第六章旋转机械的故障诊断(第一讲)1

1、第六章第六章 旋转机械的旋转机械的故障诊断故障诊断 本章内容本章内容l 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断l 转子不对中故障诊断转子不对中故障诊断l 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断l 转子摩擦故障诊断转子摩擦故障诊断l 浮动环密封故障诊断浮动环密封故障诊断1. 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断旋转机械：旋转机械：转子旋转运动转子旋转运动的工作机器，包括转子、轴承等的工作机器，包括转子、轴承等部件。部件。典型旋转机械有典型旋转机械有离心泵离心泵、轴流泵轴流泵、离心式和轴流式、离心式和轴流式风机风机、压缩机压缩机、汽轮机汽轮机、涡轮发动机涡轮发动机、电动机电动机以及以及离心机离心机等。等。

2、1.1 转子不平衡概念转子不平衡概念转子不平衡：转子不平衡：设计错误设计错误、材料材料质量、质量、加工加工、装配装配以及以及运行运行多多因素影响，转子因素影响，转子质心质心与与旋转中心旋转中心之间存在一定的之间存在一定的偏心距偏心距， 转转子工作时子工作时周期性周期性受离心力干扰，轴承产生受离心力干扰，轴承产生动载荷动载荷引起机器振引起机器振动。动。不平衡原因：不平衡原因：旋转旋转体体质量沿旋转中心线分布不均匀质量沿旋转中心线分布不均匀。转子不平衡产生的离心力转子不平衡产生的离心力以带薄圆盘的刚性转子为例，以带薄圆盘的刚性转子为例， 两轴承支承跨度为两轴承支承跨度为l， 转子质量转子质量为为m

3、，质心，质心M距旋转中心距旋转中心O偏心距为偏心距为e，旋转角速度为，旋转角速度为 。 假定假定转子系统转子系统无阻尼无阻尼，则，则转子产生的离心力转子产生的离心力为：为：转子几种不平衡状态转子几种不平衡状态质心质心旋转轴线旋转轴线轴承中心轴承中心线线1.2 临界转速对不平衡振动的影响临界转速对不平衡振动的影响（1）临界转速的动力特性）临界转速的动力特性临界转速现象：临界转速现象：不平衡离心力引起共振现象不平衡离心力引起共振现象。临界转速时，。临界转速时， 转转子产生子产生较大的弯曲变形较大的弯曲变形，做，做弓状回旋运动弓状回旋运动（“涡动涡动”或或“进动进动”），），转子质心转子质心远离远离

4、轴承中心线轴承中心线，离心力剧增离心力剧增，转子产生更大，转子产生更大变形，离心力进一步放大，机器剧烈振动。变形，离心力进一步放大，机器剧烈振动。临界转速：临界转速：一阶临界转速一阶临界转速ncr1，多阶临界转速多阶临界转速ncri （阶数阶数i）设计要求：设计要求：工作转速工作转速n避开避开临界转速临界转速ncr。一般规定：一般规定：工作转速工作转速n一阶临界转速一阶临界转速ncr1，1.4ncrin 1，高速轻载转子高速轻载转子S0 1。3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施滑动轴承常见故障的原因和防治措施（八大原因）（八大原因）（1）巴氏合金松脱）巴氏合金松脱材料镀锡浇注材料镀锡浇注温

5、度不够温度不够，重新浇注巴氏合金，重新浇注巴氏合金（2）轴承异常磨损、刮伤、拉毛）轴承异常磨损、刮伤、拉毛轴承装配缺陷：轴承装配缺陷：轴承间隙轴承间隙，轴瓦错位轴瓦错位，轴瓦接触轴瓦接触，轴颈油膜轴颈油膜，引，引起起转子振动转子振动和和轴瓦磨损轴瓦磨损。更换轴承或修刮重新装配。更换轴承或修刮重新装配。轴承加工误差：轴承加工误差：轴承轴承圆度圆度，油楔轴承，油楔轴承油楔大小和形状油楔大小和形状，轴承，轴承间隙间隙，止推轴承端面，止推轴承端面偏摆量偏摆量，瓦块，瓦块厚薄厚薄，表面巴氏合金，表面巴氏合金磨损磨损，工艺检，工艺检查，修理轴瓦形状。查，修理轴瓦形状。转子发生大振动：转子发生大振动：轴瓦轴

