旋转机械故障诊断

1、Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术1q 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断q 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断q 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断q 转子摩擦故障诊断转子摩擦故障诊断q 浮环密封故障诊断浮环密封故障诊断q 叶片式机器中流体激振故障诊断叶片式机器中流体激振故障诊断q 高速旋转机械不稳定自激振动的分析方法高速旋转机械不稳定自激振动的分析方法Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术2 旋转机械是指依靠转子旋转运动来完成主要功能的机械，在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。化工过程装备中大量使用的各类离心泵、轴流

2、泵、离心式和轴流式风机、压缩机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等是典型的旋转机械。在大型化工、石化、电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产中的关键设备。 例如：炼油厂催化工段的三机组或四机组，大化肥装置中的四大机组或五大机组，乙烯装置中的三大机组，电力行业的汽轮发电机组、泵和水轮机组，钢铁部门的高炉风机和轧钢机组以及生产流程中的某些重要旋转机械，它们出现了故障，直接影响到整个生产线，因此是状态监测与故障诊断的主要对象。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术3 故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运转失稳，产生异常振动和噪声

3、，工作转速，输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息就不一样，根据这些特有的信息，可以对机器故障进行诊断。 振动是机器故障最基本的信息特征，振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。 由于旋转机械故障的多样性和故障因果关系的复杂性，很多相似的故障现象并不一定源于同一故障原因，在现场进行故障诊断时，还需要利用振动信号之外更多的信息，对机器的振动特点，运行参数的变化以及设计、安装、维修、操作中带来的多种因素进行综合分析，才能作出较为符合实际的诊断结

4、论。Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术43.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 旋转机器的转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，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。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”的。 900)602(222neGnegGemF 离心力与偏心距的方向一离心力与偏心距的方向一致，以角速度致，以角速度 绕轴旋转。力通绕轴旋转。力通过转轴作用在轴承上，使轴承过转轴作用在轴承上，使轴承承受附加动载荷，引起转子或承

5、受附加动载荷，引起转子或轴承的不平衡振动。轴承的不平衡振动。Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术5tmekyycymtmekxxcxmsincos22 2222)2()(1 )(nneA2)(12arctannn 在共振点上，振动位移总是滞后于激振力90，而与阻尼大小无关。测量转子的临界转速，常常利用相位的变化点来确定。 阻尼越大，转子过临界转速时的振幅越小，接近临界转速时，这种阻尼衰减作用尤为明显。正常的高速旋转机器，在启动过程中阻尼值必须在某一限定值以内，并且升速时应迅速通过临界转速。 )sin()cos(tAytAx特解Chap 3 旋转机械故障诊断202

6、2-6-30过程装备故障诊断技术6 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动的故障特征 1）不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。谱图中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。 2）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。形是一个正弦波。 3）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于同一截面上）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆

7、或椭圆，这意味着置于同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 4）转子的进动方向为同步正进动。转子的进动方向为同步正进动。 5）除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的）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。转子，不平衡在轴向上的振幅一般不明显。 6）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降， 振幅将明显下降。振幅将明显下降。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术7不平衡振动的故障原因和防治措施不平衡振动的故

8、障原因和防治措施 固有质量不平衡固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频率振动，在给将在转子上产生稳定的每转一次的转速频率振动，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。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。 固有质量不平衡固有质量不平衡产生的主要原因有：产生的主要原因有： 设计错误；设计错误；

9、材料缺陷；材料缺陷； 加工与装配误差；加工与装配误差； 动平衡方法不当。动平衡方法不当。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术8实例实例3-1 气压机的不平衡振动气压机的不平衡振动 某炼油厂催化车间气压机组，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。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60m，此后又上升至90m

10、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。另外又从转子升速过程的极坐标图上看出（见图3-6），转子在到达工作转速时，振幅迅速增长，相位也有明显变化。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。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术9转子运行中的不平衡转子运行中的不平衡分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种。分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种。转子弯曲转子弯曲 转子临时性弯曲，是指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变转子临时性弯曲，是指转子因外部环境影响或

