设备故障诊断旋转机械

设备故障诊断旋转机械1第1页，共51页，2023年，2月20日，星期二旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，统称为机器。旋转机械故障是指机器的功能失常，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运行失稳，机器发生异常振动和噪声，机器的工作转速、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，所产生的信息也不一样，根据机器特有的信息，可以对机器故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障因素的耦合结果，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。一、概述2第2页，共51页，2023年，2月20日，星期二

对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患者的治疗。医生基于病理需要向患者询问病情、病史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机器大

量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析。例如，对于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一部分；而流体机械的负荷变化，以及介质的温度、压力和流量等，对机器的运行状态有重要的影响，往往是造成机器发生异常振动和运行失稳的重要因素。3第3页，共51页，2023年，2月20日，星期二因此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参响运行工作状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。

二、转子振动的基本概念旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子是其最主要的部件。旋转机械发生故障的重要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。因此，了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确度具有重要的理论意义和实际工程应用价值。4第4页，共51页，2023年，2月20日，星期二1、转子振动的基本特性

转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特性。5第5页，共51页，2023年，2月20日，星期二

一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一水平线上。设转子上的圆盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形，但由于静变形较小，对转子运动的影响不显著，可以忽略不计，即仍认为圆盘的几何中心O’

与轴线AB上O点相重合，如图5-1所示。当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度。此时，转子有两种运动：一种是转子的自身转动，即圆盘绕其轴线AO’B的转动；另一种是弓形转动．即弯曲的轴心线AO’B与轴承联线AOB组成的平面绕AB轴线转动。（1）、转子涡动6第6页，共51页，2023年，2月20日，星期二

圆盘的质量以M表示，它所受的力是转子的弹性力F

式中k为转子的刚度系数，“

a=OO’

”，圆盘的运动微分方程为F=-ka式中X、Y为振幅，x，y为相位。7第7页，共51页，2023年，2月20日，星期二

由上式可知，圆盘或转子的中心O’，在互相垂直的两个方向作频率为n的简谐振动。在一般情况下，振幅X，Y不相等，O’点的轨迹为一椭圆。O’的这种运动是一种“涡动”或称“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度同向时，称为正进动；与反方向时，称为反进动。

在某些旋转机械的开车或停机过程中，当经过某一转速附近时，会出现剧烈振动；这个转速在数值上非常接近于转子横向自由振动的固有频率，称为临界转速。但是，临界转速的值并不等于转子的固有频率，而且在临界转速时发生的剧烈振动与共振是不同的物理现象。（2）、临界转速8第8页，共51页，2023年，2月20日，星期二转子临界转速

如果圆盘的重心G与转轴中心O’不重合，设e为圆盘的偏心距即0’G=e，如下图所示。当圆盘以角速度转动时，重心G的加速度在坐标上的位置为图圆盘重心位置在转轴的弹性力F作用下，由质心运动定理知9第9页，共51页，2023年，2月20日，星期二则轴心O’的运动微分方程为

上式中右边是不平衡质量所产生的激振力将上式改写为复变量的形式其特解为Z=Aej10第10页，共51页，2023年，2月20日，星期二代上式后，可求得振幅

圆盘或转轴中心0’对于不平衡质量的响应为由复数式和上式可知，轴心O’的响应频率和偏心质量产生的激振力频率相同，而位相也相同（＜n时）或相差180(＞n时）11第11页，共51页，2023年，2月20日，星期二

这表明，圆盘转动时，上图的0，O’和G三点始终在同一直线上。这直线绕过O点而垂直于OXY平面的轴以角速度转动。O’点和G点作同步进动，两者的轨迹是半径不相等的同心圆，这是正常运转的情况。如果在某瞬时，转轴受一横向冲击，则圆盘中心O’同时有自然振动和强迫振动。其合成的运动是此较复杂的。O，O’和G三点不在同一直线上，而且涡动频率与转动角度不相等。实际上由于有外阻力作用，涡动是衰减的。经过一段时间，转子将恢复其正常的同步进动。12第12页，共51页，2023年，2月20日，星期二

