故障诊断方法与应用-旋转机械故障机理与诊断技术.ppt

旋转机械典型故障分析 l转子不平衡的故障机理与诊断 l不对中故障机理与诊断 l油膜轴承的故障机理与诊断 l旋转失速与喘振故障机理与诊断 l动静件摩擦的故障机理与诊断 l转子支承部件松动的故障机理与诊断 l转轴裂纹的故障机理与诊断 转子不平衡故障机理与诊断 l故障原因分析 n制造时几何尺寸不同心、材质不均 n安装方式不好，如用斜键等 n轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形 n工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉 积 n零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障 不平衡的原因 转子 机械损伤 污染物堆积 轴弯曲 轴孔偏离中心 风扇 机械损伤 污染物堆积 轴孔偏离中心 齿轮 机械损伤 轴孔偏离中心 转子不平衡故障 不平衡的原因 滑轮/槽轮 机械损伤 琐丝太大 轴孔偏离中心 飞轮 机械损伤 偏心孔 轴孔偏离中心 轴 轴弯曲 不规则加工 转子不平衡故障 不平衡的原因 叶轮 机械损伤 腐蚀 联轴器 机械损伤 轴孔偏离中心 电气绕组 铜线分布不均 转子不平衡故障 不平衡的原因 铸造缺陷 热膨胀 由于每个部件的 热膨胀率不同影 响转子平衡 轴孔太大 转子不平衡故障机理与诊断 l不平衡的种类 n按发生不平衡的过程分 原始不平衡 渐发性不平衡 突发性不平衡 n按机理可分为：静失衡、力偶失衡、准静失衡、动失衡 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 刚性转子不平衡的形式 静不平衡 离心惯性力系有合力 动不平衡 = 静不平衡 + 偶不平衡 离心惯性力系合成为一合力和一合力偶 偶不平衡 离心惯性力系有合力偶 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l故障机理 n如下图所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产 生不平衡 n交变的力(方向、大小周期性变化)会引起振动 n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。 旋转机械故障诊断 转子不平衡 F（t ） t e c (a) 转子系统 M Fsint y( t) c k (b) 振动模型 转子不平衡故障机理与诊断 l无阻尼时，O、O、G三点成一直线 l实际转子总存在阻尼 n工作介质、轴承油膜的黏性阻尼，滑动面之间的摩擦阻尼， 轴材料不完全弹性的内摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗 产生的结构阻尼 n阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l不平衡故障的振动机理 旋转机械故障诊断 转子不平衡 设：偏心距e，转子质量M，轴刚度k，阻尼系数c，转速n（r/min）， 角速度=2n/60，离心力F=Me2，分解为两方向的力为： 两力相差90，振动方程式为 ： 归一化后： 其中：阻尼系数 自振频率 ；激振频率 。 转子不平衡故障机理与诊断 l故障机理 旋转机械故障诊断 转子不平衡 上式的通解为： 公式第一部分为瞬态解，是衰减的自由振动，很快消失； 公式第二部分为稳态解，是强迫振动： 其中： 转子不平衡故障机理与诊断 l故障机理 旋转机械故障诊断 转子不平衡 H()-幅频响应函数，表示振幅Y随频率比 /n的变化 而变化的放大系数，当 /n 1时出现共振峰； ()-相频响应函数，当 /n 1时出现节点。 转子不平衡故障机理与诊断 l阻尼对转子临界转速的影响 n阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影 响。 旋转机械故障诊断 转子不平衡 不敏感转子 阻尼小 阻尼大 转速 振幅 转子不平衡故障机理与诊断 l转子不平衡故障的频谱特征 n振动幅值与转速平方成正比 n工频的1倍频能量较大 n同一平面x,y振动相位差90 l转子不平衡故障的时域特征 n呈现为类似简谐振动的波形 n由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的 影响，实际的信号不会是标准的正弦波 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l轴心轨迹 n转子轴心点相对于轴承座 运动而形成的轨迹 n正向进动：轴转向与轴心 轨迹转向一致 不平衡、不对中、油膜失稳 产生的亚同步涡动、内摩擦 激发的涡动等 n逆向进动：轴转向与轴心 轨迹转向相反 