Chapter03_旋转机械故障诊断mfd,故障诊断,电子科技大学

1、机械电子工程学院机械电子工程学院第三章第三章 旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断本章内容本章内容 1、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。 2、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。

2、对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。 3、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。 4、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩擦引起失稳的机理等。擦引起失稳的机理等。 5、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳定故障等。定故障等。机

3、械电子工程学院机械电子工程学院第三章第三章 旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断本章要求本章要求1、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。2、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施。3、理解转子摩擦故障的机理和特征。、理解转子摩擦故障的机理和特征。4、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。5、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。机械电子工程学院机械电子工程学院 旋转机械的转子由于受材料的质量

4、分布、加工误差、装配因旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的旋转中心存在一定程度的偏心距偏心距，使得转子在工作时形成周期，使得转子在工作时形成周期性的性的离心力干扰离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象，就是不平衡故障。现象，就是不平衡故障。 不平衡可分为不平衡可分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡静不平衡、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的类型转子不平衡产生的离心力转子不平

5、衡产生的离心力3.1 转子不平衡故障诊断转子不平衡故障诊断机械电子工程学院机械电子工程学院 1、静不平衡、静不平衡 不平衡位于转子的中部，在不平衡位于转子的中部，在这种情况下，只要在不平衡量这种情况下，只要在不平衡量沿径向的反方向上加一个配重沿径向的反方向上加一个配重就可以消除不平衡，如右图所就可以消除不平衡，如右图所示。转子上部圆点代表不平衡示。转子上部圆点代表不平衡量，下部的圆点代表加的配重量，下部的圆点代表加的配重。 静不平衡的静不平衡的主惯性轴平行于主惯性轴平行于旋转轴旋转轴。存在静不平衡的转子。存在静不平衡的转子旋转时，产生一个周期作用的旋转时，产生一个周期作用的离心力，使其形成离心

6、力，使其形成一阶振动一阶振动。 3.1.1 转子不平衡的类型转子不平衡的类型机械电子工程学院机械电子工程学院 2、偶不平衡、偶不平衡 如右图所示，如右图所示，m1=m2，转子的重心是在旋转轴上转子的重心是在旋转轴上，但，但主惯性轴和旋转轴不主惯性轴和旋转轴不重合重合，因而至少要放置两，因而至少要放置两块配重才能达到平衡的目块配重才能达到平衡的目的，如图中与的，如图中与m1和和m2所所对应画圈的地方。当转子对应画圈的地方。当转子转动时，由每一侧的不平转动时，由每一侧的不平衡重量产生相反的离心力衡重量产生相反的离心力，将使转子产生振动。，将使转子产生振动。3.1.1 转子不平衡的类型转子不平衡的类

7、型机械电子工程学院机械电子工程学院 3、动不平衡、动不平衡 动不平衡是以上动不平衡是以上两种不平衡的综合两种不平衡的综合， m1m2，转子的，转子的重心不重心不在旋转轴上在旋转轴上，而且主惯性轴与旋转轴也，而且主惯性轴与旋转轴也不平行不平行。对于这类平衡。对于这类平衡至少需要两个配重。至少需要两个配重。 事实上一个平衡良好的转子也事实上一个平衡良好的转子也不能做到绝对平衡不能做到绝对平衡，总是存在，总是存在微量的不平衡，因此，在转子振动信号的频谱上总会出现转速微量的不平衡，因此，在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称频率成分（或称工频工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡），但不发

8、生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。3.1.1 转子不平衡的类型转子不平衡的类型机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.2 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3.1.2.1 临界转速的动力特性临界转速的动力特性 在工程上，把对应于转子在工程上，把对应于转子一阶横向固有频率一阶横向固有频率的转速称为的转速称为临临界转速界转速。 临界转速是指由临界转速是指由不平衡离心力不平衡离心力引起转子共振现象时的转速引起转子共振现象时的转速。转子运动的力学模型转子运动的力学模型机械电子工程学院机械电子工程学院

9、转子的临界转速往往不止一个，它与转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目系统的自由度数目有有关。关。 实际情况表明，带有实际情况表明，带有一个转子一个转子的轴系，可简化成具有一个的轴系，可简化成具有一个自由度的弹性系统，有自由度的弹性系统，有一个临界转速一个临界转速；转轴上带有；转轴上带有二个转子二个转子，可简化成二个自由度系统，对应有可简化成二个自由度系统，对应有二个临界转速二个临界转速，依次类推。，依次类推。 其中转速最小的那个临界转速称为其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速一阶临界转速 ，比，比之大的依次叫做二阶临界转速之大的依次叫做二阶临界转速 、三阶临界转速、三阶临界转

10、速 。1cn2cn3cn3.1.2.1 临界转速的动力特性临界转速的动力特性机械电子工程学院机械电子工程学院 一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应应低于一阶临界转速低于一阶临界转速 的的0.75倍；工作转速高于一阶临界转速倍；工作转速高于一阶临界转速时，要求在下列范围内（时，要求在下列范围内（i为临界转速的阶数）：为临界转速的阶数）：1crn)1(7 . 04 . 1icrcrinnn3.1.2.1 临界转速的动力特性临界转速的动力特性 从动力学角度分析，转子系统分为从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子刚性转子和和柔性转子柔性转

