《旋转机械故障诊断》PPT课件.ppt

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 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 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 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 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 3 动不平衡动不平衡是以上两种不平衡的综合 m1 m2 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 3 1 5定向振动与不平衡振动故障的鉴别 定向振动与不平衡振动的鉴别 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 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 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 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60 80um之间波动 测点C振动值也偏大 在50 60um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 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 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4 5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 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3 4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 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 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16 18um曲线3 停机前2 轴振动 80um 热态启动后为120 140um 3 1 6 2轴弯曲故障案例 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3000r 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 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 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 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 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 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 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 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 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 转子不对中类型 3 2 1转子不对中的原因及分类 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 7 1 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 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 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 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1 22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 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 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 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 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1 6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1 2min 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 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 3 2 4 2不对中故障的诊断实例 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 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 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 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 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30 50um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 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 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 由于气封本身间隙小 冷态下为0 5mm 在烟机剧烈振动的情况下 引起蒸汽密封套磨损严重 以致发热 膨胀 摩擦加剧 导致封严齿局部熔化 并与蒸汽密封套粘接 继而出现跑套 蒸汽密封套与轴套熔化 烟机转子严重失衡 按实测值重新调整找正曲线后 该机组运行一直正常 3 2 4 2不对中故障的诊断实例 3 3滑动轴承故障诊断 滑动轴承由于具有优良的抗振性能和较长的工作寿命 因而在旋转机械中获得广泛应用 从动力学的角度看 它在转子系统中主要起到如下三方面的作用 对转子的负荷起支承作用 对转子的运动提供一定的刚度和阻尼 控制转子在某一个稳定的位置上运转 滑动轴承的工作性能好坏直接影响到转子运转的稳定性 尤其对于高速转子 机器所表现的振动特性往往与滑动轴承的特性参数 主要是刚度和阻尼 有直接关系 3 3 1滑动轴承工作原理 3 3 1滑动轴承工作原理 滑动轴承按工作原理 可分为静压轴承与动压轴承两类 静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工作的 无论轴是否旋转 轴颈始终浮在压力油中 工作时保证轴颈与轴承之间处于纯液体摩擦状态 轴承具有旋转精度高 摩擦阻力小 承载能力强并有良好的速度适应性和抗振性等特点 静压轴承的制造工艺要求高 此外还需要一套复杂的供油装置 因此除了在一些高精度机床上应用外 其它场合使用尚少 动压轴承因为它供油系统简单 油膜压力是由轴本身旋转产生 设计良好的动压轴承具有很高的使用寿命 因此 很多工业装置使用的旋转机器 尤其是各类大型旋转机器 均广泛采用动压轴承 在动压轴承中 轴颈外圆与轴承之间有一定间隙 间隙内充满润滑油 轴颈未旋转时 它就沉在轴承孔的底部 当转轴开始旋转时 轴颈依靠摩擦力的作用 在旋转相反方向上沿轴承内表面往上爬行 到达一定位置后 摩擦力不能支持转子重量 就开始打滑 此为半液体摩擦 转速继续升高至一定程度 轴颈把具有黏性的润滑油带入轴颈与轴承之间的楔形间隙 油楔 中 3 3 1滑动轴承工作原理 动压轴承工作状态图 楔形间隙是收敛形的 它的入口断面大于出口断面 油楔中断面不断收缩的结果使油压逐渐升高 平均流速逐渐增大 油液在楔形间隙内升高的压力就是液体动压力 所以称这种轴承为动压轴承 在间隙内积聚的油层就是油膜 油膜压力把转子轴颈抬起 当油膜压力与外载荷相平衡时 轴颈就在轴承内不发生接触的情况稳定地旋转 旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作用 略向一侧偏移 圆柱轴承内油膜压力分布 偏位角 e 偏心距 hmin 最小油膜厚度 3 3 1滑动轴承工作原理 高速轻载滑动轴承由于设计不良或使用中多种因素的影响 容易发生油膜不稳定 引起转子和轴承较大振动 在某种工作状态下 还会发生高速滑动轴承的一种特有故障 油膜振荡 它是由油膜力引起的自激振动 转子轴颈在油膜中的猛烈振动将会直接导致机器零部件的损坏 低速重载转子虽然稳定性好 但是当偏心率过大时 最小油膜厚度过薄 可能发生轴颈与轴承内表面之间的干摩擦 因此必须用一定的条件加以限制 在化工 石化 电力 钢铁和航空工业部门中使用的许多高性能旋转机器 多数转子轴承系统属于高速轻载 3 3 1滑动轴承工作原理 1 巴氏合金松脱2 轴承异常磨损 刮伤 拉毛轴颈在加速启动跑合过程中轻微的磨合磨损和配研磨损是属于正常磨损 但是当轴承存在下列故障时 将出现不正常的或严重的磨损 刮伤和拉毛 1 轴承装配缺陷2 轴承加工误差3 转子发生大振动4 止推轴承设计误差5 供油系统问题 3 3 2滑动轴承常见故障的原因和防治 3 轴承疲劳1 轴承过载 使承载区的油膜破裂 局部地区产生应力集中或局部接触形成的裂纹 裂纹扩展后即产生疲劳破坏 2 轴瓦松动 轴承间隙过大 过小以及机器振动 在轴承上产生交变载荷 3 轴承工作时的摩擦和咬粘 产生局部高温 在材料中形成热应力和热裂纹 热裂纹扩展产生疲劳剥落 4 巴氏合金越厚 对于疲劳越敏感 容易发生疲劳破坏 5 巴氏合金的强度随着温度的升高而下降 因此轴承在高温下工作 很容易产生疲劳裂纹 疲劳裂纹的扩展加速轴承疲劳破坏 3 3 2滑动轴承常见故障的原因和防治 4 轴承腐蚀腐蚀损坏主要是由润滑剂的化学作用引起 如果润滑剂选用不当 在工作条件下生成氧化膜和反应物 使润滑剂很快 老化 丧失润滑性能 5 轴承气蚀气蚀在轴承内油液压力低的区域 压力低于油液的饱和蒸汽压 生成一个个微小的气泡 这些气泡带到高压区时被挤破 挤破瞬间形成的压力冲击波冲击轴承表面 使表面金属很快产生疲劳裂纹或金属层剥落 6 轴承壳体配合松动轴承盖与轴承座之间压得不紧 轴承套和轴承盖之间存在间隙 转子工作时轴瓦松动 影响轴承油膜的稳定性 振动具有非线性特点 3 3 2滑动轴承常见故障的原因和防治 7 轴承间隙不适当间隙太小 由于油流在间隙内剪切摩擦损失过大 引起轴承发热 同时油量减少 来不及带走摩擦产生的热量 间隙太大 即使是一种很小的激励力 如不平衡力 也会引起很明显的轴承振动 并且在过临界转速时振动很大 对于高速轻载转子 过大的轴承间隙会改变轴承的动力特性 引起转子运转不稳定 轴承间隙大 类似于一种松动问题 在轴振动的频谱上会出现很多转速频率的谐波成分 8 轴承温度过高1 轴承间隙太小 2 轴承载荷过高 3 油冷却器故障 进油温度升高 4 轴承形状或轴承装配不符合要