干摩擦等少数情况下发生 l转子不平衡的轴心轨迹 n轴在各个方向上刚度有差 别，所以转子轴心轨迹通 常为椭圆 n从轴心轨迹观察其进动特 征为同步正进动 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l转子不平衡与转速的关系 n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n时，发生共振，振幅具有最 大峰值 n当工作转速一定时，相位稳定 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡的主要特征 转子不平衡故障机理与诊断 l故障特征 n原始不平衡、渐变不平衡、突发不平衡 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l故障特征 n静不平衡、力偶不平衡的 幅值谱相似 n静不平衡 转子两侧轴承的振动相位相 同 n力偶不平衡 转子两侧轴承的振动相位相 反 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l诊断实例1 n某大型离心式压缩机组蒸汽透平经检修更换转子后，机组启 动时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅达到报警值 ，机器不能正常运行。 旋转机械故障诊断 转子不平衡 压缩机振动特征 转子不平衡故障机理与诊断 l诊断实例1 n振动特征分析 振动大小随转速升降变化明显 时域波形为正弦波 轴心轨迹为椭圆 振动相位稳定，为同步正进动 频谱中能量集中于1频频，有突出的峰值值，高次谐谐波分量较较小 n诊诊断意见见：强烈振动动的原因是振动动不平衡 n处处理措施：监护监护 运行 n生产验证产验证 在加强监测监测 的前提下维维持运行，其振动趋势稳动趋势稳 定，没有增大的趋势趋势 维维持运行一个大修周期后，下次大修发现动发现动 平衡严严重超标标 原因：转转子库库存时间较长时间较长 ，转转子较较重，未按规规定周期盘转盘转 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l诊断实例2 n某52万吨/年尿素装置CO2压缩机组低压缸转子，大修后开车 振动值正常，但在线监测系统发现其振动值有逐步增大的趋 势。 旋转机械故障诊断 转子不平衡 CO2压缩机渐变不平衡振动特征 转子不平衡故障机理与诊断 l诊断实例2 n振动特征分析 时域波形为正弦波 频谱图中，以1频为频为 主 分析其矢量域图图，相位有一缓缓慢变变化 n诊诊断意见见：故障原因为渐变为渐变 不平衡，是由于转转子流道结结垢或 局部腐蚀蚀造成的 n处处理措施：监护监护 运行 n生产验证产验证 6个月后大修时检查时检查 到转转子并不弯曲 目测测无结结垢和腐蚀现蚀现 象 拆卸检查检查 后发现发现 一轴轴套内侧发侧发 生局部严严重腐蚀蚀，导导致转转子不平衡质质 量逐渐渐增大 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l转子不平衡故障的特征小结 n主要表现为径向振动 n振动能量主要集中在工频的1倍频 n振动幅值随转速升高而迅速增大 n振动幅值不随负荷的增大而增大 n同一平面X、Y方向振动相位差90 n会引起地基的不均匀沉降 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l转子不平衡故障的诊断 n改变转速，做瀑布图 旋转机械故障诊断 转子不平衡 转子不平衡故障机理与诊断 l转子不平衡故障的诊断 n机器出现不平衡故障的同时，常常还伴有其他的问题，如： 不对中、松动等。 n其他类的故障也会引起工频1倍频的振动能量 n在给出结论前，需要进行综合分析 旋转机械故障诊断 转子不平衡 现场动平衡技术 双面平衡的布置和方法 幅值相位 转速 A B I II A B 1.测原始振动A0，B0。 2.平面I 内加试重Q1，测得振动A1，B1。 3.计算影响系数 4.平面II 内加试重Q2，测得振动A2，B2。 5.计算影响系数 6.按下式求得校正质量P1，P2。 现场动平衡技术 l现场动平衡 n针对整个系统的平衡 n试重的方向选择 n相位的测量 互谱、互相关 l评价某种平衡方法的原则 n平衡精度高 n平衡时，开车次数少。 n校正质量数目少，总质量小。 n测试仪器和设备较少。 n对操作者的技术水平没有过高的要求。 现场动平衡技术 l利用影响系数法进行现场平衡的影响因素 n振动信号的质量 测点上所测取的振动值应该是由转子不平衡所产生的，而 实际信号中还有其它因素产生的振动响应。测量时应尽量 保证振动信号的质量，包括选择对不平衡振动敏感点及采 用滤波排噪等方法。 