第5章旋转机械的监诊断10年

1、 第五章第五章 旋转机械的振动监测与旋转机械的振动监测与故障诊断故障诊断内容 5.1 旋转机械的结构 5.2 转子振动的测量 5.3 转子振动评估标准 5.4 转子振动监测特征参数 5.5 旋转机械故障原因 5.6 转子的常见分析方法 5.7 转子典型故障机理与特征5.1 旋转机械的结构 旋转机械-由转动部件和非转动部件构成的(汽轮机、发电机、压缩机组、电动机、水轮机、航空发动机等设备) 主要构成部件有转子、支承转子的轴承（滑动轴承）、定子或机器壳体、连轴器等 转速范围一般为几千r/min到几万r/min之间（水轮机组只在100r/min） 旋转机械的关键部件-运动部件（转子）轴流压缩机多级汽

2、轮机转子转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡 滑动轴承 主要由轴承座1（或壳体）和轴瓦2组成 滑动轴承结构向心轴承向心推力轴承整体式向心轴承剖分式向心推力轴承1、轴承座2、轴承盖3、4轴瓦 常见的剖分式轴瓦结构有油孔、油槽；用于输送和分布润滑油，其中油槽不应开在油膜承载区，否则会破坏油膜的承载能力，造成滑动表面的严重磨损 为提高轴瓦的使用寿命，通常在一般材料制成的轴瓦内贴一层减摩材料（即轴衬） 轴瓦和轴衬的主要要求：具有良好的减摩、抗摩性；一定的强度；易于加工等。 常用的材料：青铜、轴承合金、粉末冶金（含油轴承）和非金属材料（塑料、尼龙）等5.1.1

3、转子振动的类型 由于旋转机械的结构、零部件加工、安装方面的缺陷，使得机器在运行时引起振动。 横向振动过大的横向振动往往是机器损坏主要原因，所以成了振动监测的主要对象，也是机组状态判断的主要依据刚性转子 运行转速低于一阶横向（固有）频率，如常见的电动机转子柔性转子 运行转速高于一阶横向（固有）频率，如常见的燃气轮机转子、压缩机转子 轴向振动 扭转振动5.1.1 强迫振动凡在外力激励下强迫发生的振动,如不平衡、不对中、碰摩其主要特征是振动频率等于简谐驱动力的频率 在诊断中，其振动频率为转子的回转频率及其倍频强迫振动的长期行为与初始状态无关振动幅值在临界转速以下时，随着转速的增加而增大，超过临界转速

4、，则随转速的增加而减小，在临界转速处，有共振峰值。其激励原因主要是由转子不平衡（转子的质心与回转轴线偏离）产生的离心力，其大小取决于不平衡程度5.1.1 自激振动由外部条件变化（如喘振、流体激励等）引发的自身振动，其振动频率为系统自身的固有振动频率 。自激振动的形成却依赖于初始振动的存在，若没有初始振动，就没有可以反馈的信号，系统不能“起振”这种振动常常在某个转速下突然发生，因此对旋转机械具有极大的危害性。对环境条件的变化十分敏感，机器的微小差异，其稳定性可能具有极大的差异油膜振荡 机床切削颤振 琴弦的振动（提琴、胡琴）摩擦引起上满发条的钟5.1.2 转子的临界转速 旋转机械在起停车过程中，转

5、子的振幅随转速增大而增大，到某一转速（或某几个）时振幅达到最大值（共振），超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减小，且稳定在某一范围内，这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。5.1.2 转子的临界转速 在无阻尼的情况下 转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等，对于实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇到有限个临界转速。 在有阻尼的情况下 升速时，转子的临界转速略高于其横向固有频率； 在降速时，测量所得到的临界转速略小于横向固有频率； 根据转子的转速 n 与其第一阶临界转速 ncr1间的关系，可划分n0.5ncr1 刚性转子0

