旋转机械故障诊断

1、旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l何谓旋转机械何谓旋转机械n主要运动由旋转运动来完成的机械 汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机n核心：转轴组件 转子、轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器 滑动轴承、滚动轴承 支座、定子、机座 密封、密封装置旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l振动的分类振动的分类n横向振动横向振动：振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动n轴向振动轴向振动：振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动n扭转振动扭转振动：沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振 产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩

2、与负荷反主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化。 扭振具有极大的破坏性：扭应力发生变化、轴的疲劳损伤增大旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l旋转机械故障原因分类旋转机械故障原因分类n设计原因 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动/自激振动 结构不合理，应力集中 设计工作转速接近或落入临界转速区 热膨胀量计算不准，导致热态不对中n制造原因 零部件加工制造不良，精度不够 零件材质不良，强度不够，制造缺陷 转子动平衡不符合技术要求旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l旋转机械故障原因分类旋转机械故障原因分类n安装/维修的原因 机械安装不当

3、，零部件错位，预负荷大 轴系对中不良 机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当 转子长期放置不当，改变了动平衡精度n操作运行的原因 工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值 转速接近或落入临界转速区 润滑或冷却不良 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长旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l旋转机械故障原因分类旋转机械故障原因分类n机器劣化的原因 长期运行，转子的挠度增大或动平衡劣化 转子局部损坏、脱落或产生裂纹 零部件磨损、点蚀或腐蚀 配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度 机器基础沉降不均匀，机器壳体

4、变形旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l临界转速临界转速n当转子转速达到某一数值后，振动就大得使机组无法继续工作，即所谓临界转速nJeffcott单转子模型说明，只要在振幅还未上升到危险程度时，迅速提高转速，越过临界转速点后，转子的振幅会降下来。n转子在高速区存在着一个稳定的、振幅较小的、可以工作的区域。n效率高、重量轻的高速转子日益普遍。yxz0最简单的转子系统转子的临界转速转子的临界转速l临界转速临界转速n转子在临界转速下会发生剧烈振动n临界转速数值上一般等于转子横向振动的固有频率。n临界转速的大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)。n一个实际的转子往往

5、有很多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等n每一阶临界转速下，转子有一个相对应的振型。n临界转速的数值可以用计算法求得，或用实验法测得。单圆盘转子的临界转速单圆盘转子的临界转速re A O 01r/ecC A m O O mktmekytymtmekxtxmc222222 dddd临界转速sincosk y x 由上式中解出x和y,并求得振幅r。圆盘惯性力圆盘惯性力 轴弹性力轴弹性力 偏心的离心力偏心的离心力转子几何中心的运动称为“涡动涡动”或“进动进动”，与同向，正进动正进动单转子的临界转速和振型单转子的临界转速和振型l单转子的临界转速和振型单转子的临界转速和振型650MW发

6、电机转子 n1= 604 r/minn2= 1840 r/minn3= 4651 r/min多自由度转子有多个临界转速和相应的振型多自由度转子有多个临界转速和相应的振型转子的振型转子的振型l了解振型对设备故障诊断具有实际意义了解振型对设备故障诊断具有实际意义n由振型可见，即使所选择的测点彼此相距很近，各点之间所测得的实际振动可能有很大的差别n轴承部位不一定是振动最大的部位n在选择测点时，要避免将测点设置在节点上n利用振型找出振动最大的位置，对实测数据进行正确的分析转子的临界转速转子的临界转速l影响临界转速的因素影响临界转速的因素n支承刚度 只有在支承完全不变形的条件下，支点才会在转子运动过程中

7、保持不动。考虑支承的弹性变形时，就相当于弹簧与弹性转轴相串联。 支承与弹性转轴串联后，总的弹性刚度要低于转轴本身的弹性刚度，使转子的临界转速降低临界转速降低。n回转力矩 转子的轴线与支点的连线有夹角，会产生回转力矩，也称陀螺力矩。 正进动正进动时，回转力矩可以提高转子的刚度，临界转速增大；临界转速增大；反进动时，降低转子的刚度，临界转速减小临界转速减小n组合转子 组合系统中各转子的各阶临界转速高于高于单个转子支承刚度对临界转速的影响支承刚度对临界转速的影响 软 支承刚度 硬临界转速 0K支承刚度降低，临界转速随之下降；反之亦然。振型也随之变化。支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很

8、不同的。回转效应对临界转速的影响回转效应对临界转速的影响 回转效应是旋转物体的惯性的表现，它增加轴的刚性，回转效应是旋转物体的惯性的表现，它增加轴的刚性，故提高转子的临界转速。故提高转子的临界转速。有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。此园盘轴线方向不此园盘轴线方向不变，没有回转效应变，没有回转效应此园盘轴线方向变化，此园盘轴线方向变化，回转效应增加轴的刚性回转效应增加轴的刚性多转子轴系的临界转速和振型多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组汽轮发电机组高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子 多跨转子轴系由高压转子、中压转子、低压转子和发电机转子