n转子的刚性程度 实际转子不可能是绝对的刚性的，而柔性的存在会使转子 在不同转速下具有不同的不平衡状态，这样会因加试重时 转速的不一致等因素，而使所求得影响系数具有误差 n系统的线性程度 若不平衡质量与振动值之间的线性关系较差，则不容易确 定试重与测点振动值之间的对应程度，而且振动值的相位 关系对非线性反应更为灵敏。 不对中故障机理与诊断 l造成不对中的原因 n安装误差 n管道应变影响 n温度变化热变形 n基础沉降不均 l危害 n滚动轴承 振动噪声 过度磨损 “卡死” n滑动轴承 油膜承载失稳 半速涡动 油膜振荡 严重时油膜破裂而烧损轴瓦 旋转机械故障诊断 转子不对中 不对中的危害-热像图 30,000 out 平行 10,000/inch out 角 1,000/inch out 角不对中 62 F 105 F 0 对中 不对中故障机理与诊断 l据美国MONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的 5060 %是由转子不对中引起的。 l转子不对中的类型 n轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜 n轴系不对中：各转子不处在同一直线上 平行不对中：轴线平行位移 角度不对中：轴线交叉成一角度 综合不对中：轴线位移且交叉 旋转机械故障诊断 转子不对中 e (a) 平行不对中(b) 角度不对中(c) 综合不对中 不对中故障机理 l齿式联轴器平行不对中 不对中故障机理 l齿式联轴器平行不对中 不对中故障机理 l刚性联轴器平行不对中 n两半联轴节旋转时，在螺 栓力作用下有把偏移的两 轴中心拉到一起的趋势 nPO1=PS, PO2e,O1SPO2 nSO2=PO2-PO1=ecost n若两半联轴节联轴节 尺寸和材料 相同，则则PO1受压缩压缩 、 PO2受拉伸，两者变变形量 近似相等 =SO2 / 2=ecost / 2 n设刚设刚 度为为K，则则 F=K= Kecost / 2 不对中故障机理 l刚性联轴器平行不对中 n将F进行分解 nFy前一项不随时间而变化，力图把两个联轴节的不对中量缩小 nFy后一项与Fx，是随转速而变化的两倍频激振力，即：联轴节 每旋转一周，径向力交变两次 n不对中方向上的一对螺钉，当螺钉拉紧时，一个受拉、一个 受压。旋转过程中，每转180，拉压状态交变一次，旋转一周 ，交变两次，使轴在径向上产生两倍频振动。 不对中故障机理 l角度不对中 n螺栓拉力作用下，两半联 轴节中存在一个弯矩，力 图减小两轴中心线的交角 n轴旋转一周，弯矩作用方 向交变一次，弯矩施加于 轴的弯曲变形也每周变化 一次，由此引起工频振动 n上侧螺孔旋转到下侧时， 螺孔距离增大，拉伸力变 化一次。联轴节带着轴发 生轴向蹿动，振动频率为 转速频率 n下侧螺孔转到上侧时，螺 孔距离变小，拉紧力减弱 ，不存在迫使轴产生轴向 蹿动的力 不对中故障 l转子不对中的故障特征 n振动的振幅与转子的负荷有关 负荷越大、振幅越大 n不对中故障对转子的激励力随转速的升高而加大 激励力与不对中量成正比 n轴轴系具有过过大的不对对中量时时，转转子在运动动中产产生附 加径向力和附加轴轴向力，使转转子产产生异常振动动 平行不对中主要引起径向振动 角度不对中主要引起轴向振动 n振动频率 径向振动以工频的2倍频为主，也有1倍频的成分 轴向振动以工频的1倍频为主，也有2x，3x。 不对中故障 l转子不对中的故障特征 n振动幅值 振动频谱中2x幅值超过1x幅值约50时，常常说明是径向 不对中。 2x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构。 2X幅值接近1X幅值是常见的，尤其是平行不对中严重时。 轴向2x或3x幅值约是1x转数频率幅值的30到50时，说 明是角向不对中。 n联轴节两侧轴承振动的相位差 平行不对中，径向振动差180 角度不对中，轴向振动差180 n轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈 不对中故障 l平行不对中的故障特征 不对中故障 l角度不对中的故障特征 不对中故障 l不对中故障，除了1x，2 x频率外，还会出现3x倍频 不对中故障机理与诊断 l诊断方法 n简易诊断 轴向振动 n精密诊断 轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈 用功率谱的2倍频2fr 、3倍频3fr成分判断不对中故障 相位信息 全息谱技术 l说明 n2倍频、轴向振动都是不对中的重要特征，但也可能是由其他 的故障引起的 轴弯曲、推力轴承的磨损、斜齿轮磨损 n相位是区别不对中与其他不同故障源的关键指示。 