转子系统故障诊断技术

转子系统故障诊断技术第一页，共117页。第六章转子系统故障诊断技术机械故障的主要原因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）第二页，共117页。•机械设备中大部分都是旋转机械，它覆盖着动力、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，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，严重时将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。转子系统故障诊断技术第三页，共117页。机械故障的主要原因设计原因①设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动②结构不合理，应力集中③设计工作转速接近或落人临界转速区④热膨胀量计算不准，导致热态对中不良制造原因①零部件加工制造不良，精度不够②零件材质不良，强度不够，制造缺陷③转子动平衡不符合技术要求转子系统故障诊断技术第四页，共117页。安装、维修①机械安装不当，零部件错位，预负荷大②轴系对中不良③机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当④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⑤转子长期放置不当，改变了动平衡精度⑥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①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②机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性③运行点接近或落入临界转速区转子系统故障诊断技术第五页，共117页。④润滑或冷却不良⑤转子局部损坏或结垢⑥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①长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化②转子局部损坏、脱落或产生裂纹③零部件磨损、点蚀或腐蚀等④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⑤机器基础沉降不均匀，机器壳体变形转子系统故障诊断技术第六页，共117页。转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有关。转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1，比之大的依次叫做二阶临界转速nc2、三阶临界转速nc3。工程上有实际意义的主要是前几阶，过高的临界转速已超出了转子可达的工作转速范围。工作转速低于一阶临界转速的转子称为刚性转子系统。工作转速高于一阶临界转速的转子称为柔性转子系统。转子系统的分类转子系统故障诊断技术第七页，共117页。大型机组的安全运行转速范围：

刚性转子：

n<0.75nc1

柔性转子：

1.4nc1<n<0.7nc2柔性转子在高于一阶临界转速nc1范围工作，所以在起、停车过程中，要通过一阶临界转速nc1，机组将因共振而发生强烈的振动，因此要快速通过此区域。转子系统故障诊断技术第八页，共117页。数据采集与处理系统速度传感器涡流传感器测量与适调线路 基频检测仪相位脉冲信号 多通道磁带记录仪 频谱 分析仪示波器

X-Y记录仪打印机

数字绘图仪

X-Y记录仪转子系统常见振动监测方法第九页，共117页。频带区域主要异常振动原因异常振动的特征低频不平衡旋转体轴心周围的质量分布不均，振动频率一般以1X为主不对中两根旋转轴与联轴节联接有偏移，振动频率一般以2X为主，有时伴有4X轴弯曲旋转轴弯曲变形而引起的振动，振动频率一般以1X为主，伴有转频高次谐波松动基础螺栓松动或轴承磨损，一般发生在旋转频率的高次谐波或分数谐波油膜振荡在滑动轴承作强制润滑的旋转体中产生，振动频率为旋转频率的l/2倍左右中频压力脉动发生在水泵、风机的压力发生机构和叶轮中，每当流体通过涡旋转壳体时发生压力变动，如压力发生机构产生异常时，则压力脉动发生变化干扰振动多发生在轴流式或离心式压缩机上；涡轮运行时在动静叶片间因叶轮和扩散器、喷嘴等干扰而发生的振动高频空穴作用在流体机械中，由于局部压力下降而产生气泡，到达高压部分时气泡破裂，通常会发生随机高频振动和噪声流体振动在流体机械中，由于压力发生机构和密封件的异常而发生的一种涡流．也会产生随机的高频振动和噪声转子系统的异常振动类型及其特征第十页，共117页。转子系统振动频谱特点①一倍频：又称基频、工频，转子动不平衡、轴承工作不良、热态对中不良、支座刚度有问题等，都会引起1X振动分量的增大。②二倍频：转子热态对中不良、裂纹、松动等都会引起2X振动分量增大。③(0.4~0.6)倍工频或(0.3~0.8)倍工频：用来监测亚异步振动，如油膜涡动、旋转失速、密封流体激振、进气脉动、摩擦等。转子系统故障诊断技术第十一页，共117页。油膜涡动与油膜振荡

油膜涡动—柔性转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致使轴承油膜合力与载荷不能平衡，就会引起油膜涡动。当系统具有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。

油膜振荡—当系统具有负阻尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡。油膜涡动与油膜振荡都是油膜承载压力波动的反映，表现为轴的振动。转子系统故障诊断技术第十二页，共117页。油膜涡动与油膜振荡的发生条件①只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。②油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。转子系统故障诊断技术第十三页，共117页。油膜涡动与油膜振荡的信号特征