在正常运转的情况下，由振幅公式可知：（a）＜n时，A＞0，O’点和G点在O点的同一侧，如下图（a）所示；（b）>n时，A＜0，但A＞e，G在O和O’之间，如下图（c）所示；当》n时。且Ae，或OO’

-O’G，圆盘的重心G近似地落在固定点O，振动很小，转动反而比较平稳。这种情况称为“自动时心”。（c）当=n时，A，是共振情况，实际上由于存在阻尼，振幅A不是无穷大而是较大的有限值，转轴的振动仍然非常剧烈，以致有可能断裂。n称为转轴的“临界角速度”；与其对应的每分钟的转数则称为“临界转速”，以nc表示，即13第13页，共51页，2023年，2月20日，星期二转子重心的相位变化因故14第14页，共51页，2023年，2月20日，星期二

如果机器的工作转速小于临界转速，则转独称为刚性轴；如果工作转速高于临界转速，则转轴称为柔性轴。由上面分析可知，具有柔性轴的旋转机器运转时较为平稳。但在启动过程中，要经过临界转速。如果缓慢启动，则经过临界转速时，也会发生剧烈的振动。

研究不平衡响应时如果考虑外阻力的作用，则复变量式变为其特解为

Z=|A|ej（t+）15第15页，共51页，2023年，2月20日，星期二由此解出A及为

振幅|A|与相位差随转动角速度对固有频率的比值。/n改变的曲线，即幅频响应曲线与相频响应曲线，由下图所示。从下图可知，由于外阻尼，转子中心O’对不平衡质量的响应在=n时不是无穷大而是有限值，而且不是最大值。最大值发生在>n的时候。16第16页，共51页，2023年，2月20日，星期二图幅频响应与相频响应17第17页，共51页，2023年，2月20日，星期二对于实际的转子系统，把出现这最大值即峰值时的转速作为临界转速，在升速或降速过程中，用测量响应的办法来确定转子的临界转速。测量所得的临界转速在升速时略大于前面所定义的临界转速n，而在降速时则略小于n。

陀螺力矩对转子临界转速的影响当圆盘不装在两支承的中点面偏于一边时，转轴变形后，团盘的轴线与两交点A和B的连线有夹角，如下图所示。设圆盘的自转角速度为，极转动惯量为Jp，则圆盘对质心O’的动量距为18第18页，共51页，2023年，2月20日，星期二它与轴线AB的夹角也应该是，见下图所示。当转轴有自然振动时，设其频率为n，由于进动圆盘的动量矩H将不断改变方向。因此有惯性力矩图陀螺力矩的影响19第19页，共51页，2023年，2月20日，星期二这一惯性力矩称为陀螺力矩或回转力矩。它是圆盘加于转轴的力矩。因夹角较小sin，上式可写作

这一力矩与成正比，相当于弹性力矩。在正进动（0＜

＜／2)的情况下，它使转轴的变形减小，因而提高了转轴的弹性刚度，即提高了转子的临界角速度。在反进动（／2＜

＜）的情况下，这力矩使转轴的变形增大，从而降低了转轴的刚度，即降低了转子的临界角速度。故陀螺力矩对转于临界转速的影响是正进动时，它提高了临界转速；反进动时，它降低了临界转速。20第20页，共51页，2023年，2月20日，星期二弹性交承对转子临界转速的影响

