旋转机械振动故障诊断及分析(2015.3)

1、旋转机械旋转机械振动故障诊断及分析振动故障诊断及分析郭兴贵 影响旋转机械振动的因素影响旋转机械振动的因素 汽轮汽轮发电机组的振源分析发电机组的振源分析 旋转机械的故障诊断旋转机械的故障诊断 旋转机械振动故障的处理方法旋转机械振动故障的处理方法 旋转机械旋转机械振动故障诊断及处理实例振动故障诊断及处理实例一、影响旋转机械振动一、影响旋转机械振动的的因素因素 旋转机械，尤其是大型汽轮发电机组轴系的旋转机械，尤其是大型汽轮发电机组轴系的振动十分复杂，影响因素较多，不但有静态的，振动十分复杂，影响因素较多，不但有静态的，而且有动态的，并且这些因素往往综合作用，相而且有动态的，并且这些因素往往综合作用，

2、相互影响。影响互影响。影响旋转机械（及其轴系）振动的主要旋转机械（及其轴系）振动的主要因素主要包括：因素主要包括：1 1、临界转速、临界转速 当转子的工作转速接近其临界转速时，就要当转子的工作转速接近其临界转速时，就要发生共振，这是产生极大振动的主要原因之一。发生共振，这是产生极大振动的主要原因之一。因此，在转子设计时，应保证工作转速相对于其因此，在转子设计时，应保证工作转速相对于其临界转速有足够的避开率。临界转速有足够的避开率。2 2、支座特性、支座特性 通常轴承座的振动幅值与转子激振力的大小通常轴承座的振动幅值与转子激振力的大小成正比，与支承系统的动刚度成反比。所以，在成正比，与支承系统的

3、动刚度成反比。所以，在转子激振力一定的条件下，轴承座的振动大小主转子激振力一定的条件下，轴承座的振动大小主要决定于支承系统的动刚度。增大轴承座的刚度，要决定于支承系统的动刚度。增大轴承座的刚度，可使振动响应峰值转速略有抬高，但可较大的降可使振动响应峰值转速略有抬高，但可较大的降低轴承座振动峰值。为避免转子与支座发生共振低轴承座振动峰值。为避免转子与支座发生共振现象，应使支座自振频率与工作频率之比大于现象，应使支座自振频率与工作频率之比大于 2 2。3 3、轴承特性、轴承特性 轴承是提供转子系统阻尼的主要来源。阻尼的轴承是提供转子系统阻尼的主要来源。阻尼的大小不仅对振动系统的稳定性有直接的影响，

4、而且大小不仅对振动系统的稳定性有直接的影响，而且对振动响应峰值也有很大的影响。轴承的动力特性对振动响应峰值也有很大的影响。轴承的动力特性不仅与轴承的几何尺寸有关，而且还与轴承型式、不仅与轴承的几何尺寸有关，而且还与轴承型式、流体介质和流动状态、线性与非线性计算方法等因流体介质和流动状态、线性与非线性计算方法等因素有关。素有关。 通常通常减小轴承的长径比能提高油膜刚度，增大轴减小轴承的长径比能提高油膜刚度，增大轴承偏心率，提高轴承的稳定性；当间隙比较小时，承偏心率，提高轴承的稳定性；当间隙比较小时，增大间隙比可提高轴承的刚度和阻尼，增加轴承的增大间隙比可提高轴承的刚度和阻尼，增加轴承的稳定性，当

5、间隙比较大时，反而会降低稳定性，使稳定性，当间隙比较大时，反而会降低稳定性，使失稳转速降低；应用低粘度的润滑油或提高平均油失稳转速降低；应用低粘度的润滑油或提高平均油温，可以增加轴承的稳定性；从轴承型式上，一般温，可以增加轴承的稳定性；从轴承型式上，一般认为圆轴承的承载能力最强，但稳定性较差，椭认为圆轴承的承载能力最强，但稳定性较差，椭圆圆轴承稳定性较好，可倾瓦轴承稳定性最好。轴承稳定性较好，可倾瓦轴承稳定性最好。 4 4、转子动平衡质量、转子动平衡质量 在线性系统（绝大多数情况），转子不平衡在线性系统（绝大多数情况），转子不平衡响应的峰值与转子上残余不平衡量的大小成正比。响应的峰值与转子上残

6、余不平衡量的大小成正比。减少不平衡量可以明显地降低响应峰值，尽可能减少不平衡量可以明显地降低响应峰值，尽可能的提高转子动平衡精度是提高转子振的提高转子动平衡精度是提高转子振动品质的有动品质的有效措施。效措施。 5 5、转子温度效应、转子温度效应 在高参数或超临界汽轮机中，高、中压转子在高参数或超临界汽轮机中，高、中压转子温度较高，这会引起转子材料弹性模量的变化。温度较高，这会引起转子材料弹性模量的变化。材料的弹性模量随温度的升高而降低，从而使转材料的弹性模量随温度的升高而降低，从而使转子的弯曲刚度和临界转速降低，故在分析计算中子的弯曲刚度和临界转速降低，故在分析计算中应计入转子温度变化的影响。

7、应计入转子温度变化的影响。 当汽缸或轴承座温度较高时当汽缸或轴承座温度较高时，会引起支撑系会引起支撑系统动刚度降低统动刚度降低, ,使得轴瓦振动增大。当带负荷运行使得轴瓦振动增大。当带负荷运行时时，如果转子存在不均匀的温分布，会导致转子，如果转子存在不均匀的温分布，会导致转子产生热弯曲，引起振动增大。产生热弯曲，引起振动增大。6 6、汽流激振、汽流激振 在高参数、大容量，尤其是超临界汽轮机的在高参数、大容量，尤其是超临界汽轮机的高压转子中，由于汽隙（叶顶间隙和汽封间隙）高压转子中，由于汽隙（叶顶间隙和汽封间隙）的不均匀会引起附加的蒸汽力作用，它可影响轴的不均匀会引起附加的蒸汽力作用，它可影响轴

