设备状态监测与故障诊断技术第5章-旋转机械故障诊断技术

第五章旋转机械故障诊断技术 旋转机械是指齿轮箱 离心风机 离心泵 汽轮机 燃气轮机 发电机 电动机 离心压缩机 水轮机 航空发动机等机械设备 它们广泛应用于电力 石化 冶金 机械 造纸 船舶 航空以及一些军事工业部门 随着科学技术和现代工业的发展 旋转机械正朝着大型 高速和自动化方向发展 这对提高安全性和可靠性 对发展先进的状态监测与故障诊断技术 提出了迫切的要求 旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究 发展比较成熟的故障诊断技术 具有一定的代表性 因此书的重点部分 也是难点部分 第五章旋转机械故障诊断技术 学习目标 掌握旋转机械典型故障 如转子不平衡 转子不对中 共振 机械松动 转子摩擦 滑动轴承故障 转轴裂纹 流体动力激振 拍频振动等的机理和特征 掌握滚动轴承故障诊断技术 齿轮故障诊断技术 了解电动机故障诊断技术 皮带驱动故障诊断技术 熟悉利用征兆的故障诊断方法 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 一 转子不平衡不平衡是旋转机械最常见的故障 引起转子不平衡的原因有 结构设计不合理 制造和安装误差 材质不均匀 受热不均匀 运行中转子的腐蚀 磨损 结垢 零部件的松动和脱落等 转子不平衡故障包括 转子质量不平衡 转子偏心 轴弯曲 转子热态不平衡 转子部件脱落 转子部件结垢 联轴器不平衡等 不同原因引起的转子不平衡故障规律相近 但也各有特点 1 转子质量不平衡力不平衡 不平衡产生的振动幅值在转子第一临界转速以下随转速的平方增大 例如 转速升高1倍 则振动幅值增大3倍 在转子重心平面内只用一个平衡修正重量便可修正之 力偶不平衡 至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正 动不平衡 动不平衡是不平衡的最普遍的类型 它是力不平衡和力偶不平衡两者的组合 悬臂转子不平衡 悬臂转子不平衡包含力不平衡和力偶不平衡两者 总是必需要在两个修正面内加以修正重量 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 2 转子偏心 皮带轮 齿轮 轴承和电动机框架等旋转中心与几何中心线偏离时出现偏心 最大的振动出现在两个转子中心连线方向上 3 轴弯曲 弯曲的轴引起大的轴向振动 如果弯曲接近轴的中部 占优势的振动出现在转子转速频率 如果弯曲接近力偶 则占优势的振动出现在2倍转速频率 用千分表可以证实轴的弯曲 在汽轮发电机组中 通常是在盘车时和盘车后测量晃动度的大小来判断转子是否存在初始弯曲 4 转子热态不平衡 在机组的启动和停机过程中 由于热交换速度的差异 使转子横截面产生不均匀的温度分布 使转子发生瞬时热弯曲 产生较大的不平衡 热弯曲引起的振动一般与负荷有关 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 5 转子部件脱落可以将部件脱落失衡现象看作对工作状态的转子的瞬时阶跃响应 主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定 振动幅值一般会有较明显的增大 如果有在线监测系统的话将能捕捉到这一情况 为了防止脱落部件在惯性力作用下飞出使机体发生二次事故 必要时应及时停机检修 6 转子部件结垢由于结垢需要一定长甚至相当长的时间 所以振动是随着年月逐渐增大的 7 联轴器不平衡通常是联轴器两端轴承的振动较大 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 转子不平衡的总体振动特征 通常是水平方向刚度较小 振动幅值较大 轴心轨迹成为椭圆形 稳态振动是一个与转速同频的强迫振动 振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化 在临界转速处达到最大值 因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大 同时会出现较小的高次谐波 使整个频谱呈所谓的 纵树形 如下图所示 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 图5 1转子不平衡故障谱图 实例一 转子不平衡故障的诊断 波形为简谐波 少毛刺 轴心轨迹为椭圆 1X频率为主 轴向振动不大 振幅随转速升高而增大 过临界转速有共振峰 图5 00风机传动示意图 某化纤公司聚酯装置一台热媒加热炉燃烧风机 2002年9月26日采集的径向速度频谱图中转速频率占绝对优势 是典型的转子 叶轮 不平衡信息 此时振动幅值相对不大 无需修理 实例二 转子不平衡故障的诊断 图5 2燃烧风机传动示意图 热媒炉燃烧风机振动幅值 转速对照表 本案例利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作 确保了设备安全稳定运行 同时它也充分印证了这一理论 不平衡产生的振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大 注 转子产生的离心力F ME 2 式中 M 转子质量 E 偏心距 旋转角速度 10月22日振值出现大幅上升 查频谱图得知转速被调高 因此分析这很可能是造成振动增大的直接原因 在满足工艺要求的前提下两次调低转速 结果振值重又回落 实例二 转子不平衡故障的诊断 在涤纶短纤维生产工艺流程中有这样一台瓶颈设备 喂入机 纤维丝束从喂入轮绕过 由于其结构和用途的特殊性 喂入轮不平衡现象频发 它们的共同频谱特征是 喂入轮转速频率占绝对优势 实例三 转子不平衡故障的诊断 图5 4喂入机传动示意图 图5 5喂入机轮不平衡速度谱图 结合喂入轮实际特点 引起其不平衡的诱因主要有 制造误差 锈蚀 表面结垢 磨损引起的喂入轮轴系配合松动等 以前在检修时发现 