11、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减缓或消除不平衡振动。如，转子受长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振动。如，转子受热不均；自重引起临时性弯曲；气流冲击、温度和载荷突变引起的弯曲等。热不均；自重引起临时性弯曲；气流冲击、温度和载荷突变引起的弯曲等。 转子发生永久性弯曲，是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯转子发生永久性弯曲，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

12、的交变力，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形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。很难用不足以释放转轴内部已形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。很难用动平衡方法消除。动平衡方法消除。 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术10实例实例3-4 喘振引起空压机转子的临时性弯曲喘振引起空压机转子的临时性弯曲 某石化公司乙烯装置上使用一台德国制造的某石化公司乙烯装置上使用一台德国制造的GA1000型离心式空压机，型离心式空压机，该机在制造厂做喘振试验时，由于放空消音器振

13、裂而落入管内，阻塞了放空该机在制造厂做喘振试验时，由于放空消音器振裂而落入管内，阻塞了放空管，使压缩机出口压力升高，机器提前发生喘振。因为未及预料，延迟了关管，使压缩机出口压力升高，机器提前发生喘振。因为未及预料，延迟了关闭进口阀时间，引起机器强烈喘振。事后中方要求开盖检查，发现转子径向闭进口阀时间，引起机器强烈喘振。事后中方要求开盖检查，发现转子径向跳动量偏了跳动量偏了0.12mm，即转子发生了弯曲。该厂采用的校正措施，是在，即转子发生了弯曲。该厂采用的校正措施，是在1000r/min转速下开盖慢转转子约一小时，重新测量径向跳动量，结果下降转速下开盖慢转转子约一小时，重新测量径向跳动量，结果

14、下降到到0.01mm，在允许范围之内，以后投产运行也很正常。，在允许范围之内，以后投产运行也很正常。 这种用低速慢转转子校正临时性弯曲的措施十分有效，因为在慢这种用低速慢转转子校正临时性弯曲的措施十分有效，因为在慢转过程中由于转子的重力作用，轴的不同侧面受到交变应力作用，将转过程中由于转子的重力作用，轴的不同侧面受到交变应力作用，将轴转内临时性弯曲形成的应力释放，使轴的变形获得了矫正。轴转内临时性弯曲形成的应力释放，使轴的变形获得了矫正。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术11转子平衡状态破坏转子平衡状态破坏 转子在

15、运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器振动，在生产转子在运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器振动，在生产中经常会遇到。对于这类故障必须掌握机器的工作特点、振动变化规律，注中经常会遇到。对于这类故障必须掌握机器的工作特点、振动变化规律，注意观察分析，相对于其他故障类型来说，寻找故障原因的难度要小些。意观察分析，相对于其他故障类型来说，寻找故障原因的难度要小些。 转子在高速旋转过程中，如发生轴上转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离零件碎裂或飞离，将产生阶跃式的，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，此后将会衰不平衡，引起振幅和相位的突然变化。

16、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。减下去，因而振幅突变后将在某一数值上稳定下来。 固体杂质沉积固体杂质沉积在叶轮上的情况屡见不鲜，例如一些高温的并带有粘性的在叶轮上的情况屡见不鲜，例如一些高温的并带有粘性的催化剂微粒进入机器的流道，就粘结在叶轮上，由于质量分布不均匀，引起催化剂微粒进入机器的流道，就粘结在叶轮上，由于质量分布不均匀，引起转子的不平衡。除此之外，管道中的锈蚀、气源中的粉尘在叶轮流道内沉积，转子的不平衡。除此之外，管道中的锈蚀、气源中的粉尘在叶轮流道内沉积，均会引起转子的不平衡。均会引起转子的不平衡。 有些压缩机在运行中常会遇到工艺气体和

17、固体杂质对叶轮基体金属的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冲蚀蚀，设备维修中（如，除锈）不恰当的措施就可能给机器带来振动问题，必，设备维修中（如，除锈）不恰当的措施就可能给机器带来振动问题，必须引起注意。须引起注意。 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术12 带有各种零件的转子在运转中可能发生带有各种零件的转子在运转中可能发生松动松动，例如叶轮、平衡盘、止，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推盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松，使转

18、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。也跟着作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。 松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大 ； 由于存在松动间隙，振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出由于存在松动间隙，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谐波，偶然也可