11、子。 转动频率低于转子一阶转动频率低于转子一阶横向固有频率横向固有频率的转子为的转子为刚性转子刚性转子，如电动机、中小型离心式风机等。转动频率高于转子一阶横向如电动机、中小型离心式风机等。转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为固有频率的转子为柔性转子柔性转子，如燃气轮机转子。，如燃气轮机转子。15 . 0crnn 117 . 05 . 0crcrnnn17 . 0crnn 刚性转子刚性转子 准刚性转子准刚性转子 柔性转子柔性转子机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响阻尼对临界转速下转子振动的影响取坐标系取坐标系Oxy，在，在x和和y两坐标方向上列力的平

12、衡式：两坐标方向上列力的平衡式：tmekyycymtmekxxcxmsincos22 上式的特解为：上式的特解为：)sin()cos(tAytAx式中，式中， 为离心力导前位移的角度，称为相位角；为离心力导前位移的角度，称为相位角；A为为振幅。振幅。机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响阻尼对临界转速下转子振动的影响222221nnneAnmc2式中阻尼比为：式中阻尼比为：212arctannn机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响阻尼对临界转速下转子振动的影响转子的振幅与相频响应曲线转子的振幅与相频响应曲线机械电

13、子工程学院机械电子工程学院3.1.3 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动的故障特征 转子的不平衡振动是在转子的不平衡振动是在周期性离心力周期性离心力干扰下产生的强迫振动干扰下产生的强迫振动，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频率就是转子的率就是转子的转速频率转速频率：60nf 当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下：当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下： 1、时域波形为、时域波形为近似的等幅正弦波近似的等

14、幅正弦波。因为单纯的不平衡振动，。因为单纯的不平衡振动，转速频率的转速频率的高次谐波幅值很低高次谐波幅值很低。 2、轴心轨迹为比较稳定的、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆圆或椭圆，意味着转轴同一截面上，意味着转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相互垂直的两个探头，其信号相位差接近相位差接近90。椭圆是因为轴。椭圆是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。机械电子工程学院机械电子工程学院 3、频谱图上转子、频谱图上转子转速频率转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为对应的振幅具有突出的峰值，因为不平衡故障主要引起转子或轴承不平衡故障主要引起转子或轴

15、承径向径向振动。振动。 4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。3.1.3 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动的故障特征典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹机械电子工程学院机械电子工程学院 5、转子的进动方向为、转子的进动方向为同步正进动同步正进动。 6、转子振幅对转速变化很敏感，、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降转速下降，振幅将明显下降。 7、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在在轴向上的振幅一般不明显轴向上的振幅

16、一般不明显。 8、敏感参数（振幅）具有如下特征：、敏感参数（振幅）具有如下特征： 振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速是平方是平方指数关系。指数关系。 当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。3.1.3 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动的故障特征机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.4 不平衡振动故障的原因及防治不平衡振动故障的原因及防治 3.1.4.1 固有质量不平衡固有

17、质量不平衡 固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡，而与操作运行情况无关。，而与操作运行情况无关。 引起固有质量不平衡的原因主要是设计错误、材料缺陷、引起固有质量不平衡的原因主要是设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。 固有质量不平衡将在转子上产生固有质量不平衡将在转子上产生稳定稳定的转速频率振动，在的转速频率振动，在给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随时间变化，但如给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随时间变化，但如果果温度、负荷温度、负荷等条件变化，振动也可能会

18、发生变化。等条件变化，振动也可能会发生变化。 对于固有质量不平衡引起的振动，最普通的防治办法是对于固有质量不平衡引起的振动，最普通的防治办法是改改善转子的平衡状态善转子的平衡状态来降低转子的激振力。来降低转子的激振力。机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.4.1 固有质量不平衡固有质量不平衡 例：气压机的不平衡振动例：气压机的不平衡振动 某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。 气压机型号为气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯

19、气，入口压力，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力为，出口压力为1.35MPa，转速为，转速为10700r/min。轴承。轴承型式为型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。块可倾瓦，联轴节均为膜片式。气压机组布置图（气压机组布置图（1汽轮机，汽轮机，2同步离合器，同步离合器，3气压机，气压机，4联轴节，联轴节，5齿轮箱，齿轮箱，6电动机）电动机）机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.4.1 固有质量不平衡固有质量不平衡 该机运行数年后为增大气量，更换该机运行数年后为增大气量，更换了转子，扩大了转子隔板，并且对转子了转子，扩大了转子隔板，并且对转子做了高速动平衡。做了高速动平衡。