由于操作人员经常用水冲洗喂入轮致其内部进水 其安装螺栓已经产生了大量锈蚀 再加之油剂等产生的工艺杂质附着在喂入轮齿形表面越积越厚 结垢 是造成喂入轮不平衡现象频发的主要原因 为此 已将其列为工艺处理注意事项 并要求操作人员利用缠辊等停机机会及时对喂入轮表面进行清理 如果把上述两个案例放在一起来分析 我们会发现这样一个现象 那就是不管是叶轮还是喂入轮 它们都是悬臂转子 而且又都是盘类零件 注 叶轮也可以看作为盘类零件 即长径比小的零件 这说明悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡 实例三 转子不平衡故障的诊断 二 不对中 旋转机械单转子系统通常由两个轴承支承 由多个转子串接组成的复杂转子系统 转子与转子间用联轴器联接 因此转子不对中具有两种含义 一是指转子与转子间的联接不对中 主要反映在联轴器的对中性上 二是转子轴颈与两端轴承不对中 有资料表明现有企业在役设备30 50 存在不同程度的不对中 严重的不对中会造成设备部件的过早损坏 同时会造成能源的浪费 典型不对中如图所示 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 图5 6典型不对中示意图 后者对滑动轴承来说 与轴承是否形成良好的油膜有直接关系 滚动轴承的对中 如电动机转子两端的轴承对中 主要是由于两端轴承座孔不同轴 以及轴承元件损坏 外圈配合松动 内圈配合松动 两端支座 对电动机来说是前后端盖 变形等 都会引起不对中 有的机器 如汽轮发电机之类的设备 在冷态 未运转时 情况下转子对中情况是符合要求的 一旦运转中温度升高就可能发生热不对中 此外 地脚螺栓松动 基础下沉 这一点对于新安装的设备尤其需要注意 联轴器销孔磨损等故障的存在也会引发不对中 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 图5 7转子不对中的基本形式a 联轴器不对中 b 轴承不对中 c 带轮不对中 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 1 角向不对中角向不对中的特征是轴向振动大 典型地出现转速频率和2倍转速频率大的轴向振动 还常见转速频率 2倍转速频率和3倍转速频率都占优势的情况 如果2倍转速频率或3倍转速频率超过转速频率的30 到50 则可认为是存在角不对中 这些征兆也指示联轴器故障 严重的角向不对中可激起转速频率的许多阶谐波频率 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 2 平行不对中平行不对中的振动征兆类似于角向不对中 但是 径向方向振动大 2倍转速频率振动往往大于转速频率振动 联轴器的类型和结构决定2倍转速频率振动相对于转速频率振动的高度 角向不对中或平行不对中严重时 可在较高谐振波频率4倍到8倍转速频率谐波处出现大的振动 甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波 3 滚动轴承偏斜地固定在轴上不对中的滚动轴承卡在轴上时 将产生明显的轴向振动 通常 必须卸下轴承并重新正确安装 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 不对中的总体振动特征 联轴器不对中时轴向振动较大 振动幅值和相位稳定 轴承不对中时径向振动较大 有可能出现高次谐波 振动不稳定 振动对负荷变化敏感 当负荷改变时 由联轴器传递的扭矩立即发生改变 如果联轴器不对中 则转子的振动状态也立即发生变化 由于温度分布的变化 轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中 使转子的振动也要发生变化 但由于热传导的惯性 振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间 转子径向振动出现二倍频 以一倍频和二倍频分量为主 不对中越严重 二倍频所占比例越大 相邻两轴承的油膜压力反方向变化 一个油膜压力变大 另一个则变小 典型的轴心轨迹为香蕉形 正进动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 图5 8典型不对中谱图 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 实例四 转子不对中故障的诊断 出现2 频率成分 轴心轨迹成香蕉形或8字形 振动有方向性 轴向振动一般较大 本例中 出现叶片通过频率 不对中故障的影响和防治 当转子存在不对中时 将产生一种附加弯矩 给轴承增加一种附加载荷 致使轴承间的负荷重新分配 形成附加激励 引起机组强烈振动 严重时导致轴承和联轴器损坏 地脚螺栓断裂或扭弯 油膜失稳 转轴弯曲 转子与定子间产生碰磨等严重后果 所以及时预测处理不对中故障对确保设备正常运行 减少事故损失十分重要 由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题 多年来工程研究人员一直在致力于追求更加科学合理的联轴器找正技术 目前 激光对中仪已在一些大型设备的安装 检修过程中得到了广泛应用 并取得了显著的经济效益 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 三 共振 强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振 使振动幅值急剧放大 导致过早损坏或灾难性破坏 这可能是转子的自然频率 也常常起源于支承框架 基础 齿轮箱甚至传动皮带 如果转子处在或接近共振 由于很大的相位漂移 几乎不可能平衡掉 共振时相位漂移为90度 通过共振时相位漂移接近180度 这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率 