转轴裂纹的故障机理与诊断

转轴裂纹的故障机理与诊断§§§石油化工行业的旋转机械一般转速都非常高，载荷也较大，长期运转后，转轴上易出现横向疲动裂纹，导致断轴的严重事故。相对而言，转轴裂纹的故障概率比其他故障少得多，但因能产生轴裂纹的潜在原因很多，如各种因素造成的应力集中、复杂的受力状态、恶劣的工作条件和环境等，加之裂纹对振动响应不够敏感(深度达1/4直径的裂纹，轴刚度变化仅为10％左右，临界转速的变化也只有5%左右)，有可能发展为断轴事故，危害极大。因此，对轴裂纹诊断知识的学习很有必要。一、故障机理转轴裂纹对振动的响应与裂纹所处的轴向位置、裂纹深度及受力情况有关。视裂纹所处部位应力状态的不同，裂纹会呈现出三种不同的形态。(1)闭裂纹转轴在压应力情况下旋转时，裂纹始终处于闭合状态。例如，转子重量不大、不平衡离心力较小或不平衡力正好处于裂纹的对侧时就是这种情况。闭裂纹对转轴振动影响不大，难以察觉。(2)开裂纹当裂纹区处于拉应力状态时，轴裂纹始终处于张开状态。开裂纹会造成轴刚度不对称，使振动带有非线性性质，伴有2x、3x、…等高频成分，随着裂纹的扩展，lx、2x、等频率的幅值也随之增大。(3)开闭裂纹当裂纹区的应力是由自重或其他径向载荷产生时，轴每旋转一周，裂纹就会开闭一次，对振动的影响比较复杂。理论分析表明，带有裂纹的转子的振动响应可分别按偏心及重力两种影响因素考虑，再作线性叠加。由于偏心因素的影响，振动峰值会出现在与两个不对称刚度相应的临界转速之间；而重力因素的影响结果，是在转速约为无裂纹转轴的临界转速处时，会出现较大峰值。裂纹的张开或闭合与裂纹的初始状态、偏心、重力的大小及涡动的速度有关，同时也与裂纹的深度有关。若转子是同步涡动，裂纹会只保持一种状态，即张开或闭合，这与其初始态有关。在非同步涡动时，裂纹在一定条件下也可能会一直保持张开或闭合状态，但通常情况下，转轴每旋转一周，裂纹都会有开有闭。在这种情况下，裂纹越深，其在一周内张开的时间会越长，会超过一半周期长度，同时裂纹张开的时间也会越晚。这可以作为判断裂纹深度的一个定性标准。二、故障特征由上述分析知，转轴裂纹的出现及其对转子振动的影响比较复杂，其主要特征是图1轴上有开裂纹时的振动响应转轴上一旦存在开裂纹，转轴的刚度就不再具有各向同性，振动带有非线性性质，出现旋转频率的2x、3x、…等高倍频分量。裂纹扩展时，刚度进一步降低，lx、2x、…等频率的幅值也随之增大。以上特征与不平衡故障有相似之处，但相位角会发生不规则波动，这一点与不平衡故障时相角稳定有差别。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(2x、3x)正好与临界转速重合，振动响应会出现峰值，如图1所示。轴上出现裂纹时，初期扩展速度很慢，径向振动值的增长也很慢，但裂纹的扩展速度会随着裂纹深度的增大而加剧，相应地也会出现lx及2x振幅迅速增加的现象，同时lx及2x的相位角也会出现异常的波动。三、诊断方法转轴横向裂纹的主要诊断依据见表1和表2。表1转轴横向裂纹的振动特征

SIMffW* 注骨is睦胆i2x3s=»ftikiftiK卉口僵凶畀轻1沖:JQ略畀转連吋去鈕闽孙報其折!>■»4覧前型定性斥ttJU5抿和*冋駁种i铀向心4U住祷握辜崑期粧址7鞘心找邂很岛阳遷不啟畀s遊內方词jEif*乐it区地咸娈i ^表2转轴横向裂纹的振动敏感参数序客K«4Hftvw<ns(t情址备 准1毆动硝转世畳化车聊肌转速不帀亟偲陨启.审机过斗明廿2煦冷R＞廿迦贞ft禅3矗呻RS介贞•腥堡化小4鲁动稠限力鹿比i年亞5覲血甬羸■嗨比I79IK*1■型硝91須吹1不现*f变化其惶诸•"崔①非戏ft矗动.过甲苗界蛊时2x店渡百JMk峰比爼恆定議iSF.il酚谐族辅讥不竝运，梢竝黑化■尤氐2X寶出③转干恤为大时”琦T带阳車.芬衣试幣也诂不曲星寒帝JT四、故障原因及对策转轴横向裂纹的故障原因及治理措施见表3。表3转轴横向裂纹的故障原因及治理措施X号秋鼻蹴网付晏故障皿咀治庄fit施1fiitftW畀驶91鹰母足右应力拱FttH盘应力握硏宦暫越惜‘开乩算⑩一熙车痙覘维捋诰行，特总博况卩叩充議惡内鳖护正行②立即见徴肝Ml冲小泰轉幡.用屋逗悟賈后便川吒对丈St低轮就电肚俎幡萨可山"左盘曲血忖址:制歇怕M①制凱茶曲.打瞬血険昭型燥U■理齐蒂汗里覃冲煨程毁坟旳的诀陪念检岀3医钿tR@橙■时駁挠序戚未楡蠱序鏡梢②对誥缆棹迢点4fl怖4據布盅科連额累林对.升速.snft^tiffi^Ba*③拴料集曲丸，殆览it脅拓齿5收逝考化五、诊断实例例1：某大型高速泵在运行过程中轴振动逐渐增大，同时出现2倍频及3倍频等高倍频谐波分量，且相位变化。分析诊断：根据该泵的振动特征，查阅其结构图纸，初步怀疑异常振动的原因可能是由于转轴裂纹造成的。为了进一步确认异常振动的原因，在操作人员配合下对该泵进行了降速和升速试验，观察转子通过半临界转速时的频谱特征和相位变化。其主要特征如下。

(1)频谱图中振幅在2x、3x谐波处有共振峰值，如图2所示，为该测点当前信号谱图结构与6个月前的对照。图2当前信号谱结构与历史信号谱比较(2)转速通过1/2临界转速时有共振峰值出现，如图3所示。图3升速过程振动趋势图诊断意见：根据上述特征，特别是转子在降速和升速通过半临界转速时的