20、改造后的转子出现了振动超标，靠近改造后的转子出现了振动超标，靠近齿轮箱一侧的振动测点齿轮箱一侧的振动测点375、376的振的振幅达到幅达到60um，此后又上升至，此后又上升至90um左右。左右。信号分析显示振动频率中信号分析显示振动频率中工频成分占绝工频成分占绝对优势对优势，375、376的的轴心轨迹为椭圆轴心轨迹为椭圆，确认是转子，确认是转子不平衡不平衡引起的振动。引起的振动。 另外又从转子过程的极坐标图上看出另外又从转子过程的极坐标图上看出，转子在做高速动平衡时，也曾显示，转子在做高速动平衡时，也曾显示970011000r/min之间具有明显峰值。之间具有明显峰值。 375测点的极坐标图测

21、点的极坐标图机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.4.1 固有质量不平衡固有质量不平衡 因此分析认为，该转子的工作转速就在它的因此分析认为，该转子的工作转速就在它的二阶临界转速二阶临界转速附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠齿轮箱一侧的齿轮箱一侧的375、376测点振幅最高，决定在这一侧的测点振幅最高，决定在这一侧的联轴节上做现场动平衡。联轴节上做现场动平衡。动平衡次序动平衡次序第一次现场动平衡第一次现场动平衡（联轴节配重（联轴节配重5.3g）第二次现场动平衡第二次现场动平衡（联轴节配重（联轴节配重8.2g）测点测点3753

22、76375376配重前工频（幅值配重前工频（幅值/相位）相位）65um/23552um/34845um/29922um/322配重后工频（幅值配重后工频（幅值/相位）相位）19um/23413um/34517um/2856um/349两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.4.1 固有质量不平衡固有质量不平衡 动平衡前后动平衡前后相位稳定相位稳定，动平衡后测点，动平衡后测点375、测点、测点376测点处的测点处的通频振幅和工频通频振幅和工频振幅下降十分明显振幅下降十分明显，其原因如下：，其原因如下： 1、气压机和齿轮箱

23、之间的联轴节长度较长，达、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气压，气压机转子在这一端具有机转子在这一端具有较长的外伸端较长的外伸端，因此该联轴节上的不平衡量，因此该联轴节上的不平衡量对于引发转子振动十分敏感。对于引发转子振动十分敏感。 2、转子、转子工作转速接近第二临界转速工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡将在工作，微量的不平衡将在工作转速下引起明显的转子振动。当转速下降至转速下引起明显的转子振动。当转速下降至1000r/min以下，转以下，转子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显。子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显。 3、联轴节本身可能存在不平衡，

24、因为联轴节出厂时单独做动、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独做动平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴节平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴节上重复去重，造成联轴节上重复去重，造成联轴节新的不平衡新的不平衡。机械电子工程学院机械电子工程学院 转子运行过程中的不平衡，可分成：转子运行过程中的不平衡，可分成：1、转子弯曲：、转子弯曲： 1）临时性弯曲）临时性弯曲 2）永久性弯曲）永久性弯曲2、原始平衡状态破坏：、原始平衡状态破坏： 1）转子上零件破裂或飞离）转子上零件破裂或飞离 2）固体杂质在叶轮上沉积）固体杂质在叶轮上沉积 3）叶轮除锈后产生的不平衡

25、）叶轮除锈后产生的不平衡 4）轴上零件松动）轴上零件松动3.1.4.2 转子运行中的不平衡转子运行中的不平衡机械电子工程学院机械电子工程学院 临时性弯曲临时性弯曲是指转子外部环境影响或外力的作用而产生弯曲是指转子外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变形变形，这种变形不需经过动平衡不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措，而是只需采取一些简单的措施（如经过低速长时间施（如经过低速长时间盘车盘车方式）或改变操作方式即可缓解或方式）或改变操作方式即可缓解或消除不平衡振动。消除不平衡振动。 常见的临时性弯曲主要有以下几种情况：常见的临时性弯曲主要有以下几种情况： 1、转子、转子受热不均匀受热不

26、均匀引起的临时性弯曲。对于这种转子在启动引起的临时性弯曲。对于这种转子在启动之前必须充分盘车，避免之前必须充分盘车，避免启动启动后引起过大的振动。后引起过大的振动。 2、转子、转子自重自重引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在卧式的柔性引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在卧式的柔性转子上经常会遇到。例如转子由于搁置过久，在自重作用下发转子上经常会遇到。例如转子由于搁置过久，在自重作用下发生弯曲变形。这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率生弯曲变形。这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率，而且转速频率的幅值随着转速的上升而增大。弯曲的校直可，而且转速频率的幅值随着转速的上升而增大。弯曲的校直可以通

27、过以通过较长时间慢转转子较长时间慢转转子来达到。来达到。3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲转轴临时性弯曲机械电子工程学院机械电子工程学院 3、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯曲。曲。 压缩机发生压缩机发生喘振喘振时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发生弯曲变形。生弯曲变形。轻度喘振轻度喘振，转子，转子弯曲量不大弯曲量不大，可以通过慢转转子，可以通过慢转转子加以消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以致发生转加以消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以致发生转子与静止元件之间的子与静止