6、瓦振动摩擦振动摩擦、烧损烧损、刮伤刮伤、拉毛拉毛，消除振动，消除振动因素，更换磨损轴承。因素，更换磨损轴承。止推轴承设计：止推轴承设计：承载面积承载面积、压缩机超压压缩机超压、密封损坏密封损坏，轴向力轴向力大大，瓦块磨烧瓦块磨烧。供油系统：供油系统：润滑油量润滑油量、供油清洁供油清洁、油温度油温度、油黏度油黏度、供油压供油压力力、滤清滤网滤清滤网、油孔堵塞油孔堵塞、轴承磨损轴承磨损，油冷效果油冷效果、润滑油水润滑油水分分， 更换过滤器，更换润滑。更换过滤器，更换润滑。原因：原因： 轴承过载：轴承过载：油膜破裂，应力集中，局部裂纹，裂纹扩展油膜破裂，应力集中，局部裂纹，裂纹扩展 轴瓦松动：轴瓦松

7、动：轴承间隙，机器振动，轴承交变载荷，裂纹轴承间隙，机器振动，轴承交变载荷，裂纹扩展，瓦块表面开裂与松脱。扩展，瓦块表面开裂与松脱。 轴承摩擦和咬粘：轴承摩擦和咬粘：表面高温，材料热应力和热裂纹表面高温，材料热应力和热裂纹 巴氏合金过厚：巴氏合金过厚：疲劳敏感，疲劳破坏疲劳敏感，疲劳破坏 巴氏合金强度：巴氏合金强度：温度升高下降，高温疲劳裂纹扩展温度升高下降，高温疲劳裂纹扩展措施措施: 轴承比压合适范围轴承比压合适范围 轴承间隙应设计范围轴承间隙应设计范围 较薄巴氏合金（厚度较薄巴氏合金（厚度1-1.5 mm）和抗疲劳性能瓦块）和抗疲劳性能瓦块 控制轴瓦温度控制轴瓦温度（3）轴承疲劳）轴承疲劳

8、（4）轴承腐蚀）轴承腐蚀润滑剂化学作用润滑剂化学作用。选用润滑剂，润滑剂。选用润滑剂，润滑剂“老化老化”丧失润滑性能。丧失润滑性能。（5）轴承气蚀）轴承气蚀轴承内轴承内油液压力低区域油液压力低区域（低于油液饱和蒸汽压）生成微小气泡，（低于油液饱和蒸汽压）生成微小气泡，气泡气泡高压挤破高压挤破，瞬间压力波冲击轴承表面，表面金属疲劳裂纹或，瞬间压力波冲击轴承表面，表面金属疲劳裂纹或金属层剥落。金属层剥落。（6）轴承壳体配合松动）轴承壳体配合松动轴承盖与轴承座之间压紧间隙，轴瓦松动影响轴承油膜稳定性。轴承盖与轴承座之间压紧间隙，轴瓦松动影响轴承油膜稳定性。非线性振动非线性振动，振动工频、转速频率、次

9、谐波成分，振动工频、转速频率、次谐波成分，1/i倍转速频率倍转速频率，超谐波成分（正整数超谐波成分（正整数i）。（7）轴承间隙不适当）轴承间隙不适当轴承间隙轴承间隙太小发热太小发热，间隙，间隙太大明显振动太大明显振动。（8）轴承温度过高）轴承温度过高轴承间隙小；轴承载荷高；油冷却器故障；轴承形状或装配。轴承间隙小；轴承载荷高；油冷却器故障；轴承形状或装配。3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施高性能旋转机器转子轴承系统多为高性能旋转机器转子轴承系统多为高速轻载滑动轴承高速轻载滑动轴承，设计，设计或使用因素，易发或使用因素，易发生生油膜不稳定油膜不稳

10、定，引起转子轴承较大振动。，引起转子轴承较大振动。特有故障：特有故障：油膜振荡油膜振荡，油膜力引起自激振动油膜力引起自激振动 轴颈在油膜中的涡动与稳定性轴颈在油膜中的涡动与稳定性（1）高速滑动轴承不稳定故障的原因）高速滑动轴承不稳定故障的原因 油膜失稳的力学机理油膜失稳的力学机理油膜动态特性：油膜动态特性：油膜刚度油膜刚度和和阻尼阻尼油膜失稳机理：油膜失稳机理：一般一般强迫振动激振力为离心力强迫振动激振力为离心力，与转子质量，与转子质量M、重心偏移量、重心偏移量e 和转速和转速 等有关，等有关，油膜失稳油膜失稳主要主要激振力激振力非离非离心力心力，是，是与位移相垂直与位移相垂直的的油膜切向力油