19、能出现现大量转速频率的谐波，偶然也可能出现1/2、1/3转速频率的次谐波成分；转速频率的次谐波成分； 如果松动间隙较大，零件的不平衡矢量随机地绕轴转动。振幅不稳定，如果松动间隙较大，零件的不平衡矢量随机地绕轴转动。振幅不稳定，相位随时间变化；相位随时间变化； 如果转子在稳态下产生零部件松动，则可能会产生如果转子在稳态下产生零部件松动，则可能会产生“拍振拍振”现象，拍振现象，拍振的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴速度的松动零件转速频率。的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴速度的松动零件转速频率。 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-

20、6-30过程装备故障诊断技术133.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术14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故障的鉴别 转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴心轨迹形状接近于一个心轨迹形状接近于一个圆或椭圆圆或椭圆，不平衡离心力将在轴承的水平和，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生接近垂直方向上产生接近90的相位差。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，机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等

21、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某一个方向上出现同相位或接近180反相位的振动，这种称为反相位的振动，这种称为“定定向振动向振动”。在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近。在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近一条直线一条直线形状。形状。 对于这类故障，应该采用相位测量和轴心轨迹分析方法，与单对于这类故障，应该采用相位测量和轴心轨迹分析方法，与单纯的不平衡振动区别开来。纯

22、的不平衡振动区别开来。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术15鉴别内容鉴别内容不平衡振动不平衡振动定向振动定向振动振动频率转速频率转速频率相互垂直的二个方向相位差接近90接近0或180轴心轨迹形状圆或椭圆某一方向上近似一条直线故障原因转子固有不平衡，转子弯曲，转子平衡状态破坏等机体变形，皮带轮或齿轮偏心，机座松动，基础共振等3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术16实例实例3-14 基础共振基础共振 某大型化工装置上使用一台单级离心泵，由一台

23、转速为某大型化工装置上使用一台单级离心泵，由一台转速为3600r/min的电动的电动机直联驱动。因为电动机振动非常剧烈，常出故障，所以不得不为该泵配置备机直联驱动。因为电动机振动非常剧烈，常出故障，所以不得不为该泵配置备用电动机。用电动机。 对该机组的振动测试结果，电动机水对该机组的振动测试结果，电动机水平方向的振幅为平方向的振幅为23mm/s，垂直方向振幅，垂直方向振幅为为30mm/s,振动频率为电动机的转速频率；振动频率为电动机的转速频率；而泵的振幅很低，不超过而泵的振幅很低，不超过5mm/s。对电动。对电动机水平和垂直方向上的相位测量，发现两机水平和垂直方向上的相位测量，发现两者精确地同

24、相，也就是发生了较典型的者精确地同相，也就是发生了较典型的“定向振动定向振动”。 3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术17 转子的动平衡方法转子的动平衡方法22mrMeMmre 改变不平衡旋转体的质量分布来消除旋转轴改变不平衡旋转体的质量分布来消除旋转轴系的离心力作用，使转子达到运转平稳的这个过系的离心力作用，使转子达到运转平稳的这个过程成为程成为“平衡平衡”。不平衡度不平衡度：平衡精度等级平衡精度等级：1000eG ISO1940平衡精度等级：平衡精度等级：G0.4开始，按开始，按2.5倍递增。一般转子倍递增。一般

25、转子G6.3。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术18 转子的动平衡方法转子的动平衡方法从转子平衡的角度看，运转中的转子可以分为刚性和挠性转子。转子从转子平衡的角度看，运转中的转子可以分为刚性和挠性转子。转子在低速下运转时（工作转速低于临界转速在低速下运转时（工作转速低于临界转速0.5倍），离心力产生的挠度变形倍），离心力产生的挠度变形较小，转子可以看作不发生变形的较小，转子可以看作不发生变形的“刚体刚体”。这种转子称为刚性转子。在。这种转子称为刚性转子。在高速运转时（工作转速超过一阶临界转速的高速运转时（工作转速超