①油膜涡动的振动频率（涡动频率fΩ）随转速变化，与转频保持：fΩ

=（0.42～0.48）fn，又称为半速涡动。伴随着转子转速的不断上升，油膜涡动的涡动频率也不断上升。②当转速上升到转子一阶临界转速的二倍附近时，也就是说当油膜涡动的频率等于转子轴承系统的一阶固有频率时，转子轴承系统将发生强烈的共振，这就是所说的油膜振荡。油膜振荡发生后，即使转速继续上升，但涡动频率却不再上升，仍为一阶固有频率，不再改变。即油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化。发生油膜振荡时，振幅继续增大，即使再提高转速，振幅也不会下降。③两者的振动随油温变化明显。油膜振荡具有严重性、突发性、有时会发出间断吼叫声等特点。

转子系统故障诊断技术第十四页，共117页。油膜涡动的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向(0.42-0.48)×1×较稳定径向为主稳定双环椭圆正进动油膜振荡的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向fc1fc1与工频的和差组合不稳定径向为主不稳定扩散不规则正进动转子系统故障诊断技术第十五页，共117页。油膜涡动的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显明显不变不变涡动频率随工作频率升降，保持(0.42-0.48)×径向振动包括水平和垂直方向振动转子系统故障诊断技术第十六页，共117页。油膜振荡的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法振动发生后，升高转速，振动不变不明显明显不变不变工作频率≥2fc1时突然发生；振动强烈，有低沉吼叫声；振荡发生前发生油膜涡动。转子系统故障诊断技术第十七页，共117页。油膜涡动与油膜振荡的振动特点①油膜涡动的轴心轨迹是由基频(1×)与半速涡动频率(0.5×)叠加成的双椭圆，较稳定。②油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。转子系统故障诊断技术第十八页，共117页。升速时产生油膜振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同，称为“惯性效应”。频率振幅振幅转速

a)频率振幅振幅转速

b)

频率振幅振幅转速

c)

不同载荷下的油膜振荡特点轻载转子中载转子重载转子转子系统故障诊断技术第十九页，共117页。转子系统故障诊断技术第二十页，共117页。转子系统故障诊断技术第二十一页，共117页。转子系统故障诊断技术第二十二页，共117页。油膜涡动及振荡实例一某公司国产30万吨合成氨装置，其中一台ALS—16000离心式氨压缩机组，在试车中曾遇到轴承油膜振荡。

图6—22(a)表示高压缸轴振动刚出现油膜振荡时的频谱。从图中可见，140.5Hz(8430r/min)是轴的转速频率f，由轴的不平衡振动引起,55Hz为油膜振荡频率fΩ

(fΩ≠0.5f)。第二十三页，共117页。当转速升至8760r／min(146Hz)时，油膜振荡频率fΩ的幅值已超过转速频率幅值，见图6—22(b)，这是一幅典型的油膜振荡频谱图，从图(b)中可见，频率成分除了f(146Hz)和fΩ(56.5Hz)之外，还存在其他频率成分；这些成分是:主轴振动频率f和油膜振荡频率fΩ的一系列和差组合频率。第二十四页，共117页。油膜涡动及振荡实例二某公司一台空气压缩机，由高压缸和低压缸组成。低压缸在一次大修后，转子两端轴振动持续上升，振幅达50-55μm，大大超过允许值33μm。低压缸前、后轴承上的振动测点信号频谱图如图6—23(a)、(b)所示，图中主要振动频率为91.2Hz，其幅值为工频（190Hz）振幅的3倍多，另外还有2倍频和4倍频成份，值得注意的是，图中除了非常突出的低频91.2Hz之外，4倍频成分也非常明显。低压缸前轴承低压缸后轴承第二十五页，共117页。对上述发现的问题分别作了修正，机器投运后恢复正常，低压缸两端轴承的总振值下降到20μm，检修前原频谱图上反映轴承油膜不稳定的91.2Hz低频成分和反映对中不良的4倍频成分均已消失，半速涡动也消失[图6—23(c)、(d)]。低压缸前轴承低压缸后轴承第二十六页，共117页。转子的不平衡旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，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。转子系统故障诊断技术第二十七页，共117页。转子不平衡的轴心轨迹转子系统故障诊断技术第二十八页，共117页。转子不平衡故障谱图1×2×3×4×5×转子系统故障诊断技术第二十九页，共117页。转子不平衡故障1×幅值变化转子系统故障诊断技术第三十页，共117页。不平衡故障的信号特征①时域波形为近似的等幅正弦波，轴向振动不大。②轴心轨迹为比较稳定的椭圆，这是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。③频谱图上以转子转动频率1X处的振幅为主（最大）。④二维全息图中，转频振幅椭圆较大，其他成份较小。敏感参数特征①振幅随转速n变化明显，这是因为，激振力F与转速ω是F=meω2，e为偏心距。②当转子上的部件破损时，振幅突然变大。转子系统故障诊断技术第三十一页，共117页。1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×高次谐波稳定径向为主稳定椭圆正进动转子质量偏心的振动特征转子质量偏心的敏感参数123456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变低速时振幅趋于零轴向振动很小转子系统故障诊断技术第三十二页，共117页。转子部件缺损的振动特征转子缺损部件的敏感参数1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×高次谐波突发性增大后稳定径向为主突变后稳定椭圆正进动133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变振幅突然增加转子系统故障诊断技术第三十三页，共117页。