自然频率通常不随转速变化 这一点有助于识别自然频率 除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 设备共振案例一 某聚酯圆盘反应器升负荷试验 从图中可以看到 特征频率均为电机输出轴工频 这一般为电机转子不平衡信息 后进行修理 从转速调升后出现的振值上升情况也基本可以验证这一判断 升速测试结果如表5 3所示 图5 9圆盘反应器电机径向速度谱图 图5 10圆盘反应器电机径向位移谱图 设备共振案例一 某聚酯圆盘反应器升负荷试验 主轴转速调至4 95rpm时 振动值非常大 但调至5rpm时 振动值复又下降 这说明 4 95rpm时的特征频率17 82Hz为机台一共振频率 后来通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率 最终解决了共振的问题 表5 3圆盘反应器电机测试数据 设备共振案例二 某第二酯化反应器变速试验 测试结果如下表所示 表明电机转速为941rpm时 存在一共振频率15 69Hz 电机转速为1112rpm时 振动值在受控范围内 已避开共振点 故在此状况下使用 四 机械松动 1 A型机械松动这种频谱是机器底脚 底板或基础的结构松动减弱引起的 或者由基础上恶化的水泥浆 松动的地脚螺栓 或者框架 或者基础变形 即软脚引起的 A型机械松动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 B型机械松动 2 B型机械松动这种频谱通常是由螺栓松动 框架结构或轴承座裂纹引起的 主要以2倍转速频率为特征 幅值有时不稳定 振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现 此时要消除平衡或对中将很困难 在间隙达到出现碰撞前 振动主要是1倍转速频率和2倍转速频率 出现碰撞后 振动将出现大量谐频 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 3 C型机械松动这种频谱通常是由零部件之间配合不良引起的 将产生许多谐波频率 而且往往引起精确的0 5倍或1 5倍转速频率等亚谐波频率 C型松动往往是由轴承衬套在其盖内松动 轴承松动和在轴上旋转 滑动轴承或滚动轴承间隙过大 叶轮在轴上松动等引起的 C型机械松动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 C型机械松动实例 转子系统松动故障的诊断 波形出现许多毛刺 谱图中噪声水平高 出现精确2X 3X 等成分 最高可达16X 松动结合面两边 振幅有明显差别 五 转子摩擦 当旋转件与静止件相接触时 转子摩擦产生类似于机械松动产生的频谱 摩擦可能是局部的 也可能是整个转子一周都摩擦 通常 产生一系列频率 往往激起一个或多个共振 根据转子自然频率的位置 常常激起转速的整分数倍亚谐波频率0 5 1 1 5 2 4 5倍等 转子摩擦可激起许多高频类似于粉笔在黑板上拖动产生的宽带噪声 如果轴与巴氏合金相接触引起摩擦时 它可能非常严重 非常短促 整个轴圆周全部角度摩擦可产生 反进动 即转子以临界转速频率回转 但是 方向与轴的旋转方向相反 这是一种可导致灾难性破坏的不稳定的振动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 典型的碰磨故障的波形和频谱如图5 15所示 AG f Otf a 波形 b 频谱图5 15转子碰摩的波形和频谱图 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 转子摩擦的总体振动特征 转子失稳前频谱丰富 波形畸变 轴心轨迹不规则变化 正进动 转子失稳后波形严重畸变或削波 轴心轨迹发散 反进动 轻微摩擦时同频幅值波动 轴心轨迹带有小圆环 碰摩严重时 各频率成分幅值迅速增大 系统的刚度增加 临界转速区展宽 各阶振动的相位发生变化 工作转速下发生的轻微摩擦振动 其振幅随时间缓慢变化 相位逆转动方向旋转 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 六 滑动轴承故障 1 磨损或间隙等故障如图5 16所示 滑动轴承磨损后期的证据通常是出现一个完整的系列的转速频率谐波直到10阶 20阶 破碎的滑动轴承常产生比水平方向振动大的垂直方向的振动 也 可能只有转速频率一个明显的尖峰 间隙过大的滑动轴承可让小的不平衡 不对中引起大的振动 如果轴承间隙调整达到规定的要求 则振动很小 滑动轴承松动会产生1 2倍 1 3倍等成分 并且随负荷变化较大 乌金脱落会产生1 2倍及其谐频 幅值小于松动谱 瓦块损坏会产生1 3倍涡动 调节油温有预防效果 图5 16滑动轴承磨损 间隙过大频谱 噪声水平说明间隙过大 松动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 2 油膜涡动和油膜振荡 当转子在滑动轴承轴瓦中转动时 在转子与轴瓦之间的间隙中形成油膜 不但避免了转子表面与轴瓦表面之间的直接接触 减少了两表面间的摩擦和动耗 而且同时油膜的流体动压力又使油膜具有承载能力 当油膜的承载力与外载荷平衡时 转子处于平衡位置 当转子受到某种外来扰动时 转子中心就会在静平衡位置附近发生涡动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 对于转子在外界偶然扰动下所发生的任一偏移 轴承油膜除了产生沿偏移方向的弹性恢复力以保持和外载荷平衡外 还要产生一垂直于偏移方向的切向失稳分力 这个失稳分力会驱动转子作涡动运动 当阻尼力大于切向失稳分力时 这种涡动是收敛的 即转子在轴承内的转动是稳定的 当切向分力大于阻尼力时 涡动是发散的 转子的运动是不稳定的 产生油膜振荡 介于两者之间的是涡动轨迹为封闭曲线 油膜涡动就是这种情况 