9、组成。 全长30余米，共有7个轴承。多转子轴系的临界转速和振型多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系汽轮发电机组轴系 发电机转子型n1 =1002 r/min中压转子型n2 = 1470 r/min高压转子型n3 = 1936 r/min低压转子型n4 = 2014 r/min发电机转子型n5 = 2678 r/min高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子 轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。多转子轴系的临界转速和振型多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系汽轮发电机组轴系单 个转 子高压转子中压转子低压转子发电机转子刚

10、性支承1805131619651053 3149弹性支承169312211740 943 2654多 跨轴 系高压转子型 中压转子型 低压转子型发电机转子型刚性支承2284164325921142 3444弹性支承1936147020141002 2678轴系的各阶临界转速高高于相应的单转子的临界转速。弹性支承转子的临界转速低低于刚性支承转子的临界转速。旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l转子系统分类转子系统分类n刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下 一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对应的转速称为一阶临界转速 判别

11、依据：一般工作频率100Hz的机械系统属于柔性转子系统 振动特点：振动频率（自激振动）振动频率（自激振动）工作频率工作频率，并与一阶横向自振频率有关 自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l两种转子系统振动特点比较两种转子系统振动特点比较强迫振动（刚性系统）自激振动（柔性系统）激振原因由于外部激振力或激振位移引起的在振动过程中，由于系统内部有能量输入而引起的。频率与工作频率的关系振动频率与工作频率同步振动频率一般低于共振频率频率与转速变化的关系振动频率随转速之变化而变化，呈比例关系。振动频率在一

12、定范围内可能存在某种比例关系，但超过一定范围后则主要与转子的一阶自振频率有关振幅与转速变化的关系振幅随转速之增加而增加，达到临界转速时振幅出现峰值，然后则随转速之增加而减小，趋于某定值。随转速的变化振幅有突发变化的可能（增大或减小）阻尼的影响阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响。对频率及振幅影响不大旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l旋转机械故障分类旋转机械故障分类顶隙激振喘振旋转失速油膜振荡油膜涡动）亚同步振动（自激振动转子横向裂纹转子与定子摩擦装配件或基础松动轴弯曲不对中不平衡同步振动（强迫振动）柔性转子刚性转子旋转机械故障 旋转机械故障诊断技术旋转机械故障诊断技术l

13、旋转机械振动及故障概述旋转机械振动及故障概述l旋转机械典型故障分析旋转机械典型故障分析l小结小结旋转机械典型故障分析旋转机械典型故障分析l转子不平衡的故障机理与诊断转子不平衡的故障机理与诊断l不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l旋转失速与喘振故障机理与诊断旋转失速与喘振故障机理与诊断l动静件摩擦的故障机理与诊断动静件摩擦的故障机理与诊断l转子支承部件松动的故障机理与诊断转子支承部件松动的故障机理与诊断l转轴裂纹的故障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障原因分析故障原因分析n制造时几何尺寸

14、不同心、材质不均n安装方式不好，如用斜键等n轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形n工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积n零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障转子不平衡故障不平衡的原因不平衡的原因转子转子机械损伤机械损伤污染物堆积污染物堆积轴弯曲轴弯曲轴孔偏离中心轴孔偏离中心风扇风扇机械损伤机械损伤污染物堆积污染物堆积轴孔偏离中心轴孔偏离中心齿轮齿轮机械损伤机械损伤轴孔偏离中心轴孔偏离中心转子不平衡故障转子不平衡故障不平衡的原因不平衡的原因滑轮滑轮/ /槽轮槽轮机械损伤机械损伤琐丝太大琐丝太大轴孔偏离

15、中心轴孔偏离中心飞轮机械损伤偏心偏心孔轴孔偏离中心轴轴弯曲不规则不规则加工转子不平衡故障转子不平衡故障不平衡的原因不平衡的原因叶轮叶轮机械损伤机械损伤腐蚀腐蚀联轴器联轴器机械损伤机械损伤轴孔偏离中心轴孔偏离中心电气绕组电气绕组铜线分布不均铜线分布不均转子不平衡故障转子不平衡故障不平衡的原因不平衡的原因铸造缺陷铸造缺陷热膨胀热膨胀由于每个部件的由于每个部件的热膨胀率不同影热膨胀率不同影响转子平衡响转子平衡轴孔太大轴孔太大转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l不平衡的种类不平衡的种类n按发生不平衡的过程分 原始不平衡 渐发性不平衡 突发性不平衡n按机理可分为：静失衡、力偶失衡、准静失衡

