基于旋转机械转子不平衡故障的诊断与分析

基于旋转机械转子不平衡故障的诊断与分析基于旋转机械转子不平衡故障的诊断与分析 王宇飞王宇飞 兰州石化职业技术学院兰州石化职业技术学院 兰州兰州 谢永鹏谢永鹏 中国石油兰州石化公司中国石油兰州石化公司 兰州兰州 摘 要 化工生产中 石油 化工产品都是利用一定的生产技术和按照特定的工艺要求 将原料经过一系列加工处理得到的 在生产过程中需要有相应的机器和设备以满足生产的 工艺要求 结合石化生产的特殊性 设备的安全可靠运行是重中之重 而在机器设备的故 障中 旋转机械故障占了很大的比重 旋转机械约有近七成的故障与转子不平衡有关 因 此 对旋转机械的转子不平衡故障的研究和诊断最有实际意义 关键词 旋转机械 转子不平衡 故障诊断 状态监测 中图分类号 TP206 3 正 文 一 引言一 引言 近年来化工生产中的设备 机器有着明显趋势就是向功能原理多样化 大型化 连续 化和集成化方向发展 以此提高生产效率 降低生产成本 使用较低的消耗来充分完成设 备的工艺目标 然而 一旦机器设备发生故障 所造成的后果将是十分严重的 甚至是灾 难性的 首先 生产过程被中断 最直接的就是经济损失 其次 由于石化生产的特殊性 可能造成人身伤亡以及对环境的污染 在机器设备的故障中 旋转机械故障占了很大的比 重 如风机 压缩机和汽轮机等设备 都是石油 化工 冶金和电力等现代企业中的关键 生产工具 通常大型旋转机械的故障常在振动状况方面体现出来 要保证设备安全可靠运 行 就必须对其进行故障诊断和状态的监测 现代化生产中 不能停留在设备的事故后维 修 要进行故障前的监测并对得到信息进行分析同时预测设备下一步的运行趋势 据统计 旋转机械约有近七成的故障与转子不平衡有关 因此 对旋转机械的转子不平衡故障的研 究和诊断最有实际意义 二 不平衡故障的产生二 不平衡故障的产生 原理 旋转机械的转子不平衡是指转子受材料质量分布 加工误差和装配技术以及长期运行 中产生不均匀的磨损 腐蚀 变形 零件脱落 不均匀结垢等各种因素的影响 使其质量 中心和旋转中心线之间存在一定的偏心距 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 如下图所示为一个带有薄圆盘的刚性转子支 承在跨度为 的两个轴承上 假定转子系统没有阻尼 转子质量为 质心距旋转中心 olm 的距离即偏心距为 旋转角速度为 转子产生的离心力为 e 2 Fme 以上表达式表明 离心力的 大小与转子质量 偏心距 转速 有关 且方向与同步 因此 离心力为一交变载荷 众所周知 交变的力会引起振动 这就是不 平衡引起振动的原因 转子每转 动一周 离心力方向变化一个周 期 因此不平衡振动的频率和转速一致 转子不平衡产生的离 心力 故障特征 转子不平衡故障的振动特征主要表现在四个方面 第一 不平衡故障主要引起转子或 轴承的径向振动 在转子径向测点的频谱图上转速频率成分具有突出的峰值 第二 转速 频率的高次谐波幅值很低 反映在时域上的波形很接近于正弦波 第三 转子同一个截面 处相互垂直的两个径向测振点之间 相位差在左右 因此轴心轨迹接近一个圆形或椭90 圆形 第四 除悬臂转子之外 对于普通两端支承的转子 轴向振动一般并不明显 类型 造成不平衡的原因很多 按不平衡产生的过程把不平衡分为三类 原始不平衡 是由 于转子制造误差 装配误差 材质不均匀造成的 在使用之初就有较大的振动 渐发性不 平衡 由于转子在运行过程中不均匀结垢 转子的不均匀磨损及工艺介质对转子的不均匀 腐蚀造成的 表现为振动值随运行时间的增长而变得强烈 突发性不平衡 由于转子上零 部件脱落或叶轮流道阻塞造成的 振动值发生突变 设备故障诊断的目的是保证设备安全可靠运行 要实现这一目的 首先明确故障的机 理 通过提取相应的故障特征 以此确定故障的类型 最终提出相应的解决方案 消除故 障 使设备安全运行 三 故障的诊断三 故障的诊断 对于旋转机械而言 其转子故障的类型很多 包括转子不平衡 转子不对中 转子弯 曲 转子支撑部件联接松动 转子的碰摩故障等等 而就故障特征来说转子不平衡与转子 弯曲就很难区分 有人还习惯将转子弯曲与转子不平衡同等看待 实际上两者是有本质上 的区别的 转子不平衡是转自个横截面的质心连线与其几何中心连线不重合 而转子弯曲 是指转子个截面的几何中心连线与旋转轴线不重合 相同的是二者都会使转子产生偏心质 量 使转子产生振动 1 转子弯曲故障机理及特征 在化工生产过程中 机组停机一段时间后重新开机时 有时会遇到振动过大甚至无法 启动的情况 这通常是由于机组停机时产生的转子弯曲的故障 转子弯曲有两种类型 永 久弯曲 转子呈弓形弯曲后无法恢复 可能是由于设计制造缺陷或长期停放不当所致 临 时性弯曲 可恢复的弯曲 由于转子受预负荷过大 升速过快等致使转子热变形不均匀发 生的弯曲 转子弯曲的故障在时域波形 特征频率 轴心轨迹及敏感参数上均与转子不平衡有着 十分的相似性 其时域波形为等幅正弦波 特征频率为基频 同时伴有二倍频和高次谐波 轴心轨迹为比较稳定的圆或偏心率很小的椭圆形 敏感参数为转速 基于这样的特点 要 采取不同的方法加以区分 只有故障类型确定了 才能找到造成故障的原因 提出相应的 解决方案 是设备正常运行 2 转子不平衡与弯曲故障的甄别 对于设备的故障诊断来说 最重要的一环就是特征信号的分析 监测设备通过对机器 