油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步现象 其回转频率即振动频率约为转子回转频率的一半 所以常称为半速涡动或半频涡动 产生原因 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 由于在大多数情况下 轴瓦不旋转 轴瓦表面的油膜速度为零 转子轴颈表面的油膜速度与轴颈表面的速度相同 因此 在层流假设下 油膜的平均周向速度为轴颈表面速度的一半 即转子旋转时 油膜将以轴颈表面速度之半的平均速度环绕运动 实际上 由于轴颈表面比轴瓦表面光滑及轴瓦与轴颈之间润滑油的端泄等因素的影响 一般涡动频率略小于转速的一半 约为转速的0 40 0 48倍 编者按 有些文献记载为0 42 0 46倍 如下图所示 图5 17油膜涡动不稳定 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 实际产生涡动频率约为 流入B侧的流量分成3部分 A侧流出部分轴承两端泄露部分油膜下不由于涡动增加部分 半速涡动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 一般说 转子的转速在失稳转速以前转动是平稳的 当达到失稳转速后即发生油膜涡动 随着转子转速的提高 油膜涡动的频率也提高 两者保持一个近乎不变的恒定比 即约为2 但是 当转子回转频率约为其一阶临界转速的两倍时 由于此时油膜涡动的涡动速度与转子的一阶临界转速相重合即产生共振 表现为强烈的振动现象 油膜可能不再具有支承能力 称为油膜振荡 油膜振荡一旦发生之后 随着转子转速的提高 涡动频率就将保持不变 而且等于该转子一阶临界转速 产生以转子临界转速频率的横向正进动亚谐波振动 这是一种可导致灾难性破坏的固有的不稳定的振动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的转速特性如图5 18所示 a 图表示失稳转速在一阶临界转速之前 b 图表示失稳转速在一阶临界转速之后 这两种情形的油膜振荡都在稍高于二倍临界转速的某一转速时发生 c 图表示失稳转速在二倍临界转速之后 转速在稍高于二倍临界转速时 转子并没有失稳 直到比二倍临界转速高出较多时 转子才失稳 而降速时油膜振荡消失的转速要比升速时发生油膜振荡的转速低 表现出油膜振荡的一种 惯性 现象 图5 18油膜振荡的转速特性 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的振动特征 油膜振荡总是发生在转速高于转子系统一阶临界转速的2倍以上 油膜振荡的频率接近转子的一阶临界转速 即使转速再升高 其频率基本不变 油膜振荡时 转子的挠曲呈一阶振型 油膜振荡时 振动的波形发生畸变 在工频的基波上叠加了低频成分 有时低频分量占主导地位 低频振动的幅值 轴承座振动可达40 m以上 轴振动可达100 150 m以上 且振幅不稳 轴心轨迹发散 油膜振荡时 转子涡动方向与转子转动方向相同 轴心轨迹呈花瓣形 正进动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的发生和消失具有突然性 并具有惯性效应 即升速时产生振荡的转速比降速时振荡消失的转速要大 油膜振荡剧烈时 随着油膜的破坏 振荡停止 油膜恢复后 振荡再次发生 这样持续下去 轴颈与轴承不断碰摩 产生撞击声 轴瓦内油膜压力有较大波动 油膜振荡对转速和油温的变化较敏感 一般当机组发生油膜振荡时 随着转速的增加 振动不下降 随着转速的降低 振动也不立即消失 称为滞后现象 提高进油温度 振动一般有所降低 轴承载荷越小或偏心率越小 越易发生油膜振荡 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的预防和消除 对于石化企业 油膜振荡是空气压缩机等大型机组需要重点防范的问题 为了预防和消除油膜振荡 可以根据转子系统的实际情况采取以下若干措施 消除油膜振荡的诱发因素 改善转子的平衡状态 限制振幅放大因子 消除转子不对中故障 限制低次谐波分量 保证轴承的结构参数 防止轴承工作状态恶化 消除动静间隙不均匀 限制非线性激振力 改变轴承参数 提高轴承比压 降低润滑油粘度 使轴承相对间隙处于最佳范围 改变轴承型号 根据轴承类型和结构尺寸的不同 每种轴承都有其稳定工作的范围 增加转子系统刚度 提高转子系统的临界转速 转子固有频率越高 发生油膜振荡的失稳转速也越高 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 实例 带滑动轴承的机械的频谱特点 七 转轴裂纹 转轴裂纹的总体振动特征 各阶临界转速较正常时要小 尤其在裂纹严重时 由于裂纹造成刚度变化且不对称 转子的共振转速扩展为一个区 裂纹转子轴系在强迫响应时 一次分量的分散度比无裂纹时大 转速超过临界转速后 一般各高阶谐波振幅较未超过时小 恒定转速下 各阶谐波幅值1倍 2倍和3倍及其相位不稳定 且尤以2倍突出 裂纹引起刚度不对称 使转子动平衡发生困难 往往多次试重也达不到所要求的平衡精度 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 八 流体动力激振 泵 风机和压缩机统称为流体动力机械 它们在通用设备中占有重要地位 因此有必要对其异常的振动形式 流体动力激振作一讨论 在流体动力机械中 叶片通过频率 转子叶片通过频率或静子叶片通过频率 总是有的 通常不成为故障 然而 如果泵中旋转叶片和静止的扩压器之间的间隙在圆周方向上不均匀 那么可能产生大幅值的叶片通过频率及其谐波频率 如图所示 图5 19流体动力激振 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 而且 有时叶片通过频率或其谐波频率与系统的某自然频率一致 即产生大的振动 如果叶轮摩擦环卡住轴承 或者焊接固定的扩压器叶片损坏 则可能产生大的叶片通过频率振动 