28、元件之间的碰撞摩擦碰撞摩擦，出现这种情况，就需要对转子，出现这种情况，就需要对转子进行热处理校直，并重新进行动平衡。进行热处理校直，并重新进行动平衡。 温度突变温度突变或或负荷变化过快负荷变化过快，致使转子发生临时性弯曲，是引，致使转子发生临时性弯曲，是引起机器振动的一个主要原因。因此对于汽轮发电机组和汽轮机起机器振动的一个主要原因。因此对于汽轮发电机组和汽轮机驱动的离心压缩机组，启停过程中一定要按操作规程进行，开驱动的离心压缩机组，启停过程中一定要按操作规程进行，开车前和停机后均需要有一定时间的盘车过程。车前和停机后均需要有一定时间的盘车过程。3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲转轴临时性弯曲

29、机械电子工程学院机械电子工程学院 永久性弯曲永久性弯曲是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯曲状态。转子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产曲状态。转子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产生的交变力，不足以释放转轴内部已经形成的弯曲应力，因此生的交变力，不足以释放转轴内部已经形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。变成永久性弯曲变形。 前述影响转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能成为前述影响转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能成为永久性弯曲。永久性弯曲。 具有很大弯曲变形的转子，具有很大弯曲变形的转子，不能用动平衡方法校正不能用

30、动平衡方法校正，必须用，必须用热处理方法热处理方法把转子校直，或者用精加工方法来消除弯曲。把转子校直，或者用精加工方法来消除弯曲。3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲转轴永久性弯曲机械电子工程学院机械电子工程学院 轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力，与质心偏离不同点是轴弯曲会量偏心类似的旋转矢量激振力，与质心偏离不同点是轴弯曲会使轴两端产生使轴两端产生锥形运动锥形运动，因而在，因而在轴向轴向还会产生较大的还会产生较大的一阶一阶转动转动频率振动。频率振动。 轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同，特征如下

31、：轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同，特征如下： 时域波形为近似的等幅正弦波。时域波形为近似的等幅正弦波。 轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，由于轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦轴瓦摩擦，故轨迹有时会有摩擦的特，故轨迹有时会有摩擦的特征。征。 频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。与不平衡故障频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。与不平衡故障的区别在于：弯曲在的区别在于：弯曲在轴向方面产生较大的振动轴向方面产生较大的振动。转轴弯曲的振动故障特征转轴弯曲的振动故障特征3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲转轴永久性弯

32、曲机械电子工程学院机械电子工程学院 转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，将产转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，将产生生阶跃式的不平衡阶跃式的不平衡，引起振幅和相位的，引起振幅和相位的突然变化突然变化。这种变化属。这种变化属于瞬态响应，此后将会衰减下去，因而振幅突变后将在某一数于瞬态响应，此后将会衰减下去，因而振幅突变后将在某一数值上稳定下来。值上稳定下来。 如果飞离块如果飞离块质量大质量大，振幅，振幅突升明显突升明显。如果飞离块质量小，它。如果飞离块质量小，它所产生的不平衡矢量与原始不平衡矢量相叠加，使测点处测得所产生的不平衡矢量与原始不平衡矢量相叠加，使测点处测得的

33、振幅可能是增大或减小，相位角、轴心轨迹形状与原来的不的振幅可能是增大或减小，相位角、轴心轨迹形状与原来的不相同。相同。 对这类故障进行诊断，最好在监测转子振幅的同时也能监测对这类故障进行诊断，最好在监测转子振幅的同时也能监测相位相位。高速转子零件的碎裂或飞离是一种较大的。高速转子零件的碎裂或飞离是一种较大的质量不平衡质量不平衡，往往往往对转速变化非常敏感对转速变化非常敏感，降低转速，振幅就会明显下降。，降低转速，振幅就会明显下降。3.1.4.2.3 转子上零件碎裂或飞离转子上零件碎裂或飞离机械电子工程学院机械电子工程学院 如一些高温的并带有黏性的如一些高温的并带有黏性的催化剂微粒、催化剂微粒、

34、管道中的管道中的锈蚀锈蚀、气、气源中的源中的粉尘等粉尘等进入机器的流道，黏结在叶轮上，由于质量分布进入机器的流道，黏结在叶轮上，由于质量分布不均匀，引起转子的不平衡。不均匀，引起转子的不平衡。 这种因固体杂质沉积引起的不平衡所表现的振动现象，往往这种因固体杂质沉积引起的不平衡所表现的振动现象，往往是是振幅逐渐加大振幅逐渐加大，转速频率成分占有突出的地位，而且随着转，转速频率成分占有突出的地位，而且随着转速的增加振幅呈抛物线状态增大。有时结垢可以达到非常严重速的增加振幅呈抛物线状态增大。有时结垢可以达到非常严重的程度，并产生转子与静子之间的的程度，并产生转子与静子之间的摩擦与磨损摩擦与磨损。3.