6、.5ncr1n0.7ncr1 准刚性转子n0.7ncr1 柔性转子动力学特性不同动平衡时区别对待5.2 转子振动的测量1、 常常 用用 的的 测测 量量 仪仪 器器 频 谱 分 析 仪 数 据 采 集 器 振振 动动 传传 感感 器器 示 波 器2、 测测 量量 单单 位位 及及 检检 测测 类类 型型 位移（pk-pk）：适合于低频范围 速度（rms, pk）：适合于中频段 加 速 度（ pk ）：适合于高频段5.2.1 测振传感器（一次仪表）分类 1.测振传感器的作用 把被测对象的机械振动量（d，v，a）在要求的范围内准确地接收下来，并把它们转变成电信号输出。 2.测振传感器的分类(按所测

7、参数形式分) 位移传感器 速度传感器 加速度传感器5.2.2 测振传感器性能 3.三类传感器的频率特性与动态范围比较 (1)加速度传感器的频响特性与动态范围最宽（10-20khz） (2)速度传感器一般在101000hz (3) 位移传感器从理论上可到0.1 10000hz，一般在2khz以下5.2.3 测振传感器位移传感器 4. 电涡流式位移传感器 1) 特点：非接触 2) 适用范围： 旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动) 3)优点： a. 线性度好、频率范围宽(dc-10000hz)； c. 线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变； d. 能长时间连续可靠的工作； e. 长距离

8、传输抗干扰能力强； f. 能在油、气及某些化学成分介质中工作。 4)结构类型 a. 变间隙型电涡流传感器； b. 变面积型电涡流传感器。5.2.3 测振传感器位移传感器 5)原理： 在传感器的端部有一线圈，线圈通以高频(一般12mhz)的交变电流。当线圈平面靠近一导体面时，穿过导体的磁通量随时间而变化，在导体表面感应出电涡流，涡流产生的磁通又穿过原线圈。 所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的线圈，互感的大小与线圈离导体表面的间隙有关。5.2.3 测振传感器位移传感器 6)被测物体尺寸及材料对测量性能的影响 a尺寸的影响 当被测物体为圆柱，且传感器中心线垂直于被测物体轴线，要求： d3

9、d（d为探头头部直径）如果dd，灵敏度会下降70左右。 b. 表面加工质量的影响 不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测表面的粗糙度ra要求在0.40.8m之间（磨或抛光） c. 材料的影响 当被测物体为导磁材料（如普通钢）时，由于磁效应和涡流效应同时存在，且磁效应与涡流效应相反，会抵消一部分涡流效应，使灵敏度变低。5.2.3 测振传感器位移传感器 7)涡流传感器的安装 a.探头间的距离 b.探头与安装面的距离5.2.3 测振传感器位移传感器5.2.3 测振传感器位移传感器 9)使用时的注意事项 安装时要注意平均间隙的选取，即平均间隙加上振动间隙(总间隙)应处于传感器的线性范围内，否则

10、会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性中点。 选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。 测 绝 对 振 动 测 相 对 振 动振振 动动 的的 测测 试试 方方 式式测测 点点 位位 置置 的的 选选 取取 三三个个方方向向 设设测测点点 给测点位置作记号给测点位置作记号 设备表面的处理设备表面的处理 尽尽量量靠靠近近轴轴承承 测量部位应选在设备上对振动敏感的部分。一般都把轴承处选为主要测点，把机壳、箱体、基础的部位选作辅助测点对于低频振动，一般应在水平、垂直和轴向三个方向测量；对于高频振动，只需在一个方向（径向）测量。其原因在于低频信号的方向性较强，而高频信号方向不敏感数字序列

11、从驱动器非驱动侧的轴承座开始，赋予其数字001，朝着被驱动设备进行数字排列，直到第一根轴线的最后一个轴承测测 点点 编编号号原原则则武钢大型厂加热助燃风机机组 该机组由直流电机和风机两部分组成，其中风机为单轴悬臂结构，支撑部位采用滚动轴承，与电机采用直连方式 5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态，根据所使用的传感器种类分为： 轴承振动评定：利用接触式传感器（如压电式振动加速度传感器）放置在轴承座上进行测量 轴振动评定：利用非接触式（如涡流式传感器）测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方根

