转子系统状态监测与故障诊断技术

转子系统状态监测与故障诊断技术机械故障的主要原因周期振动及其性质监测参数及分析方法转子系统主要故障及其诊断 不平衡 不对中 油膜失稳 动静碰摩 转子裂纹 机械设备中大部分都是旋转机械 它覆盖了动力 电力 化工 冶金 机械制造等重要工程领域 旋转机械转速一般都较高 因此对故障诊断技术的要求就特别迫切 如 汽轮发电机 压缩机 风机 大型轧钢机等 其工况状态不仅影响该机器设备本身的运行 而且还会对后续生产造成损失 严重时还会对国民经济造成重大损失 甚至导致机毁人亡事故 为保证机组安全运行 降低机组维修费用和提高机组利用率 大型旋转机械的状态监视与故障诊断的研究就越来越受到研究者和工业部门的重视 1 机械故障的主要原因 设计原因 设计不当 动态特性不良 运行时发生强迫振动或自激振动 结构不合理 应力集中 设计工作转速接近或落人临界转速区 热膨胀量计算不准 导致热态对中不良 制造原因 零部件加工制造不良 精度不够 零件材质不良 强度不够 制造缺陷 转子动平衡不符合技术要求 安装 维修 机械安装不当 零部件错位 预负荷大 轴系对中不良 机器几何参数 如配合间隙 过盈量及相对位置 调整不当 管道应力大 机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度 转子长期放置不当 改变了动平衡精度 未按规程检修 破坏了机器原有的配合性质和精度 操作运行 过程 工艺参数 如介质的温度 压力 流量 负荷等 偏离设计值 机器运行工况不正常 机器在超转速 超负荷下运行 改变了机器的工作特性 运行点接近或落入临界转速区 润滑或冷却不良 转子局部损坏或结垢 启停机或升降速过程操作不当 暖机不够 热膨胀不均匀或在临界区停留时间过久 机器劣化 长期运行 转子挠度增大或动平衡劣化 转子局部损坏 脱落或产生裂纹 零部件磨损 点蚀或腐蚀等 配合面受力劣化 产生过盈不足或松动等 破坏了配合性质和精度 机器基础沉降不均匀 机器壳体变形 2 周期振动的定义 周期函数可以展开为傅里叶级数第1项为均值或直流分量第2项为基本振动 基频振动 工频振动 或基波 记为1x第3项以下总称为高次谐波振动 2x 3x nx 两个方向互相垂直的简谐振动的合成 3 监测参数及分析方法振幅 表示振动的严重程度 可用位移 速度或加速度表示分频振动 机器特征频率下的振幅和相位 旋转机械主要有工频 1X 半倍频 0 5X 和二倍频 2X 等频率 描述机器振动状态的十分重要的特征量相位 动态特性 故障特性及转子的动平衡等具有重要意义轴心位置 稳定情况轴承中心相对于转轴轴颈中心的位置轴向位置 差胀 转子与静子之间轴向间隙的变化值对中度 轴系转子之间的连接对中程度温度 轴瓦温度反映轴承运行情况润滑油压 反映滑动轴承油膜的建立情况 涡流传感器的安装 相位测量相位 基频信号相对于转轴上某一确定标记的相位差 相位的测量 轴振动对应的高点H 相位参考标记 随机振动时历曲线 脉冲宽度对相位的影响 波特图 Bodeplot 从波特图中可以得到 转子系统在各个转速下的振幅和相位 转子系统在运行范围内的临界转速值 转子系统阻尼大小和共振放大系数 综合转子系统上几个测点可以确定转子系统的各阶振型 极坐标图 是振动矢量端点轨迹 是由实际响应的1x幅值与相位绘制的 轴心位置图 轴心位置图是指转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置 通过轴心位置图可判断轴颈是否处于正常位置 对中好坏 轴承标高是否正常 轴瓦有否变形等情况 从长时间轴心位置的趋势可观察出轴承的摩损等 轴心轨迹在同一个截面上两个涡流传感器所拾取的振动信号合成 它表征转子轴心在一个支承截面内的运动轨迹 表征轴颈在轴瓦中转动时轴心涡动轨迹 基频 1X 幅值的测量 通常由一台具有滤波功能的仪器完成 滤波前后的波形及轴心轨迹 转子系统的异常振动类型及其特征 频谱比较 利用瀑布图可以判断机器的临界转速 振动原因和阻尼大小 瀑布图 利用瀑布图可以判断机器的临界转速 振动原因和阻尼大小 瀑布图 利用FFT频谱分析仪 将旋转机械的升速过程做阶次分析 OrderTracking 以便进一步了解振动的构成原因 趋势分析特征数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来进行分析 可以是通频振动 1X振幅 2X振幅 0 5X振幅 轴心位置等 时间顺序可以按前后各次采样 按小时 按天等 相对轴位移 相对轴膨胀 5 转子系统主要故障及其诊断 5 1不平衡振动 由于设计 制造 