Chapter03_旋转机械故障诊断.ppt

1、第三章旋转机械的故障诊断、本章内容、1、转子的不平衡故障诊断包括：转子的不平衡概念、临界转速对不平衡振动的影响、转子的不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和预防措施、定向振动和不平衡振动故障的鉴别等。 2 .转子没有故障的诊断。 包括转子无故障的特点、联轴器故障的振动频率、无故障故障的监视方法、故障诊断例等。 3 .滑动轴承的故障诊断。 包括滑动轴承的工作原理、滑动轴承常见故障的原因和预防措施、高速滑动轴承不稳定故障的特点和预防措施等。 4 .转子摩擦故障诊断。 包括干摩擦故障的机理和特点、转子内摩擦引起的失稳机理等。 5 .叶片式机械中的流体激振故障诊断。 包括叶片式机械中气流的不稳定

2、故障等。第三章旋转机械的故障诊断，本章要求了解1、叶片式机械中气流不稳定故障的机理和特征。 2 .了解滑动轴承故障的机理、特点、诊断方法及预防措施。 3 .了解转子摩擦故障的机理和特点。 4 .掌握转子不稳定故障的机理、特点和诊断方法。 5 .掌握转子无故障的机理、特点和诊断方法。 旋转机械的转子受材料的质量分布、加工误差、装配要素以及运行中的冲裁和堆积等因素的影响，其质量中心和旋转中心存在一定的偏心距离，转子工作时形成周期性的离心力干扰，使轴承产生动载荷，引起机械振动的现象是不平衡故障。 不平衡可以分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。 3.1.1转子不平衡的类型、转子不平衡引起的离心力、3.1

3、转子的不平衡故障诊断、1、静不平衡位于转子的中部，在这种情况下，只要不平衡量在径向的反方向上施加重量，就能消除不平衡(参照右图)。 转子上部的圆圈表示不平衡量，下部的圆圈表示相加的配重。 静不平衡的主惯性轴平行于旋转轴。 当静不平衡的转子旋转时，产生以一个周期作用的离心力，形成一次振动。 3.1.1转子不平衡的类型、2、偶不平衡如右图所示，m1=m2，转子的重心在旋转轴上，但是主惯性轴和旋转轴不重叠，所以必须至少放置两个重物来达到平衡的目的。 转子旋转时，一侧的不平衡重量会产生相反的离心力，转子会产生振动。 3.1.1转子不平衡的类型，3，动不平衡动不平衡是以上两种不平衡的综合，m1m2，转子

4、的重心不在旋转轴上，而且主惯性轴和旋转轴也不平行。 这种平衡需要至少两个配重。 实际上，即使是平衡好的转子也不能取得绝对平衡，总是存在微量的不平衡，所以在转子振动信号的频谱中总是出现旋转频率成分(或者称为商用频率)，但是不会发生不平衡振动。 当不平衡量超过一定值时，离心力会使机械产生明显的振动。 3.1.1转子的不平衡类型、3.1.2临界转速对不平衡振动的影响、3.1.2.1临界转速的动力特性、工序上与转子的一次横向固有频率对应的转速称为临界转速。 临界转速是指转子因不平衡离心力而发生共振现象时的转速。 转子运动的力学模型多为转子的临界转速，与系统的自由度有关。 实际上，带转子的轴系可简化为有

5、自由度的弹性系统，已知有临界旋转速度的旋转轴带有2个转子，可简化为2个自由度系统，对应2个临界转速，依次类推。 其中转速最小的临界转速称为一次临界转速，比其大的称为二次临界转速、三次临界转速。关于3.1.2.1临界转速的动力特性，一般来说，在转子以一次临界转速以下运转的情况下，工作转速n必须在一次临界转速的0.75倍以下的工作转速比一次临界转速高的情况下，在以下的范围内(I是临界转速的次数):3.1.2.1临界转速的旋转频率比转子的1次横固有频率低的转子是马达、中小型离心风扇等刚性转子。 转速比转子的1次横固有振动频率高的转子是燃气轮机转子等柔性转子。 刚性转子准刚性转子柔性转子，3.1.2.

6、2阻尼对临界转速下的转子振动的影响，取坐标系Oxy，在x和y两坐标方向上力的平衡式：上式的特解为：式中，离心力是导出前位移的角度，被称为相位角的a是振幅。 3.1.2.2衰减对临界转速下转子振动的影响，式中衰减比：3.1.2.2衰减对临界转速下转子振动的影响，转子振幅和相频响应曲线，3.1.3转子不平衡振动的故障特征，转子不平衡振动作为周期离心力的测定其振动频率为转子的转频：发生不平衡振动时，其故障特征主要为1，时域波形为近似的等幅正弦波。 由于简单的不平衡振动，转速频率的高次谐波振幅低。 2 .轴心轨迹比较稳定的圆或椭圆意味着在旋转轴的同一截面上相互垂直的两个探针，其信号相位差接近90度。