11、膜切向力，轴颈涡动轴颈涡动方向起方向起推动推动作用，某种条件下使振幅越来越大，强烈振动导致机器损坏作用，某种条件下使振幅越来越大，强烈振动导致机器损坏。轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系：轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系：椭圆形轴心轨迹比圆椭圆形轴心轨迹比圆形稳定形稳定，椭圆度大有利轴心稳定。，椭圆度大有利轴心稳定。高速滑动轴承高速滑动轴承特有故障，特有故障，油膜力产生自激振动油膜力产生自激振动，发生时，发生时输入能输入能量很大量很大，引起，引起转子轴承系统损坏转子轴承系统损坏。 半速涡动半速涡动半速涡动：半速涡动： 转子转子轴颈高速旋转轴颈高速旋转时，时，环绕平衡中心公转运动环绕平衡中心公转运

12、动， 油膜力激励的油膜力激励的涡动角速度涡动角速度近似为近似为1/2转速转速，涡动正向运动（与转，涡动正向运动（与转子旋转同向），实际子旋转同向），实际振动频率振动频率 =（0.43 -0.48） 。 油膜振荡的特征及其诊断油膜振荡的特征及其诊断油膜振荡：油膜振荡：轴颈轴颈涡动运动涡动运动与与转子自振转子自振频率吻合频率吻合时发生大幅度时发生大幅度共共振振现象，振幅突升，局部油膜破裂，轴颈轴瓦摩擦。同时产生现象，振幅突升，局部油膜破裂，轴颈轴瓦摩擦。同时产生强烈吼叫声，严重损坏轴承和转子。强烈吼叫声，严重损坏轴承和转子。（2）油膜振荡的机理及其故障诊断）油膜振荡的机理及其故障诊断油膜振荡故障特

13、征油膜振荡故障特征: 自激振动：自激振动：不受外部激励力影响不受外部激励力影响。 涡动频率涡动频率 与与转速频率转速频率 之比约为之比约为0.350.5，涡动频率涡动频率 接近接近转子一阶自振频率转子一阶自振频率。 非线性油膜非线性油膜共振共振 轴心轨迹形状紊乱发散轴心轨迹形状紊乱发散，不规则轨迹线叠加形成，不规则轨迹线叠加形成花瓣形状花瓣形状。 发生发生巨大吼叫声巨大吼叫声。转子。转子激烈自激振动激烈自激振动，轴承油膜破裂轴承油膜破裂，轴颈轴颈轴瓦碰撞摩擦轴瓦碰撞摩擦，轴承轴承和和迷宫密封迷宫密封严重损伤严重损伤。 “惯性惯性”现象现象。转速升高降低，振荡频率和振幅变化不明显转速升高降低，振

14、荡频率和振幅变化不明显。涡动频率、转速频率、一阶自振频率涡动频率、转速频率、一阶自振频率涡动角速度涡动角速度近似为近似为1/2转速转速（3）油膜不稳定的防治措施）油膜不稳定的防治措施（6大措施）大措施） 避开油膜共振区域：避开油膜共振区域：避免转子工作转速接近避免转子工作转速接近2倍一阶临界转速。倍一阶临界转速。 增加增加轴承比压轴承比压轴承比压：轴承比压：轴瓦单位面积承受载荷。增加轴承比压，轴瓦单位面积承受载荷。增加轴承比压，承载能承载能力系数力系数S0提高提高。一般轴承比压为一般轴承比压为1.0-1.5MPa，高速轻载轴承为，高速轻载轴承为0.3-1.0MPa，增增加比压值等于增大轴颈的偏

15、心率加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜稳定性提高油膜稳定性，重载转重载转子比轻载转子稳定子比轻载转子稳定，因为，因为重载转子偏心率大、重心低重载转子偏心率大、重心低，像海，像海洋中一艘航空母舰，水线下舰体深，由于载重量大，波浪中洋中一艘航空母舰，水线下舰体深，由于载重量大，波浪中非常稳定。对油膜已经失稳的转子，可增加轴承比压，提高非常稳定。对油膜已经失稳的转子，可增加轴承比压，提高承载能力系数。承载能力系数。增加轴承比压的常用办法增加轴承比压的常用办法:A. 车削车削缩短轴承宽度缩短轴承宽度。B. 轴承下瓦开设轴承下瓦开设环向槽环向槽或或沟槽沟槽，减小瓦块接触面积减小瓦块接触面积，改善油改