35、1.4.2.4 固体杂质在叶轮上沉积固体杂质在叶轮上沉积 消除措施：消除措施： 1、从工艺上采取限制杂质进入机器。、从工艺上采取限制杂质进入机器。 2、从转子结构上防止杂质大量沉积。、从转子结构上防止杂质大量沉积。 3、在入口处间断地喷入少量清水或溶剂，利用机器旋转离、在入口处间断地喷入少量清水或溶剂，利用机器旋转离心力使水流冲刷积垢，进行在线清洗。心力使水流冲刷积垢，进行在线清洗。机械电子工程学院机械电子工程学院 有些压缩机在运行中常会遇到工艺气体和固体杂质对叶轮基有些压缩机在运行中常会遇到工艺气体和固体杂质对叶轮基体金属的冲蚀，设备维修中不恰当的措施就可能给机器带来振体金属的冲蚀，设备维修

36、中不恰当的措施就可能给机器带来振动问题，必须引起注意。动问题，必须引起注意。3.1.4.2.5 叶轮除锈后产生的不平衡叶轮除锈后产生的不平衡 带有各种零件的转子在运转中可能发生松动，例如叶轮、平带有各种零件的转子在运转中可能发生松动，例如叶轮、平衡盘、止推盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松，衡盘、止推盘在轴上配合的过盈量不足，或者键槽配合太松，使转子在高转速下发生松动；还有材料选择不良或是工作介质使转子在高转速下发生松动；还有材料选择不良或是工作介质腐蚀性严重，引起轴套和轮壳内部发生腐蚀而松动。腐蚀性严重，引起轴套和轮壳内部发生腐蚀而松动。 此外，滚动轴承外圈配合间隙过大，轴在旋转时外

37、圈也跟着此外，滚动轴承外圈配合间隙过大，轴在旋转时外圈也跟着作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。作不同步的旋转，也会发生类似松动的故障。3.1.4.2.6 轴上零件松动轴上零件松动机械电子工程学院机械电子工程学院 轴上零件松动在振动频率和相位上的特征：轴上零件松动在振动频率和相位上的特征： 1、松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大，零件内孔、松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大，零件内孔扩大，与转轴之间发生松动，并偏置于零件重心一侧或轴中心扩大，与转轴之间发生松动，并偏置于零件重心一侧或轴中心线弓状回旋的外侧，导致转子线弓状回旋的外侧，导致转子转速频率成分幅值迅速增大转速频率成分幅值迅

38、速增大。 2、振动将出现明显的、振动将出现明显的非线性非线性影响因素，在频谱图上出现大影响因素，在频谱图上出现大量转速频率的量转速频率的高次谐波高次谐波，偶尔也可能出现，偶尔也可能出现1/2、1/3转速频率的转速频率的分数次谐波分数次谐波成分。成分。3.1.4.2.6 轴上零件松动轴上零件松动 3、振动信号振幅不稳定，相位随时间变动，而且频谱图上、振动信号振幅不稳定，相位随时间变动，而且频谱图上会出现许多连续的噪声谱线，表明转子振动带有一定程度的不会出现许多连续的噪声谱线，表明转子振动带有一定程度的不稳定稳定随机冲击随机冲击。 4、可能产生、可能产生“拍振拍振”现象，拍振的频率一个是轴的转速频

39、现象，拍振的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴转速的松动零件转速频率。率，另一个是稍低于轴转速的松动零件转速频率。机械电子工程学院机械电子工程学院 1、振幅随转速的变化、振幅随转速的变化 质量不平衡振动，在临界转速之前振幅随转速的升高而升高质量不平衡振动，在临界转速之前振幅随转速的升高而升高，临界转速之后振幅有所下降。而转子弯曲振动属于，临界转速之后振幅有所下降。而转子弯曲振动属于恒力幅恒力幅的的激振，虽然振幅也随转速的上升而升高，但激振，虽然振幅也随转速的上升而升高，但无确定关系无确定关系。 2、相位随转速的变化、相位随转速的变化 转子质量不平衡，按照其振型特点，在支承转子的两端轴承转

40、子质量不平衡，按照其振型特点，在支承转子的两端轴承上，同一径向方向的振动相位可能相同，也可能相差很大，随上，同一径向方向的振动相位可能相同，也可能相差很大，随着转速变化，两者着转速变化，两者相位往往处于变动之中相位往往处于变动之中。而转子的弯曲不平。而转子的弯曲不平衡通常是在同一平面内发生，衡通常是在同一平面内发生，弯曲振动只能激起一阶振型弯曲振动只能激起一阶振型，因，因此它在两端轴承上的振动相位相同或很接近，随着转速变化，此它在两端轴承上的振动相位相同或很接近，随着转速变化，由于转子弯曲变形方向不变，因而由于转子弯曲变形方向不变，因而相位变化很小相位变化很小。3.1.4.3 转子弯曲不平衡和