管道的突然弯曲 妨碍流体流动的障碍物 阻尼器或者如果泵或风机转子与其壳体中心不重合都会引起叶片通过频率的大的振动 图5 19流体动力激振 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 1 紊流 又称旋转失速 紊流时压缩机叶片受到一种周期性的激振力 如紊流的频率与叶片的固有频率相吻合 则将引起强烈振动 使叶片疲劳损坏造成事故 几种特别的流体动力激振形式 紊流 喘振 气穴 涡动等 图5 20紊流 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 旋转失速发生在压气机上 振动幅值随出口压力的增加而增加 振动发生在流量减小时 且随着流量的减小而增大 振动频率与工频之比为小于1的常值 转子的轴向振动对转速和流量十分敏感 一般排气端的振动较大 排气压力有波动现象 机组的压比有所下降 严重时压比突降 紊流的振动特征 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 2 喘振 紊流使压气机中的流动情况恶化 压比下降 流量及压力随时间波动 在一定转速下 当入口流量减少到某一值Qmin时 机组会产生强烈的紊流 强烈的紊流会进一步引起整个压缩机组系统的一种危险性更大的不稳定的气动现象 即喘振 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 压缩机总是和管网联合工作的 为了保证一定的流量通过管网 必须维持一定压力 用来克服管网的阻力 机组正常工作时的出口压力是与管网阻力相平衡的 但当压缩机的流量减少到某一值Qmin时 出口压力会很快下降 然而由于惯性作用 管网中的压力并不马上降低 于是 管网中的气体压力反而大于压缩机的出口压力 因此 管网中的气体就倒流回压缩机 一直到管网中的压力下降到低于压缩机出口压力为止 这时 压缩机又开始向管网供气 压缩机的流量增大 恢复到正常的工作状态 但当管网中的压力又回到原来的压力时 压缩机的流量又减少 系统中的流体又倒流 如此周而复始产生了气体强烈的低频脉动现象 喘振 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 喘振的振动特征 诊断对象为压气机组或其它带长导管 容器的流体动力机械 振动发生时 机组的入口流量小于相应转速下的最小流量 振动的频率一般在0 10Hz之内 也可能出现随机的宽带高频振动 见图5 20 机组及与之相连的管道都发生强烈振动 有倒流现象 出口压力 压力表 呈大幅度的波动 机组的功率 表指针 呈周期性的变化 振动前有失速现象 振动时有周期性的吼叫声 机组的工作点在喘振区 或附近 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 3 气穴 气穴通常指示进口压力不够 缺乏流体的现象 如果不采取措施排除 气穴对泵内部可能十分有害 它可能局部侵蚀叶轮的叶片 存在气穴时 常常发出象 卵石 通过泵时的声音 气穴通常是进口流量不够引起的 可能这次测量时出现 下次测量时没有了 如果改变进口阀门的设定的话 气穴通常产生随机的较高频率宽带能量 有时叠加叶片通过频率的谐波频率 如图所示 图5 21气穴频谱 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 迷宫密封是一种常见的密封形式 当转子因挠曲 偏磨 安装偏心或旋转产生涡动运动时 密封腔内周向的间隙不均匀 即使密封腔内入口处的压力周向分布是均匀的 在该腔的出口处却形成了不均匀的周向压力分布形成了一个作用于转子上的合力 此力在与转子偏心位移相垂直方向上的切向分力相互作用 就将激励转子作进一步的涡动 成为转子一个不稳定的激励力 可能导致转子失稳 失稳时的频率因不同的气体状态及迷宫几何形状而不相同 4 迷宫密封气流激振 涡动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 迷宫密封气流涡动的振动特征 涡动频率一般为0 6 0 9倍工频 轴心轨迹呈椭圆形 正进动 强振时有可能激发转子的一阶自振频率 表现为自激振动 转速存在一个 阀门值 在其值附近可导致强烈振动 负荷也存在一个 阀门值 在其值附近可导致强烈振动 强振时的主频为转子的一阶固有频率 频带较宽 振动的再现性强 一般在转子不平衡 不对中 偏心时易发生 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 振动频率为0 6 0 9倍工频 转子有偏心弯曲造成的间隙不均 振动对气流压力 流量的改变非常敏感 负荷存在一个 阀门值 在其值附近可导致剧烈振动 在一个由多个转子组成的轴系中 气流涡动常发生在气流压力高的转子上 如在汽轮发电机组中 蒸汽振荡主要发生于高压转子 5 不均匀气流涡动 不均匀气流涡动的振动特征 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 九 拍频振动 拍频振动简称拍振 是两个频率非常接近 振幅近似相同的简谐波叠加时 彼此同步进入和退出的结果 宽带频谱通常将表示为一个尖峰脉冲幅值上下波动 当对这个尖峰进行细化谱分析时 发现实际上有两个很靠近的尖峰 这两个尖峰频率之差就是拍振 在平常频率范围的测量中常常看不到这个拍频 因为拍频都是低频的 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 右图中 两简谐波的合成包络波形即拍振 其振幅随时间作周期性的缓慢变化 在宽带频谱中显示其本身 并且当一个频率的时域波形与另一个频率的时域波形同相位进入时产生最大振动 而当这两个频率相位差180度时产生最小振动 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 扬州某石油化工厂主压缩机组在超负荷20 工作条件下运转时 