受综合不对中的影响，相位差不一定是严格的180 旋转机械故障诊断 转子不对中 不对中故障机理与诊断 l诊断实例 n某透平压缩机组检修后启动时，高压缸振动较大；机组运行 一周后压缩机高压缸振动突然加剧，测点4、5的径向振动增 大，其中测点5的振动值增加两倍，测点6轴向振动加大；又 运行两周后，测点5的振动值又突然增加一倍，超过设计允许 值，振动剧烈 旋转机械故障诊断 转子不对中 机组布置示意图 不对中故障机理与诊断 l诊断实例 旋转机械故障诊断 转子不对中 异常振动特征 不对中故障机理与诊断 l诊断实例 n高压缸主要振动特征 连接压缩机高、低压缸之间的联轴器两端振动较大 测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2频谐波具有较 大峰值 轴心轨迹为双椭圆复合轨迹 轴向振动较大 n诊断意见 压缩机高压缸和低压缸之间转子对中不良，联轴器发生故障 n生产验证 高、低压缸之间的联轴器固定法兰与内齿套的连接螺栓已断掉三只 对中严重超差，不对中量大于设计要求16倍 对螺栓断面进行电镜分析，断面为沿晶断裂、并有局部韧窝组织。 联接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求，螺纹根部产生应力集 中，而且热处理后未进行正火处理，金相组织为淬火马氏体，螺栓在 拉应力作用下脆性断裂。 旋转机械故障诊断 转子不对中 不对中故障机理与诊断 l小结 旋转机械故障诊断 转子不对中 转子不对中故障原因与治理措施 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜轴承的分类（按工作原理分） n静压轴承 依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差域外载荷相平衡的原理进 行工作 无论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中 旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强、对转速的适应性和抗振性好 制造工艺要求高，供油装置复杂 主要用于高精度的机床 n动压轴承 油膜压力靠轴本身旋转产生 供油系统简单 设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命 应用非常广泛：压缩机、泵、电动机、发电机等 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l动压油膜轴承的工作原理 轴颈静止时，沉在轴承底部 轴颈开始旋转时，轴颈依靠摩擦力作用，沿轴承内表面往上爬行，达 到一定位置，摩擦力不能支持转子重力，开始打滑，即为半液体摩擦 油楔的入口断面大于出口断面，随着转速的升高，轴颈被油压挤向另 外一侧 如果带入楔形间隙内的润滑油流量是连续的，油液中的油压就会升高 ，达到一定程度，间隙内积聚的油膜的压力可以把转子轴颈抬起 当油膜压力与外载荷平衡时，轴颈就在与轴承内表面不发生接触的情 况下稳定地运转 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l轴颈在轴承内旋转时的油膜压力分布 n偏位角 n e 偏心距 n c 平均间隙，c = R-r n相对间对间 隙， c / r n相对对偏心率， = e / r nhmin 最小油膜厚度 nhmin = c e = c(1- ) 油膜轴承的故障机理与诊断 l轴轴承的承载载能力 nP 轴轴承载载荷 nS0轴轴承承载载能力系数 也称索默费费尔特(Sommerfeld)数 n润润滑油动动力黏度系数 n l 轴轴承宽宽度 nd 轴轴承直径 n轴颈轴颈 旋转转角速度 n相对间对间 隙 l轴轴承承载载能力系数 nS0是相对对偏心率 （= e / r）和轴轴承宽宽径比（l/d）的函数 nS01，称为为低速重载转载转 子； S01，称为为高速轻载转轻载转 子 n高速轻载转轻载转 子易产产生油膜失稳稳 n低速重载转载转 子稳稳定性虽虽好，但偏心率过过大时时，油膜过过薄，易 产产生干摩擦 油膜轴承的故障机理与诊断 l高速滑动轴承的油膜失稳机理 n轴承通过油膜支承载荷（完全流 体润滑状态下）时，摩擦功耗最 小 n稳态情况下：油膜动压合力R与轴 载荷P处于平衡状态 n轴受到瞬时扰动情况下：油膜动 压合力R与轴载荷P不再保持平衡 状态，形成合力F。 nF可沿垂直和水平方向分解为Fr和 Fu。其中Fr与轴的水平位移方向 相反，力图使轴心恢复到稳定状 态的位置，因此称Fr为恢复力。 Fu则力图使轴心绕轴承转动，因 此称Fu为涡动力。 旋转机械故障诊断 油膜轴承 轴颈的受力分析 油膜轴承的故障机理与诊断 l半速涡动 n因为油具有黏性，所以轴 颈表面的油流速度与轴颈 线速度相同，均为r，而 轴轴瓦表面的油流速度为为0 n假设设油流速度呈直线线分布 n轴颈轴颈 某一直径扫过扫过 的面积积 ，即为为油楔入口与出口的 流量差 油膜轴承的故障机理与诊断 l实际的涡动频率，通常低于转频的一半 n油楔入口的油流速度由于受到不断增大的压力作用将 会逐渐减慢，油楔出口的油流速度则会加速。