安装中转子材质不均匀 结构不对称 加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢 热弯曲 零部件脱落 电磁干扰力等原因而产生质量偏心 转子旋转时 质量不平衡将激起转子的振动 这是旋转机械最常见的故障 不平衡振动的特征转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上 它相对于转子是静止的 其振动频率就是转子的转速频率 也称为工频 即工作频率 在频谱分析时 首先要找的就是工频成分 其特征有 不平衡振动的某些特征 转子不平衡的轴心轨迹 转子不平衡故障谱图 转子不平衡故障的Bode图 例 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 主要振动特征 如图所示 由图可见 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 有突出的峰值 高次谐波分量较小 原因分析 检查该转子的库存记录 库存时间较长 因转子较重 保管员未按规定周期盘转 初步断定是转子动平衡不良造成的 处理措施 机组故障原因是转子不平衡 短期内不会迅速恶化 考虑到化工生产工艺流程生产不能中断 经研究决定 监护运行 生产验证 在加强监测的前提下维持运行 其振动趋势稳定 没有增大的趋势 维持运行一个大修周期 18个月 后 下次大修时更换转子并送专业厂检查 发现动平衡严重超标 例 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 其时域波形为正弦波 分析其频谱 以1 频为主 分析其矢量域图 相位有一个缓慢的变化 如图所示 诊断意见 经过两个月的连续观测 根据其振动特征 对照不平衡故障的甄别方法 判定其故障原因为渐变不平衡 是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成的 处理措施 渐变不平衡短期内不会迅速恶化 同时正常生产一旦中断将会导致巨大的经济损失 因此决定利用在线监测系统监护其运行 待大修时再做处理 生产验证 6个月后工厂年度大修 更换转子后在机修车间检查 转子并不弯曲 目测检查 无结垢和腐蚀现象 但送专业厂拆卸检查后发现 一轴套内侧 不拆卸转子时看不到部分 发生局部严重腐蚀 导致转子不平衡质量逐渐增大 例 质量不平衡 3 轴承负荷增加 振动增加 初步判断 在现场安装发动机侧靠背轮时 靠背轮采用冷装方法安装 紧力不够 当转速升高时 紧力消失 在靠背轮处产生不平衡力 两转子的对中性也产生变化 随着转速升高及负荷增大 该处轴振动幅值明显增大 3 轴瓦瓦枕与轴承间配合为间隙配合 没有紧力 对振动起放大作用为逐步排除可能原因 按设备制造厂的技术要求对靠背轮进行热装 重新调整瓦枕与轴承配合情况 使它们之间有30 m的紧力 3 轴承振动与负荷无关 但随转速增加而增加 3 轴承垂直振动能量同频占主导 是由于发电机侧靠背轮处存在质量不平衡产生的离心力造成的 原因 1 汽轮机生产厂家提供的联轴器与联接螺钉没有相对应的安装编号 联接螺钉没有与汽轮机转子 联轴器一起做动平衡 2 发电机侧联轴器是在安装现场热装在发电机转子上 没与发电机转子一起做高速动平衡 热套后存在不平衡质量 例 质量不平衡 125MW汽轮机轴系图 机组大修后第一次试运行 当转速升到1500rpm时轴系中2 3 7 轴承振动值严重超标 被迫打闸停机 在分析轴系振动查找故障时 部分人认为这种振动可能是轴系中个别转子处在第一阶临界转速范围 如果增加升速率快速冲过临界转速区域可能使轴承振幅值降到合格范围 第二次启机试运 当转速升到1700rpm时 3 瓦振幅值已达到123 m 因振动值严重超标第二次又被迫打闸停机 通过振动特征分析认为低压转子振动是由于转子存在过大的不平衡量 导致转子在高速旋转时将产生较大的变形 如果机组动静间隙偏小 将会引起摩擦 又将导致振动值不稳定 加剧了振幅值的增大 几次试运在转速不变的情况下 3 瓦振动幅值由40 m升到62 m 当转速由1600rpm升到2200rpm时振幅值直线上升 并迅速升到144 m 从升速过程中振幅值逐渐增大的现象和振动频率基本为工频 振动幅值随转速突变的特点可以认为这是由不稳定干扰力引起的强迫振动 从2 3 瓦振动相位分析 振动是同相力为主 因而振动是由于低压转子一阶不平衡过大 励磁机7 瓦振动过大的原因经分析主要是轴承座动刚度偏低 在激振力不变的条件下 增大轴承支承刚度可降低轴承振幅 不平衡类故障 质量不平衡 轴永久弯曲 轴热弯曲那么 