XXXX版设备故障诊断旋转机械-9

第七章

旋转机械的故障机理及诊断技术

1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

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。41、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

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

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

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

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

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转子重心的相位变化因故14

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图幅频响应与相频响应17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图转子力学模型24

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图转子振动响应的主要特征26(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图转子振动的矢量域283、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图压缩机振动特征30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（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

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

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

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（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

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

转子所受的轴向交变力与前面所述的转子不对中的轴向振动的图相同，其振动特征频率为转子的转动频率。（3）转子不对中的敏感参数由前面分析的法向力、径向力和轴向力公式可知，转子不对中时。转子受力及轴承所受的附加力，直接与联轴器所传递的扭矩成正比。即转子不对中所发生的异常振动随机器的负荷增加而增大。47

转子热态对中不良时，机器的基础变形、热膨胀不均匀及环境温度的突然变化等，对转子的热态对中状态比较敏感，有较大的影响。

2、诊断实例背景某厂的透平压缩机如下图所示，机组检修时，除常规工作外还对联接低压缸的联轴器更换了部分零件；对轴系的同轴度进行了调整等。48图透平压缩机组图异常振动特征49

机组检修后运行时，透平和压缩机低压缸运行正常而压缩机高压缸测点5振动较大（在振值允许范围内）。机组运行一周后高压缸突然振动加剧，测点4，5的径向振幅增大，测点5增加2倍，测点6的轴向振幅加大。而透平和压缩机的振幅无明显变化；机组运行两周之后，高压缸测点5的振幅又突然增加l倍，超过设计允许值，振动强烈，危及生产。压缩机高压缸振动特征主要为：高、低压缸联轴器两端振动较大，测点5的波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2倍频谐波具有较大峰值；轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；轴向振动较大等．如上图所示。50诊断意见

高压缸与低压缸由于热态对中不良，联轴器发生故障，必须紧急停车检修。

生产验证机组在有准备的情况下，紧急停车处理。该机组经局部解体检查发现，联接高压缸与低压缸的联轴器（半刚性联轴器），如下图所示，固定法兰与内齿套的联接螺栓已断掉三只，其位置如下图所示。螺栓断面的电镜断口分析为沿晶断裂，并有准解理及局部韧窝组织。51

联轴器结构螺栓损坏位置52发生故障的主要原因是：

a）转于对中超差，实际不对中量大于设计要求16倍；

b）联接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求，螺纹根部产生应力集中，而且热处理未进行正火处理，金相为淬火马氏体组织．螺栓在拉应力作用下脆性断裂。

根据诊断意见及提出的治理措施，高压缸转子按同轴度要求重新找正对中，并更换了符合技术要求的联接螺栓。采取了这些措施后机组运行正常，从而避免了恶性事故。53谢谢同学们的配合！54谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH一本万利工程1、背景驱动2、盈利策略3、选菜试菜4、价值创造5、完美呈现6、成功面试7、持续改造（一）、一本万利工程的背景驱动

1、什么是一本万利

2、餐饮时代的变迁菜单经验的指导方针运营市场定位的体现经营水平的体现体现餐厅的特色与水准沟通的工具餐厅对顾客的承诺菜单承诺的六大表现1、名字的承诺2、质量的承诺3、价格的承诺4、规格标准的承诺5、外文翻译的准确6、保证供应的承诺

1、顾客满意度餐厅价值、价格、合理感、愉快感、安心感、美味感、便利感、满足感、有价值感、喜悦感、特别感2-2、初期投资餐厅面积、保证金、设备投资、店铺装潢、器具用品投资、制服选定、菜单制作2-1、开业准备厨具、供应商选定、设计、用品选定、餐厅配置、员工训练、餐厅气氛、促销方式3、经营数据营业额、客流量、成本率、人均消费、顾客回头率、出品速度、人事费用菜单内容决定决定相关相关决定决定决定决定以菜单为导向的硬件投资