只有在支架即轴承架完全不变形的条件下，支点才能在转子运动时保持不动。实际上，支架并不是绝对刚性不变形的，因而考虑支架的弹性变形时，这支架就相当于弹簧与弹性转轴相串联，如下图所示。弹性支承转子系统21第21页，共51页，2023年，2月20日，星期二支架与弹性转轴串连后，其总的刚度要低于转轴本身的弹性刚度。因此，弹性支承可使转子的进动角速度或临界转速降低；减小支承刚度可以使临界角速度显著降低。三、转子不平衡的诊断转子不平衡故障分为转子质量偏心及转子部件缺损两种状态。转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材质不均勾等原因造成，称此为初始不平衡。转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳应力的作用；使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏。脱落，碎块飞出等，造成新的转子不平衡，发生异常振动。22第22页，共51页，2023年，2月20日，星期二转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其故降机理却有共同之处。

1、故障机理设转子的质量为M，偏心质量为m，偏心距为e，如果转子的质心到两轴承联心线垂直距离不为零，具有挠度为a，如下图所示。具有偏心质量的转子设其偏心质量集中于G点，由前面所述转子振动的基本特性知．具有偏心质量的转子．其轴心0’的运动微分方程为23第23页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子力学模型24第24页，共51页，2023年，2月20日，星期二

转子发生异常振动的不平衡响应，振幅lAl及相位差由式频率响应函数决定，而幅频特性和相频特性如前图所示。

2、诊断方法及治理措施（1）故障的诊断对转子质量偏心及转子部件缺损的故障诊断主要是根据上述振动机理，由以下8项内容进行综合分析。如下图所示。25第25页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子振动响应的主要特征26第26页，共51页，2023年，2月20日，星期二(a)振动的时域波形为正弦波。

(b)频谱图中，谐波能量集中于基频。

(c)当＜n时，振幅随增大而增大；

当＞n时，增大时振幅趋于一个较小的稳定值；

当接近于n时，发生共振，振幅具有最大峰值。

(d)当工作转速一定时，相位稳定于矢量域内。

(e)转子的轴心轨迹为椭圆。

(f)转子的进动特征为同步正进动。

(g)振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。

(h)质量偏心的矢量域稳定于某一允许的范围内（下图a），而转子部件发生缺损故障时，其矢量域突然从t0点变到ti点（下图b）。27第27页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子振动的矢量域28第28页，共51页，2023年，2月20日，星期二3、诊断实例

某大型离心式压缩机经检修更换转子后，机组运行时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅超过设计允许值3倍，机器不能正常运行。主要振动特征如下图所示。（1）扳动的周期性与工作转速同频，其时域波形如图（b）所示。（2）频谱中能量集中于基频，具有突出的峰值，如图（a）所示。·（3）轴心轨迹为椭圆，如图（c）所示。（4）转子相位稳定，为同步正进动。（5）改变工作转速，振幅有明显变化。29第29页，共51页，2023年，2月20日，星期二图压缩机振动特征30第30页，共51页，2023年，2月20日，星期二诊断意见：

根据转子不平衡的振动特征图和转子质量偏心的8项内容可知，压缩机发生强烈振动的原因是由于转子质量偏心不平衡造成的；应停机检修或更换转子。

生产验证：

该转子的动平衡技术要求，不平衡误差应小于1.8m／s。经拆机检验．转子的实际不平衡量一端为6.89m／s，另一端为7.24m／s，具有严重不平衡质量。将该转子在工作转速下经过认真高速动平衡，使其达到技术要求。该转子重新安装后，压缩机恢复正常，运行平稳。31第31页，共51页，2023年，2月20日，星期二四、转子不对中的诊断

机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，以传递运动和扭矩，转子之间的轴线由于机器的安装误差、机械承载后的变形、机器工作状态的的对中变化；以及基础的下沉不均，造成转子轴线之间的径向位移、偏角位移或综合位移等误差，统称为转子不对中。如下图所示。32第32页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子不对中型式

1、转子不对中的故障机理转子对中不良的轴系，不仅改变了转子轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状态，同时也改变了轴系的固有频率，如下图所示。轴系由于转子不对中，而使转子受的力及支承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。33第33页，共51页，2023年，2月20日，星期二图