转子系统故障诊断技术例：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。

水平垂直第三十四页，共117页。

例：某厂芳烃车间一台离心式氢气压缩机是该厂生产的关键设备之一。该压缩机配有本特利公司7200系列振动监测系统；测点有7个，测点A、B、C、D为压缩机主轴径向位移传感器，测点E、F分别为齿轮增速箱高速轴和低速轴轴瓦的径向位移传感器，测点G为压缩机主轴轴向位移传感器。该机组于5月中旬开始停车大检修，6月初经检修各项静态指标均达到规定的标准。6月10日下午启动后投入催化剂再生工作。再生工作要连续运行一周左右，各项动态参数都在规定范围内，机器工作正常。但6月12日上午振动报警，测点D振动值越过报警限，高达60～80μm之间波动，测点C振动值也偏大，在50～60μm之间波动，其它测点振动没有明显变化。转子系统故障诊断技术第三十五页，共117页。利用计算机进行了频谱分析，见图2，并与故障前5月21日相应测点的频谱图1进行对比，发现：图26月12日D点频谱图（故障）图15月21日D点频谱图（故障前）转子系统故障诊断技术第三十六页，共117页。1倍频的幅值明显增加，C点增大到5月21日的1.9倍，D点增大1.73倍。其它倍频成分的幅值几乎没变化。根据以上特征，可作出以下结论：1)转子出现了明显的不平衡，可能是因转子的结垢所致；2)振动虽然大，但属于受迫振动，不是自激振动。并不可怕。谐波频率HZ5月21日振幅6月12日振幅改变量1×254.88170.93295.621252×510.8038.0238.820.83×764.6534.4035.3814×1021.5323.3826.723转子系统故障诊断技术第三十七页，共117页。因此做以下处理：1)可以不停机，再维持运行4～5天，直到再生工作完成；2)密切注意振动状态，再生工作完成后有停机的机会，做解体检查。生产验证：6月18日催化剂再生工作圆满完成，压缩机停止运行。6月20日对机组进行解体检查，发现机壳气体流道上结垢十分严重，结垢最厚处达20mm左右。转子上结垢较轻，垢的主要成分是烧蚀下来的催化剂，第一节吸入口处约3／4的流道被堵，只剩一条窄缝。因此检修主要是清垢，其它部位如轴承、密封等处都未动，然后安装复原，总共只用了两天时间。6月25日压缩机再次起动，压缩机工作一切正常。第三十八页，共117页。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。如图所示。转子系统故障诊断技术第三十九页，共117页。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。转子系统故障诊断技术第四十页，共117页。转子与联轴节的不对中转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中。一般情况下，转子不对中都是指轴系不对中，故障原因在联轴节处。转子系统故障诊断技术第四十一页，共117页。

转子系统机械故障的60%是由不对中引起的。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和轴的挠曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。转子系统故障诊断技术第四十二页，共117页。引起轴系不对中的原因：①安装施工中对中超差；②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之间产生动态对中不良；③轴承座热膨胀不均匀；④机壳变形或移位；⑤地基不均匀下沉；⑥转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。转子系统故障诊断技术第四十三页，共117页。轴系不对中可分为三种情况①轴线平行不对中②轴线交叉不对中（角度不对中）③轴线综合不对中（组合不对中）