16、、动失衡旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断刚性转子不平衡的形式刚性转子不平衡的形式静不平衡 离心惯性力系有离心惯性力系有合力动不平衡动不平衡 = 静不平衡 + 偶不平衡离心惯性力系合成为一合力合力和一合力偶合力偶 偶不平衡偶不平衡 离心惯性力系有合力偶合力偶旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障机理故障机理n如下图所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产生不平衡n交变的力(方向、大小周期性变化)会引起振动n转子转动一周，离心力方向改变一次，因此不平衡振动的

17、频率与转速相一致。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡F（t）te c(a) 转子系统MFsint y( t)ck(b) 振动模型转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l无阻尼时，无阻尼时，O、O、G三点成一直线三点成一直线l实际转子总存在阻尼实际转子总存在阻尼n工作介质、轴承油膜的黏性阻尼黏性阻尼，滑动面之间的摩擦阻尼摩擦阻尼，轴材料不完全弹性的内摩擦阻尼内摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗产生的结构阻尼结构阻尼n阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l不平衡故障的

18、振动机理不平衡故障的振动机理旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡设：偏心距e，转子质量M，轴刚度k，阻尼系数c，转速n（r/min），角速度=2n/60，离心力F=Me2，分解为两方向的力为： tsinMetsinFtFtcosMetcosFtFyx22两力相差90，振动方程式为：tsinMekyycyM2 tsineyyynn22 归一化后：其中：阻尼系数102,Mcn自振频率 ；激振频率 。Mkn602 n转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障机理故障机理旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡 )sin(tYty上式的通解为：)sin(1sin

19、)(2tYDetyntn公式第一部分为瞬态解，是衰减的自由振动，很快消失；公式第二部分为稳态解，是强迫振动： 222221nnneeHY其中：转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障机理故障机理旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡 2222212arctan21nnnnnHH()-幅频响应函数，表示振幅Y随频率比 /n的变化而变化的放大系数，当 /n 1时出现共振峰； ()-相频响应函数，当 /n 1时出现节点。转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l阻尼对转子临界转速的影响阻尼对转子临界转速的影响n阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响。旋转

20、机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡不敏感转子不敏感转子阻尼小阻尼小阻尼大阻尼大转速转速振幅振幅转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l转子不平衡故障的频谱特征转子不平衡故障的频谱特征n振动幅值与转速平方成正比n工频的1倍频能量较大n同一平面x,y振动相位差90l转子不平衡故障的时域特征转子不平衡故障的时域特征n呈现为类似简谐振动的波形n由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的影响，实际的信号不会是标准的正弦波旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l轴心轨迹轴心轨迹n转子轴心点相对于轴承座运动而形成

21、的轨迹n正向进动：轴转向与轴心轨迹转向一致 不平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等n逆向进动：轴转向与轴心轨迹转向相反 干摩擦等少数情况下发生l转子不平衡的轴心轨迹转子不平衡的轴心轨迹n轴在各个方向上刚度有差别，所以转子轴心轨迹通常为椭圆n从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l转子不平衡与转速的关系转子不平衡与转速的关系n当n后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当接近n时，发生共振，振幅具有最大峰值n当工作转速一定时，相位稳定旋转机械故障诊断旋转机械故

22、障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡的主要特征转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障特征故障特征n原始不平衡、渐变不平衡、突发不平衡旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l故障特征故障特征n静不平衡、力偶不平衡的幅值谱相似n静不平衡 转子两侧轴承的振动相位相同n力偶不平衡 转子两侧轴承的振动相位相反旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l诊断实例诊断实例1n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

23、警值，机器不能正常运行。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡压缩机振动特征转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l诊断实例诊断实例1n振动特征分析 振动大小随转速升降变化明显 时域波形为正弦波 轴心轨迹为椭圆 振动相位稳定，为同步正进动 频谱中能量集中于1频，有突出的峰值，高次谐波分量较小n诊断意见：强烈振动的原因是振动不平衡n处理措施：监护运行n生产验证 在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋势 维持运行一个大修周期后，下次大修发现动平衡严重超标 原因：转子库存时间较长，转子较重，未按规定周期盘转原因：转子库存时间较长，转子较重，未按规定周期盘转旋

24、转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l诊断实例诊断实例2n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。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡CO2压缩机渐变不平衡振动特征转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l诊断实例诊断实例2n振动特征分析 时域波形为正弦波 频谱图中，以1频为主 分析其矢量域图，相位有一缓慢变化n诊断意见：故障原因为渐变不平衡，是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成的n处理措施：监护运行n生产验证 6个月后大修时检查到转子并不

25、弯曲 目测无结垢和腐蚀现象 拆卸检查后发现一轴套内侧发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l转子不平衡故障的特征小结转子不平衡故障的特征小结n主要表现为径向振动n振动能量主要集中在工频的1倍频n振动幅值随转速升高而迅速增大n振动幅值不随负荷的增大而增大n同一平面X、Y方向振动相位差90n会引起地基的不均匀沉降旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l转子不平衡故障的诊断转子不平衡故障的诊断n改变转速，做瀑布图旋转机械故障诊断旋转机

