不稳定 国外某动力公司的一台汽轮发电机组，由于基础下沉，引起 了汽轮机低压缸3号轴承内轴颈相对位置上升。 汽轮机基础下沉示意图 机械电子工程学院 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 轴颈中心原来位置是在轴承几何中 心 =32方位角上运行。轴承为圆柱 形，值在设计标准范围内。 从1980年4月122日，轴颈中心方 位角开始发生变化，角逐渐增大， 最后达到近90位置，轴承因为失去 油膜支承力而发生油膜振荡。 由于基础下沉导致轴承座相对位置 下沉，轴承被相邻的2号轴承抬空， 造成轴承与轴颈不对中，轴承上比压 减小，导致油膜失去稳定而发生转子 强烈振动。 3号轴颈中心位置变化 机械电子工程学院 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 例2：压缩机轴承架热膨胀变形引起的振动诊断 风机排气端前轴承架与支腿结构 （1蜗壳，2轴承盖，3轴承架法兰，4 轴承架，5纵向导键，6排气管法兰，7 支架，8支腿（猫爪） 某炼油厂催化装置中 的主风机组由烟机、风 机、齿轮箱和电动机组 成，在运行中出现风机 （轴流式空气压缩机） 前轴承振动过大，振幅 随排气温度的上升而增 大。 机械电子工程学院 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 风机前轴承的轴心轨迹 前轴承存在明显的2倍转速频率成分，轴 心轨迹形状呈“8”字形。 开始怀疑是风机与烟机的连接不对中， 但是当脱开烟机，单试风机也同样存在前 轴承振动过大问题。 随后采用了电涡流绝对值测量法，测量 了前轴承架的热态变形量，发现轴承架向 南偏移了0.96mm；测量风机支腿载荷量， 发现排气端北支腿载荷量为南支腿的4倍。 机械电子工程学院 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 对北支腿水平度检查，出现中间低两 头高的变形形态，图中的虚线表示机器 热膨胀变形后的轴承架与支腿形状。 由于北支腿载荷量大，热膨胀时支腿 向南挤压，巨大的热应力迫使轴承架和 轴承变形，破坏了轴承内椭圆瓦原始设 计的油膜方向和大小，椭圆瓦上下两个 油楔力产生明显不对称，因此形成了“8” 字形轴心轨迹，并出现了2倍频成分。 经过调整支腿受力，消除了南北支腿 不对称热膨胀现象，风机振幅就明显下 降。 风机排气端前轴承架与支腿结构 （1蜗壳，2轴承盖，3轴承架法 兰，4轴承架，5纵向导键，6排 气管法兰，7支架，8支腿（猫爪） 机械电子工程学院 1、设备故障情况介绍 某冶炼厂一台新上的烟机一主风机组于1997年5月中旬投用。 涡流传感器布置在测点16处，在轴承座附近。 该机组在不带负荷的情况下试运了3天，振动约50um，5月20 日2:05开始带负荷运行，各测点振值均有所上升，尤其是烟机 主动端2#测点的振动由原来的55um上升至70um以上，运行至 16:54机组发生突发性强振，现场的本特利监测仪表指示振动满 量程，同时机组由于润滑油压力低而联锁停机。停机后，惰走 的时间很短，大约只12min，停车后盘不动车。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 例3：风机转子不对中故障 机械电子工程学院 2、机组事故停机前振动特点 1）20日16:54之前，各测点的振幅基本稳定，其中烟机2#轴 承的振动大于其余各测点的振动。 20日16:54前后，机组振值突然增大，主要表现为联轴器两侧 轴承，即2#轴承、3#轴承振值显著增大。 强振前后各轴承振动比较 部位1#轴承2#轴承3#轴承4#轴承 强振前振幅26762820 强振时振幅502327322 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 2）20日14:31之前，各测点的振动均以转子工频、2倍频为主 ，同时存在较小的3倍频、4倍频、5倍频、6倍频等高次谐波分 量，测点2的合成轴心轨迹很不稳定，有时呈香蕉形，有时呈 “8”字形。下图为其中一个时刻的时域波形和合成轴心轨迹（1 倍频、2倍频）。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 3）20日14:31时，机组振动状态发生显著变化。 从时域波形上看，机组振动发生跳变，其中2#、3#轴承的振 动由大变小，而1#与4#的振动则由小变大，说明此时各轴承的 载荷分配发生了显著的变化，很有可能是由于联轴器的工作状 况改变所致。 注意：2#轴承与3#轴承变化最大，约3倍，说明最接近故障点 。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 2#轴承振动波形 发生跳变 1#轴承振动波形 发生跳变 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 2#轴承振动频谱图 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 2#轴承垂直方向出现很大的0.5倍频成分，并超过工频幅值 ，水平方向除有很大的0.5倍频成分外，还存在突出的78Hz成分 及其它一些非整数倍频率分量。 烟机前78Hz成分也非常突出，说明此时机组动静碰摩加剧。 机械电子工程学院 4）机组运行至20日16:54前后，机组振值突然急剧上升，烟 机后垂直方向和水平方向的振值分别由45um、71um上升至 153um和232um，其中工频幅值上升最多。且占据绝对优势（ 垂直方向和水平方向工频幅值分别为120um和215um），同时 0.5倍频及高次谐波幅值也有不同程度的上升。这说明，此时烟 机转子已出现严重的转子不平衡现象。 5）开机以来，风机轴向振动一直较大，一般均在80um以上 ，烟机的轴向振动也在3050um之间。20日16:54达最大值 115um，其频谱以1倍频为主，轴向振动如此之大，这也是很不 正常的。不对中故障的特征之一就是引发1倍频的轴向窜动。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 3、诊断结论 1）机组投用以来，风机与烟机间存在明显不对中现象，且联 轴器工作状况不稳定。 2）20日14:31左右，一联轴器工作状况发生突变，呈咬死状 态，烟机气封与轴套碰摩加剧。其直接原因是对中不良，或联 轴器制造缺陷。 3）20日16:54，由于烟机气封与轴套发展为不稳定的全周摩 擦，产生大量热量，引起气封齿与轴套熔化，导致烟机转子突 然严重失衡，振值严重超标。 造成本次事故的主要原因应是机组对正曲线确定不当。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 4、事后验证情况 1）烟机前瓦（1#测点）瓦温探头导线破裂。 2）副推力瓦有磨损，但主推力瓦正常。 3）二级叶轮轮盘装配槽部位法兰过热，有熔化痕迹及裂纹。 4）气封套熔化、严重磨损，熔渣达数公斤之多。 5）上气封体拆不下来。 6）烟机主风机联轴节咬死，烟机侧有损伤。 3.2.4.2 不对中故障的诊断实例 机械电子工程学院 机组修复后，在8月底烟机进行单机试运行时，经测量发现烟 机轴承箱中分面向上膨胀0.80mm，远高于设计给出的膨胀量 0.37mm。而现场冷态下找正时烟机比风机反而高0.396mm，实 际风机出口端轴承箱中分面仅向上膨胀0.50mm，故热态下烟机 比风机高了0.696mm（=0.80+0.396-0.50），从而导致了机组在 严重不同轴的情况下运行，加重下联轴器的咬合负荷，引起联 轴器相互咬死，烟机发生剧烈振动。 由于气封本身间隙