转子系统故障诊断技术第四十四页，共117页。在实际情况中，都存在着综合不对中。只是其中平行不对中和角度不对中所占的比重不同而已。由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲力。随着转动，这个附加弯曲力的方向和作用点也被强迫发生改变，从而激发出转频的2倍、4倍等偶数倍频的振动。其主要激振量以2倍频为主，某些情况下4倍频的激振量也占有较高的份量。更高倍频的成份因所占比重很少，通常显示不出来。转子系统故障诊断技术第四十五页，共117页。轴系不对中故障特征：①时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。②轴心轨迹图呈香蕉形或8字形。③频谱特征：主要表现为径向2倍频、4倍频振动成份，有角度不对中时，还伴随着以回转频率的较大轴向振动。④在全息图中2、4倍频椭圆较扁。转子系统故障诊断技术第四十六页，共117页。转子不对中的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向2×1×、4×稳定径向、轴向较稳定香蕉形或8字形正进动转子不对中的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显明显有影响有影响有影响转子轴向振动较大；联轴器相邻轴承处振动较大；随机器负荷增加，振动增大；对环境温度变化敏感轴向振动较大转子系统故障诊断技术第四十七页，共117页。转子不对中轴心轨迹转子系统故障诊断技术第四十八页，共117页。不对中故障甄别：①不对中的谱特征和横向裂纹的谱特征类似，均以两倍频为主。不对中振动比较稳定，横向裂纹振动不稳定。不对中2X二维全息谱为较扁的椭圆，横向裂纹则是2X二维全息谱比较圆。②带滚动轴承和齿轮箱的机组，不对中故障可能引发出通过频率或啮合频率的高频振动。如果高频振动在轴向上占优势，而联轴器相联的部位轴向工频亦相应较大，则齿轮振动可能只是不对中故障所产生的过大的轴向力的响应。③轴向工频有可能是角度不对中，也有可能是轴承不对中。一般情况，角度不对中，轴向工频振值比径向为大，而轴承不对中正好相反。转子系统故障诊断技术第四十九页，共117页。例1X2X1X

2X上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。

转子系统故障诊断技术第五十页，共117页。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，透平和压缩机低压缸运行正常，而压缩机的高压缸振动较大（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。转子系统故障诊断技术第五十一页，共117页。转子系统故障诊断技术第五十二页，共117页。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。转子系统故障诊断技术第五十三页，共117页。转轴弯曲故障

DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良引起的初始弯曲DDDDDDDD转子系统故障诊断技术第五十四页，共117页。转子弯曲有永久性弯曲和暂时性弯曲两种情况。永久性弯曲是指转子轴呈弓形。造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷(转轴结构不合理、材质性能不均匀)、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷所致。暂时性弯曲指可恢复的弯曲。造成暂时性弯曲原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快等致使转子热变形不均匀等。

轴弯曲产生与质量偏心（不平衡）类似的激振力，与质量偏心不同点是轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动。转子系统故障诊断技术第五十五页，共117页。

具有转子弓形弯曲故障的机器，开机启动时振动就较大；

转子临时性弯曲的机器，是随着开机升速过程振幅增大到某一值后振幅有所减小；

转子质量偏心的机器是低速时振幅趋于零。

转子系统故障诊断技术第五十六页，共117页。转轴弯曲故障的振动信号特征：（轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同。）①时域波形为近似的等幅正弦波；②轴心轨迹为一个比较稳定的圆或椭圆，由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦，故轨迹有时会有摩擦的特征；③频谱成份以转频1X为主，伴有高次谐波成份。与不平衡故障的区别在于：弯曲在轴向产生较大的振动。转子系统故障诊断技术第五十七页，共117页。转轴横向裂纹转轴横向裂纹的振动响应与所在的位置、裂纹深度及受力的情况等因素有极大的关系，因此所表现出的形式也是多样的。在一般情况下，转轴每转一周，裂纹总会发生张合。转轴的刚度不对称，从而引发非线性振动，能识别的振动主要是1X、2X、3X倍频分量。转子系统故障诊断技术第五十八页，共117页。转轴横向裂纹的振动信号特征：①振动出现旋转频率的l×、2×、3×…·等高倍分量，随裂纹扩展，刚度进一步下降，l×、2×……等频率幅值随之增大。②开停机过程中，会出现分频共振，即转子在经过1／2、1／3……临界转速时，由于相应的高倍频(2×、3×)正好与临界转速重合，振动响应会出现峰值。例如：n=n0/3时，l×=n/60=n0/(60*3)