12、值，它代表了振动能量的大小）来表示。5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 1、以轴承振动位移峰峰值作为评定标准 特点：转速低时，允许的振动值大，转速高时，允许的振动值小。 原因：同样的振动值，高速机组比低速机组更易出现故障转速r/min标准/um优良合格150030507030002030501959年年水电部水电部颁发的颁发的电力工业技术管理法规电力工业技术管理法规关于汽轮机组轴承的振动标准关于汽轮机组轴承的振动标准要求机组垂直、水平和轴向均满足该标准要求机组垂直、水平和轴向均满足该标准5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 “轴承振动位移峰峰值评定标准”存在的问题

13、： 在制定上述标准时，假设： 机组振动为单一频率的正弦波振动 轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此，可用轴承振动来代表转子振动 轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本相等，即各向同性 实际与假设不尽相符，所测得的振动多数是由多种频率的振动合成的； 轴承座水平刚度明显低于垂直刚度； 转子振动和轴承座振动的比值在250倍，它和轴承类型、间隙、油膜特性等有关。 因此，为了全面反映机组的振动情况，必须制定其他的振动标准。5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 2、以轴承振动烈度作为评定标准 国际标准化组织iso3945给出了用振动烈度评定功率大于300kw，转速为600-12000 转

14、的大型原动机和其他具有旋转质量的大型机器振动特性的国际标准。 如电动机和发电机、蒸气轮机和燃气轮机、涡轮压缩机等轴承振动烈度vrms/(mm/s)支承分类刚性柔性0.46好好0.711.711.8良2.8良4.6及格及格7.111.218.0不可用28.0不可用45.0刚性支承刚性支承是指机器支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率是指机器支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 振动烈度是振动速度的均方根值（有效值） ； 振动烈度值与信号所含的能量关系密切，受频率变化的影响较小，对机组常发生的非表面损伤类故障或渐进性故障比较敏感。 计算：振动由几

15、个不同频率的简谐振动所合成，由频谱分析可知，加速度、速度或位移幅值（aj、vj、aj，j=1,2,n）是角速度j的函数。根据加速度幅值aj 、位移幅值aj或速度幅值vj ，可计算出振动速度的均方根值： trmsdttvtv02)(1)(.)()(1)(.)()(1).(12222211222221122221nnnnnrmsaaanaaanvvvnv5.3、 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 3、以轴振动的位移峰峰值作为评定标准 在轴承座上测量机组的振动较为方便，然而机组转子的振动要通过油膜传到轴承座，所测得的振动幅值受油膜刚度和轴承刚度的影响，因此，直接测量转轴的振动值以判断转子的振

16、动特性将能更确切地反映振动的实质。 以上振动标准不能机械套用，还应结合机组的振动趋势综合考虑，如长期振动较小的机组或测点，当其振动值增加但还未超过振动标准时，这也是故障征兆，应给予足够的重视。振动标准um转速6000轴上150100504420国际电工委员会国际电工委员会ieciec推荐的汽轮机振动标准推荐的汽轮机振动标准5.4 旋转机械振动监测特征参数 对于设备来说，有许多物理量可以测量，由于机器的振动情况直接反映了机器运行状态的优劣，机器的许多故障都以振动形式反映出来，振动为故障诊断提供了重要信息，因此振动是故障诊断必须监测的参数之一。此外，与之相关的过程参数，工艺参数也是故障诊断的有用参

17、数。监测参数监测参数1）动态参数动态参数：振幅、振动烈度、相位2）静态参数静态参数：轴心位置、轴向位置、差胀、对中度、 温度、润滑油压5.4 旋转机械振动监测特征参数 1.振幅 位移振幅常用：峰峰值(pp值)表示； 速度振幅常用：有效值（振动烈度）vrms来表示； 加速度振幅常用：峰值表示。 振幅（a）一般用振动的位移、速度或加速度表示。位移一般用微米(m)表示，现场也有用丝为单位，1丝=10m；速度一般用mm/s表示，加速度一般用m/s2或重力加速度g表示。5.4 旋转机械振动监测特征参数 2. 频频 率率 频率（f）是具有周期性变化规律的物理量在单位时间内的循环次数。 由于振动频率趋向于机