8、系的稳定性，使失稳转速降低。系的稳定性，使失稳转速降低。 另外，对于喷嘴调节的汽轮机，在某些负荷另外，对于喷嘴调节的汽轮机，在某些负荷工况，因部分进汽改变轴承的动特性，也可能导工况，因部分进汽改变轴承的动特性，也可能导致轴承失稳。致轴承失稳。7 7、转子间的连接和找中、转子间的连接和找中 安装因素是轴系振动一个重要影响因素。对安装因素是轴系振动一个重要影响因素。对于动平衡质量较好的转子，如果连接偏差较大，于动平衡质量较好的转子，如果连接偏差较大，也会引发振动。在轴系中，找中时应进行预调，也会引发振动。在轴系中，找中时应进行预调，以保证在热态时轴系是一条光滑曲线，减少轴心以保证在热态时轴系是一条

9、光滑曲线，减少轴心的偏差，确保轴承有良好的动力特性。此外，在的偏差，确保轴承有良好的动力特性。此外，在安装时，要保证动、静部件间隙均匀，且尺寸合安装时，要保证动、静部件间隙均匀，且尺寸合理，防止局部间隙过小引起动静碰摩而产生振动理，防止局部间隙过小引起动静碰摩而产生振动以及径向间隙偏差较大引起汽流激振。以及径向间隙偏差较大引起汽流激振。8 8、运行方式异常、运行方式异常 维持维持转机转机正常的运行方式是保证正常的运行方式是保证其其振动状态振动状态稳定的因素之一。启稳定的因素之一。启停及运行停及运行过程中应根据过程中应根据设备设备及系统特性进行操作及系统特性进行操作。二、二、汽轮汽轮发电机组的振

10、源分析发电机组的振源分析1 1、机械激振力、机械激振力1.11.1转子质量不平衡转子质量不平衡 在现场发生的机组振动故障中，约在现场发生的机组振动故障中，约8080是由于是由于转子质量不平衡造成的。原因主要有：转子质量不平衡造成的。原因主要有：(1)(1)制造过程中机械加工不精确或材质不均匀，使得制造过程中机械加工不精确或材质不均匀，使得转子上各部件的横断面相对于转动中心轴线不对称，转子上各部件的横断面相对于转动中心轴线不对称，或转子在机械加工及热处理过程中的残留变形引起。或转子在机械加工及热处理过程中的残留变形引起。(2)(2)运行过程中转子上动叶片的不均匀磨损，盐垢的运行过程中转子上动叶片

11、的不均匀磨损，盐垢的不均匀沉积，动叶或拉金的断裂，中心孔堵头脱落，不均匀沉积，动叶或拉金的断裂，中心孔堵头脱落，运行时转子的热变形。运行时转子的热变形。(3)(3)大修时进行过可能破坏转子质量平衡的技术操作：大修时进行过可能破坏转子质量平衡的技术操作：如拆装或更换叶轮、叶片等。如拆装或更换叶轮、叶片等。1.21.2靠背轮和转子找中心不正靠背轮和转子找中心不正a.a.靠背轮的影响靠背轮的影响靠背轮平面瓢偏，当拧紧靠背轮螺丝后，转子将产生静变形靠背轮平面瓢偏，当拧紧靠背轮螺丝后，转子将产生静变形（即挠度），在轴颈上会呈现较大的晃摆，在旋转状态处，静（即挠度），在轴颈上会呈现较大的晃摆，在旋转状态处

12、，静变形将产生旋转的强迫振动。变形将产生旋转的强迫振动。靠背轮连接螺栓有紧力差别，其产生的后果靠背轮连接螺栓有紧力差别，其产生的后果和和瓢偏一样。瓢偏一样。两个靠背轮止口或连接螺栓节圆不同心，当拧紧靠背螺丝后，两个靠背轮止口或连接螺栓节圆不同心，当拧紧靠背螺丝后，两个转子会产生偏心，这种偏心在旋转状态下直接产生激振力，两个转子会产生偏心，这种偏心在旋转状态下直接产生激振力，而且以力偶形式作用在两个相邻的轴承上。而且以力偶形式作用在两个相邻的轴承上。 靠背轮造成振动的特点是：振动的主要分量与转速相符，但靠背轮造成振动的特点是：振动的主要分量与转速相符，但包含有一定的非基波分量，因此在激起普通强迫

13、振动的同时，包含有一定的非基波分量，因此在激起普通强迫振动的同时，可能还会激起高次谐波和分谐波共振可能还会激起高次谐波和分谐波共振。b.b.转子找中心的影响转子找中心的影响 通常所指的转子找中心，实际上是找轴承中通常所指的转子找中心，实际上是找轴承中心，即通过调整轴承座的标高和左右位置，使冷心，即通过调整轴承座的标高和左右位置，使冷态下两靠背轮圆周和平面的偏差力求最小，使轴态下两靠背轮圆周和平面的偏差力求最小，使轴系在给定的支撑数目下，能连成一条连续的自然系在给定的支撑数目下，能连成一条连续的自然垂弧曲线。对于刚性或半绕度性靠背轮，由于它垂弧曲线。对于刚性或半绕度性靠背轮，由于它有对中的止口配

14、合部分或配合螺栓部分，所以即有对中的止口配合部分或配合螺栓部分，所以即使中心略有不正，即轴承座定位略有不当，当拧使中心略有不正，即轴承座定位略有不当，当拧紧螺丝后，转子将会自动同心，因而它并不直接紧螺丝后，转子将会自动同心，因而它并不直接产生振动的激振力，但由于轴承座相对位置的变产生振动的激振力，但由于轴承座相对位置的变动将会引起下列后果：动将会引起下列后果：使轴瓦载荷分配不合理，载荷过大者会使轴瓦温使轴瓦载荷分配不合理，载荷过大者会使轴瓦温度升高，过小者易使转子失稳，发生轴瓦自激振度升高，过小者易使转子失稳，发生轴瓦自激振动。动。破坏了已经调整好的动静间隙，可能会引起静摩破坏了已经调整好的动

15、静间隙，可能会引起静摩擦或汽流激振。擦或汽流激振。改变了轴系支撑条件，即改变了轴系振动系统的改变了轴系支撑条件，即改变了轴系振动系统的参数，导致转子临界转速和振型曲线发生变化。参数，导致转子临界转速和振型曲线发生变化。转子和联轴器受额外应力。转子和联轴器受额外应力。1.31.3热不平衡热不平衡 很多汽轮发电机组在热态时振动较大，其原很多汽轮发电机组在热态时振动较大，其原因是由于发电机转子或气轮机转子、汽缸等因是由于发电机转子或气轮机转子、汽缸等发生发生了不均匀加热或冷却，产生了不对称的变形，这了不均匀加热或冷却，产生了不对称的变形，这种变形称之为热变形。热变形破坏了转子的质量种变形称之为热变形