横向裂纹特征频率之一的3×=n0/60，对应为临界固有频率。③二维全息谱表现为2×处为椭圆，与不对中的扁圆有明显的差别。④振动不稳定。转子系统故障诊断技术第五十九页，共117页。转子系统故障诊断技术1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向半临界点的2×2×,3×等高频谐波不稳定径向,轴向不规则双椭圆或不规则正进动123456随转速随负荷随油温随流量随压力其它识别方法变化不规则不变不变不变1.非线性振动2.过半临界时2×谐波有共振峰转轴横向裂纹的振动特征转轴横向裂纹振动随敏感参数的变化第六十页，共117页。连接松动故障连接松动使连接刚度下降，这是松动振动异常的基本原因。1)当轴承套与轴承座配合具有较大间隙或紧固力不足时，轴承套受转子离心力作用，沿圆周方向发生周期性变形，改变轴承的几何参数，进而影响油膜的稳定性。2)当轴承座螺栓紧固不牢时，由于结合面上存在间隙，使系统发生不连续的位移。上述两顶因素的改变，都属于非线性刚度改变，变化程度与激振力相联系，因而使松动振动显示出非线性特征。松动的典型特征是产生2×及3×、4×、5×等高倍频的振动。转子系统故障诊断技术第六十一页，共117页。

连接松动故障的振动特征：①轴心轨迹混乱，重心飘移。②频谱图中，具有3×、5×、7×等高阶奇次倍频分量，也有偶次分量。③松动方向的振幅大。④幅值与转速有关。

当高次谐波的振幅值大于转频振幅的1/2时，应怀疑有松动故障。转子系统故障诊断技术第六十二页，共117页。转子支承系统联接松动的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向基频及分数谐波2×、3×不稳定。工作转速达到某阈值时，振幅突然增大或减小松动方向振动大不稳定紊乱正进动转子支承系统联接松动的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法很敏感敏感不变不变不变非线性振动特征转子系统故障诊断技术第六十三页，共117页。转子系统故障诊断技术第六十四页，共117页。碰摩故障动静件之间的轻微摩擦，开始时故障症状可能并不十分明显，当动静碰摩发展到一定程度后，机组将发生碰撞式大面积摩擦。动静碰摩是当间隙过小时发生动静件接触再弹开，改变构件的动态刚度，产生一个切向的摩擦力，使转子产生涡动。由于碰摩力是不稳定的接触正压力，时间上和空间位置上都是变化的，因而摩擦力具有明显的非线性特征(一般表现为丰富的超谐波)。因此，动静碰摩与松动相比，振动成分的周期性相对较弱，而非线性更为突出。转子系统故障诊断技术第六十五页，共117页。碰摩故障的振动特征：1)时域波形存在“削顶”现象，或振动远离平衡位置时出现高频小幅振荡。2)频谱上除转子工频外，还存在非常丰富的高次谐波成分。3)严重摩擦时，还会出现(1／2)×、(l／3)×、(1/n)×等精确的分频成分(经常出现在轴瓦磨损时)。4)全息谱上出现较多、较大的高频椭圆，且偏心率较大。5)提纯轴心轨迹(1×、2×、3×、4×合成)存在“尖角”。6)轴瓦磨损时，还伴有轴瓦温度升高、油温上升等特征，气封摩擦时，在机组起停过程中，可听到金属摩擦时的铉声。7)轴瓦磨损时，对润滑油样进行铁谱分析，可发现相应特征变化。