41、质量不平衡的鉴别转子弯曲不平衡和质量不平衡的鉴别机械电子工程学院机械电子工程学院 3、振幅随负荷的变化、振幅随负荷的变化 质量不平衡质量不平衡引起的振动一般引起的振动一般不随负荷变化不随负荷变化而变化，但是转子而变化，但是转子弯曲振动则弯曲振动则随着负荷的升高而加大随着负荷的升高而加大。因为负荷增大，作用在弯。因为负荷增大，作用在弯曲转子上的不平衡流体径向力也增加。曲转子上的不平衡流体径向力也增加。3.1.4.3 转子弯曲不平衡和质量不平衡的鉴别转子弯曲不平衡和质量不平衡的鉴别机械电子工程学院机械电子工程学院 转子恒速运转，质量转子恒速运转，质量不平衡不平衡将在转子径向方向上形成一个不将在转子

42、径向方向上形成一个不变的旋转离心力，转子运动的变的旋转离心力，转子运动的轴心轨迹轴心轨迹形状接近于一个形状接近于一个圆或椭圆或椭圆，圆，也就是说，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产也就是说，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生生接近接近90的相位差的相位差。 机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等故障机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等故障，虽然轴承或机体上的振动频率也像不平衡振动那样，表现以，虽然轴承或机体上的振动频率也像不平衡振动那样，表现以转速频率为主转速频率为主，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变化，而是

43、在某一个方向上出现同相位或接近化，而是在某一个方向上出现同相位或接近180反相位的反相位的定定向振动向振动，这种，这种“定向振动定向振动” 在在轴心轨迹轴心轨迹上表现为一条倾斜的上表现为一条倾斜的直直线线或接近一条直线形状。或接近一条直线形状。3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别定向振动与不平衡振动故障的鉴别机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别定向振动与不平衡振动故障的鉴别鉴别内容鉴别内容不平衡振动不平衡振动定向振动定向振动振动频率振动频率转速频率转速频率转速频率转速频率相互垂直的两个方向相相互垂直的两个方向相位差位差接近接近90接近接近0或或180

44、轴心轨迹形状轴心轨迹形状圆或椭圆圆或椭圆某一方向上近似一条直某一方向上近似一条直线线故障原因故障原因转子固有不平衡，转子转子固有不平衡，转子弯曲，转子平衡状态破弯曲，转子平衡状态破坏等。坏等。机体变形，皮带轮或齿机体变形，皮带轮或齿轮偏心，机座松动，基轮偏心，机座松动，基础共振等。础共振等。定向振动与不平衡振动的鉴别定向振动与不平衡振动的鉴别机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别定向振动与不平衡振动故障的鉴别 例：机壳变形例：机壳变形 某大型化工厂新安装的一台离心泵某大型化工厂新安装的一台离心泵，功率为，功率为147KW，由转速，由转速3600r/min的电

45、动机驱动。安装时电动机与泵进的电动机驱动。安装时电动机与泵进行了仔细对中，泵开始运转时行了仔细对中，泵开始运转时电动机电动机出现了很大振动，电动机的两个轴承出现了很大振动，电动机的两个轴承上水平方向振幅为上水平方向振幅为25mm/s，垂直方向，垂直方向振幅为振幅为20mm/s，泵和电动机轴向振幅，泵和电动机轴向振幅小于小于5mm/s，电动机，电动机振动频率为转速振动频率为转速频率频率。从测量数据看，似乎是电动机。从测量数据看，似乎是电动机的不平衡故障，但是进一步作相位分的不平衡故障，但是进一步作相位分析，发现电动机靠泵侧的轴承在水平析，发现电动机靠泵侧的轴承在水平和垂直方向上的和垂直方向上的相

46、位相同相位相同，而外侧轴，而外侧轴承承相位差相位差180。电动机底脚刚性不足引起的振动电动机底脚刚性不足引起的振动 机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别定向振动与不平衡振动故障的鉴别电动机底脚刚性不足引起的振动电动机底脚刚性不足引起的振动 电动机电动机4个底脚的振幅为（单位个底脚的振幅为（单位mm）：）：51FA252FA251RA52RA 4个底脚的振幅大小差别很大，说明个底脚的振幅大小差别很大，说明电动机的振动模式是以对角线进行摆电动机的振动模式是以对角线进行摆振，也就是说，底脚振，也就是说，底脚 和和 的螺的螺钉虽然坚固，但是底脚钉虽然坚固，但是底脚

47、支承刚度不足支承刚度不足，产生了上述前后轴承的，产生了上述前后轴承的“定向振动定向振动”问题。为了证明这一点，操作者在问题。为了证明这一点，操作者在不停机状态下把底脚不停机状态下把底脚 处的固定螺处的固定螺钉放松，果然电动机的振动幅值下降钉放松，果然电动机的振动幅值下降了了75%。2FA1RA1RA机械电子工程学院机械电子工程学院 1、情况简介、情况简介 某厂芳烃车间一台离心式氢气压缩机是该厂生产的关键设备某厂芳烃车间一台离心式氢气压缩机是该厂生产的关键设备之一。驱动电动机功率为之一。驱动电动机功率为610KW，压缩机轴功率，压缩机轴功率550KW，主机，主机转子转速转子转速15300r/mi