7、椭圆的外壳及基础的水平刚性和垂直刚性不同。 3、频谱图上与转子转速频率相对应的振幅具有突出的峰值，不平衡故障主要引起转子或轴承的径向振动。在4.3维全息中，频率变换的振幅椭圆大，其他分量小。 3.1.3转子不平衡振动的故障特点，典型转子不平衡振动谱和轴心轨迹，5，转子前进方向同步正前进。 6 .转子的振幅对转速的变化敏感，转速下降，振幅明显下降。 7 .除了悬臂转子外，在普通的两端支承转子中，不平衡的轴向振幅一般不明确。 8 .一种敏感残奥表(振幅)的特征是，由于激振力和转速处于平方指数的关系，所以随着转速的不同，振幅的变化显着。 如果转子上的零件损坏，振幅会急剧增大。 例如，某烧结车间的吸引

8、风扇转子被焊接的合金耐磨层突然脱落，振幅急剧增大。 3.1.3转子不平衡振动的故障特点、3.1.4不平衡振动故障的原因和防治、3.1.4.1固有质量不平衡固有质量不平衡是指转子在原状态下已存在的不平衡，与操作运行状况无关。 引起固有质量不平衡的主要原因是设置纠错、材料缺陷、加工与组装误差、动平衡方法不正确等问题。 固有质量的不平衡使转子产生稳定的旋转速度、频率、振动，在某个旋转速度下，其振幅和相位在短时间内不会随时间变化，但如果温度、负荷等条件变化，振动也有可能发生变化。 对于因固有质量的不平衡引起的振动，最常见的预防措施是改善转子的平衡状态，降低转子的激振力。 3.1.4.1固有质量不平衡，

9、如气动机不平衡振动炼油厂催化剂厂气动机组，汽轮机、同步离合器、气动机、齿轮箱、电动机等几个部分串联。 气压机种编号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气体，入口压力0.102MPa，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。 轴承类型为5片可倾斜瓦，联轴器均为膜片型。气动机组布局图(1汽轮机、2同步离合器、3气动机、4联轴器、5齿轮箱、6马达)、3.1.4.1固有质量不平衡，为了在本机运转数年后增加空气量，更换转子，扩大转子的隔板改造后的转子的振动超过了基准值，靠近齿轮箱一侧的振动测量点375、376的振幅达到了60um，之后上升到了90um左右。 信号分析证实，振动频率中的频率成分占绝

10、对优势，375、376的轴心轨迹为椭圆，是转子不平衡引起的振动。 此外，转子过程的极坐标图还显示，转子在取得高速动平衡时，在970011000r/min之间存在明显的峰值。 375测点的极坐标图分析，由于3.1.4.1固有质量不平衡，该转子的工作转速在其次临界转速附近，对不平衡振动有较强的敏感性。 考虑到气动机齿轮箱一侧的375、376测量点的振幅最高，决定在这一侧的联轴器上取得现场动平衡。2次现场动平衡前后的工频振幅和相位变化、3.1.4.1固有质量失衡、动平衡前后的相位稳定、动平衡后的测量点375、测量点376的测量点处的通频振幅和工频振幅下降明显，其原因如下： 1、气动机与齿轮箱之间的中

11、继达到302mm的2 .转子的工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡在工作转速下引起明显的转子振动。 旋转速度降低到1000r/min以下，转子脱离二次临界旋转速度时，振幅的降低程度变得十分显着。 3 .联轴器本身可能存在不平衡。 联轴器出厂时单独动平衡和转子和联轴器一起制作动平衡时，两种动平衡操作会使联轴器变重，联轴器的新不平衡，转子运转中的不平衡，1、转子的弯曲：1)临时弯曲2 ) 转子上的部件破裂或飞散2 )固体异物堆积在叶轮上3 )叶轮除锈后产生的不平衡4 )轴上的部件松弛、3.1 .这种变形不需要取得动平衡，可以采取低速、长时间盘式等简单措施，也可以改变操作方式常见的临时弯曲主要有1

12、、由于转子的热不均匀引起的临时弯曲。 这种转子在启动前需要足够的盘车，以免在启动后产生过大的振动。 2 .转子自重引起的暂时弯曲。 自重弯曲现象常见于卧式柔性转子。 例如由于转子长时间放置，因自重而弯曲变形。 这种类型的弯曲，所表现的振动频率也是旋转速度频率，随着旋转速度的上升，旋转速度频率的振幅变大。 弯曲的定位可以通过长时间慢慢转动来达成。 3.1.4.2.1旋转轴暂时弯曲，3、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子暂时弯曲。 压缩机发生浪涌时，转子受到强气流的冲击，容易使转子弯曲变形。 由于轻度的浪涌，转子的弯曲量少，可以通过慢慢转动来消除。 但是，浪涌大时，转子的弯曲量变大，有可能发