转子系统故障诊断技术第六十六页，共117页。转子与静止件径向摩擦的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向高次谐波、低次谐波及其组合谐波1×不稳径向连续摩擦时:反向位移、跳动、突变；局部摩擦时:反向位移连续摩擦时:扩散；局部摩擦时:紊乱连续摩擦时:反进动；局部摩擦时:正进动转子系统故障诊断技术第六十七页，共117页。转子与静止件径向摩擦的敏感系数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法不明显不明显不变不变不变时域波形严重削波转子系统故障诊断技术第六十八页，共117页。碰摩故障的故障甄别：1)由于故障机理与松动类似，两者不容易加以区分。据现场经验，松动时以高次谐波为特征，摩擦时以分谐波为特征。另外，松动振动来源于不平衡力，故松动振动随转速变化比较明显，碰摩受间隙大小控制，与转速关系不甚密切。在波形表现形式上，摩擦常可见到削顶波形，松动则不存在削顶问题。2)局部碰摩与全弧碰摩的区分。全弧碰摩分频明显，超谐波消失，局部轻摩擦很少有分频出现，谐波幅值小但阶次多，局部严重摩擦介于两者之间，有分频也有低次谐波，且谐波幅值比基频还大。基频则由未碰撞前的较大值变为较小值。在轨迹上，局部摩擦轨迹乱而不放大，正进动；连续全弧摩擦则随时间逐渐扩散，进动方向为反进动。转子系统故障诊断技术第六十九页，共117页。喘振故障喘振是一种很危险的振动，常常导致设备内部密封件、叶轮导流扳、轴承等损坏，甚至导致转子弯曲、联轴器及齿轮箱等机构损坏。喘振是压缩机组严重失速和管网相互作用的结果。它既可以是管网负荷急剧变化所引起，也可以是压缩机工作状况变化所引起。产生出一种低频率高振幅的压力脉动，造成机组强烈振动。喘振是压力波在管网和压缩机之间来回振荡的现象，其强度和频率不但和压缩机中严重的旋转脱离有关，还和管网容量有关；管网容量越大，则喘振振幅愈大，频率愈低；管网容量小，则喘振振幅小，喘振频率也较高，一般为0.5～20Hz。转子系统故障诊断技术第七十页，共117页。故障类型特征频率常伴频率振动稳定性振动方向轴心轨迹油膜涡动(0.42-0.48)×1×较稳定径向为主双环椭圆油膜振荡Fc1（一阶固有频率）fc1与工频的和差组合不稳定径向为主扩散不规则转轴不平衡1×为主高次谐波稳定径向为主椭圆轴系不对中2×为主1×、4×稳定径向、轴向香蕉形或8字形转轴弯曲1×为主2×等高次谐波稳定径向、轴向椭圆连接松动1×及分数谐波2×、3×不稳定松动方向振动大紊乱横向裂纹1×,2×,3×高次谐波不稳定径向、轴向双椭圆或不规则转子故障的振动特征转子系统故障诊断技术第七十一页，共117页。故障类型振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化油膜涡动明显不明显明显不变不变油膜振荡振荡发生后，升高转速，振动不变不明显明显不变不变转轴不平衡明显不明显不变不变不变轴系不对中明显明显有影响有影响有影响转轴弯曲明显不明显不变不变不变连接松动很敏感敏感不变不变不变横向裂纹变化不规则不变不变不变转子故障的敏感系数转子系统故障诊断技术第七十二页，共117页。其它参见：振动故障诊断要点汇总

转子系统故障诊断技术第七十三页，共117页。转子在线分布式监测与远程故障诊断系统

（DistributedMonitoringandRemoteDiagnosisSystem,DM&RDS）转子系统故障诊断技术第七十四页，共117页。转子系统故障诊断技术第七十五页，共117页。1、企业通过远程登录，利用远程诊断中心的分析软件和专家系统来诊断本地设备；2、企业将数据发送到远程诊断中心，由后者进行分析、处理，得出诊断结果，返回企业诊断中心。3、远程诊断中心定期调用企业设备运行信息进行分析，如发现异常，及时通知企业；4、故障发生后进行实时远程诊断，如遇复杂或疑难故障，还可由远程诊断中心组织有关专家进行会诊。DM&RDS的四种工作模式：转子系统故障诊断技术第七十六页，共117页。1）系统采用了分布式结构，把复杂的监测及诊断任务分解到多个子系统中，并行处理、共同协作完成监测与诊断任务。各子系统功能比较单一，便于操作和维护，系统本身的可靠性大大提高。2）分布式结构便于扩充系统。如要增加监测设备，只需增加相应的采集监测工作站和传感器即可。3）基于局域网和Internet的高速数据传输使监测诊断系统实时性好，能及时发现设备异常信息，查找故障原因，实现快速反应。DM&RDS特点：转子系统故障诊断技术第七十七页，共117页。4）分散采集，集中分析与管理，把多台设备运行信息集中起来进行分析诊断，不仅能使设备点检、巡检等检修方式向状态检修过渡，提高设备管理水平，而且有利于积累典型故障案例，为智能诊断和专家系统提供丰富的资料。5）通过网络把不同领域的专家和分散资源如知识、设备、技术、方法集中起来，发挥整体优势，提高诊断准确率。6）RDC的建立使工厂没有必要再投资昂贵的诊断软件和分析设备，有效地节约了资金。转子系统故障诊断技术第七十八页，共117页。兰州西固热电厂的5＃～8＃汽轮发电机组分布式状态监测和故障诊断网络系统