实际速 度与假设速度在分布上的差别使驱动轴颈涡动的速度 下降。 n轴承中的压力油不仅被轴颈带着作圆周运动，还向轴 承两侧泄油，用以带走轴承工作时产生的热量。油有 泄漏时，dQ不等于0 n根据国外资料介绍，半速涡动的实际振动频率为 n (0.430.48) 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜轴承不稳定的工作机理 n半速涡动与油膜振荡 当恢复力矩大于涡动力矩时，轴承将回到稳定状态工作。相反，若涡 动力矩大于恢复力矩时，则轴心开始涡动，即转轴除自转外，还绕轴 承中心公转，这种公转称为涡动。 流体动压激振涡动的方向与自转方向相同，摩擦激振涡动的方向与自 转方向相反。 半速涡动：油膜涡动速度（角频率）的理论值为轴的转速（角频率） 之半，称为半速涡动。 油膜振荡：转子在涡动共振的状态下，将表现为强烈的振荡称为油膜 振荡。 涡动速度=(0.430.48)， 轴心轨迹为内8字 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜轴承不稳定的工作机理 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜涡动与油膜振荡的频谱及轴心轨迹 油膜轴承的故障机理与诊断 l半速涡动与油膜振荡 n半速涡动的发展将使转子由稳定变为不稳定 n在半速涡动出现的初期阶段，由于油膜具有非线性特 性（即轴颈涡动幅度增加时，油膜的刚度和阻尼较线 性关系增加得更快），抑制了转子的涡动幅度，轴心 轨迹为一稳定的封闭图形。 n转速升至临界转速的两倍，涡动频率与一阶自振频率 重合，发生油膜振荡。 n转速继续升高，振动并不减弱，而且振动频率基本上 不再随转速而升高。 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜涡动与油膜振荡的特征 n轻载转子 在第一临界转速之前就可能发生不稳定的半速涡动，但不产生大幅度 的振动 当转速达到两倍第一临界转速时，转子由于共振有较大的振幅 越过第一临界转速后振幅再次减少，当转速达到两倍第一临界转速时 ，振幅增大并且不随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡 n中载转子 过了一阶临界转速后会出现半速涡动 油膜振荡在二倍的第一临界转速之后出现 n重载转子 低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的第一临界转速 时，也不会立即发生很大的振动 转速达到两倍的第一临界转速之后的某一转速时，突然发生油膜振荡 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜涡动与油膜振荡的特征 旋转机械故障诊断 油膜轴承 不同载荷下的油膜振荡特点 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜涡动与油膜振荡的特征 n油膜振荡的其它特征 油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生 一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降 油膜振荡时，轴颈中心的涡动频率为转子的一阶固有频率 油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振 荡消失时的转速不同 油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l故障原因 n轴承参数设计不合理 n轴承制造不符合技术要求 n安装不当 n油温或油压不当 n润滑不良 n轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜振荡的防治措施 n设计上尽量避开油膜共振区 (应使避免为2c1) n增加轴承比压 轴承比压是指轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷 增加轴承比压，即提高轴承承载能力系数，增大轴颈偏心率，以提高 油膜稳定性 常用的方法是减小轴瓦的长度 n减小轴承间隙 试验表明，减小轴承间隙，可提高发生油膜振荡的转速 减小间隙，相当于增大了轴承的偏心率=e/c 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜振荡的防治措施 n控制适当的轴瓦预负荷 轴承的预负荷定义为 对于圆柱轴承，c =Rp-Rs，预负荷为0 预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴颈半径，相当于 起到了增大偏心率的作用 椭圆轴承的稳定性优于圆柱轴承 多油楔轴承的稳定性较好 油膜轴承的故障机理与诊断 l油膜振荡的防治措施 n选用抗振性好的轴承 对于高速转子，通常采用多油楔可倾瓦轴承 n调整油温 适当地升高油温，减小油的黏度，可以增加偏心率 对于已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动 的阻尼作用，有时对降低转子的振幅有利。 