整体出现较强噪音 噪音体现为低频的 嗡 嗡 声和高频的连续噪音 测点布置如图5 23所示 实例 拍频振动 P1P4P6P9P12P15P18P2P3P5P7P8P10P11P13P14P16P17P19P20电机增速器压缩机图5 23扬州某石油化工厂主风机测点布置图 P4测点的时 频域波形如图所示 从电机机身水平及垂直方向拾取的振动数据分析 嗡 嗡 噪音的振动频率应为1Hz 其振动是由于电机的电磁力矩频率 99 9Hz 与电机转子旋转频率的二倍频 98 9Hz 之间形成的一种拍频振动现象 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 分析引起拍频的原因 一是电机转子与定子间气隙不均匀 磁场中心偏移 定子绕组松动 转子断条等造成磁场不平衡 引起电磁力矩加大 二是转子的不平衡 不对中 弯曲引起转子旋转频率的二倍频成分振动增大 解决方案一是对转子做动平衡 矫直 调整对中 二是检查定子绕组及转子鼠笼条 调整定子 转子同心等 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 十 机器软脚及与之相关的共振 1 软脚固定螺栓松动到可以用手动拧紧程度 机器的底脚大大翘曲 这时便出现软脚 这不总是会引起大的振动增大 然而 如果软脚影响了对中或电动机气隙 同心度 则会引起明显的振动增大 2 弹性脚弹性脚会引起大的框架变形 导致振动和力增大 框架中轴承座等应力增大 在试图调整底脚水平度时 强制把弹性脚的固定螺栓向下拧紧 会出现这种情况 3 相关脚与把固定螺栓或螺栓组合松开到可手动拧紧程度时相比较 相关脚的共振可以使振动幅值剧烈增大五倍到十倍甚至更大 拧紧时 这个固定螺栓可明显改变该底脚或机器框架本身的自然频率 第一节旋转机械典型故障的机理和特征 第二节滚动轴承故障诊断技术 有资料显示仅有10 20 的轴承达到或接近设计寿命 其余部分因为如下各种原因达不到设计寿命 润滑不当 使用错误的润滑剂 润滑剂或轴承内混入赃物或杂质 运输或存放不当 选型不当 安装错误等 总体来讲 滚动轴承异常的基本形式有六种 一 滚动轴承异常的基本形式 1 疲劳剥落在滚动轴承中 滚道和滚动体表面既承受载荷 又相对滚动 由于交变载荷的作用 首先在表面一定深度处形成裂纹 继而扩展到使表层形成剥落坑 最后发展到大片剥落 这种疲劳剥落现象造成了运行时的冲击载荷 使振动和噪声加剧 2 磨损滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物的侵入都引起表面磨损 润滑不良加剧了磨损 磨损导致轴承游隙增大 表面粗糙 降低了机器运行精度 增大了振动和噪声 3 塑性变形轴承因受到过大的冲击载荷 静载荷 落入硬质异物等在滚道表面上形成凹痕或划痕 而且一旦有了压痕 压痕引起的冲击载荷会进一步使邻近表面剥落 由载荷的累积作用或短时超载会引起轴承的塑性变形 第二节滚动轴承故障诊断技术 4 腐蚀润滑油 水或空气中水分引起表面锈蚀 轴承内部有较大电流通过造成的电腐蚀 以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀 5 断裂常因载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂 热处理 装配引起的残余应力 运行时的热应力过大也会引起断裂 6 胶合在润滑不良 高速重载下 由于摩擦发热 轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度 导致表面烧伤 或某处表面上的金属粘附到另一表面上 第二节滚动轴承故障诊断技术 二 滚动轴承的振动诊断方法 1 有效值和峰值判别法 有效值适用于磨损这类异常 但不宜用于剥落 压痕这类具有瞬变冲击振动的异常 此时峰值比有效值适用 2 峰值因数法 优点是不受轴承尺寸 转速 负荷的影响 也不受振动信号绝对水平的影响 但这种方法对磨损这类异常几乎无检出能力 3 概率密度分析法 轴承由于磨损 疲劳 腐蚀 断裂 压痕 胶合等因素会使轴承振幅增大 振动谐波增多 高密度区增高 而两旁的低密度区向外扩展 此时利用峭度作为诊断特征量将很有效 4 低频信号接收法 直接测量因精加工表面形状误差或疲劳剥落而出现的脉冲频率 由于很难发现轴承早期故障 仅在简单机器中采用 第二节滚动轴承故障诊断技术 5 中频带通滤波法 设定相应带通滤波频带 检测轴承外环一阶径向固有振动频率 根据其出现与否作出诊断 6 谐振动信号接收法 此法以 30 40 kHz作为监测频带 捕捉轴承其它元件的固有振动信号作为诊断依据 此法对传感器频响特性要求很高 值得一提的是 合理利用加速度传感器系统的一阶谐振频率作为监测频带 同样可以达到诊断滚动轴承故障的目的 7 包络法 美国ENTEK公司开发的g SE技术即采用包络法 8 高通绝对值频率分析法 将1kHz高通滤波后的波形作绝对值处理 再进行频率分析 即可判明各种故障原因 第二节滚动轴承故障诊断技术 三 滚动轴承故障发展的四个阶段 1 第一阶段滚动轴承故障初始阶段滚动轴承故障的最早的指示出现在从约20K到60K赫兹频率范围内的超声频率 后来 滚动轴承磨损增大时 通常频率下降到约1K到8K赫兹 这些可以用振动尖峰能量g SE 高频加速度 HFD g和冲击脉冲SPM来评定这些频率 例如 在滚动轴承故障第一阶段中 振动尖峰能量值首先出现为0 25g SE 实际的值与测量位置和机器的转速有关 采集g SE谱可揭示和证实滚动轴承是否处于滚动轴承故障发展的第一阶段中 第二节滚动轴承故障诊断技术 2 第二阶段滚动轴承轻微故障阶段轻微的滚动轴承故障开始 瞬态扰动 滚动轴承的零件的自然频率 这些自然频率主要出现在500到2K赫兹频率范围内 这些自然频率也可能是滚动轴承支承结构的自然频率 在滚动轴承故障的第二阶段末期 在自然频率的左侧和右侧出现边带频率 振动尖峰能量的总量值增大 例如 从0 25g SE增大到0 5g SE 