26、械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障机理与诊断l转子不平衡故障的诊断转子不平衡故障的诊断n机器出现不平衡故障的同时，常常还伴有其他的问题，如：不对中、松动等。n其他类的故障也会引起工频1倍频的振动能量n在给出结论前，需要进行综合分析旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不平衡转子不平衡转子不平衡故障转子不平衡故障l对转子不平衡故障的处理措施对转子不平衡故障的处理措施n平衡技术l刚性转子刚性转子n静平衡n动平衡 单面平衡 双面平衡转子平衡方法转子平衡方法oCoWC静平衡的布置静平衡的布置W水平导轨水平导轨滚轮架滚轮架水平导轨转子转子滚轮架现场动平衡技术现场动平衡技术

27、l刚性转子的单面平衡：影响系数法刚性转子的单面平衡：影响系数法QAA01 0AP 1.选择加重平面、选择测点。选择加重平面、选择测点。2.测得原始振动测得原始振动A0(幅值和相位幅值和相位)。3.在平衡平面内加试重在平衡平面内加试重Q，测得振动测得振动A14.计算影响系数计算影响系数5.按下式求得校正质量按下式求得校正质量P。幅值幅值相位相位转速转速A UX现场动平衡技术现场动平衡技术l旋转机械的相位检测旋转机械的相位检测n旋转机械的相位指基频信号相对于转轴上某一确定标记的相位差n标记可以是键槽或是反光片，获取键相脉冲信号n相位有四种取值方法 正峰点相位 负峰点相位 正斜率过零相位 负斜率过零

28、相位现场动平衡技术现场动平衡技术单面平衡的作图解法单面平衡的作图解法 作A0和A1 ，求其差为A1- A0 。 量A1- A0 和 A0之间的夹角为 。 把试重Q 按 的方向转动一 角，此即为校正重的正确方位。 校正重 P 的大小为：010AAAQPKoQP相角正相角正A0A1A1- A0o相角正相角正单面平衡的作图解法单面平衡的作图解法现场动平衡技术现场动平衡技术不平衡向两个平面的分解不平衡向两个平面的分解 刚性转子的刚性转子的任意不平衡可任意不平衡可以向两个平面以向两个平面内分解。内分解。 故刚性转子故刚性转子都可以用两个都可以用两个校正质量来达校正质量来达到平衡。到平衡。现场动平衡技术现

29、场动平衡技术双面平衡的布置和方法双面平衡的布置和方法 10111011QBBQAA , 20222022QBBQAA , 0221102211BPPAPP 幅值幅值相位相位转速转速A B I II A B 1.测原始振动测原始振动A0，B0。2.平面平面I 内加试重内加试重Q1，测得振动测得振动A1，B1。3.计算影响系数计算影响系数4.平面平面II 内加试重内加试重Q2，测得振动测得振动A2，B2。5.计算影响系数计算影响系数6.按下式求得校正质量按下式求得校正质量P1，P2。现场动平衡技术现场动平衡技术l现场动平衡现场动平衡n针对整个系统的平衡n试重的方向选择n相位的测量 互谱、互相关l评

30、价某种平衡方法的原则评价某种平衡方法的原则n平衡精度高n平衡时，开车次数少。n校正质量数目少，总质量小。n测试仪器和设备较少。n对操作者的技术水平没有过高的要求。现场动平衡技术现场动平衡技术l利用影响系数法进行现场平衡的影响因素利用影响系数法进行现场平衡的影响因素n振动信号的质量 测点上所测取的振动值应该是由转子不平衡所产生的，而实际信号中还有其它因素产生的振动响应实际信号中还有其它因素产生的振动响应。测量时应尽量保证振动信号的质量，包括选择对不平衡振动敏感点及采用滤波排噪等方法。n转子的刚性程度 实际转子不可能是绝对的刚性的，而柔性的存在会使转子柔性的存在会使转子在不同转速下具有不同的不平衡

31、状态在不同转速下具有不同的不平衡状态，这样会因加试重时转速的不一致等因素，而使所求得影响系数具有误差n系统的线性程度 若不平衡质量与振动值之间的线性关系较差线性关系较差，则不容易确定试重与测点振动值之间的对应程度，而且振动值的相位关系对非线性反应更为灵敏。旋转机械典型故障分析旋转机械典型故障分析l转子不平衡的故障机理与诊断转子不平衡的故障机理与诊断l不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l旋转失速与喘振故障机理与诊断旋转失速与喘振故障机理与诊断l动静件摩擦的故障机理与诊断动静件摩擦的故障机理与诊断l转子支承部件松动的故障机理与诊断转子支承部件