如何区分呢 5 2转子不对中旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统 转子间一般采用刚性或半绕性联接轴联接 由于制造 安装及运行中支承轴架不均匀膨胀 管道力 机壳膨胀 地基不均匀下沉等多种原因影响 造成转子不对中故障 引起机组的振动 a 平行不对中 b 角度不对中 c 组合不对中 转子不对中故障的主要特征有 改变轴承的支承负荷 使轴承的油膜压力也随之改变 负荷减小的轴承可能会产生油膜失稳 2 最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上 且振动值与转子的负荷有关 随负荷的增大而增高 3 平行不对中主要引起径向振动 振动频率为两倍旋转频率 同时也存在多倍频振动 不对中轴振动的某些特征 不对中轴心轨迹 左图是一台水泵的谱图 图中2X处有峰值 存在某种程度的不对中 检查发现不对中量达0 254mm 找正后谱图 右图 2x处的幅值已明显变小 机组运行相当平稳 说明 1 两次测量结果 1X处的幅值无明显变化 而2X处幅值变化很大 这正是不对中故障的典型频谱特征 2 在2X附近有两个谱峰 一个在7100r min处 为水泵的二倍轴频谱 另一个在7200r min处 它是电机定子绕组中电气故障引起的 例 某厂一台透平压缩机组整体布置如图 机组年度检修时 除正常检查 调整工作外 还更换了连接压缩机高压缸和低压缸之间的联轴器的连接螺栓 对轴系的转子对中情况进行了调整等 检修后启动机组透平和压缩机低压缸运行正常 而压缩机高压缸振动较大 在允许范围内 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振动值增加两倍 测点6的轴向振动加大 透平和压缩机低压缸的振动无明显变化 机组运行两周后 高压缸测点5的振动值又突然增加一倍 超过设计允许值 振动剧烈 危及生产 压缩机高压缸主要振动特征如下 1 连接压缩机高 低压缸之间的联轴器两端振动较大 2 测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波 频谱中2 具有较大峰值 3 轴心轨迹为双椭圆复合轨迹 4 轴向振动较大 诊断意见 压缩机高压缸与低压缸之间转子对中不良 联轴器发生故障 必须紧急停机检修 生产验证 检修人员做好准备工作后 操作人员按正常停机处理 根据诊断结论 重点对机组联轴器局部解体检查发现 连接压缩机高压缸与低压缸之间的联轴器 半刚性联轴器 固定法兰与内齿套的连接螺栓已断掉三只 复查转子对中情况 发现对中严重超差 不对中量大于设计要求16倍 同时发现连接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求 螺纹根部应力集中 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 5 3滑动轴承的半速涡动和油膜振荡 油膜压力产生示意图 圆柱轴承轴颈中心受力后在间隙中的位移 轴颈中心涡动的可能形式 油膜对轴颈的作用按线性理论 油膜对轴颈的作用可用4个刚度系数和4个阻尼系数来表示 轴在轴颈中作偏心旋转时 形成一个轴液流速不马上下降 则轴颈从油楔中间隙大的地方带入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 多余的油就推动轴颈前进 形成与轴旋转方向相同的涡动运动 涡动速度即为油楔本身的前进速度 实际产生涡动的频率约为 油膜振荡轴心轨迹 消除油膜振荡的措施有 增加转子系统的刚度 转子固有频率越高 产生油膜振荡的失稳转速也越高 2 选择合适的轴承形式及其参数 圆柱轴承制造简单 但抗振性最差 椭圆轴承 多油楔轴承次之 可倾瓦轴承最好 3 增加轴承比压 改变进油温度或粘度 如切短轴承长度 在下瓦中部开环形槽等 国产300mW汽轮发电机组的油膜振荡是通过将轴瓦长度从430mm缩减到320mm以及将原30号油改用20号油来解决的 4 增加外阻尼 5 减小轴承间隙 6 改变进油压力 5 4动静摩擦特征1 振动频带宽 既有与转速频率相关的低频部分 也有与固有频率相关的高次谐波分量 并伴随有异常噪声 可根据振动频谱和声谱进行判别 2 振动随时间而变 在转速 负荷工况一定 由于接触局部发热而引起振动矢量的变化 其相位变化与旋转方向相反 3 接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动 大于10 相位变化 局部摩擦时 无论是同步还是异步其轨迹均带有附加的环