第二节滚动轴承故障诊断技术 3 第三阶段滚动轴承宏观故障阶段在滚动轴承故障的第三阶段中 出现滚动轴承故障频率及其谐波频率 当滚动轴承的磨损扩展时 出现更多阶次的滚动轴承故障频率的谐波频率 边带频率数量增多 在轴承故障频率的谐波频率和轴承零件的自然频率的两侧的边带数量都增多 振动尖峰能量的总量值继续增大 例如从0 5g SE增大到5g SE 这时 已经可以看到滚动轴承的磨损 并且 磨损扩展到滚动轴承的周围 尤其是伴随在轴承故障频率两侧有许多清晰的边带时 g SE谱 高频解调和包络频谱帮助证实滚动轴承故障的第三阶段 这时 应该更换滚动轴承了 与振动频谱中滚动轴承的故障频率的幅值无关 第二节滚动轴承故障诊断技术 4 第四阶段滚动轴承故障最后阶段朝着滚动轴承故障发展的最后阶段发展 甚至影响转速频率的振动幅值 该频率的幅值增大 通常还引起转速频率的许多谐波频率的幅值增大 离散的滚动轴承故障频率和轴承零件自然频率实际上开始 消失 被随机的宽带高频 噪声地平 代替 此外 高频噪声地平和振动尖峰能量两者的幅值事实上可能减小 但是 恰好到损坏之前 振动尖峰能量和高频加速度值通常增大到过大的幅值 第二节滚动轴承故障诊断技术 案例一滚动轴承故障的诊断 轴承每一种零件有其特殊的故障频率 随着故障发展 它的幅值增加 并有谐波 谐波两边产生边频 还可用非频率域的诊断方法 如共振解调 电机 离心泵 带滚动轴承的机械的频谱特点 四 g SE技术在滚动轴承故障诊断中的应用 1 基本原理美国ENTEK公司开发的g SE技术提供了滚动轴承故障诊断的一个便捷平台 首先简单介绍一下其基本原理 由于轴承元件的缺陷 滚动体依次滚过工作面缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动 称为轴承的 通过振动 滚动轴承异常而在运行中产生脉动时 不但引起高频冲击振动 而且此高频振动的幅值还受到脉动激发力的调制 第二节滚动轴承故障诊断技术 g SE实际是一种滤波器 它运用包络法将上述经调制的高频分量拾取 经放大 滤波后送入解调器 即可得到原来的低频脉动信号 再经快速傅立叶变换 FFT 即可获得g SE谱 包络法把与滚动轴承故障有关的信号从高频调制信号中解调出来 从而避免与其它如不平衡 不对中等低频干扰的混淆 故有很高的诊断可靠性和灵敏度 可根据包络信号的频率成份识别出产生故障的元件 如内环 外环 滚动体 来 因此 当测试滚动轴承时 我们使用g SE滤波器测量g SE总值和频谱 可以发现滚动轴承的早期故障并跟踪其发展趋势 第二节滚动轴承故障诊断技术 2 轴承故障频率计算从轴承频率项数据库中查询出案例中各轴承的故障频率 见下表 第二节滚动轴承故障诊断技术 案例二轴承综合 内环 外环 滚动体 故障 左图可见清晰的内环故障频率17 98Hz谐频成份 外环故障频率13 47Hz成份及滚动体故障频率5 46Hz成份 说明1 轴承存在严重故障 右图则是更换轴承后的gSE谱 可见故障已排除 1 轴承g SE故障谱图 更换1 轴承后g SE谱图 1 轴承实际损坏情况见下图 其内环已产生一贯穿裂纹 且外滚道沿圆周方向约120 范围存在大量疲劳剥落 第二节滚动轴承故障诊断技术 案例三轴承外环故障 经现场测试发现 其g SE谱 左图 中外环故障频率68 51Hz成份占绝对优势 说明2 轴承外环存在故障症状 这一故障隐患自发生以来 分别于2004年3月5日给轴承加注润滑脂 于3月19日对该处联轴节进行找正 每次处理后振动幅值均有明显下降 但很快便即复升 观察右图中的状态趋势线已可以得出这样的结论 其趋势峭度越来越大 该设备故障的最终表现形式 轴承故障已发展至后期 3月24日 我们对该轴承成功进行了更换 修后恢复正常 轴承损伤情况主要表现为外滚道 内滚道表面产生一圈凹痕 其中外滚道损伤情况尤为严重 凹痕最深处约0 3mm左右 第二节滚动轴承故障诊断技术 案例四轴承滚动体故障 3 P71 轴承存在滚动体故障频率57 86Hz成份 判断可能是滚动体产生磨损 润滑脂发黑失效是引起滚动体磨损的主要原因 五 采用冲击脉冲法诊断滚动轴承故障 冲击脉冲法是瑞典SPM公司的专利技术 从20世纪80年代起 我国企业广泛应用冲击脉冲法诊断滚动轴承故障 取得显著的成效 由于采用冲击脉冲法诊断滚动轴承简便有效 最受企业欢迎 即使到了跨入21世纪的今天 冲击脉冲法仍然是用于现场简易诊断的有效手段之一 1 冲击脉冲法的基本原理冲击脉冲法从本质上来说仍属于振动诊断的范围 但它又与一般的振动诊断在实施步骤和判别方法上都有很大的差别 第二节滚动轴承故障诊断技术 处于高速运转中的滚动轴承 承受着整个转子的动 静负荷 工作条件极其严酷 因此 对轴承的质量 运转条件都有很高的要求 轴承上的每一点缺陷 如滚动体疲劳剥蚀 滚道磨损 保持架变形或者断裂 内外圈与轴 孔配合松动而产生摩擦 以及缺乏润滑油或油中混入杂质等 都会在轴承振动信号中反映出来 滚动体的冲击会产生宽带高频冲击脉冲振动 冲击脉冲形成高频压缩波在金属内部传递给轴承座 这种高频压缩波一旦被安置在轴承座上的传感器所接收 经测量仪器处理后 显示出轴承的高频冲击脉冲 就可以据此判断轴承处于何种状态 第二节滚动轴承故障诊断技术 冲击脉冲计是冲击脉冲法原理诊断滚动轴承的专用仪器 其加速度传感器 即冲击脉冲探头 对输出信号的处理有别于一般的振动法 它对振动信号不作宽频带测量 而只是在传感器的固有频率上测量 图5 38CMJ 1型冲击脉冲计结构简图1 壳体2 扬声器3 发光二极管4 预置拨盘5 工作拨盘6 探头 加速度传感器 轴承的冲击振动经轴承座传播到加速度传感器上 激起其固有频率的减幅振荡 这个振动的幅度与轴承故障的严重程度成正比 在我国企业得到广泛应用的国产CMJ 1型冲击脉冲计就属于这类仪器 图5 38就是它的结构示意图 第二节滚动轴承故障诊断技术 由于这种冲击脉冲计把轴承转速和轴承大小 内径 两个因素在仪器中归一到同一个尺度上 使得仪器的指示值仅与轴承损伤程度有关 各种类型 各种尺寸的滚动轴承只要凭冲击脉冲值 