26、过一阶临界转速的0.7倍），转子会产生很大的挠倍），转子会产生很大的挠曲变形，振动也随之增大，这种转子就不能称为曲变形，振动也随之增大，这种转子就不能称为“刚体刚体”，称为挠性转子。，称为挠性转子。1). 刚性转子平衡刚性转子平衡静平衡：薄圆盘，静平衡：薄圆盘，D/l=5。动平衡：宽度较大，需要考虑力矩平衡。一般采用双面平衡，在动动平衡：宽度较大，需要考虑力矩平衡。一般采用双面平衡，在动平衡机上完成转子平衡。平衡机上完成转子平衡。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术19 转子的动平衡方法转子的动平衡方法2). 现场动

27、平衡现场动平衡 现场动平衡是现场动平衡是在旋转机械与其工在旋转机械与其工作状态相同或接近作状态相同或接近的转速、安装条件、的转速、安装条件、支承条件和负载情支承条件和负载情况下对其进行振动况下对其进行振动测量和平衡校正的测量和平衡校正的平衡方法。平衡方法。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术20 转子的动平衡方法转子的动平衡方法3). 挠性转子动平衡 挠性转子的工作转速超过一阶临界转速，这时转子因挠曲变形挠性转子的工作转速超过一阶临界转速，这时转子因挠曲变形而产生的质心偏移将增大离心力的作用，而且挠曲变形又是随着转而

28、产生的质心偏移将增大离心力的作用，而且挠曲变形又是随着转速的变化而变化，因此它的平衡原理不同于刚性转子。速的变化而变化，因此它的平衡原理不同于刚性转子。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术21 转子的动平衡方法转子的动平衡方法3). 挠性转子动平衡(1) 振型平衡法：将转子上轴向分布的不平衡量分解为与主振型对振型平衡法：将转子上轴向分布的不平衡量分解为与主振型对应的各阶不平衡量，按照振型的正交性，第应的各阶不平衡量，按照振型的正交性，第i阶的不平衡量仅对阶的不平衡量仅对第第i阶主振型起作用，对其余各阶主振型没有影响。

29、这样，如将阶主振型起作用，对其余各阶主振型没有影响。这样，如将不平衡量逐阶平衡，则在理论上可获得转子的完全平衡。一般不平衡量逐阶平衡，则在理论上可获得转子的完全平衡。一般只要平衡好低阶不平衡分量就可满足要求只要平衡好低阶不平衡分量就可满足要求。(2) 影响系数法：多平面多转速的影响系数平衡法。对于刚性转子，影响系数法：多平面多转速的影响系数平衡法。对于刚性转子，取两个校正面，取一个平衡转速，可以在各个转速下都得到平取两个校正面，取一个平衡转速，可以在各个转速下都得到平衡。但对挠性转子而言，在不同转速下其挠曲不同，必须增加衡。但对挠性转子而言，在不同转速下其挠曲不同，必须增加平衡转速的数目，相应

30、地也需要增加平衡校正面。平衡转速的数目，相应地也需要增加平衡校正面。3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术223.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术23引起转子不对中故障的原因有：引起转子不对中故障的原因有：初始安装对中超差；初始安装对中超差；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对中不良；现主动转子与从动转子对中不良；轴承架热膨胀不均匀；轴承架

31、热膨胀不均匀；管道力作用；管道力作用；机壳变形或移位；机壳变形或移位；地基不均匀下沉；地基不均匀下沉；基础变形；基础变形；转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术243.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 转子不对中故障的特征转子不对中故障的特征改变了轴承中的油膜压力。改变了轴承中的油膜压力。 轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。 平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动。平行不对中主要

32、引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动。不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差 。对于刚性联轴节，平行不对中易激起二倍频的振动，同时也存在工频（转对于刚性联轴节，平行不对中易激起二倍频的振动，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。对于挠性联轴节，按其结构型式、安装和负荷不同，所存在多倍频振动。对于挠性联轴节，按其结构型式、安装和负荷不同，所表现的振动频率是不同的。表现的振动频率是不同的。 大型涡轮机械上多跨转子的不对中，一般