48、n，属，属4级离心式回转压缩机，工作介质是级离心式回转压缩机，工作介质是氢氢气气，气体流量，气体流量38066立方立方/小时，出口压力小时，出口压力1.132MPa，气体温度，气体温度200，该压缩机配有本特利（，该压缩机配有本特利（Bently）公司）公司7200系列振动监测系列振动监测系统；测点有系统；测点有7个，测点个，测点A、B、C、D为压缩机主轴径向位移传为压缩机主轴径向位移传感器，测点感器，测点E、F分别为齿轮增速箱高速轴和低速轴轴瓦的径向分别为齿轮增速箱高速轴和低速轴轴瓦的径向位移传感器，测点位移传感器，测点G为压缩机主轴轴向位移传感器。为压缩机主轴轴向位移传感器。3.1.6.1

49、 不平衡故障案例不平衡故障案例 该压缩机该压缩机没有备用机组没有备用机组，全年，全年8000h连续运转，仅在大修期连续运转，仅在大修期间可以停机检查。生产过程中一旦停机将影响全线生产。因该间可以停机检查。生产过程中一旦停机将影响全线生产。因该机功率大、转速高，机功率大、转速高，介质是氢气介质是氢气，振动异常有可能造成极为严，振动异常有可能造成极为严重的恶性事故，是该厂重点监测的设备之一。重的恶性事故，是该厂重点监测的设备之一。3.1.6 不平衡故障案例分析不平衡故障案例分析机械电子工程学院机械电子工程学院 该机组于该机组于5月中旬开始停车月中旬开始停车大检修大检修，6月初经检修各项静态指月初经

50、检修各项静态指标均达到规定的标准。标均达到规定的标准。 6月月10日下午启动后投入催化剂再生工作，为全线开车作准备日下午启动后投入催化剂再生工作，为全线开车作准备。再生工作要连续运行一周左右。再生过程中工作介质为。再生工作要连续运行一周左右。再生过程中工作介质为氮气氮气（分子量为分子量为28，相对氢气较大，相对氢气较大），使压缩机负荷增大。压缩机），使压缩机负荷增大。压缩机启动后，各项动态参数，如流量、压力、气温、电流振动值都启动后，各项动态参数，如流量、压力、气温、电流振动值都在规定范围内，机器工作正常。在规定范围内，机器工作正常。 运行不到两整天运行不到两整天，于，于6月月12日上午振动报

51、警，测点日上午振动报警，测点D振动值越振动值越过报警限，高达过报警限，高达6080um之间波动，测点之间波动，测点C振动值也偏大，在振动值也偏大，在5060um之间波动，其它测点振动没有明显变化。之间波动，其它测点振动没有明显变化。 3.1.6.1 不平衡故障案例不平衡故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院谐波谐波频率频率/Hz5月月21日振幅日振幅6月月12日振幅日振幅改变量改变量1254.88170.93295.621252510.8038.0238.8203764.6534.4035.38141021.5323.3826.7235月月21日日D点频谱图点频谱图6月月12日日D点频谱图点

52、频谱图3.1.6.1 不平衡故障案例不平衡故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院2、诊断结论、诊断结论 1）转子出现了明显的）转子出现了明显的不平衡不平衡，可能是因转子的，可能是因转子的结垢所致结垢所致。 2）振动虽然大，但属于受迫振动，）振动虽然大，但属于受迫振动，不是自激振动不是自激振动，不可怕。，不可怕。3、建议：、建议： 1）可以）可以不停机不停机，再坚持运行，再坚持运行45天，直到催化剂再生工作完天，直到催化剂再生工作完成。成。 2）密切注意振动状态，催化剂再生工作完成后有停机的机会）密切注意振动状态，催化剂再生工作完成后有停机的机会，做解体检查。，做解体检查。3.1.6.1 不平

53、衡故障案例不平衡故障案例 监测系统仪表只指示出各测点振动位移的监测系统仪表只指示出各测点振动位移的峰峰峰值峰值，它说，它说明设备明设备有故障有故障，但是什么故障就不得而知了。依照惯例，设备，但是什么故障就不得而知了。依照惯例，设备应立即停下来，解体检修，寻找并排除故障，但这要使再生工应立即停下来，解体检修，寻找并排除故障，但这要使再生工作停下来，进而拖延全厂开车时间。作停下来，进而拖延全厂开车时间。机械电子工程学院机械电子工程学院3、事后验证情况、事后验证情况 6月月18日催化剂再生工作圆满完成，压缩机停止运行。日催化剂再生工作圆满完成，压缩机停止运行。 6月月20日对机组进行解体检查，发现日

54、对机组进行解体检查，发现机壳机壳气体流道上气体流道上结垢结垢十分十分严重，结垢最厚处达严重，结垢最厚处达20mm左右。左右。转子上结垢较轻转子上结垢较轻，垢的主要，垢的主要成分是成分是烧蚀下来的催化剂烧蚀下来的催化剂，第一节吸入口处约，第一节吸入口处约34的流道被堵的流道被堵，只剩一条窄缝。，只剩一条窄缝。 因此检修工作主要是清垢，其它部位如轴承、密封等处都未因此检修工作主要是清垢，其它部位如轴承、密封等处都未动，然后安装复原，总共只用了两天时间。动，然后安装复原，总共只用了两天时间。 6月月25日压缩机再次起动，压缩机工作一切正常。日压缩机再次起动，压缩机工作一切正常。3.1.6.1 不平衡