转子不对中的受力情况

联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿轮联轴器，中、小设备多用固定式刚性联铀器。现以这两种联轴器为例，说明转子不对中的故障机理。34第34页，共51页，2023年，2月20日，星期二（1）齿轮联轴器的联接转子不对中的故障机理

转子由齿轮联轴器联接时，不对中的情况如下图所示：图齿式联轴器转子不对中型式（a）径向位移；（b）偏角位移；（c）综合位移35第35页，共51页，2023年，2月20日，星期二

轴系各转子之间的同轴度超差时（即不对中），齿轮联轴器内外齿面的接触及受力情况都发生了变化，如下图所示。

齿面的法向力为式中d—

联轴器齿分度圆直径，mm；

—联轴器齿压力角，（°）；

MK—联轴器所传递的扭矩，N·cm。36第36页，共51页，2023年，2月20日，星期二图齿轮联轴器的受力情况

由齿面啮合的摩擦力所产生的摩擦力矩为37第37页，共51页，2023年，2月20日，星期二中间齿套倾斜的力矩为

式中

—

中间齿套的倾角；

b—

外齿宽。若忽略其它因素的影响，设MF与MT在同一平面内并且相互垂直，由这两个力矩所产生的径向分力为式中t—联轴器中间齿套两端齿的中心跨距，mm。38第38页，共51页，2023年，2月20日，星期二轴承所受的附加径向力为

同样，由于摩擦力的影响，最大附加轴向力为转子轴线之间有径向位移时，联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副，不能相对转动，但是中间齿套与半联轴器可以滑动而作平面圆周运动，中间齿套的质心便以轴线的径向位移量（X）为直径作圆周运动，如下图所示。39第39页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子径向位移振动

联轴器中间齿套的转动频率为转子旋转频率的2倍，即转子转动一周时，中间齿会以转子径向位移量为直径作两次平面圆周运动。当两转于的轴线有偏角位移时（如下图），转子回转角速度为40第40页，共51页，2023年，2月20日，星期二图转子偏角位移振动传动比式中：1—主动转子的回转角速度2—从动转子的回转角速度—从动转子的偏斜角；1—主动转子的转角。41第41页，共51页，2023年，2月20日，星期二当主动转子的回转角速度1为常数时，从动转子的回转角速度2并不是常数，而是偏角和主动转子转角的函数，当=0时或1800时，iz！=1／cos

为最大；当=900时或2700时，iz！=cos为最小，如下图所示。

即图速比iz！的变化曲线42第42页，共51页，2023年，2月20日，星期二

由此可知：当机组的转子轴线发生偏角位移时，其传动比不仅是转子每回转一周变动两次，而且其变动的强度随偏角的增大而发生振动，其径向振动频率亦为转子旋转频率的2倍。

在实际生产中机组各转子之间的联接对中情况，往往是既有径向位移又有偏角位移的综合位移，因而转子发生径向振动的机理是两者的综合结果。43第43页，共51页，2023年，2月20日，星期二

同时，齿轮联轴器由于所产生的附加轴向力以及转子偏角位移的作用，从动转子以每回转一周为周期，在轴向往复运动一次，因而转子轴向振动的频率与回转频率相同，如下图所示。图转子不对中的轴向振动44第44页，共51页，2023年，2月20日，星期二（2）刚性联轴器联接转子不对中的故障机理

刚性联铀器联接的转子对中不良时，由于强制联接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子径向位移或偏角位移的状态不同，其变形和受力情况也不一样，如下图所示。图刚性联轴器联接不对中的情况

(a)径向位移；(b)角度位移45第45页，共51页，2023年，2月20日，星期二

用刚性联轴器联接的转子不对中时，转子往往是既有径向位移又有偏角位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力、又有轴向交交力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动；而且由转子回转角速度公式可知，当主动转子按一定转速旋转时，被动转子的转速就产生周期性变动．每转动一周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的2倍。46第46页