33、伴随有其它故障因素。大型涡轮机械上多跨转子的不对中，一般伴随有其它故障因素。 1) 转子之间的不对中，在不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴转子之间的不对中，在不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴心轨迹形状为椭圆形。随着预加载荷的增大，轨迹形状将变为香蕉形、心轨迹形状为椭圆形。随着预加载荷的增大，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。字形或外圈中产生一个内圈等形状。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术253.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术263

34、.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 联轴节不对中的振动频率联轴节不对中的振动频率 刚性联轴节的平行不对中刚性联轴节的平行不对中teSOcos21212teKKFcos2tKeKeteKteKtFFy2cos44)2cos1 (4cos2cos2tKetFFx2sin4sin 上式表示Fx、Fy是随转速而变化的两倍频激振力，也就是联轴节每旋转一周，径向力交变两次，转子径向方向上就有两次力的脉动。 在频谱上显示两倍频两倍频振动。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术273.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 刚性联轴节的角度不对中刚性联轴节的角度不对中

35、 在螺栓拉力作用下两半联轴节中存在一个弯矩，弯矩的作用方向是力在螺栓拉力作用下两半联轴节中存在一个弯矩，弯矩的作用方向是力图减小两轴中心线的交角。从联轴节某一点上观察，轴旋转一周，弯矩的图减小两轴中心线的交角。从联轴节某一点上观察，轴旋转一周，弯矩的作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也是每周变化一次，由此引作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也是每周变化一次，由此引起起工频工频振动。振动。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术28齿式联轴节齿式联轴节 属半挠性联轴节属半挠性联轴节3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊

36、断2022-6-30过程装备故障诊断技术293.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 齿式联轴节齿式联轴节 用齿式联轴节联接的两个转子即使是平行不对中，但在齿套与齿壳用齿式联轴节联接的两个转子即使是平行不对中，但在齿套与齿壳之间仍表现为角度不对中。轴每转一周，齿面接触两次，形成两次冲击之间仍表现为角度不对中。轴每转一周，齿面接触两次，形成两次冲击振动，因此会引起振动，因此会引起两倍频振动两倍频振动。其振动特点主要表现为：。其振动特点主要表现为：(1)齿式联轴节相邻的二个转子如果质量接近，则振动较大的往往是紧靠联齿式联轴节相邻的二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

37、承上的负荷也会明显增大。轴节两侧的轴承，轴承上的负荷也会明显增大。(2)不对中引起的不对中引起的轴向振动轴向振动较大，高次谐波丰富，尤其是两倍频分量的幅值较大，高次谐波丰富，尤其是两倍频分量的幅值比正常情况增大得更为明显。比正常情况增大得更为明显。(3)紧靠联轴节两侧的轴承处，径向振动相位差接近紧靠联轴节两侧的轴承处，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，随着不对中量的增加，紧径向振动的频率成分实际上受多种因素影响，随着不对中量的增加，紧靠轴节的轴承或轴颈振动信号中靠轴节的轴承或轴颈振动信号中2 、3 、4 的超谐波响应增长比的超谐波响应增长比基频更快一些。基

38、频更快一些。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术303.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 膜片联轴节膜片联轴节 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术313.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 膜片联轴节膜片联轴节 膜片联轴节是在轴端的半联轴节与连接套筒之间用一组具有挠性的膜片膜片联轴节是在轴端的半联轴节与连接套筒之间用一组具有挠性的膜片来连接，因此它也属于半挠性联轴节。因为这种联轴节在纵向平面上的挠性来连接，因此它也属于半挠性联轴节。因为这种联轴节在纵向平面上的挠性较齿式联轴节更好，而且在使用中不需要润滑，大大减少

39、维修工作量，因此较齿式联轴节更好，而且在使用中不需要润滑，大大减少维修工作量，因此在大中型的旋转机器上获得广泛应用。在大中型的旋转机器上获得广泛应用。 对于具有对于具有n个螺栓联接的联轴节，由于力矩脉动而形成的振动频率可表个螺栓联接的联轴节，由于力矩脉动而形成的振动频率可表示为示为: 根据研究，膜片上的力矩脉动频率还会与转子其它激励频率（如不平衡根据研究，膜片上的力矩脉动频率还会与转子其它激励频率（如不平衡等）产生频率调制，形成多种转速频率的高次谐波。但实验研究指出，膜片等）产生频率调制，形成多种转速频率的高次谐波。但实验研究指出，膜片联轴节发生平行不对中或角度不对中，随着不对中量的增大，频谱