即地毯值dBc和标准值dBN 就可以直接判断被测轴承是否存在故障以及故障和程度 即使在测试前不掌握被测轴承的运行档案 也只需知道轴承转速和内径就可以实行诊断了 而了解轴承的转速和内径是比较容易做到的 到了20世纪90年代 虽然又有电脑轴承分析仪之类的仪器问世 但操作条件都比CMJ 1冲击脉冲计繁琐得多 仅了解轴承各项参数这一条在现场就难于作到 因而给现场使用带来很大的麻烦 远没有操作CMJ 1型脉冲计简便 第二节滚动轴承故障诊断技术 应当指出 采用冲击脉冲法诊断滚动轴承 只能判明轴承的总体状态是正常还是异常 以及损伤的严重程度 但不能如频谱分析一样确定其中哪个元件损坏 不过 这在生产现场设备维修中能做到这一点也已经够了 因为对滚动轴承这样的易损件 只要其中任何一个元件损坏 都得进行整个轴承更换 从来没有修复的先例 所以无需将故障定位到某个元件上 第二节滚动轴承故障诊断技术 2 冲击脉冲法实施要点采用冲击脉冲法诊断滚动轴承 为取得最佳效果 必须掌握几个要点 选择测点为了准确地判断轴承的状态 必须掌握准确的信息 因此在选择轴承测点时 应遵守以下几条原则 测点要选在轴承的承载区 一般为轴承的下部 对着轴的转向位置 如图5 40所示 第二节滚动轴承故障诊断技术 冲击脉冲计的传感器探头抵住轴承座的不同部位 其检测的灵敏度差别很大 如图5 41所示 如果在承载区内灵敏度为100 那么在偏离承载区方向 45 的部位处则下降为95 而在轴向则降为22 25 所以测点应尽可能选在承载区 45 的区间内 图5 40使用CMJ 1测点位置示意图1 滚动轴承2 轴承座3 冲击脉冲探头n 轴承转速d 轴承内径A 测点 图5 41滚动轴承不同测量部位脉冲衰减情况 第二节滚动轴承故障诊断技术 选择测点必须考虑传递通道对信号的影响 滚动轴承引起的冲击振动 由冲击点以半球面波的方式向外传播 通过轴承零件 轴承座传递到箱体或机架 应该保证在轴承和探头间有直线传递路径 且测点离轴承外圈的距离越短 越直越好 其距离一般不超过75mm 振动信号每通过一次零件界面 其能量损失达80 因此 要尽量减少传递通道上的中间界面 只有一个界面最理想 如图5 40中之测点A即是理想测量部位 此外 在信号传递途中 还应该尽量避开空腔 水套 填料 螺栓之类的中间介质或机器零件 以防止信号衰减 从左图所举例子中 我们可以得到这方面的启示 另外 凡设置有防护罩遮盖的测点位置 测量时应拆离防护罩 如测量电动机尾部轴承时 或者事先在测点处将防护罩开一个能安置传感器探头的圆孔 第二节滚动轴承故障诊断技术 探头抵住轴承部位的曲率半径 r 要大于探头顶端的球面半径 对于CMJ 1型冲击脉冲计r 8mm 这样 才能够保证探头与被测面有良好的接触 如右图所示 被测面要光洁 去掉厚实的油漆表层或其他绑涂物 让探头与金属直接接触 防止压缩波受阻尼衰减 图5 42冲击脉冲测试测点选择正误举例a 脉冲波应直线传播 b 传递通道界面越少越好 图5 43探头接触面正误举例 第二节滚动轴承故障诊断技术 注意测试条件在测试过程中 应使轴承有充分的润滑 并使之承受一定的载荷 以稳定的转速运行 而且每次测试都在大致相同的工况条件下 使用相同的仪器进行 以保证测值的真实性和可比性 排除冲击干扰强烈的外来冲击干扰源的存在 是实施冲击脉冲法的最大障碍 会使测值严重失真 造成误判误诊 因此要善于识别和排除干扰 作用于轴承的冲击干扰的来源 冲击干扰主要是由机器本身的机械故障或自身的结构特点所引起的 有时还会受到流体动力噪声的干扰 转动部件与定子间的碰擦 连接部位松动 联轴器不对中 水泵汽蚀等均会产生冲击干扰 直接或间接地改变测值的真实性 第二节滚动轴承故障诊断技术 判断和寻找冲击干扰源的方法 判断和寻找冲击干扰源的简易方法 可在轴承附近的非测区选几个测点 最好是先有界面隔开的地方 测取其脉冲值 如测值等于甚至大于轴承测点部位的冲击脉冲值 很可能有干扰源存在 应当进一步确认 必要时须借助其他方法进行测定分析 并予以排除 然后再实施冲击脉冲法诊断 应当注意 有的冲击干扰源并非由设备故障产生 而是机械本身的结构特点所固有的特性表现 比如有些精度不高的齿轮传动机构 曲柄连杆机构等机械部件 都是形成冲击的发源地 每碰到这种情况 就不能采用常规的判别方法了 第二节滚动轴承故障诊断技术 准确判读dBc和dBN采用CMJ 1冲击脉冲计测取冲击脉冲值 dBc和dBN 都不是数字显示 要靠辨别声光信号去判读 测量时 通过调节工作拨盘 如果从扬声器里听到的是连续声与间断之间的欲断而未断的声音 其时测得的值为dBc值 如果从扬声器里听到的是间断声 相隔约10s才能听到一次发声 其时发光二极管与声音同步闪烁 这时测得的就是dBN值 声音间隔不规则也不要紧 参看图5 44 图5 44判读dBc和dBN 第二节滚动轴承故障诊断技术 建立判别标准采用CMJ 1型冲击脉冲计诊断滚动轴承 首先要调节预置拨盘 使轴承内径和转速两个刻度值对齐 其时读出轴承的初始值dBi 然后测取轴承的地毯值dBc和标准值dBN 据此二值即可按下列判别准则判断轴承的状态 当dBc 10dB dBN 20dB 轴承状态良好 当20dB dBN 35dB时 轴承有早期损伤 要密切监视 当dBN 50dB时 轴承损伤严重 应检查更换 第二节滚动轴承故障诊断技术 脉冲值dBN与轴承寿命关系如图5 45所示 图5 45冲击脉冲值与轴承寿命的关系 第二节滚动轴承故障诊断技术 轴承润滑不良 如缺乏润滑油或油中混有杂质等 虽然不属于轴承本身的故障 但却与轴承故障有着密切的联系 事实上 许多轴承故障就是由润滑不良引发的 所以在现场诊断中 常常把对轴承润滑状况的检测也当作对轴承诊断的内容之一 利用CMJ 1冲击脉冲计 通过测量地毯值dBc和标准值dBN 从两者的数值大小和相互比较中可以作如下判别 如果dBc和dBN增大 一般dBC 20dB 且两者数值比较接近 dBN稍大于dBc 那么可判轴承润滑不良 当轴承润滑不良时 dBc和dBN的关系可参看图5 46 图5 46轴承润滑不