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例1 n某气体压缩机运行期间，蒸汽透平时常有短时强振发生。 旋转机械故障诊断 油膜轴承 1#轴承测点频谱变化趋势 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例1 旋转机械故障诊断 油膜轴承 测点强振时的波形和频谱 测点振动值较小时的波形与频谱 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例1 n振动特征分析 正常时，机组各测点振动均以工频成分(143.3Hz)幅值最大，同时存在 丰富的低次谐波成分,并有幅值较小但不稳定的69.8Hz(相当于0.49)成 分存在，时域波形存在单边削顶现象，呈现动静件碰磨的特征。 振动异常时，工频及其它低次谐波的幅值基本不变，但透平前后两端 测点出现很大的0.49成分，其幅度大大超过过了工频频幅值值 分频频成分随转转速改变变而改变变，与转转速频频率保持0.49左右的比例关系 强振时，提纯轴心轨迹的重复性明显变差 随着强振的发生，机组声响明显异常，有时油温也明显升高 n诊断意见：故障原因为油膜涡动，建议降低负荷和转速，然 后监测运行 n生产验证：机组平稳运行到机组大检修，检修中将轴瓦形式 由原来的圆筒瓦改为椭圆瓦后，运行一直正常 旋转机械故障诊断 油膜轴承 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例2 n某压缩机组气压机在运行过程中轴振动突然报警，轴振动值 和轴承座振动值明显增大。停机检查发现零部件无明显损坏 ，测量转子对中数据、前后轴承的间隙、瓦背紧力和转子弯 曲度，各项数据均符合要求。 旋转机械故障诊断 油膜轴承 气压机轴承振动频谱 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例2 旋转机械故障诊断 油膜轴承 前轴承升速过程振动瀑布图 油膜轴承的故障机理与诊断 l诊断实例2 n振动特征分析 前后轴承振动频谱图均有47Hz低频峰值存在 观察升速过程中的三维谱图，发现升速到4260r/min时出现半速涡动 随着转速的上升，涡动频率和振幅不断增加 涡动频率达到47Hz时不再随转速而上升，转速提高到7500r/min工作转 速时，振动频率仍为47Hz，但振幅非常大 n诊断意见 转子第一临界转速为2820r/min(47Hz)，振动特征与典型的高速轻载转 子的油膜振荡故障现象完全吻合，建议立即停机检修 n生产验证 解体检查发现，轴瓦巴氏合金表面发黑，上瓦有磨损并伴有大量小气 孔，前轴承巴氏合金有部分脱落 更换新轴承后，重启机组，47Hz低频分量不再出现 旋转机械故障诊断 油膜轴承 旋转机械典型故障分析 l转子不平衡的故障机理与诊断 l不对中故障机理与诊断 l油膜轴承的故障机理与诊断 l旋转失速与喘振故障机理与诊断 l动静件摩擦的故障机理与诊断 l转子支承部件松动的故障机理与诊断 l转轴裂纹的故障机理与诊断 旋转失速与喘振的故障机理与诊断 l概述 n离心式、轴流式的风机、压缩机，因设计工况范围窄、结构 设计不合理等因素，使气流在机器内产生不稳定的运动，引 起流道内和管道内的气流压力脉动，从机电导致机器和管道 的强烈振动。 n气流不稳定现象主要表现的故障形式为 旋转失速 喘振 n旋转失速和喘振是高速离心压缩机特有的一种振动故障 n故障是由于流体流动分离造成，设备本身无明显结构缺陷， 因而不需要停工检修，通过调节流量即可使振动减到允许值 因此，更能体现设备状态监测的优势 n喘振会对机器造成很大危害，严重时会导致转子弯曲，联轴 器损坏 旋转机械故障诊断 旋转失速与喘振 气体流动分离 l气流脉动力主要来自气体流 动分离 l几个基本概念 n速度三角形 实际流动模式：三元流动 简单分析时：一元流动 流体一方面相对于叶面流动，另 一方面又随叶轮转动，流体真正 的流动为两者的矢量和，即速度 三角形 为防止气流冲击，叶片的入口安 装角应与入口气流角相等。出口 气流角则由出口安装角决定。 流量减小时，气流绝对速度c变 小，气流相对速度角也将随之 减小。 