16、。热变形破坏了转子的质量平衡，从而引起振动。平衡，从而引起振动。a.a.发电机转子的热不平衡发电机转子的热不平衡 造成发电机产生热不平衡的原因是由于转子造成发电机产生热不平衡的原因是由于转子上某些零件产生不对称热变形和转子热弯曲。产上某些零件产生不对称热变形和转子热弯曲。产生不对称热变形的零件主要是端部零件，特别是生不对称热变形的零件主要是端部零件，特别是端部线包，由于线包受热膨胀在径向发生不对称端部线包，由于线包受热膨胀在径向发生不对称位移，破坏了转子的质量平衡。位移，破坏了转子的质量平衡。 热弯曲的原因主要是由制造和材质方面的缺热弯曲的原因主要是由制造和材质方面的缺陷所引起，另一方面是运行

17、方面的原因引起的。陷所引起，另一方面是运行方面的原因引起的。b.b.汽轮机转子的热不平衡汽轮机转子的热不平衡 汽轮机转子热不平衡的主要原因是转子产生汽轮机转子热不平衡的主要原因是转子产生热弯曲，引起热弯曲的原因有以下几个方面：热弯曲，引起热弯曲的原因有以下几个方面：转轴上内应力过大。转轴上内应力过大。转轴材质不均。转轴材质不均。汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其它套装零件与轴汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其它套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足和不均匀。凸台之间轴向间隙不足和不均匀。转轴存在径向不对称温差。转轴存在径向不对称温差。c.c.汽缸、轴承座膨胀不良汽缸、轴承座膨胀不良 汽缸、轴承座的膨胀不良可能会

18、汽缸、轴承座的膨胀不良可能会在在以下三种以下三种形式表现出来：形式表现出来：轴承座之间的相互位置发生了变动，导致转子中轴承座之间的相互位置发生了变动，导致转子中心的变动。心的变动。改变了动静部件之间径向间隙，可能产生静摩擦，改变了动静部件之间径向间隙，可能产生静摩擦，引起转子热弯曲而造成振动。引起转子热弯曲而造成振动。改变了轴承和台板之间的接触状态，可能会降低改变了轴承和台板之间的接触状态，可能会降低了轴承座动刚度。了轴承座动刚度。2 2、电磁激振力、电磁激振力 在汽轮发电机组中，若振动随励磁电流增加在汽轮发电机组中，若振动随励磁电流增加而增大时，表明激振力来自发电机转子，振动是而增大时，表明

19、激振力来自发电机转子，振动是由不对称的电磁力引起的。引起不对称电磁力的由不对称的电磁力引起的。引起不对称电磁力的原因：原因：发电机转子线圈匝间或对地短路。当转子励磁线发电机转子线圈匝间或对地短路。当转子励磁线圈的部分线匝失去作用时，在所有的同步电机中圈的部分线匝失去作用时，在所有的同步电机中都会产生不均衡的电磁力，因而出现一个与转子都会产生不均衡的电磁力，因而出现一个与转子一起旋转的径向不均衡力，从而引起振动。一起旋转的径向不均衡力，从而引起振动。发电机转子和静子之间空气间隙不均匀。当转子发电机转子和静子之间空气间隙不均匀。当转子与静子不同心时，转子的自重弯曲变形以及油膜与静子不同心时，转子的

20、自重弯曲变形以及油膜厚度的变化等，都将使圆周上的空气间隙产生不厚度的变化等，都将使圆周上的空气间隙产生不均匀，磁极在经过最小空气间隙时，单向磁引力均匀，磁极在经过最小空气间隙时，单向磁引力为最大；而当磁极中线经过这最小气隙时，磁引为最大；而当磁极中线经过这最小气隙时，磁引力为最小，这种不均衡的电磁力会引起转子和静力为最小，这种不均衡的电磁力会引起转子和静子的振动。子的振动。3 3、支撑系统的刚性不足、共振、支撑系统的刚性不足、共振 汽轮发电机组的振动实质上是轴系激振力与汽轮发电机组的振动实质上是轴系激振力与支承部分（轴承座和基础）可承受能力之间的对支承部分（轴承座和基础）可承受能力之间的对立统

21、一。在线性系统中，部件呈现的振幅与作用立统一。在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与它的动刚在部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比。度成反比。 由于支撑系统共振，轴承座动刚度降低，在由于支撑系统共振，轴承座动刚度降低，在激振力不变的情况下，轴承振幅增大激振力不变的情况下，轴承振幅增大。或。或相邻与相邻与轴承座连接的基础、较大直径的管路、汽缸、发轴承座连接的基础、较大直径的管路、汽缸、发电机和励磁机静子等部件部件的共振，振动能量电机和励磁机静子等部件部件的共振，振动能量传给了轴承座，传给了轴承座，也也可能可能造成造成轴承振幅增大。轴承振幅增大。4 4、轴承座的轴向振动、

22、轴承座的轴向振动 引起轴向振动的原因可用引起轴向振动的原因可用“松、斜、卡松、斜、卡”三三个字来概括。个字来概括。 “松松”是指轴承座与台板、台板与基础之间是指轴承座与台板、台板与基础之间的连接存在松动，造成轴承座轴向动刚度不足或的连接存在松动，造成轴承座轴向动刚度不足或两侧刚度不对称，使轴承座在激振力的作用下发两侧刚度不对称，使轴承座在激振力的作用下发生轴向偏转。生轴向偏转。“斜斜”是指轴在轴瓦内偏斜，使得是指轴在轴瓦内偏斜，使得轴颈在轴瓦内的油膜承力中心随转速周期性地沿轴颈在轴瓦内的油膜承力中心随转速周期性地沿轴向变化，造成轴承座的轴向偏转。轴向变化，造成轴承座的轴向偏转。“卡卡”主要主要