敏感的测量点进行信号的提取 要知道设备的运行情况就是通过信号的分析技术的知的 常用的分析技术有两种 即时域分析和频域分析 时域统计指标只能反映设备的运行情况 如何 主要用于故障的监测和预报运行趋势 一旦设备发生故障 要知道故障的部位 类 型就要对信号进一步分析 通常是频谱分析 大多数机械设备都是通过各零部件间的运动 关系 来传递力和运动 也就是机械能 在传递过程中 由于各部件间的摩擦作用 运动 的不平稳造成了能量的损失 设备的状态监测与诊断技术就是对这些附加能耗损失进行分 析 判断机械设备的运行状态 而频谱图就是对其 分析的主要工具 通过正确观察频谱图 确定其特 征频率 不同的故障类型表现出不同的特征频率 例如 转子不平衡的特征频率为基频 转子不对中的特征频率为二倍频 而转轴裂纹的特 征频率为二倍频和三倍频 如右图所示 为转子不平衡典型的频谱 不难看出 其特征频 率为基频 伴有高次谐波 然而转子弯曲的特征频率也是基频 理论上会出现二倍频 与 不平衡加以区分 可还是要从实际出发 虽然二者有太多相似之处 可也有本质的区别 不同之处在于转子弯曲会使轴两端产生锥形运动 因此在轴向产生较大的工频振动 同时 由于弯曲产生的弹力和转子不平衡所产生的离心力相位不同 两者之间相互作用会有抵消 转轴的振幅在某个转速下会减小 在时域波形上可以很清楚的产生一个凹谷 弯曲作用大 于不平衡量时 凹谷发生在临界转速以上 不平衡量大于弯曲作用时 凹谷发生在临界转 速以下 3 解决方案 对于设备故障诊断技术来说要判断设备运行状态并预报运行趋势 然而一旦设备发生 故障 就要确定故障类型 找出故障原因同时还要提出解决方案消除故障 最终是设备安 全运行 这才是故障诊断的最终目的 旋转机械的转子不平衡故障的原因很多 主要从设 计 制造 安装维修 操作运行 状态劣化等方面来考虑 通过对信号进行分析处理 确 定不平衡类型 根据不同的类型确定处理措施 初始不平衡 要按技术要求对转子进行动 平衡试验 消除转子松动部件等处理措施 渐变式不平衡 对转子除垢修复 保证介质清 洁等 突发性不平衡 消除应力防止转子损坏或直接更换损坏转子 通过这些针对生产实 际的措施 保证设备安全运行 更好的实现其工艺目标 四 结论四 结论 现代化生产中 提高设备的安全可靠性 提高工作效率 降低了维修费用 尽量避免 设备在生产中的被迫停机 延长设备使用寿命是对设备提出的全面要求 设备的故障诊断 技术在生产中的应用解决了这一系列问题 然而不同的设备存在这各种各样的故障类型 工程技术人员要能更具特征信号准确的确定故障的类型 找出原因并将其消除 这就要求 我们能掌握机器常见的各种故障的特征 能在实践中不断总结 为设备的故障诊断技术的 发展提供强有力的实践基础 参考文献 1 杨国安 机械设备故障诊断实用技术 M 北京 中国石化出版社 2007 2 张 键 机械故障诊断技术 M 北京 机械工业出版社 2008 3 张碧波 设备状态监测与故障诊 M 断 北京 化学工业出版社 2004 4 李 庄 化工机械设备安装调试 故障诊断 维护及检修技术规范实用手册 M 吉林 吉林电子出版社 2003 5 徐小杰 虚拟仪器在转子不平衡故障诊断中的应用 D 焦作 焦作大学学报 2007 Fault Diagnosis and Analysis of Rotor Imbalance of Rotating Machinery Yufei wang Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology Abstract In chemical production the petroleum and chemical products are obtained from a series of processing and treatment of the raw materials by adopting cetarin production techniques in accordance with the specific technological requirements The appropriate machinery and equipment are necessary in the process of production for meeting the technological requirements of production Meanwhile the safe and reliable operation of equipments is the most important factor concerning the specificity of petrochemical production However the rotating mechanical fault accounts for a significant proportion in machinery and equipment fault Nearly seventy percent of fault of rotating machinery is related to the rotor imbalance Therefore it is of great practical sign