气体流动分离 l几个基本概念 n收敛流动和扩压流动 气流流动方向由高压流向低压，称为收敛流动，即减压 反之，称为扩压流动 n主流区和边界层区 由于气体具有粘性，在靠近流道壁面相当薄的范围内，气 流受壁面粘滞，流速很快降低到零，在这一薄层中，速度 梯度极大，称为边界层 边界层外的流动区域，速度分布比较均匀，称为主流区 n冲角 叶片安装角与进口气流方向角之差称为冲角 冲角是气流方向与叶片弧线前缘切线间的夹角 气体流动分离 l气流分离的原因 n在气流扩压流动的过程中，由于 主流区速度逐渐减弱，不足以带 动边界层气体向前流动，致使边 界层在流动方向的压差作用下倒 流，而主流区仍维持其流向，从 而形成旋涡(分离)。 n即使是收敛流动，也可能在局部 区域存在扩压区。 n由于弯管内流动的曲率作用，外 壁弯曲处压力高、速度低，内壁 弯曲处压力低、速度高。因此， 弯管前半部外壁和后半部内壁均 为局部扩压区。 气体流动分离 l由叶轮入口气流冲击造成的分离 n冲角的变化将导致气流对叶片的冲击，使叶片入口附近产生 局部扩压区 n叶片的工作面与非工作面 n气流流量减小时，冲角为正，凹面产生气流分离，流量增大 时，冲角变负，凸面产生气流分离。 旋转失速的机理与特征 l旋转失速的机理 n首先由H.W.Emmons在1995年提出 n压缩机在正常流量下工作时，气体进入叶轮的方向1与叶片进 口安装角一致s，气体可以平稳地进入叶轮。 n当进入叶轮的气体流量小于额定流量时， 1与s不一致， 在叶片凹面附近形成旋涡 n由旋涡组成的气流堵塞团(失速团或失速区)，将沿着叶轮旋 转的反方向在各个流道中传播。 n失速区在反方向传播速度小于叶轮的旋转速度。但从叶轮之 外的绝对参考系来看，失速区还是沿着叶轮旋转方向转动。 旋转机械故障诊断 旋转失速与喘振 旋转失速的机理与特征 l旋转失速频率 n经验公式 nVs：旋转失速区的传播速度 nQ0p：发生旋转失速时的实际流量 nQ0：压缩机设计工况流量 nu：转子的周向速度 n据此公式计算出的旋转失速区传播速度约为转子旋转速度的 0.30.45 旋转机械故障诊断 旋转失速与喘振 旋转失速的机理与特征 l旋转失速的振动特征 n分频 n同时时存在和(-)两个频频率成份 n全息谱谱工频椭圆频椭圆 与脱离团椭圆团椭圆 形状相似，旋转转方向 相反 n振动动随负负荷变变化、流量变变化关系明显显 n振动动随转转速、压压力变变化而变变化 l故障原因 n工作流量比设计设计 流量小 n入口过滤过滤 器堵塞、气体流道有异物阻塞 旋转失速的诊断 l诊断实例 n某炼铁厂废气风机旋转失速 n风机2一直工作正常。风机1开启后起初运行平稳，一段时间( 约半小时)会因振动超过停机限而跳闸。 n每次启动风机1都有相同的现象。 旋转机械故障诊断 旋转失速与喘振 旋转失速的诊断 l诊断实例 n风机1每次启动后初期运行稳定，但经历一段时间以后就会因 振动过大而造成跳闸，可以基本排除因机械故障造成的跳闸 。 n风机流体类故障大部分是由于进风口气流不畅或气量不足等 原因所致，出风口的改造效果并不明显。 旋转失速的诊断 l诊断实例 f1=7.42Hz f2=8.72Hz f1+f2=16.14Hz 旋转失速的诊断 l诊断案例 n生产验证 n管道直径1m左右，在距离风机1气体入口约等于1m处有一较 大的弯道。 n根据现场经验，为保证气流顺畅，气流入口距离弯道的距离 应大于1.5倍管道直径。 旋转失速的诊断 l旋转失速与油膜振荡的故障甄别 区别内容旋转失速油膜振荡 振动特征频率与工作转速 的关系 振动特征频率随转子工作 转速变化 油膜振荡发生后，特征频 率不随转速变化 振动值与机器进口流量的 关系 振动强烈程度随流量改变 而变化 振动强烈程度不随流量变 化 压力脉动频率的特点压力脉动频率与管网容积 有关，非常低 压力脉动幅值很小或不存 在，频率与转子固有频率 相近 轴振动与机壳振动情况轴振动不太高时，机壳振 动已十分明显 轴振动十分剧烈，但机壳 振动有时却并不十分大 喘振的机理与故障特征 l喘振是旋转失速的进一步发展 l喘振的故障特征 n压缩机接近或进入喘振工况时，缸体和轴承都会发生强烈的 振动，其振幅要比正常运行时大大增加 n喘振频率一般较低，通常为130Hz n压缩机在稳定工况下运行时，其出口压力和进口流量变化不 大，所测得的数据在平均值附近波动，幅度很小；当接近或 进入喘振工况时，出口压力和进口流量的变化都很大，会发 生周期性大幅度的脉动，有时甚至会出现气体从压缩机进口 倒流的现象 n压缩机在稳定运转时，其噪声较小且是连续性的；当接近喘 振工况时，在气流管道中，气流发出的噪声时高时低，产生 周期性变化；当进入喘振工况时，噪声剧增，甚至有爆声出 现。 