40、中工频成联轴节发生平行不对中或角度不对中，随着不对中量的增大，频谱中工频成分的幅值变化不大，而分的幅值变化不大，而二倍频二倍频幅值增加最为明显，幅值增加最为明显，四倍频四倍频的幅值也有一定程的幅值也有一定程度的增加。度的增加。nnf2)()(为奇数偶数nnChap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术32不对中故障的监测方法不对中故障的监测方法3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 （1）打表法打表法（2）激光对中法）激光对中法（3）联轴节表面状态检测法）联轴节表面状态检测法（4）振动诊断法）振动诊断法（5）Dodd棒测量法棒测量法（6）电涡流绝对值测量法）电涡流绝

41、对值测量法（7）轴承油膜压力测量法）轴承油膜压力测量法Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术33转子不对中故障诊断实例转子不对中故障诊断实例3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 实例实例3-15 基础下沉产生轴承油膜不稳定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压缸3号轴承内轴颈相对位置上升，轴颈中心原来位置是在轴承几何中心号轴承内轴颈相对位置上升，轴颈中心原来位置是在轴承几何中心a a=32方位角上运行，轴承为圆柱形，但是后来轴颈中心方位角

42、开始发生方位角上运行，轴承为圆柱形，但是后来轴颈中心方位角开始发生变化，变化，a a角逐渐增大角逐渐增大,最后到达近最后到达近90位置，轴承因为失去油膜支承力而发生位置，轴承因为失去油膜支承力而发生油膜振荡。这个例子说明由于基础下沉，该处轴承座相对位置下移，轴颈被油膜振荡。这个例子说明由于基础下沉，该处轴承座相对位置下移，轴颈被相邻的相邻的2号轴承抬空，造成轴承与轴颈不对中，轴承上比压减小，导至油膜号轴承抬空，造成轴承与轴颈不对中，轴承上比压减小，导至油膜失去稳定而发生转子强烈振动。失去稳定而发生转子强烈振动。Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术34转子不对中故

43、障诊断实例转子不对中故障诊断实例3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术35转子不对中故障诊断实例转子不对中故障诊断实例3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术363.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 滑动轴承由于具有优良的抗振性能和较长的工作寿命，因而在高速旋滑动轴承由于具有优良的抗振性能和较长的工作寿命，因而在高速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

44、如下三方面的作用下三方面的作用:1). 对高速转子的负荷起支承作用；对高速转子的负荷起支承作用；2). 对转子的运动提供一定的刚度和阻尼；对转子的运动提供一定的刚度和阻尼；3). 控制转子在某一个稳定的位置上运转。控制转子在某一个稳定的位置上运转。 滑动轴承按其工作原理分类，可分为静压轴承与动压轴承两类。静压滑动轴承按其工作原理分类，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，轴无论旋转与否，轴颈始终浮在压力油中。工作时保证轴颈进行工作的，轴无论旋转与否，轴颈始终浮

45、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。因此，这类轴承具有旋转精度高、摩擦与轴承之间处于纯液体摩擦状态。因此，这类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。但是，静压阻力小、承载能力强并有良好的速度适应性和抗振性等特点。但是，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。些高精度机床上应用外，其它场合使用尚少。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术373.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障

46、诊断 3.3.1 滑动轴承工作原理滑动轴承工作原理 在动压轴承中，轴颈外圆与轴承之间有一定间在动压轴承中，轴颈外圆与轴承之间有一定间隙（一般为轴颈直径的千分之几），间隙内充满润隙（一般为轴颈直径的千分之几），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。转速继续升高至于

47、一定程度，轴颈把半液体摩擦。转速继续升高至于一定程度，轴颈把具有粘性的润滑油带入轴颈与轴承之间的楔形间隙具有粘性的润滑油带入轴颈与轴承之间的楔形间隙（油楔）中。因为楔形间隙是收敛形的，它的入口（油楔）中。因为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流体动压力，所以称这种轴承隙内升高的压力就是流体动压力，所以称这种轴承为动压轴承。为动压轴承。Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术383.