23、是指球面瓦因加工不良或紧力过大而发生卡涩，是指球面瓦因加工不良或紧力过大而发生卡涩，起不到自动调节的作用。起不到自动调节的作用。5 5、摩擦振动、摩擦振动 机组的摩擦主要分为转轴摩擦和动静局部摩擦。机组的摩擦主要分为转轴摩擦和动静局部摩擦。转轴摩擦引起热弯曲造成机组的强迫振动。转轴转轴摩擦引起热弯曲造成机组的强迫振动。转轴摩擦产生热弯曲一般是由于静止部件（如汽封齿摩擦产生热弯曲一般是由于静止部件（如汽封齿和油挡等）直接和轴本身相摩擦造成。转子产生和油挡等）直接和轴本身相摩擦造成。转子产生热弯曲的原因有转轴存在振动或晃动、滑销系统热弯曲的原因有转轴存在振动或晃动、滑销系统工作不正常、汽缸变形和动

24、静间隙过小等。当动工作不正常、汽缸变形和动静间隙过小等。当动静发生接触时，摩擦静发生接触时，摩擦部位部位温度温度升高升高，使转轴产生，使转轴产生不对称温差，从而可能引起转子热弯曲而造成振不对称温差，从而可能引起转子热弯曲而造成振动。动。动静局部摩擦引起涡动。动静局部摩擦通常是指动静局部摩擦引起涡动。动静局部摩擦通常是指静止部件（如阻汽片或隔板）碰触到叶轮、叶片静止部件（如阻汽片或隔板）碰触到叶轮、叶片等的转动部件，这种金属之间的干摩擦会造成一等的转动部件，这种金属之间的干摩擦会造成一种自激振动现象种自激振动现象摩擦涡动。摩擦涡动。 动静局部摩擦会产生直接的冲击力、摩擦力动静局部摩擦会产生直接的

25、冲击力、摩擦力以及系统刚度的改变。以及系统刚度的改变。6 6、自激振动、自激振动（1 1）轴瓦的自激振动轴瓦的自激振动 轴瓦自激振动是由滑动轴承里的油膜所激发轴瓦自激振动是由滑动轴承里的油膜所激发的一种振动现象。它是大型汽轮发电机组的常见的一种振动现象。它是大型汽轮发电机组的常见故障，一旦发生会对机组的安全有极大威胁。故障，一旦发生会对机组的安全有极大威胁。 轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。振动频率约为当时实际转速之半的称两个过程。振动频率约为当时实际转速之半的称为半速涡动。涡动是旋转的一种特殊形式，它是为半速涡动。涡动是旋转的一种特殊形式

26、，它是指不但转轴围绕其轴线旋转，而且轴线本身还在指不但转轴围绕其轴线旋转，而且轴线本身还在轴瓦中进行回转。轴瓦中进行回转。 油膜振荡是指当转速升至比第一临界转速的油膜振荡是指当转速升至比第一临界转速的两倍稍高之后，此时半速涡动的速度与第一临界两倍稍高之后，此时半速涡动的速度与第一临界转速相重合，这种半速涡动将被共振放大，而表转速相重合，这种半速涡动将被共振放大，而表现为剧烈的振动，现为剧烈的振动，这种现象称之为油膜振荡。这种现象称之为油膜振荡。 （2 2）汽流激振汽流激振 汽流激振是蒸汽激振力诱发的在汽轮机高汽流激振是蒸汽激振力诱发的在汽轮机高（中）压转子上产生的一种自激振动现象。随着（中）压

27、转子上产生的一种自激振动现象。随着汽轮机蒸汽参数的提高（如超临界压力机组），汽轮机蒸汽参数的提高（如超临界压力机组），会导致高压缸进汽密度增大、流速提高，蒸汽作会导致高压缸进汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在高压转子上的切向力对动静间隙、密封结构用在高压转子上的切向力对动静间隙、密封结构以及转子与汽缸对中度的灵敏度提高，增大了作以及转子与汽缸对中度的灵敏度提高，增大了作用在高压转子的激振力。这些将使得轴系振动稳用在高压转子的激振力。这些将使得轴系振动稳定性降低，严重时会诱发高压转子失稳，产生很定性降低，严重时会诱发高压转子失稳，产生很大的突发性低频振动。蒸汽激振力近似地正比于大的突发性低频振动。

28、蒸汽激振力近似地正比于机组的出力，故由蒸汽激振引起的不稳定振动就机组的出力，故由蒸汽激振引起的不稳定振动就成为限制超临界压力机组出力的重要因素，直接成为限制超临界压力机组出力的重要因素，直接影响了机组的可用率。影响了机组的可用率。 汽轮发电机的振动，往往是由多种复杂因素汽轮发电机的振动，往往是由多种复杂因素综合作用的结果综合作用的结果，基本上体现了发电厂转动机械，基本上体现了发电厂转动机械振动的各种因素振动的各种因素。 引起引起转动机械转动机械振动的原因振动的原因是多方面的是多方面的，设计，设计、安装和检安装和检修、修、电气电气、介质、系统等等、介质、系统等等。以上所述。以上所述只对几个主要振

29、源作了分析。若能准确及时地判只对几个主要振源作了分析。若能准确及时地判断产生振动的振源，对预防和减小断产生振动的振源，对预防和减小转动机械转动机械的振的振动都非常重要。动都非常重要。7 7、各种各种转动机械转动机械一般振动故障分类一般振动故障分类机械种类部件一般故障原因转子机械部件主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的旋转机械部件动叶弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,腐蚀,积垢,共振 密封松动,弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙 叶轮弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,汽蚀,腐蚀,积垢,共振 转轴热弯曲,机械弯曲,裂纹 轴颈伤痕,晃度超标 圆盘 轮盘耸起,刮伤,松动 齿轮磨损,裂纹

30、,表面剥落,麻点,断裂 推力盘耸起,刮伤,裂纹 围带 拉筋断裂、摩擦 机械种类部件一般故障原因转子机械部件主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的旋转机械部件联轴器连接不良,磨损,断裂 冷却风扇弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,腐蚀,积垢,共振 活塞裂纹,断裂,松动 曲轴弯曲,断裂,裂纹,刮伤,不合适间隙 转子特性不平衡,临界转速,油膜涡动/振荡,气动/液力涡动,喘振,扭振 电气部分的旋转机械部件 转子线圈断裂、短路 集电环工作不正常 转子/定子间隙偏心,间隙太大或过小 机械种类部件一般故障原因轴承滚动轴承伤痕,麻点,松动,龟裂,表面剥落,润滑不足 滑动轴承刮伤,磨损,伤痕,松动,不