32、松动的故障机理与诊断l转轴裂纹的故障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l据美国据美国MONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的石化公司统计，旋转机械故障的 5060 %是由转子不对中引起的。是由转子不对中引起的。l转子不对中的类型转子不对中的类型n轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜n轴系不对中：各转子不处在同一直线上 平行不对中：轴线平行位移 角度不对中：轴线交叉成一角度 综合不对中：轴线位移且交叉旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中e(a) 平行不对中(b) 角度不对中(c) 综合不对中不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l造成不对中的

33、原因造成不对中的原因n安装误差n管道应变影响n温度变化热变形n基础沉降不均l危害危害n滚动轴承 振动噪声 过度磨损 “卡死” n滑动轴承 油膜承载失稳 半速涡动 油膜振荡 严重时油膜破裂而烧损轴瓦旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中不对中的危害不对中的危害- -热像图热像图30,000 out平行10,000/inch out角1,000/inch out角不对中62 F105 F0对中不对中故障机理不对中故障机理l齿式联轴器平行不对中齿式联轴器平行不对中2cos2121coscos2sin21cossinDDDyDDxdDdydDdx2sin2cosdtDddtdydtdxV

34、K/)/()/(222/2)2/(dtdDVKK不对中故障机理不对中故障机理l刚性联轴器平行不对中刚性联轴器平行不对中n两半联轴节旋转时，在螺栓力作用下有把偏移的两轴中心拉到一起的趋势nPO1=PS, PO2e,O1SPO2nSO2=PO2-PO1=ecostn若两半联轴节尺寸和材料相同，则PO1受压缩、PO2受拉伸，两者变形量近似相等 =SO2 / 2=ecost / 2n设刚度为K，则 F=K= Kecost / 2不对中故障机理不对中故障机理l刚性联轴器平行不对中刚性联轴器平行不对中n将F进行分解nFy前一项不随时间而变化，力图把两个联轴节的不对中量缩小nFy后一项与Fx，是随转速而变化

35、的两倍频激振力，即：联轴节每旋转一周，径向力交变两次n不对中方向上的一对螺钉，当螺钉拉紧时，一个受拉、一个受压。旋转过程中，每转180，拉压状态交变一次，旋转一周，交变两次，使轴在径向上产生两倍频振动。tKeKeteKtFFy2cos44cos2cos2tKetFFx2sin4sin不对中故障机理不对中故障机理l角度不对中角度不对中n螺栓拉力作用下，两半联轴节中存在一个弯矩，力图减小两轴中心线的交角n轴旋转一周，弯矩作用方轴旋转一周，弯矩作用方向交变一次向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也每周变化一次，由此引起工频振动工频振动n上侧螺孔旋转到下侧时，螺孔距离增大，拉伸力变化一次。联轴节带着轴发

36、生轴向蹿动，振动频率为转速频率n下侧螺孔转到上侧时，螺孔距离变小，拉紧力减弱，不存在迫使轴产生轴向蹿动的力不对中故障不对中故障l转子不对中的故障特征转子不对中的故障特征n振动的振幅与转子的负荷有关 负荷越大、振幅越大n不对中故障对转子的激励力随转速的升高而加大 激励力与不对中量成正比n轴系具有过大的不对中量时，转子在运动中产生附加径向力和附加轴向力，使转子产生异常振动 平行不对中主要引起径向振动 角度不对中主要引起轴向振动n振动频率 径向振动以工频的2倍频为主，也有1倍频的成分 轴向振动以工频的1倍频为主，也有2x，3x。不对中故障不对中故障l转子不对中的故障特征转子不对中的故障特征n振动幅值

37、 振动频谱中2x幅值超过1x幅值约50时，常常说明是径向不对中。 2x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构。 2X幅值接近1X幅值是常见的，尤其是平行不对中严重时。 轴向2x或3x幅值约是1x转数频率幅值的30到50时，说明是角向不对中。n联轴节两侧轴承振动的相位差 平行不对中，径向振动差180 角度不对中，轴向振动差180n轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈不对中故障不对中故障l平行不对中的故障特征平行不对中的故障特征不对中故障不对中故障l角度不对中的故障特征角度不对中的故障特征不对中故障不对中故障l不对中故障，除了不对中故障，除了1x，2 x频率外，还会出现频率外，还

38、会出现3x倍频倍频不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l诊断方法诊断方法n简易诊断 轴向振动n精密诊断 轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈 用功率谱的2倍频2fr 、3倍频3fr成分判断不对中故障 相位信息 全息谱技术l说明说明n2倍频、轴向振动都是不对中的重要特征，但也可能是由其他的故障引起的 轴弯曲、推力轴承的磨损、斜齿轮磨损n相位是区别不对中与其他不同故障源的关键指示。 受综合不对中的影响，相位差不一定是严格的180旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l诊断实例诊断实例n某透平压缩机组检修后启动时，高压缸振动较大；机组