48、3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.1 滑动轴承工作原理滑动轴承工作原理 在间隙内积聚的油层就是油膜，油膜压力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下稳定时，轴颈就在轴承内不发生接触的情况下稳定地旋转，旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作地旋转，旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作用，略向一侧偏移，这便是流体动压轴承的工用，略向一侧偏移，这便是流体动压轴承的工作原理。作原理。 轴承承载能力系数轴承承载能力系数S0是在滑动轴承中用来是在滑动轴承中用来确定轴承工作状态的一个重要系数。滑

49、动轴承确定轴承工作状态的一个重要系数。滑动轴承的理论指出，几何形状相似的轴承，系数的理论指出，几何形状相似的轴承，系数S0相相同时轴承就具有相似的性能，而同时轴承就具有相似的性能，而S0本身是相对本身是相对偏心率偏心率（e/c）和轴承宽径比）和轴承宽径比l/d的函数，偏心率的函数，偏心率越大或轴承宽径比越大，则越大或轴承宽径比越大，则S0值也越大，轴承值也越大，轴承承载能力也越高。承载能力也越高。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术393.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.2 滑动轴承常见故障的原因滑动轴承常见故障的原因巴氏合金松脱巴氏合金松脱轴承

50、异常磨损、刮伤、拉毛轴承异常磨损、刮伤、拉毛轴承疲劳轴承疲劳 轴承腐蚀轴承腐蚀轴承气蚀轴承气蚀 轴承壳体配合松动轴承壳体配合松动 轴承间隙不适当轴承间隙不适当 1) 轴承温度过高轴承温度过高 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术403.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.3 滑动轴承常见故障的特征和防治措施滑动轴承常见故障的特征和防治措施高速滑动轴承不稳定故障的原因高速滑动轴承不稳定故障的原因oo1oPPRR 假如轴颈中心在假如轴颈中心在O1位置上，轴颈载荷位置上，轴颈载荷P和油膜反力和油膜反力R大小相等方向相反，大小相等方向相反，O1点就是轴颈旋转时

51、的平衡点就是轴颈旋转时的平衡位置，这个平衡位置可由轴颈的偏心率和偏位角来位置，这个平衡位置可由轴颈的偏心率和偏位角来确定。但是当转子受到外界瞬时干扰，轴颈中心移确定。但是当转子受到外界瞬时干扰，轴颈中心移到到O位置时，油膜反力变为位置时，油膜反力变为R , R 的大小和方向与的大小和方向与P不再平衡，两者的合力为不再平衡，两者的合力为F。把。把F分解为一个切向分解为一个切向分量分量Fu和一个径向分量和一个径向分量Fr。Fr为弹性恢复力；为弹性恢复力；Fu与与轴颈位移方向相垂直，它有推动轴颈围绕平衡中心轴颈位移方向相垂直，它有推动轴颈围绕平衡中心继续旋绕的趋势，这种旋绕运动就称为继续旋绕的趋势，

52、这种旋绕运动就称为“涡动涡动”，Fu称为涡动力（或称切向力）。如果涡动力等于或称为涡动力（或称切向力）。如果涡动力等于或小于油膜阻尼力，则轴心轨迹不扩大，成为一个稳小于油膜阻尼力，则轴心轨迹不扩大，成为一个稳定的封闭图形，这种涡动是稳定的。如果涡动力超定的封闭图形，这种涡动是稳定的。如果涡动力超过阻尼力，则轴心轨迹继续扩大，这种涡动是不稳过阻尼力，则轴心轨迹继续扩大，这种涡动是不稳定的。处于失稳状态下的转子，在瞬时内将出现强定的。处于失稳状态下的转子，在瞬时内将出现强烈的振动。烈的振动。 图图3-36 轴颈涡动力的形成轴颈涡动力的形成FFrFuChap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过