31、对中 推力轴承刮伤,磨损,伤痕,松动,不对中 定子机械部件主要用于机械功能(冷却、支承、密封、流体传输)的定子机械部件轴承座共振,松动,裂纹 机壳共振,弯曲,断裂,裂纹,不合适间隙,松动,积垢,腐蚀,气蚀,阻塞 隔板共振,弯曲,断裂,裂纹,不合适间隙,松动,积垢,腐蚀,阻塞 喷嘴阻塞,断裂 密封松动,弯曲,断裂,摩擦,裂纹,不合适间隙 汽缸变形,偏斜,孔径偏斜,共振,裂纹 机械种类部件一般故障原因定子电气部件 (电力/机械转换、电力传输)的定子部件 定子铁芯松动,变形,失园度大,不对中 定子线圈断裂,短路,发热 端部线圈断裂,短路,共振 定转子轴颈向间隙 间隙过大,非对称间隙 电刷断裂,打开

32、结构支承用于支持机器的钢和混凝土结构 固定螺栓松动，断裂 基础共振,变形,刚度不足 台（底）板 脱空,松动,共振,变形,刚度不够,变形 三、旋转机械的故障诊断三、旋转机械的故障诊断 旋转机械的振动各种类型旋转机械的振动各种类型原因均有其固原因均有其固有属有属性。除振动发生过程和振动特征上的表现有所不性。除振动发生过程和振动特征上的表现有所不同外同外 , ,通常振动频谱可以较完整地反映出振动的通常振动频谱可以较完整地反映出振动的性质。然而，因为一些故障类型产生的振动可能性质。然而，因为一些故障类型产生的振动可能有相同或相似的频谱，需有相同或相似的频谱，需进一步进一步通过振动的相位通过振动的相位关

33、系和其它一些相关因素来作进一步的分析。关系和其它一些相关因素来作进一步的分析。 因此，振动频谱和相位关系是振动故障诊断因此，振动频谱和相位关系是振动故障诊断工作中使用的基本工具。下面将列出一些典型故工作中使用的基本工具。下面将列出一些典型故障的振动频谱特征和相位关系及振动特征。障的振动频谱特征和相位关系及振动特征。1 1、质量不平衡、质量不平衡 质量不平衡是旋转机械最常发生的故障。转质量不平衡是旋转机械最常发生的故障。转子不平衡往往导致其临界转速下振动峰值显著大。子不平衡往往导致其临界转速下振动峰值显著大。 质量不平衡往往反映出很大的质量不平衡往往反映出很大的 1X1X振动。由振动。由转子离心

34、力本身引起的不平衡一般表现为径向振转子离心力本身引起的不平衡一般表现为径向振动。纯静不平衡时支承转子的两个轴承同一方向动。纯静不平衡时支承转子的两个轴承同一方向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支承转子的的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支承转子的两个轴承振动呈反相，即相位差两个轴承振动呈反相，即相位差 180180。但实际。但实际转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的力偶不平衡力偶不平衡( (即存在动不平衡即存在动不平衡) )，此时支承转子的，此时支承转子的两个轴承同一方向振动相两个轴承同一方向振动相位差在位差在 0 0180180之间之间变化。变化

35、。 但是在但是在悬臂悬臂转子不平衡情况下可能会产生很转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支承转大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支承转子的两轴承的轴向振动相位相同。子的两轴承的轴向振动相位相同。 一般在分析由转子不平衡离心力等引起的振一般在分析由转子不平衡离心力等引起的振动中采用线性转子动力学理论动中采用线性转子动力学理论 , ,此时假设振幅相此时假设振幅相对于轴承间隙较小对于轴承间隙较小( (通常通常1010% %1515的轴承间隙的轴承间隙) )。但在发生大不平衡时但在发生大不平衡时( (如叶片脱落如叶片脱落),),振动性质会发振动性质会发生变化，在一定的转速

36、下振幅并不随不平衡力大生变化，在一定的转速下振幅并不随不平衡力大小的增大而线性增加，而是往往产生非线性振动小的增大而线性增加，而是往往产生非线性振动特性，呈现的振动频谱较为丰富特性，呈现的振动频谱较为丰富 , ,除基频分量外，除基频分量外，可能还有大量的可能还有大量的 0.5X0.5X、1.5X1.5X、2X2X、2.5X2.5X等等低、等等低、高频分量。高频分量。某某300MW300MW机组低压转子末级叶片突然脱落后机组低压转子末级叶片突然脱落后#3#3轴承轴轴承轴振动在停机过程中振动在停机过程中2333r/min2333r/min下的频谱下的频谱2 2、不对中、不对中 不对中是旋转机械最为

37、常见的故障之一。转不对中是旋转机械最为常见的故障之一。转子不对中通常指相邻两转子的轴心线与轴承中心子不对中通常指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可以分为联轴线的倾斜或偏移程度。转子不对中可以分为联轴器不对中和轴承不对中，其结果是在联轴器处产器不对中和轴承不对中，其结果是在联轴器处产生附加弯矩。生附加弯矩。 轴系产生不对中的原因通常是加工制造误差轴系产生不对中的原因通常是加工制造误差和安装误差及基础受热不均、基础下沉不均、机和安装误差及基础受热不均、基础下沉不均、机组各部件的热膨胀变形和扭曲变形等其它因素。组各部件的热膨胀变形和扭曲变形等其它因素。 2.1 2.1 联轴

38、器不对中联轴器不对中 有联轴器偏角不对中有联轴器偏角不对中( (端面瓢偏端面瓢偏) )、平行不对、平行不对中中( (不同心不同心) )和平行偏角不对中三种情况。联轴器和平行偏角不对中三种情况。联轴器端面瓢偏表现为产生较大的轴向振动，且沿联轴端面瓢偏表现为产生较大的轴向振动，且沿联轴器两端测量的振动相位反相，一般情况轴向振动器两端测量的振动相位反相，一般情况轴向振动以以1X1X和和2X2X分量为主，分量为主，伴有伴有3X3X振动分量。联轴器不振动分量。联轴器不同心产生的振动现象和端面瓢偏时的相类似，但同心产生的振动现象和端面瓢偏时的相类似，但其表现为较大的径向振动，且沿联轴器两端测量其表现为较大