16、善油楔内油压分布楔内油压分布。C. 减小下瓦减小下瓦接触角接触角，下瓦开，下瓦开泄油槽泄油槽，增加轴颈偏心率增加轴颈偏心率。D. 减小上瓦减小上瓦油槽宽度油槽宽度或设置或设置油坝油坝，提高上瓦油压。，提高上瓦油压。E. 改变油楔形式，圆柱轴承改变油楔形式，圆柱轴承降低顶隙降低顶隙，增加侧隙增加侧隙，变为椭圆变为椭圆形轴承形轴承，提高轴颈稳定性提高轴颈稳定性。 减小轴承间隙减小轴承间隙轴承间隙减小轴承间隙减小，相对，相对增大轴承偏心率增大轴承偏心率，提高发生油膜振荡转速提高发生油膜振荡转速。 控制轴瓦预负荷控制轴瓦预负荷预负荷正值预负荷正值表示表示轴瓦内表面曲率半径大于轴承内圆半径轴瓦内表面曲率

17、半径大于轴承内圆半径，增大偏心增大偏心距距和和油楔收敛程度油楔收敛程度， 可可增加油楔力增加油楔力，或采用多油楔、多油叶轴承。，或采用多油楔、多油叶轴承。 选用抗振性好的轴承选用抗振性好的轴承椭圆轴承椭圆轴承稳定性稳定性优于优于圆柱轴承圆柱轴承，三、四油楔（油叶）轴承三、四油楔（油叶）轴承稳定稳定性性优于优于椭圆轴承椭圆轴承；或选择抗振性优良的；或选择抗振性优良的高速轻载可倾瓦轴承高速轻载可倾瓦轴承。多块活动轴瓦（多块活动轴瓦（5块多）块多），各瓦块有自由摆动支点，载荷方向自各瓦块有自由摆动支点，载荷方向自动调整，动调整，油膜力通过轴中心消除切向力油膜力通过轴中心消除切向力，独立瓦块油膜不连续

18、，独立瓦块油膜不连续，减小涡动可能性。，减小涡动可能性。结构形式：结构形式：平面自调式平面自调式，瓦块圆周方向自由摆动；，瓦块圆周方向自由摆动；球面自调式球面自调式，瓦块圆周方向和轴线平面方向摆动（自位作用）。，瓦块圆周方向和轴线平面方向摆动（自位作用）。 调整油温调整油温油温高油温高，油黏度小油黏度小，增加轴颈偏心率增加轴颈偏心率，有利轴颈稳定。，有利轴颈稳定。其它措施：其它措施：提高供油压力提高供油压力、轴承多路供油轴承多路供油及及轴承内表面开设轴承内表面开设油槽油槽等。等。其它因素：其它因素：流体激振流体激振、材料内摩擦材料内摩擦，联轴节、轴承轴颈不对联轴节、轴承轴颈不对中中，轴承架热膨

19、胀变形轴承架热膨胀变形、工作流体周向作用力不平衡工作流体周向作用力不平衡等。等。（4）故障诊断实例）故障诊断实例例例1：国产国产30万吨合成氨装置万吨合成氨装置 ALS-16000型离心式氨压缩机型离心式氨压缩机轴轴承油膜振荡承油膜振荡相关参数设置：相关参数设置： 11000 kW汽轮机拖动汽轮机拖动；高低压缸间高低压缸间采用速比采用速比为为56:42的增速器；的增速器；低压缸转速低压缸转速为为6700 r/min，高压缸转速高压缸转速为为8933 r/min；轴承型式轴承型式为为四油叶四油叶；轴承间隙为；轴承间隙为1.6 %； 高压缸高压缸第一临界转速第一临界转速为为3000-3300 r/

20、min。油膜振荡频谱油膜振荡频谱:轴转速频率轴转速频率： =140.5 Hz，轴不平衡振动，轴不平衡振动油膜振荡频率油膜振荡频率 = 55 Hz其其它成分它成分:主频率主频率 和和 的的和差组合频率和差组合频率。转速频率转速频率例例2：空气压缩机：空气压缩机低压缸低压缸轴承油膜不稳定振动轴承油膜不稳定振动振动振动低频成分突出低频成分突出，工频比为，工频比为0.48，认为空压机轴承油膜，认为空压机轴承油膜不不稳定稳定，存在半速涡动存在半速涡动。可能原因：可能原因：低压缸两端低压缸两端联轴节对中不良联轴节对中不良，改变轴承负荷大小，改变轴承负荷大小和方向。和方向。大修停机检查：大修停机检查：轴承间