旋转机械故障诊断 旋转失速与喘振 旋转失速与喘振 l旋转失速与喘振的治理措施 n开大回流阀，保证入口流量和压力 n调整机组转速，严格遵循“降速先降压、升压先升速” 的操作原则 n检查入口冷却器，保证入口温度不超过允许值 n检查入口滤网、流道、清理堵塞的异物 n保证出口畅通，出口压力不高于设计值 动静件摩擦的故障机理与诊断 l转子与静止件摩擦的分类 n径向摩擦：转子在涡动过程中轴颈或转子外缘与静止件接触 偶然性或周期性的局部碰磨 转子与静子的摩擦接触弧度较大，甚至发生360的全周向接触摩擦 n轴向摩擦：转子在轴向与静止件接触 l故障原因 n设计原因 n制造原因 n安装维修 n操作运行 n状态劣化 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 径向摩擦 l局部动静件碰磨的故障特征 n转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率就是转 子涡动频率。 n转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起 ，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。 不平衡引起的转速频率 摩擦振动的非线性性，引起高次谐波(2、3) 非线性性还引起低次谐波/i(i=2,3,4) 重摩擦时，i=2；轻摩擦时，i=2,3,4 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 径向摩擦 l动静件摩擦接触弧增大时的故障特征 n动静件间具有很大的摩擦力，可使转子由正向涡动变为反向 涡动 n时域波形出现单边“削波” n频谱上出现涡动频率与旋转频率的和频与差频，即会产生 (n n )的频率成分 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 局部摩擦削波效应 摩擦产生的组合频率 径向摩擦 l动静件摩擦接触弧增大时的故障特征 n刚开始碰摩阶段，旋转频率成分幅值较高(不平衡)，二次谐波 必大于三次谐波 n随摩擦接触弧的增加，由于摩擦接触的附加支撑作用，旋转 频率幅值下降，二、三次谐波幅值由于附加的非线性作用而 有所增加 n转子在超过临界转速时，若发生全摩擦，可能出现转子的完 全失稳，振动响应中具有很高的亚异步成分，一般为转子发 生摩擦时的一阶自振频率；此外，会出现旋转频率和振动频 率之间的和差频率，高次谐波消失。 n利用示波器监测转子的进动方向，若进动方向由正向变成反 向，则发生了全摩擦接触。 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 轴向摩擦 l振动特征 n转子与静止件发生轴向摩擦时，转子的振动特征几乎与正常 状况一致，没有明显的异常特征 n系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征 n摩擦会造成功耗上升和效率下降，同时局部会有温升，因此 工艺参数对转子与静止件轴向摩擦的故障诊断非常重要 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 动静件摩擦的故障机理与诊断 l诊断实例 n某大型透平压缩机组，在开车启动过程中发生异常振动，导 致无法升速 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 压缩机振动频谱图与轴心轨迹 动静件摩擦的故障机理与诊断 l诊断实例 n振动特征分析 振动波形有削波现象 频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波 轴心轨迹的涡动方向为反向涡动 n诊断意见 机组在升速过程中发生了严重摩擦故障 n处理措施 由于机组振动值非常高，表明内部动静件摩擦比较严重，为安全起见 ，决定停机拆检 n生产验证 解体检修发现，机组转子弯曲，动平衡精度严重超差，在升速过程中 因振动大造成转子与密封之间摩擦。不仅密封损坏，且转子严重偏磨 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 动静件摩擦的故障机理与诊断 l小结 旋转机械故障诊断 动静件摩擦 动静件摩擦故障原因及对策 支承松动的故障机理与诊断 l支承部件连接松动 n指系统结合面存在间隙或连接刚度不足 n造成机械阻尼偏低，机组振动加大 l主要原因 n支承系统结合面的紧力不足 n在外力或温升作用下产生间隙 n固定螺栓强度不足 n缺乏防松措施 支承松动的故障机理与诊断 l故障机理 n支承部件一旦松动，会使连接刚度下降，机械阻尼降低 n典型转子支承系统，设其右端轴承配合松动，间隙量为 旋转机械故障诊断 支承部件松动 转子的运动方程为 弹性恢复力 支承松动的故障机理与诊断 l故障机理 旋转机械故障诊断 支承部件松动 设 转子静变形 转子固有频率 转速比 转子偏心率 间隙比 支承松动的故障机理与诊