39、的径向振动，且沿联轴器两端测量振动相位反相，振动相位反相，2X2X振动分量常大于振动分量常大于1X1X分量，其大分量，其大小决定于联轴器类型和结构。小决定于联轴器类型和结构。 当联轴器端面瓢偏或不同心较严重时，可能当联轴器端面瓢偏或不同心较严重时，可能产生一些更高的振动谐波分量（产生一些更高的振动谐波分量（4X4X8X8X），而且），而且这时联轴器结构会对振动频谱的特征产生重要影这时联轴器结构会对振动频谱的特征产生重要影响。响。 实际旋转机械各转子联轴器处的不对中既有实际旋转机械各转子联轴器处的不对中既有平行不对中又有偏角不对中平行不对中又有偏角不对中 , ,因此其引发的振动因此其引发的振动特

40、点和频谱特征是上面两种情况的综合结果。特点和频谱特征是上面两种情况的综合结果。 当联轴器不对中情况较为轻微时，振动频谱当联轴器不对中情况较为轻微时，振动频谱仍基本上呈仍基本上呈1X1X分量。分量。 2.22.2轴承不对中轴承不对中 轴承不对中包括偏角不对中和轴承不对中包括偏角不对中和平行不对中平行不对中两两种情况。目前多使用的自位轴承，因此轴承偏角种情况。目前多使用的自位轴承，因此轴承偏角不对中容易消除。但轴承位置标高的变化使轴承不对中容易消除。但轴承位置标高的变化使轴承载荷重新分配，从而影响整个轴系的稳定性。载荷重新分配，从而影响整个轴系的稳定性。2.32.3不对中引起的振动与负荷的关系不对

41、中引起的振动与负荷的关系 不对中不对中产生的产生的振动对负荷变化较为敏感。对振动对负荷变化较为敏感。对于联轴器不对中于联轴器不对中, ,当负荷变化时当负荷变化时, ,由联轴器传递的由联轴器传递的扭矩立即发生变化扭矩立即发生变化, ,如果联轴器不对中如果联轴器不对中, ,则转子的则转子的振动状态也立即发生变化。而对于轴承不对中振动状态也立即发生变化。而对于轴承不对中, ,负负荷变化后由于温度分布的变化荷变化后由于温度分布的变化 , ,轴承座的热膨胀轴承座的热膨胀不均匀引起轴承不对中不均匀引起轴承不对中 , ,使转子的振动也要发生使转子的振动也要发生变化变化, ,但由于热传导的惯性但由于热传导的惯

42、性, ,振动的变化在时间上振动的变化在时间上比负荷的改变要滞后一段时间。比负荷的改变要滞后一段时间。 3 3、轴弯曲、轴弯曲 轴弯曲是指转子的中心线处于不直状态。弯轴弯曲是指转子的中心线处于不直状态。弯轴问题通常是产生很大的轴向振动，如果弯曲位轴问题通常是产生很大的轴向振动，如果弯曲位于转轴中央附近，支承转子的两个轴承轴向振动于转轴中央附近，支承转子的两个轴承轴向振动主要呈主要呈 1X1X分量分量；如果弯曲位于联轴器附近，则可如果弯曲位于联轴器附近，则可能产生较大的能产生较大的 2X2X振动分量。弯轴与质量不平衡引振动分量。弯轴与质量不平衡引起的振动特性区别在于其不同的相位关系。弯轴起的振动特

43、性区别在于其不同的相位关系。弯轴引起的两轴承轴向振动相位相反，而外伸端质量引起的两轴承轴向振动相位相反，而外伸端质量不平衡引起的两轴承轴向振动相位同相。此外，不平衡引起的两轴承轴向振动相位同相。此外，轴弯曲时一般会在一阶临界转速下产生较大的径轴弯曲时一般会在一阶临界转速下产生较大的径向振动。向振动。4 4、转子热弯曲、转子热弯曲 热弯曲是指转子受热后热弯曲是指转子受热后( (如加励磁电流或带有如加励磁电流或带有功负荷后功负荷后 ) )使转子产生附加的不平衡力使转子产生附加的不平衡力 ( (热不平热不平衡衡) )而导致转子发生弯曲的现象。而导致转子发生弯曲的现象。 热不平衡的机理是转子横截面存在

44、某种不对热不平衡的机理是转子横截面存在某种不对称因素称因素( (材质不对称、温度不对称、内摩擦力不对材质不对称、温度不对称、内摩擦力不对称等称等) )可能产生弯矩可能产生弯矩, ,造成转子弯曲。造成转子弯曲。 引起转子热弯曲的原因除转子锻件材料各向引起转子热弯曲的原因除转子锻件材料各向异性外异性外, ,主要有转子受热不均主要有转子受热不均( (如发电机转子发生如发电机转子发生短路、汽轮机转子中心孔进油、联轴器连接紧力短路、汽轮机转子中心孔进油、联轴器连接紧力不足等不足等) )、转子受冷不均、转子受冷不均( (发电机氢冷或水冷通道发电机氢冷或水冷通道堵塞、汽机转子局部水击等堵塞、汽机转子局部水击

45、等) )和内摩擦效应和内摩擦效应( (发电发电机转子线圈热膨胀受阻产生的轴机转子线圈热膨胀受阻产生的轴向不对称力向不对称力, ,即内即内摩擦力摩擦力) )。 转子热弯曲引起的振动主要以基频分量为主，转子热弯曲引起的振动主要以基频分量为主，一般其具有如下特点一般其具有如下特点: :（1 1）振动与转子的热状态有关，当机组冷态运行时）振动与转子的热状态有关，当机组冷态运行时( (空载空载) )振动较小，但随着负荷或励磁电流的增加振动较小，但随着负荷或励磁电流的增加, ,振动明显大；振动明显大；（2 2）一旦振动增大后快速降负荷或励磁电流后振动）一旦振动增大后快速降负荷或励磁电流后振动并不立即较小并