53、程装备故障诊断技术413.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.3 滑动轴承常见故障的特征和防治措施滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断油膜振荡的机理及其故障诊断 油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障，它是由油膜力产生的自激油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障，它是由油膜力产生的自激振动，转子发生油膜振荡时输入的能量很大，足以引起转子轴承系统零部振动，转子发生油膜振荡时输入的能量很大，足以引起转子轴承系统零部件的损坏。在一些大型电站汽轮发电机组中，油膜振荡也可能导致整个机件的损坏。在一些大型电站汽轮发电机组中，油膜振荡也可能导致整个机组的毁坏，造成严重的事故。组的

54、毁坏，造成严重的事故。 转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运动。如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角动。如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的二分之一，所以称为速度近似为转速的二分之一，所以称为“半速涡动半速涡动”。涡动频率：。涡动频率：21 半速涡动的实际振动频率为：半速涡动的实际振动频率为： (0.430.48) Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术423.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.3 滑动轴承

55、常见故障的特征和防治措施滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断油膜振荡的机理及其故障诊断 (1). 油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生，油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生，它不受外部激励力的影响。它不受外部激励力的影响。 (2). 对于高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界对于高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界转速二倍以上。对于稳定性较差的转子轴承系统，一般在发生油膜振转速二倍以上。对于稳定性较差的转子轴承系统，一般在发生油膜振荡转速之前的较低转速下就已出现了半速涡动频率。荡转速

56、之前的较低转速下就已出现了半速涡动频率。 (3). 油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率 和和转速频率转速频率 的多倍频成分以及这两个主振频率的和差组合频率成分。的多倍频成分以及这两个主振频率的和差组合频率成分。 (4). 发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加成花瓣形状。成花瓣形状。 (5). 发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，因而

57、会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。因而会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。 (6). 当转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不当转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不下降。下降。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术433.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断 3.3.3 滑动轴承常见故障的特征和防治措施滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断油膜振荡的机理及其故障诊断Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术443.3 滑动轴承故障诊断

58、滑动轴承故障诊断 3.3.3 滑动轴承常见故障的特征和防治措施滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施油膜不稳定的防治措施 避开油膜共振区域避开油膜共振区域设计时就要避免转子工作转速在一阶临界转速的两倍附近运转；设计时就要避免转子工作转速在一阶临界转速的两倍附近运转；2) 增加轴承比压增加轴承比压增加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜的稳定性；增加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜的稳定性； 用车削方法缩短轴承宽度；用车削方法缩短轴承宽度； 在轴承下瓦开环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内的油压在轴承下瓦开环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内的油压分布；分布； 减小

59、下瓦接触角，在下瓦开泄油槽，可增加轴颈的偏心率；减小下瓦接触角，在下瓦开泄油槽，可增加轴颈的偏心率； 减小上瓦油槽宽度或在上瓦设置油坝，用以提高上瓦油压；减小上瓦油槽宽度或在上瓦设置油坝，用以提高上瓦油压； 改变油楔形式，例如对圆柱轴承，可降低顶隙，适当增加侧隙，变为改变油楔形式，例如对圆柱轴承，可降低顶隙，适当增加侧隙，变为椭圆形轴承，提高轴颈在轴承中的稳定性。椭圆形轴承，提高轴颈在轴承中的稳定性。 Chap 3 旋转机械故障诊断2022-6-30过程装备故障诊断技术453) 减小轴承间隙减小轴承间隙 轴承间隙减小，则可提高发生油膜振荡的转速。轴承间隙减小，则可提高发生油膜振荡的转速。 4)

60、 控制适当的轴瓦预负荷控制适当的轴瓦预负荷 C 轴承平均半径间隙；轴承平均半径间隙； RP轴承内表面曲率半径；轴承内表面曲率半径； RS轴颈半径轴颈半径。 预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴承内圆半径，起预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴承内圆半径，起到增大偏心距作用。在每块瓦块上油楔的收敛程度更大，迫使油进入到增大偏心距作用。在每块瓦块上油楔的收敛程度更大，迫使油进入收敛形间隙中增加油楔力。几个瓦块在周向上的联合作用，稳住了轴收敛形间隙中增加油楔力。几个瓦块在周向上的联合作用，稳住了轴颈的涡动，增强了转子的稳定性。颈的涡动，增强了转子的稳定性。3.3 滑动轴承故障诊断