39、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的振动值增加两倍，测点6轴向振动加大；又运行两周后，测点5的振动值又突然增加一倍，超过设计允许值，振动剧烈旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中机组布置示意图不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l诊断实例诊断实例旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中异常振动特征不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l诊断实例诊断实例n高压缸主要振动特征 连接压缩机高、低压缸之间的联轴器两端振动较大 测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2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

40、n诊断意见 压缩机高压缸和低压缸之间转子对中不良，联轴器发生故障n生产验证 高、低压缸之间的联轴器固定法兰与内齿套的连接螺栓已断掉三只 对中严重超差对中严重超差，不对中量大于设计要求16倍 对螺栓断面进行电镜分析，断面为沿晶断裂、并有局部韧窝组织。 联接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求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。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l小结小结旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中转子不对中故障原因与治理

41、措施旋转机械典型故障分析旋转机械典型故障分析l转子不平衡的故障机理与诊断转子不平衡的故障机理与诊断l不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l旋转失速与喘振故障机理与诊断旋转失速与喘振故障机理与诊断l动静件摩擦的故障机理与诊断动静件摩擦的故障机理与诊断l转子支承部件松动的故障机理与诊断转子支承部件松动的故障机理与诊断l转轴裂纹的故障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜轴承的分类（按工作原理分）油膜轴承的分类（按工作原理分）n静压轴承 依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差域外载荷相平衡的原理进

42、行工作 无论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中 旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强、对转速的适应性和抗振性好 制造工艺要求高，供油装置复杂 主要用于高精度的机床n动压轴承 油膜压力靠轴本身旋转产生 供油系统简单 设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命 应用非常广泛：压缩机、泵、电动机、发电机等旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l动压动压油膜轴承的工作原理油膜轴承的工作原理 轴颈静止轴颈静止时，沉在轴承底部 轴颈开始旋转时，轴颈依靠摩擦力作用，沿轴承内表面往上爬行，达到一定位置，摩擦力不能支持转子重力，开始打滑，即为半液体摩擦半液体摩擦

43、油楔的入口断面大于出口断面，随着转速的升高，轴颈被油压挤向另轴颈被油压挤向另外一侧外一侧 如果带入楔形间隙内的润滑油流量是连续的，油液中的油压就会升高，达到一定程度，间隙内积聚的油膜的压力可以把转子轴颈抬起油膜的压力可以把转子轴颈抬起 当油膜压力与外载荷平衡时，轴颈就在与轴承内表面不发生接触的情况下稳定地运转旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l轴颈在轴承内旋转时的油膜压力分布轴颈在轴承内旋转时的油膜压力分布n偏位角n e 偏心距n c 平均间隙，c = R-rn相对间隙， c / rn相对偏心率， = e / rnhmin 最小油膜

44、厚度nhmin = c e = c(1- )油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l轴承的承载能力轴承的承载能力nP 轴承载荷nS0轴承承载能力系数 也称索默费尔特(Sommerfeld)数n润滑油动力黏度系数n l 轴承宽度nd 轴承直径n轴颈旋转角速度n相对间隙l轴承承载能力系数轴承承载能力系数nS0是相对偏心率 （= e / r）和轴承宽径比（l/d）的函数nS01，称为低速重载转子； S01，称为高速轻载转子n高速轻载转子易产生油膜失稳n低速重载转子稳定性虽好，但偏心率过大时，油膜过薄，易产生干摩擦20ldSP 油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l高速滑动轴承的

45、油膜失稳机理高速滑动轴承的油膜失稳机理n轴承通过油膜支承载荷（完全流体润滑状态下）时，摩擦功耗最小n稳态情况下：油膜动压合力R与轴载荷P处于平衡状态n轴受到瞬时扰动情况下：油膜动压合力R与轴载荷P不再保持平衡状态，形成合力F。nF可沿垂直和水平方向分解为Fr和Fu。其中Fr与轴的水平位移方向相反，力图使轴心恢复到稳定状态的位置，因此称Fr为恢复力。Fu则力图使轴心绕轴承转动，因此称Fu为涡动力。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承轴颈的受力分析油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l半速涡动半速涡动n因为油具有黏性，所以轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为r，而轴瓦表

46、面的油流速度为0n假设油流速度呈直线分布n轴颈某一直径扫过的面积，即为油楔入口与出口的流量差dQedtrldteClrdteClr222dtdQrel212121油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l实际的涡动频率，通常低于转频的一半实际的涡动频率，通常低于转频的一半n油楔入口的油流速度由于受到不断增大的压力作用将会逐渐减慢，油楔出口的油流速度则会加速。实际速度与假设速度在分布上的差别使驱动轴颈涡动的速度下降。n轴承中的压力油不仅被轴颈带着作圆周运动，还向轴承两侧泄油，用以带走轴承工作时产生的热量。油有泄漏时，dQ不等于0n根据国外资料介绍，半速涡动的实际振动频率为n (0.430