21、隙较差，可倾瓦轴承间隙较差，可倾瓦厚度不均匀厚度不均匀，联轴节，联轴节平行对中量较差。平行对中量较差。存在半速涡动存在半速涡动3.4 结构共振产生的轴承工作不稳定结构共振产生的轴承工作不稳定机器底板或轴承座机器底板或轴承座刚性不足刚性不足，结构、基础共振结构、基础共振，底板，底板基基础连接松动础连接松动、扭曲扭曲或或断裂振动断裂振动，管道振动，管道振动，结构振动频结构振动频率率与与轴承油膜涡动激发频率轴承油膜涡动激发频率吻合吻合引发引发油膜不稳定振动油膜不稳定振动。3.5 转子轴承电流故障诊断转子轴承电流故障诊断轴承润滑轴承润滑使使转子转子与与静子部件静子部件油膜绝缘油膜绝缘，转子转子与与地电

22、阻地电阻间形成间形成对地电压对地电压，电压升高，电压升高，电阻最小区电阻最小区击穿绝缘通路击穿绝缘通路电火花电火花放电放电。（1）轴承电流损伤现象）轴承电流损伤现象主要影响：主要影响： 放电区域放电区域熔化金属粒子熔化金属粒子，金属表面形成，金属表面形成微小电流凹坑。微小电流凹坑。 凹坑积累凹坑积累使轴承表面变粗糙，产生使轴承表面变粗糙，产生机械磨损机械磨损。 熔化金属微粒进入润滑剂，熔化金属微粒进入润滑剂，润滑性能变坏润滑性能变坏，油膜电阻降低油膜电阻降低。 局部高温破坏油膜局部高温破坏油膜，烧伤金属烧伤金属，润滑失效，摩擦损坏。，润滑失效，摩擦损坏。 磁力线不对称磁力线不对称和和磁化效应磁

23、化效应； 静电作用（蒸汽喷射，油分子摩擦）。静电作用（蒸汽喷射，油分子摩擦）。（2）轴承电流的成因和类型）轴承电流的成因和类型（3）轴承电流损伤的故障特征和诊断方法）轴承电流损伤的故障特征和诊断方法 宏观观察法；宏观观察法； 微观观察法；微观观察法； 电压测量法电压测量法限制轴承电压（限制轴承电压（1V）；接地；接地装炭刷装炭刷、金属滑靴金属滑靴、水银槽、水银槽、水密封等；水密封等；部件绝缘部件绝缘；改变油膜厚度改变油膜厚度。（4）轴承电流的防治措施）轴承电流的防治措施4. 转子摩擦故障诊断转子摩擦故障诊断 转子与静子零部件转子与静子零部件干摩擦干摩擦最常见摩擦故障：最常见摩擦故障：高速旋转转

24、子与迷宫密封件间、叶轮口高速旋转转子与迷宫密封件间、叶轮口环与密封环间、叶轮与隔板间、轴颈与轴承间摩擦、轴与环与密封环间、叶轮与隔板间、轴颈与轴承间摩擦、轴与浮动环间摩擦等。浮动环间摩擦等。起因：起因：安装间隙、轴承间隙、轴挠曲变形、轴位移量或轴安装间隙、轴承间隙、轴挠曲变形、轴位移量或轴蹿动、部件热膨胀量以及润滑系统故障等。蹿动、部件热膨胀量以及润滑系统故障等。转子振动：转子振动：不平衡、不对中、油膜振荡、流体激振、转子不平衡、不对中、油膜振荡、流体激振、转子和轴承系统共振等。和轴承系统共振等。 转子内部发生转子内部发生内摩擦内摩擦故障故障转轴材料转轴材料弹性滞后弹性滞后产生产生内摩擦力内摩

25、擦力激发转子涡动、轴上配合激发转子涡动、轴上配合零件与轴弯曲时产生摩擦、齿式联轴节齿套与齿壳间轴向零件与轴弯曲时产生摩擦、齿式联轴节齿套与齿壳间轴向滑动摩擦。滑动摩擦。（1）局部碰摩的故障特征）局部碰摩的故障特征一阶一阶或或多阶自振频率多阶自振频率，次谐波次谐波和和高次谐波高次谐波振动响应。振动响应。轻摩擦：轻摩擦：工频工频 、2 , 3 及高次谐波。及高次谐波。重摩擦：重摩擦：1/2 谐波及其高低次谐波。谐波及其高低次谐波。（2）摩擦接触弧增大时的故障特征）摩擦接触弧增大时的故障特征波形波形“削波削波”；反向进动；轴心轨迹呈圆环；反向进动；轴心轨迹呈圆环“8”字。字。4.1 干摩擦故障的机理和特征干摩擦故障的机理和特征轻摩擦：轻摩擦：转子转子与与迷宫密封迷宫密封、轴颈与轴承表面间摩擦，转子振、轴颈与轴承表面间摩擦，转子振动不大。动不大。重摩擦：重摩擦：转子与静止部件间转子与静止