46、不立即较小 , ,而是有一定的时间滞后而是有一定的时间滞后; ; （3 3）机组快速解列停机惰走通过一阶临界转速时的）机组快速解列停机惰走通过一阶临界转速时的振动较启动过程中的相应值增大很多。振动较启动过程中的相应值增大很多。（4 4）转子发生热弯曲后惰走停机时在低转速下）转子发生热弯曲后惰走停机时在低转速下（200200400r/min400r/min）转轴晃度较大。）转轴晃度较大。5 5、转子偏心、转子偏心 与质量不平衡一样，转子偏心亦产生很大的与质量不平衡一样，转子偏心亦产生很大的 1X1X振动分量，但是二者差异在于反映出的振动相振动分量，但是二者差异在于反映出的振动相位关系不同，质量不

47、平衡时同一轴承垂直和水平位关系不同，质量不平衡时同一轴承垂直和水平方向振动相位一般相差方向振动相位一般相差9090。而转子偏心时轴承而转子偏心时轴承（或偏心转子本身）的垂直和水平方向振动相位（或偏心转子本身）的垂直和水平方向振动相位相差相差 0 0或或 180180（其表明直线运动）。若在转（其表明直线运动）。若在转子偏心情况下进行转子平衡，其结果可能是降低子偏心情况下进行转子平衡，其结果可能是降低一个方向的振动，但增大其它方向的振动。一个方向的振动，但增大其它方向的振动。6 6、机械松动、机械松动 通常有三种类型的机械松动。通常有三种类型的机械松动。 第一种类型的松动是指机器的底座、台板和第

48、一种类型的松动是指机器的底座、台板和基础存在结构松动，或水泥灌浆不实以及结构或基础存在结构松动，或水泥灌浆不实以及结构或基础的变形，此类松动表现出振动频谱为基础的变形，此类松动表现出振动频谱为 1X1X分量。分量。 第二种类型的松动主要是由于机器底座固定第二种类型的松动主要是由于机器底座固定螺栓的松动或轴承座出现裂纹引起。螺栓的松动或轴承座出现裂纹引起。其振动频谱其振动频谱除包除包含含 1X1X分量外，还存在相当大的分量外，还存在相当大的2X2X分量，有时分量，有时还激发出还激发出1/2X1/2X和和3X3X振动分量。振动分量。 第三种类型的松动是由于部件间不合适的配合引第三种类型的松动是由于

49、部件间不合适的配合引起的，由于松动部件对来自转子动态力的非线性响起的，由于松动部件对来自转子动态力的非线性响应，因而其产生许多振动谐波分量，应，因而其产生许多振动谐波分量，1X,2X,1X,2X,nX,nX，有时亦产生精确的有时亦产生精确的 1/2X1/2X或或1/3X1/3X整数倍的次谐波分量整数倍的次谐波分量（即（即 0.5X,1.5X,2.5X,0.5X,1.5X,2.5X,n.5X,n.5X）。这时松动通常是这时松动通常是轴承盖里轴承瓦枕的松动、过大的轴承间隙、或者轴承盖里轴承瓦枕的松动、过大的轴承间隙、或者转轴上存在松动叶轮。这种松动的振动相位很不稳转轴上存在松动叶轮。这种松动的振动

50、相位很不稳定，变化范围很大。定，变化范围很大。7 7、轴承座或汽缸刚度不足、轴承座或汽缸刚度不足 轴承座或汽缸刚度不足往往导致在较小的轴轴承座或汽缸刚度不足往往导致在较小的轴振动情况下而产生较大的瓦振动。引起轴承座或振动情况下而产生较大的瓦振动。引起轴承座或汽缸刚度不足的主要原因是其本身结构刚性较差；汽缸刚度不足的主要原因是其本身结构刚性较差；轴承座与台板、基础之间的连接松动；二次灌浆轴承座与台板、基础之间的连接松动；二次灌浆不好；或基础、轴承座、与轴承座连接的汽缸、不好；或基础、轴承座、与轴承座连接的汽缸、发电机和励磁机静子或管道存在共振。发电机和励磁机静子或管道存在共振。 轴承座刚度不足引

51、起的振动一般以轴承座刚度不足引起的振动一般以 1X1X分量分量为主，转子振动与轴承座振动之比小于或接近为主，转子振动与轴承座振动之比小于或接近 1 1（通常情况下转子振动与轴承座振动之比为（通常情况下转子振动与轴承座振动之比为 2 24 4）。）。 在激振力大小一定的情况下，轴承座振动的在激振力大小一定的情况下，轴承座振动的大小与轴承座的动刚度成反比。当轴承座处于共大小与轴承座的动刚度成反比。当轴承座处于共振状态时，其动刚度最小。汽轮发电机组轴承座振状态时，其动刚度最小。汽轮发电机组轴承座除存在接近除存在接近 50Hz50Hz的固有频率外，也可能存在的固有频率外，也可能存在 100Hz100H

52、z左右的固有频率（尤其是励磁机、发电机轴左右的固有频率（尤其是励磁机、发电机轴承）。在发生共振时，较小的激振力可产生较大承）。在发生共振时，较小的激振力可产生较大的轴瓦振动。的轴瓦振动。8 8、转子碰磨、转子碰磨 当旋转机械的旋转部件和固定部件接触时，当旋转机械的旋转部件和固定部件接触时，就发生动静碰磨。转子碰磨时会产生类似于机械就发生动静碰磨。转子碰磨时会产生类似于机械松动的频谱。转子碰磨可能是部分碰磨，也可能松动的频谱。转子碰磨可能是部分碰磨，也可能是整圈碰磨。碰磨一般会产生更多的次谐波振动是整圈碰磨。碰磨一般会产生更多的次谐波振动分量。此外，转子碰磨可能产生一系列完整分数分量。此外，转子

53、碰磨可能产生一系列完整分数的谐波振动分量的谐波振动分量（1/2X,1/3X,1/4X,1/5X,1/2X,1/3X,1/4X,1/5X,1/nX,1/nX）, ,这类频谱特这类频谱特别在转子部分碰磨情况下容易产生。转子碰磨可别在转子部分碰磨情况下容易产生。转子碰磨可能也激起许多高频振动分量。碰磨的危害性很大，能也激起许多高频振动分量。碰磨的危害性很大，即使转轴和轴承乌金短时碰磨也会造成严重后果。即使转轴和轴承乌金短时碰磨也会造成严重后果。 汽轮发电机组转轴和静子发生径向部分碰磨汽轮发电机组转轴和静子发生径向部分碰磨时，振动频谱主要是基频分量，但也有时，振动频谱主要是基频分量，但也有 2X2X、