1、餐厅的装修风格2、硬件设施服务操作3、餐厅动线4、餐具与家俬5、厨房布局6、厨房设备菜单设计正果1、能诱导顾客购买你想让他买的餐点2、能迅速传达餐厅要表达的东西3、双赢：顾客喜欢、餐厅好卖餐厅时代的变迁食物时代硬体时代软体时代心体时代食物食品饥食饱食品质挑食品味品食品德惧食体验人们正在追寻更多的感受，更多的意义更多的体验，更多的幸福（二）盈利策略1、组建工程团队2、确定核心价值3、确定盈利目标4、确定客单价5、设计盈利策略6、确定核心产品谁来设计菜单？产品=做得出来的物品商品=卖得出去的物品商家=产品具备商品附加值物（什么产品）+事（满足顾客何种需求）从物到事从食物到餐饮从吃什么到为什么吃产品本身决定一本，产品附加值决定万利从生理到心理从物质到精神从概念到五觉体验创造产品的五觉附加值体验何来

一家企业以服务为舞台以商品为道具，让消费者完全投入的时候，体验就出现了PART01物=你的企业卖什么产品+事=能满足顾客何种需求？确定核心价值理念核心价值理念1、卖什么样的菜2、卖什么样的氛围？3、如何接待顾客？卖给谁？卖什么事？卖什么价？企业目标的设定1、理论导向的目标设定2、预算3、制定利润目标费用营业额亏损区利润区临界点变动费用总费用营业额曲线费用线X型损益图利润导向的目标设定确定目标设定营业收入=固定成本+目标利润1-变动成本率-营业税率例：A餐厅每月固定成本40万，变动成本50%，营业税率5.5%，目标利率每月8万，问A餐厅的月营业收入：月营收入=（40+8）÷（1-50%-5.5%）=48÷0.445=108万测算损益平衡点保本线=固定成本1-变动成本率-营业税率例：A餐厅保本线=40÷（1-50%-5.5%）

=40÷0.445

=90万定价的三重意义2、向竞争对手发出的信息和信号1、是利润最大化和最重要的决定因素3、价格本事是价值的体现定价由此开始1、评估产品、服务的质量2、寻求顾客价值与平衡点3、以价值定义市场确定客单价盈利占比策略

占比策略内部策略销售占比占比策略内部策略10%40%10%20%20%（三）、选菜试菜1、ABC产品分析2、产品的确定（食材、口味、烹调、餐饮）3、成本的确定ABC分析策略毛利率营业额CBACABBACCCAA营业额C毛利A优化、提升增加销售双A双赢ABC顾客商品涨价保留亏本商品删营业额A毛利C顾客超额、成本过高有意义的保留无意义的删除双C双输菜单内容选择的标准因素成本设备厨师技术操作空间菜系风格吻合度品质可控度原料供应顾客喜好菜单协议度（销售目标、颜色、口味、造型、营养等）产品类别确定的四个方面1、按食材确定比例2、按口味确定比例3、按烹饪确定比例4、按餐饮确定比例

（无酒精饮品、含酒精饮品比例）框架依据操作依据目标依据成本依据试口味成本操作第一次试菜的内容精确的成本核算—五个关键词1、净料率（一料一控、一料多档）2、调味料成本（单件产品、批量产品）3、燃料成本4、统一计量单位5、标准食谱成本卡试口味餐具造型色彩第二次试菜的内容四料构成表1、符合思想审定2、符合目标审定3、符合定位审定4、符合框架审定四平构成表(四)、创造价值1、定价策略的确定2、提升双A核心产品的附加值3、增加更多的顾客选择性顾客会记住的价格最低价人均消费热门畅销品商品较多的价格带最高价产品价格和观念价值永远是不一样的，体验经济时代出售的不是产品价格，而是观念定价与确定价格的区别确定价格产品、服务主导思路确定一个易于销售的价格由企业根据成本以及和其他企业的比较确定定价基于顾客的价值私立评估价值、确定等级在顾客和企业的来往过程中确定企业定价三大策略1、薄利多销策略2、相对稳定价格策略3、高价位价格策略提升产品附加值的“十大绝招”三好七增名字好卖相故事服务选择文案时间体验健康推广感觉“附加值”提升产品附加值的“两大前提”一好味道二品质确定好卖相美色器形设摄状增健康少油汤汁盐多有机养生品种增时间原材料生长原材料获得制作耗时美味时间要求增文案—文字叙述九问1、餐点是什么？2、如何烹调制作？3、如何呈现？4、有何故事？5、有否独特的口味？6、有否体现品质等级？7、食材的来源？8、有何独特的体验？