兰州西固热电厂的5＃～8＃汽轮发电机组虽然都是50MW小机组，但它负责为整个兰州西固工业区供热，应厂方要求，机自所为这四套发电机组建立了“分布式状态监测和故障诊断网络系统，该系统已于1999年12月正式投产。转子系统故障诊断技术第七十九页，共117页。一、系统总体设计方案

兰州西固热电厂的5＃～8＃汽轮发电机属于抽汽式火电机组，由高压缸、低压缸、电机和励磁机组成，结构简图见下图所示。近年来由于机组老化，故障频繁，每次停机检修少则十天，多则几个月，浪费了大量的人力和物力，严重影响了工厂的正常生产。为了保证该设备安全、稳定、长期运行，厂方委托机自所研制在线分布式监测诊断系统。转子系统故障诊断技术第八十页，共117页。机组结构简图1）为了全面了解机组的振动情况，应用多传感器信息融合技术，对机组键相信号（转速）、轴振、瓦振、轴位移（串轴）、油温、油压、汽温、汽压、流量、热膨胀等信号进行实时采集与监测，总计160个测点。转子系统故障诊断技术第八十一页，共117页。2）每套机组的所有信号都输送到位于现场操作室的信号调理箱，然后由采集监测计算机进行采集、处理、显示、报警判断和数据存储。数据通过网络存储到文件服务器的数据库中。3）远程监视机通过网络调用文件服务器的数据实时显示各机组的运行状态。4）分析诊断计算机进行报表打印、趋势分析和故障诊断。5）采用10BASE-T交换式以太网，组网软件为WindowsNTServer4.0。数据传输速率10Mbps，满足动态数据传输的要求。作为厂局域网的一个子系统，监测诊断系统的数据、报表和诊断结论可以被厂局域网的其他用户共享。6）利用厂WWW服务器通过Internet与远程诊断中心连接。转子系统故障诊断技术第八十二页，共117页。总体框图第八十三页，共117页。二、采集监测工作站

位于现场控制室的采集监测工作站由信号调理箱、数据采集板和工控机构成。调理箱采用模块化、总线式设计。采集监测软件从多角度为用户提供机组状态信息。为保证监测系统运行的可靠性，采集监测软件用BorlandC++语言开发。包括以下内容：转子系统故障诊断技术第八十四页，共117页。a)系统参数设置模块：可程控设置的参数有：机组轴瓦间隙等机组状态参数；信号调理箱的程控滤波、增益等参数；A/D板触发方式、采样频率、采样长度等参数；报警方式、报警门限及报警存盘参数；数据库的保存路径、保存时间间隔。b)总体监测模块：在机组结构平面简图上以数字形式显示转速、振动量、工艺量。c)棒图监测模块：用棒图形式显示转速、轴位移、振动量。1、稳态采集监测软件包转子系统故障诊断技术第八十五页，共117页。d)运行趋势监测模块：以动态趋势曲线显示振动量,画面可随机组合。e)频谱监测模块：显示振动波形、峰峰值、频谱与谱值列表。f)轴心轨迹监测模块：显示通频轴心轨迹、谐波小波滤波轴心轨迹及轴心位置。g)小波包能量监测模块：用小波包分解监视各频带能量变化。转子系统故障诊断技术第八十六页，共117页。h)Laplace小波监测模块：利用Laplace小波监测冲击响应信号的位置及频率。i)数据定时存储模块：定时向服务器各数据库保存数据。j)数据报警存储模块：当机组出现异常时声光报警并把信号分类存储到服务器的报警数据库中。系统的黑匣子可以存储报警前后各10分钟的数据。转子系统故障诊断技术第八十七页，共117页。2、瞬态采集监测软件包a)随机监测软件：如临时需要数据，用户可以任意设置采样参数进行数据采集和存储。数据存放于服务器的随机数据库中。b)启停机监测软件：在机组开机或停机时使用。数据存盘方式分为定转速间隔存盘、定时间间隔存盘和手动存盘。数据存放于服务器的起机数据库中。转子系统故障诊断技术第八十八页，共117页。总体监测界面第八十九页，共117页。轴心轨迹监测界面转子系统故障诊断技术第九十页，共117页。小波包分频带能量测界面转子系统故障诊断技术第九十一页，共117页。三、远程监视计算机