54、3X3X、4X4X等高次谐波分量，其中等高次谐波分量，其中2X2X分量较大。摩擦时振分量较大。摩擦时振动急剧增大，而且相位也会发生变化，相位变化动急剧增大，而且相位也会发生变化，相位变化是逆转动方向。碰磨后若转子发生热弯曲，则降是逆转动方向。碰磨后若转子发生热弯曲，则降速过转子临界转速时振动也急剧放大。当转子发速过转子临界转速时振动也急剧放大。当转子发生动静碰磨后，降转速或降负荷振动并不立即减生动静碰磨后，降转速或降负荷振动并不立即减小，反而有所增大，只有当转速或负荷降低到某小，反而有所增大，只有当转速或负荷降低到某一数值后，振动才缓慢减小，即振动变化存在一一数值后，振动才缓慢减小，即振动变化

55、存在一定的滞后。如下图所示。定的滞后。如下图所示。某某300MW300MW机组中压转子动静碰磨后机组中压转子动静碰磨后#2#2、#3#3瓦振和瓦振和#1#1、#3#3轴振轴振在停机过程中波特曲线在停机过程中波特曲线 9 9、转子不对称、转子不对称 转子系统相对转子轴线结构刚度不对称时会转子系统相对转子轴线结构刚度不对称时会造成每转一转过程中因自重受弯的挠曲变化情况，造成每转一转过程中因自重受弯的挠曲变化情况，这样在振动频谱中就会出现稳定的这样在振动频谱中就会出现稳定的 2X2X分量。只要分量。只要存在主惯性矩差，即使转子质量处于平衡状态，存在主惯性矩差，即使转子质量处于平衡状态，这种振动仍存在

56、，其振幅大小与惯性矩之差和惯这种振动仍存在，其振幅大小与惯性矩之差和惯性矩之和的比值（性矩之和的比值（I I1 1-I-I2 2）/ /（I I1 1+ I+ I2 2）有关。大容）有关。大容量发电机一般在转子本体大齿上开有一定数量的量发电机一般在转子本体大齿上开有一定数量的横向月牙槽，以使两轴线截面主惯性矩相接近，横向月牙槽，以使两轴线截面主惯性矩相接近，或减小两轴线的挠度差。或减小两轴线的挠度差。 两极发电机转子若以角速度两极发电机转子若以角速度旋转，其静挠旋转，其静挠曲上下变动频率为曲上下变动频率为 22，当该频率与转子一阶临，当该频率与转子一阶临界转速一致时，转轴将产生共振，通常将这个

57、转界转速一致时，转轴将产生共振，通常将这个转速称为转子副临界转速，即转子一阶临界转速的速称为转子副临界转速，即转子一阶临界转速的一半。如果转子两轴线截面主惯性矩存在较大差一半。如果转子两轴线截面主惯性矩存在较大差异，则在副临界转速时会出现一明显的振动峰值，异，则在副临界转速时会出现一明显的振动峰值，其频率主要为其频率主要为 2X2X分量。分量。 转子横向有了裂纹，也是一种刚度不对称。转子横向有了裂纹，也是一种刚度不对称。所以可用长期监控所以可用长期监控 2X2X振动分量变化的方法来监控振动分量变化的方法来监控裂纹的出现与发展。裂纹的出现与发展。某机组发电机转子某机组发电机转子#9#9、#10#

58、10瓦振启动过程中波特曲瓦振启动过程中波特曲线线1010、滑动轴承、滑动轴承10.110.1磨损磨损/ /间隙问题间隙问题 套筒轴承轻微的磨损通常表现为套筒轴承轻微的磨损通常表现为 1/2X1/2X或或 1/3X1/3X成分的次谐波振动分量。成分的次谐波振动分量。但在磨损的后期但在磨损的后期阶阶段，振动频谱呈现为较大的段，振动频谱呈现为较大的 1X1X分量，并伴随有一分量，并伴随有一些些2X2X和和3X3X分量，有时还会出现少量更高的谐波分分量，有时还会出现少量更高的谐波分量。量。10.210.2油膜涡动不稳定油膜涡动不稳定 油膜涡动是普通润滑轴承发生次同步不稳定油膜涡动是普通润滑轴承发生次同

59、步不稳定振动问题的主要原因。油膜涡动是油膜力激发的振动问题的主要原因。油膜涡动是油膜力激发的振动，正常运行条件的改变（如倾角和偏心率）振动，正常运行条件的改变（如倾角和偏心率）引起油楔引起油楔“推动推动”转轴在轴承中运动，因而在旋转轴在轴承中运动，因而在旋转方向产生的不稳定力使转子发生涡动。如果系转方向产生的不稳定力使转子发生涡动。如果系统内存在足够大的阻尼，则转轴回到其正常位置统内存在足够大的阻尼，则转轴回到其正常位置，变得变得运行运行稳定稳定。否则转子将继续涡动，出现较大否则转子将继续涡动，出现较大的不稳定振动。的不稳定振动。 油膜不稳定涡动一般是由于过大的轴承磨损或油膜不稳定涡动一般是由

60、于过大的轴承磨损或间隙，不合适的轴承设计，润滑油参数的改变等因间隙，不合适的轴承设计，润滑油参数的改变等因素引起的。素引起的。 根据振动频谱很容易识别油膜涡动不稳定，其根据振动频谱很容易识别油膜涡动不稳定，其出现时的振动频率为同步振动频率的出现时的振动频率为同步振动频率的40404848，接近转速频率的一半，也常称为油膜半速涡动。接近转速频率的一半，也常称为油膜半速涡动。10.310.3油膜振荡不稳定油膜振荡不稳定 当机器出现油膜涡动不稳定，而且油膜涡动当机器出现油膜涡动不稳定，而且油膜涡动频率等于系统的固有频率时就会发生油膜振荡。频率等于系统的固有频率时就会发生油膜振荡。油膜振荡只有在机器运