47、.48)油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜轴承不稳定的工作机理油膜轴承不稳定的工作机理n半速涡动与油膜振荡 当恢复力矩大于涡动力矩时，轴承将回到稳定状态工作。相反，若涡动力矩大于恢复力矩时，则轴心开始涡动，即转轴除自转外，还绕轴承中心公转，这种公转称为涡动。 流体动压激振涡动的方向与自转方向相同，摩擦激振涡动的方向与自转方向相反。 半速涡动：油膜涡动速度（角频率）的理论值为轴的转速（角频率）之半，称为半速涡动。 油膜振荡：转子在涡动共振的状态下，将表现为强烈的振荡称为油膜振荡。 涡动速度=(0.430.48)， 轴心轨迹为内8字旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴

48、承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜轴承不稳定的工作机理油膜轴承不稳定的工作机理旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜涡动与油膜振荡的频谱及轴心轨迹油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l半速涡动与油膜振荡半速涡动与油膜振荡n半速涡动的发展将使转子由稳定变为不稳定n在半速涡动出现的初期阶段初期阶段，由于油膜具有非线性特性（即轴颈涡动幅度增加时，油膜的刚度和阻尼较线性关系增加得更快），抑制了转子的涡动幅度，轴心轴心轨迹为一稳定的封闭图形轨迹为一稳定的封闭图形。n转速升至临界转速的两倍转速升至临界转速的两倍，涡动频率与一阶自振频率重合，发生油膜振荡。n转

49、速继续升高，振动并不减弱，而且振动频率基本上不再随转速而升高。油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜涡动与油膜振荡的特征油膜涡动与油膜振荡的特征n轻载转子 在第一临界转速之前就可能发生不稳定的半速涡动，但不产生大幅度的振动 当转速达到两倍第一临界转速时，转子由于共振有较大的振幅 越过第一临界转速后振幅再次减少，当转速达到两倍第一临界转速时，振幅增大并且不随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡n中载转子 过了一阶临界转速后会出现半速涡动 油膜振荡在二倍的第一临界转速之后出现n重载转子 低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的第一临界转速时，也不会立即发生很大的振动 转速达

50、到两倍的第一临界转速之后的某一转速时，突然发生油膜振荡旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜涡动与油膜振荡的特征油膜涡动与油膜振荡的特征旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承不同载荷下的油膜振荡特点油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜涡动与油膜振荡的特征油膜涡动与油膜振荡的特征n油膜振荡的其它特征 油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生 一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降 油膜振荡时，轴颈中心的涡动频率为转子的一阶固有频率 油膜振荡具有惯性效应惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和

51、降速时油膜振荡消失时的转速不同 油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l故障原因故障原因n轴承参数设计不合理n轴承制造不符合技术要求n安装不当n油温或油压不当n润滑不良n轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜振荡的防治措施油膜振荡的防治措施n设计上尽量避开油膜共振区 (应使避免为2c1)n增加轴承比压 轴承比压是指轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷 增加轴承比压，即提高轴承承载能力系数，增大

52、轴颈偏心率，以提高油膜稳定性 常用的方法是减小轴瓦的长度n减小轴承间隙 试验表明，减小轴承间隙，可提高发生油膜振荡的转速 减小间隙，相当于增大了轴承的偏心率=e/c旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承dlPp 油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油膜振荡的防治措施油膜振荡的防治措施n控制适当的轴瓦预负荷 轴承的预负荷定义为 对于圆柱轴承，c =Rp-Rs，预负荷为0 预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴颈半径，相当于起到了增大偏心率的作用 椭圆轴承的稳定性优于圆柱轴承 多油楔轴承的稳定性较好spkRRcP1油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l油

53、膜振荡的防治措施油膜振荡的防治措施n选用抗振性好的轴承 对于高速转子，通常采用多油楔可倾瓦轴承n调整油温 适当地升高油温，减小油的黏度，可以增加偏心率 对于已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动的阻尼作用，有时对降低转子的振幅有利。油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例1n某气体压缩机运行期间，蒸汽透平时常有短时强振发生。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承1#轴承测点频谱变化趋势油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例1旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承测点强振时的波形和频谱测点振动值较小时的波形与频谱油

54、膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例1n振动特征分析 正常时，机组各测点振动均以工频成分(143.3Hz)幅值最大，同时存在丰富的低次谐波成分,并有幅值较小但不稳定的69.8Hz(相当于0.49)成分存在，时域波形存在单边削顶现象，呈现动静件碰磨的特征。 振动异常时振动异常时，工频及其它低次谐波的幅值基本不变，但透平前后两端透平前后两端测点出现很大的测点出现很大的0.49成分，其幅度大大超过了工频幅值成分，其幅度大大超过了工频幅值 分频成分随转速改变而改变，与转速频率保持分频成分随转速改变而改变，与转速频率保持0.49左右的比例关系左右的比例关系 强振时，提纯轴心轨