远程监视计算机位于企业监测诊断中心，操作平台为WindowsNTWorkstation4.0，软件采用VisualBasic6.0和VisualC++6.0语言开发。远程监视计算机调用服务器的数据，将机组的运行状态远程实时再现，并对现场采集监测参数进行遥控。转子系统故障诊断技术第九十二页，共117页。远程振动监视主界面第九十三页，共117页。四、分析诊断系统软件包

分析诊断计算机软件包采用VisualBasic6.0和VisualC++6.0开发。分析诊断系统不仅有丰富实用的经典稳态分析软件、瞬态分析软件和趋势报表分析软件，还提供出了先进的非平稳故障分析和智能自动诊断软件。分析诊断软件组成如下：1）数据库检索模块：用户选择机组和数据库，输入检索条件，分析诊断计算机对服务器上的相应数据库进行检索和调用，获得需要分析的数据。转子系统故障诊断技术第九十四页，共117页。2）经典稳态分析模块：应用传统的时域、频域分析方法，适合于分析设备故障诊断中的平稳信号。综合使用，可以有效捕捉振动信号中故障信息。这些功能包括：a）波形分析（时基图分析）；b）统计特征分析c）相关分析；

d）回归分析e）频谱分析（幅值谱,功率谱）；

f）倒频谱分析g）对数功率频谱；h）选频细化分析i）时域细化分析；j）原始轴心轨迹、提纯轴心轨迹转子系统故障诊断技术第九十五页，共117页。3）经典瞬态分析模块

伯德图(转子振幅和相位随转速变化的关系曲线)

极坐标图(Nyquist图)(上图用极坐标形式表示)

三维瀑布图阶次图(反应与转速相关的振动信息

)

4）趋势报表分析模块

机组振动特征量日报表打印机组振动特征量趋势分析机组工艺量日报表打印机组工艺量趋势分析 转子系统故障诊断技术第九十六页，共117页。5）非平稳故障分析功能模块：三维Wigner时频图分析；谐波小波分析小波分析Laplace小波相关滤波分析小波包分析匹配追踪分析小波包自回归谱分Hermitian小波奇异性分析转子系统故障诊断技术第九十七页，共117页。6）智能自动诊断模块：

可识别以下12种旋转机组常见故障：

不平衡（弯曲、脱落）；不对中；

油膜涡动；油膜振荡

间隙激励；气体涡动

摩擦；动静碰摩

轴瓦碎裂；转子裂纹

不等轴承刚度；支座松动

转子系统故障诊断技术第九十八页，共117页。

分析诊断软件为汉字界面，配有在线帮助。经过短期培训，工厂操作人员可迅速掌握系统的使用。在机组出现异常时，应用智能自动诊断模块可以提供初步的诊断结论，结合系统的其它精密分析方法可进一步实现故障的确诊，为设备的预知维修提供指导性建议。智能自动诊断模块具有自学习功能，随着在现场的进一步使用，系统将提高故障识别的准确率。转子系统故障诊断技术第九十九页，共117页。第一百页，共117页。第一百零一页，共117页。第一百零二页，共117页。第一百零三页，共117页。第一百零四页，共117页。兰州西固热电厂的5＃～8＃汽轮发电机组分布式状态监测和故障诊断网络系统成功案例分析

系统投运以来，利用丰富的平稳和非平稳信号分析技术，成功地捕捉到轴瓦碎裂、支承松动、粉尘积垢、蒸汽激振、连轴器缺陷、气封摩擦、传感器失效等多起故障，为工业生产发挥了积极作用。

下面将介绍该系统捕捉到的另一起汽轮机高压缸转子径向碰摩故障。转子系统故障诊断技术第一百零五页，共117页。兰州西固热电厂8号机高压缸2000年6月振动增大，机组只能低负荷运行，严重影响生产。2000年7月对该机组进行调节负荷试验，图1为整个试验过程轴瓦振动峰峰值的趋势图，表1为图1中7个时刻的主蒸汽进汽量、负荷与轴瓦