13、生转子和静止要素之间的碰撞摩擦，在这种情况下，需要对转子进行热处理并进行对准，重新开始动平衡。 温度突变和负荷变化过快，转子暂时弯曲，是引起机械振动的主要原因之一。 因此，对于汽车发电机组和汽轮机驱动的离心压缩机组，起停中必须按照操作规程进行，运转前和停止后都需要一定时间的盘车过程。 3.1.4.2.1旋转轴暂时弯曲、永久弯曲是指即使缓慢旋转，转子的弯曲状态也无法恢复。 转子在推车过程中仅靠自身的重量，由于轴的交变力，不足以释放形成在轴内部的弯曲应力，成为永久性的弯曲变形。 影响前述转子弯曲的一些因素可以是永久性的，只要其在一定程度上是严重的。具有大弯曲变形的转子不能用动平衡法校正，需要用热处

14、理法对准转子，或用精加工法消除弯曲。 3.1.4.2.2回转轴永久弯曲、轴弯曲振动的机理类似于转子质量偏心，必须产生类似质量偏心的回转矢量激振力。 与重心偏移的不同点在于轴弯曲会在轴两端产生锥形运动，因此在轴方向上也会产生较大的一次旋转频率振动。 其特征在于，轴弯曲故障的振动信号与不平衡大致相同，时域波形为近似的等幅正弦波。 轴心轨迹是比较稳定的圆或偏心率小的椭圆，轴弯曲经常伴随某种程度的金属摩擦，因此轨迹可能具有摩擦的特征。 频谱成分以频率变换为主，伴有高次谐波成分。 不平衡故障的区别在于弯曲会在轴向上产生较大的振动。 旋转轴弯曲振动故障的特点，3.1.4.2.2旋转轴永久弯曲，在转子高速旋

15、转过程中，轴上的零件一旦破裂或飞散，就会产生步进式不平衡，引起振幅和相位的急剧变化。 由于该变化是过渡响应，然后衰减，因此振幅急剧变化时稳定在某个值。 如果弹出块的质量大，振幅的急剧上升就显着。 如果起飞块的质量小，则其产生的不平衡向量与原来的不平衡向量重叠，在测定点测定的振幅有可能增加或减少，相位角、轴心轨迹的形状与原来的不同。 为了诊断这样的故障，希望能够在监视转子的振幅的同时也监视相位。 高速转子部件的裂纹和飞散是很大的质量不平衡，对旋转速度的变化非常敏感，降低旋转速度时振幅经常显着降低。 3.1.4.2.3转子上的部件破裂或飞散，高温下具有粘性的催化剂微粒、管道中的锈、气源中的粉尘等进

16、入机械流路，与叶轮粘结，质量分布不均匀，引起转子不平衡。 这种固体杂质堆积引起的不平衡所引起的振动现象，振幅逐渐增大，转速频率成分占据突出的地位，并且随着转速的增加，振幅大多呈抛物线状态增大。 定标可能达到非常严重的水平，转子和静子之间产生摩擦和磨损。 3.1.4.2.4固体杂质堆积在叶轮上，去除措施： 1、工艺上限制杂质进入机械。 2 .从转子结构防止杂质的大量堆积。 3 .入口间断喷少量清水或溶剂，利用机械旋转离心力将水垢冲洗至水流，进行在线清洗。 有些压缩机在运行中经常遇到工艺气体和固体杂质侵蚀叶轮基础金属，对设备维护不当的措施可能会给机械带来振动问题，需要注意。 3.1.4.2.5叶轮

17、除锈后产生的不平衡，可能导致具有各种部件的转子在运转中产生松动。 例如，叶轮、平衡板、止推板在轴上的过盈量不足，或键槽的嵌合过松，转子高速旋转而松弛，另外，材料选择不良或工作介质的腐蚀性严重，引起套筒或轮壳内部的腐蚀而松弛。 此外，滚动轴承外圈的配合间隙过大，轴旋转时，外圈也进行不同步的旋转，因此也会发生松动等不良情况。 3.1.4.2.6轴上的部件松弛，轴上的部件在振动频率和相位上松弛的特征： 1、松弛的部件随着旋转速度的上升离心力急速增大，部件内孔扩大，与旋转轴之间产生松弛，偏向部件重心侧或轴中心线弓状回转的外侧，旋转2 .振动出现明显的非线性影响因素，频谱图中大量出现转速频率的高次谐波，偶尔可能出现1/2、1/3转速频率的分数高次谐波成分。 3.1.4.2.6轴上的零件松弛，3、振动信号的振幅不稳定，相位随时间变动，并且频谱图出现许多连续的噪声频谱线，表明转子的振动有一定程度的不稳定随机冲击。4、可能发生“节拍”现象。 拍子的频率是轴的旋转速度的频率，另一个是比轴的旋转速度稍低的松弛零件的旋转速度的频率。 1 .随着旋转速度的变化而产生的振幅的质