18、器转速的整数倍或分数倍，通常表示为机器转速的倍数，如： 1x=1rpm 表示振动频率和机器的转速相同表示振动频率和机器的转速相同 0.43x=0.43rpm 表示振动频率是机器转速的表示振动频率是机器转速的43 频率是用来分析设备故障的主要参数。有些故障通常表现为特定的频率，但振动频率和故障之间并不存在简单的一一对应关系。 5.4 旋转机械振动监测特征参数 3.3.相相 位位相位()是用角度来表示的两个信号之间的计时关系。振动相位指从键相器信号触发到振动信号第一个正峰值之间的角度。 相位的测量对于确定转子上的高点、转子的临界转速以及诊断故相位的测量对于确定转子上的高点、转子的临界转速以及诊断故

19、障和进行动平衡等都是非常重要的。障和进行动平衡等都是非常重要的。 许多设备故障从幅值谱上不易区分时，需对相位作进一步的分析。许多设备故障从幅值谱上不易区分时，需对相位作进一步的分析。 由于转子各类故障带来的直接后果是破坏了转子的对称性，使由于转子各类故障带来的直接后果是破坏了转子的对称性，使转子同一截面水平和垂直方向的振动信号的相位差不再是转子同一截面水平和垂直方向的振动信号的相位差不再是9090度。度。4.转速旋转机械的转速变化与设备的运行状态有非常密切的关系。当设备发生故障时，转速也会相应地变化。 离心式压缩机中：喘振离心式压缩机中：喘振 转速波动；动静碰磨转速波动；动静碰磨 转速波动。转

20、速波动。5.4 旋转机械振动监测特征参数5.轴位移（轴向位置）轴向位置是止推盘和止推轴承之间的相对位移。 例如：转子动静部件之间的轴向摩擦是旋转机械常见的故障之一，同时也是最严重的故障 喘振等都会引起轴向位置的变化。 为判断设备的负载状态和冲击状态提供必要的信息6.轴心位置轴心位置是描述安装在轴承中的转轴平均位置的特征参量。 例如：轴承座磨损 轴颈偏心。（机器转轴在油压阻尼的作用下，在设计确定的位置浮动，但当轴瓦磨损或转轴受到内部或外部的预加负载时、导致偏心）而涡流传感器的直流分量变化反映轴心位置的变化。5.4 旋转机械振动监测特征参数 7.差胀、机壳膨胀 对大型旋转机械，由于转子较长，在起动

21、过程中转子受热快，沿轴向膨胀量比汽缸大，两者的热膨胀差称为“差胀”。 转子的热膨胀汽缸的热膨胀，称为“正差胀”； 转子的热膨胀2w0)时才会形成油膜振荡 反之相同，在形成了油膜振荡后，转速降低到2w0，油膜振荡才能消失，这种现象称为油膜振荡的惯性效应。油膜振荡 转子在运行中发生油膜涡动时，尽管振幅（能量）较小，对轴承润滑和转子运行的影响不大，但是，此时转子轴承系统已经开始有失稳倾向，容易造成零部件的松动和疲劳等故障。 另一方面，转子在运行中发生油膜振荡时的危害极大，往往能在非常短暂的时间内毁掉转子和轴承，因此，必须尽可能防止和限制。旋转脱离 旋转脱离是流体机械的常见故障之一，它是由于流体动力特性发生的自激振动。 高速运行的流体机械（例如离心式压缩机等）其流道是根据工况条件下的实际气体流量设计的。在设计工况条件下，压缩机各级间气体流量匹配，流向合理，流速稳定。 当由于某些原因使得实际流量小于设计流量时，气流运行速度减慢，就会在叶轮的某一流道内发生气流失速，失速的气体占据了一部分空间，使通流截面减小。于是流经该通道的气流量相应减小，多余的气体将流向其它的通道，造成其它通道的失速。最终会在叶轮内形成一个与叶轮转向相反的失速运动，称之为旋转脱离。 旋转失速在叶轮间产生的压力波动就是引起转子振动的激振力。激振力的大小还与气体的分子量有关。如果气体的分子量较大，激振力也大，