55、故障案例不平衡故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院3.1.6.2 轴弯曲故障案例轴弯曲故障案例1、情况简介、情况简介 某公司一台某公司一台200MW汽轮发电机组，型式为超高压、中间再热汽轮发电机组，型式为超高压、中间再热单抽冷凝式。在长期的运行中，该机高压转子振动一直保持在单抽冷凝式。在长期的运行中，该机高压转子振动一直保持在较好范围，轴承振动小于较好范围，轴承振动小于10um，轴振动小于，轴振动小于100um。 1998年在一次热态起动时年在一次热态起动时2#轴、轴、3#轴、轴、1#轴承和轴承和2#轴承振动轴承振动出现出现短时突增短时突增，被迫紧急关小闸门；再次开大蒸汽闸门，使转，被迫紧

56、急关小闸门；再次开大蒸汽闸门，使转子迅速加速，冲过临界转速（称为子迅速加速，冲过临界转速（称为冲车冲车）后并网运行。并网后）后并网运行。并网后，2#轴和轴和1#轴承、轴承、2#轴承振动虽然仍处于良好范围，但其振动轴承振动虽然仍处于良好范围，但其振动有明显增大趋势有明显增大趋势，经连续观察，经连续观察运行近一月运行近一月，也未能恢复至以前，也未能恢复至以前运行时的振动水平。运行时的振动水平。机械电子工程学院机械电子工程学院曲线曲线1停机前停机前1#轴承振动轴承振动1um，热态启动后为，热态启动后为6um曲线曲线2停机前停机前2#轴承振动轴承振动6um，热态启动后为，热态启动后为1618um曲线曲

57、线3停机前停机前2#轴振动轴振动80um，热态启动后为，热态启动后为120140um3.1.6.2 轴弯曲故障案例轴弯曲故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院4月月6日热起动情况日热起动情况 4:25冲车：低速（冲车：低速（500r/min）、）、10min，摩擦检查，摩擦检查。 4:25升速至升速至1600r/min，此时，此时1#轴承振动达轴承振动达120um，2#轴承振轴承振动达动达65um，2#、3#轴振动达到监测表的轴振动达到监测表的满量程满量程（即轴振动值已（即轴振动值已大于大于400um），运行人员采取），运行人员采取紧急关闸措施停机紧急关闸措施停机。 5:05转子静止后盘车，

58、转子静止后盘车，大轴挠度值增大为大轴挠度值增大为120um，盘车电流，盘车电流32A。 6:40再次起动，快速冲车至再次起动，快速冲车至3000 r/min额定转速，然后并入电额定转速，然后并入电网。网。 从热态启动数据知：在起动过程中，机组从热态启动数据知：在起动过程中，机组1#轴承、轴承、2#轴承及轴承及2#轴、轴、3#轴轴振动异常增大振动异常增大，紧急关闸停机后，电动盘车时，紧急关闸停机后，电动盘车时机组机组大轴挠度值大轴挠度值增加较大，盘车电流略有增加。增加较大，盘车电流略有增加。3.1.6.2 轴弯曲故障案例轴弯曲故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院2、数据分析、数据分析 1）探

59、头所在处的转子跳动值（大轴挠度）从）探头所在处的转子跳动值（大轴挠度）从30um增加至增加至120um，比起动前，比起动前增大了增大了4倍倍，反映出高压转子弯曲程度加剧，反映出高压转子弯曲程度加剧，提示转子可能已发生弯曲。提示转子可能已发生弯曲。 2）从振动频率以及振值随转速变化的情况来看，其）从振动频率以及振值随转速变化的情况来看，其症状和转症状和转子失衡极为相似子失衡极为相似。但停机前运行一直很正常，。但停机前运行一直很正常，只是在机组停车只是在机组停车后再次起动中振动异常后再次起动中振动异常，且在，且在并网后一直维持较大振值并网后一直维持较大振值，缺乏，缺乏造成转子失衡的理由或转子零部件

60、飞脱的因素，故可排除转子造成转子失衡的理由或转子零部件飞脱的因素，故可排除转子失衡的可能。失衡的可能。 3）综合两次起动及并网运行一个月后停机惰走的振动情况，）综合两次起动及并网运行一个月后停机惰走的振动情况，表明机组在第一次起动时即存在较大的表明机组在第一次起动时即存在较大的热弯曲热弯曲，而停车后间隔，而停车后间隔1.5h再次起动，再次起动，盘车时间不足盘车时间不足，极易造成转子，极易造成转子永久性弯曲永久性弯曲。3.1.6.2 轴弯曲故障案例轴弯曲故障案例机械电子工程学院机械电子工程学院 在第一次热态起动时，高压转子的轴及轴承振动急剧增加在第一次热态起动时，高压转子的轴及轴承振动急剧增加，