55、迹的重复性明显变差 随着强振的发生，机组声响明显异常，有时油温也明显升高n诊断意见：故障原因为油膜涡动，建议降低负荷和转速，然后监测运行n生产验证：机组平稳运行到机组大检修，检修中将轴瓦形式由原来的圆筒瓦改为椭圆瓦圆筒瓦改为椭圆瓦后，运行一直正常旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例2n某压缩机组气压机在运行过程中轴振动突然报警，轴振动值和轴承座振动值明显增大。停机检查发现零部件无明显损坏，测量转子对中数据、前后轴承的间隙、瓦背紧力和转子弯曲度，各项数据均符合要求。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承气压机

56、轴承振动频谱油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例2旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承前轴承升速过程振动瀑布图油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l诊断实例诊断实例2n振动特征分析 前后轴承振动频谱图均有47Hz低频峰值存在 观察升速过程中的三维谱图，发现升速到4260r/min时出现半速涡动 随着转速的上升，涡动频率和振幅不断增加 涡动频率达到47Hz时不再随转速而上升，转速提高到7500r/min工作转速时，振动频率仍为47Hz，但振幅非常大n诊断意见 转子第一临界转速为2820r/min(47Hz)，振动特征与典型的高速轻载转子的油膜

57、振荡故障现象完全吻合，建议立即停机检修n生产验证 解体检查发现，轴瓦巴氏合金表面发黑，上瓦有磨损并伴有大量小气孔，前轴承巴氏合金有部分脱落 更换新轴承后，重启机组，47Hz低频分量不再出现旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断油膜轴承油膜轴承旋转机械典型故障分析旋转机械典型故障分析l转子不平衡的故障机理与诊断转子不平衡的故障机理与诊断l不对中故障机理与诊断不对中故障机理与诊断l油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的故障机理与诊断l旋转失速与喘振故障机理与诊断旋转失速与喘振故障机理与诊断l动静件摩擦的故障机理与诊断动静件摩擦的故障机理与诊断l转子支承部件松动的故障机理与诊断转子支承部件松动的故障机理与诊断

58、l转轴裂纹的故障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断旋转失速与喘振的故障机理与诊断旋转失速与喘振的故障机理与诊断l概述概述n离心式、轴流式的风机、压缩机，因设计工况范围窄、结构设计不合理等因素，使气流在机器内产生不稳定的运动气流在机器内产生不稳定的运动，引起流道内和管道内的气流压力脉动，从机电导致机器和管道的强烈振动。n气流不稳定现象主要表现的故障形式为 旋转失速 喘振n旋转失速旋转失速和喘振喘振是高速离心压缩机特有的一种振动故障n故障是由于流体流动分离造成，设备本身无明显结构缺陷，因而不需要停工检修，通过调节流量即可使振动减到允许值 因此，更能体现设备状态监测的优势更能体现设备状态监测的优势n

59、喘振会对机器造成很大危害，严重时会导致转子弯曲，联轴器损坏旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断旋转失速与喘振旋转失速与喘振气体流动分离气体流动分离l气流脉动力气流脉动力主要来自主要来自气体流气体流动分离动分离l几个基本概念几个基本概念n速度三角形 实际流动模式：三元流动 简单分析时：一元流动 流体一方面相对于叶面流动，另一方面又随叶轮转动，流体真正流体真正的流动为两者的矢量和的流动为两者的矢量和，即速度三角形 为防止气流冲击，叶片的入口安入口安装角应与入口气流角相等装角应与入口气流角相等。出口气流角则由出口安装角决定。 流量减小流量减小时，气流绝对速度c变小，气流相对速度角速度角也将随之减小减小。

60、气体流动分离气体流动分离l几个基本概念几个基本概念n收敛流动和扩压流动 气流流动方向由高压流向低压高压流向低压，称为收敛流动，即减压 反之，称为扩压流动n主流区和边界层区 由于气体具有粘性，在靠近流道壁面相当薄的范围内，气流受壁面粘滞，流速很快降低到零，在这一薄层中，速度速度梯度极大梯度极大，称为边界层边界层 边界层外的流动区域，速度分布比较均匀速度分布比较均匀，称为主流区主流区n冲角 叶片安装角与进口气流方向角之差称为冲角 冲角是气流方向与叶片弧线前缘切线间的夹角气体流动分离气体流动分离l气流分离的原因气流分离的原因n在气流扩压流动扩压流动的过程中，由于主流区速度逐渐减弱，不足以带动边界层气