旋转机械故障诊断 1

1、第六章 旋转机械故障诊断第六章 旋转机械故障诊断61 旋转机械振动的动力学特征及信号特点 611 转子特性 何谓旋转机械 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 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、密封装置第六章 旋转机械故障诊断第六章 旋转机械故障诊断第六章 旋转机械故障诊断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

2、力 偏心的离心力偏心的离心力第六章 旋转机械故障诊断re A O C A m O O k y 第六章 旋转机械故障诊断；一般、方程的解为：称为阻尼比其中令1012; ,2;22222222.nnnnttnnnneetitiieBeAzmcmkzzziyxz第六章 旋转机械故障诊断 ;10;2)sin(22222212eetititniiteKznnnnnn第二项为：；第一项很快衰减为）（）（第六章 旋转机械故障诊断;)(;212)tan(2242122为轴心位置其幅值及角度为：，）（；）（）（zeAztinnnnnA第六章 旋转机械故障诊断第六章 旋转机械故障诊断第六章 旋转机械故障诊断结论结

3、论1 由圆盘质量偏心的不平衡响应产生两种运动，一是圆盘以角速度 绕自己轴心的自转，一是轴心以角速度 绕圆盘的静挠曲线的涡动。 若无阻尼（ ），当 时，振幅趋于无限大。由于实际中存在阻尼，此时振幅会达到一个有限的峰值。n0第六章 旋转机械故障诊断结论2 转轴的涡动频率与质量偏心引起的激振力频率相同，即和转动频率相同； 涡动振幅的相位和激振力的相位差在 时，涡动向量滞后激振力向量090，当 时，为90180。 ，相位差为180，即质心位与原点与轴心之间。nnn第六章 旋转机械故障诊断 与没有阻尼的相比，有阻尼的情况下，临界转速下转子的振幅将随阻尼增加而减少。同时，随阻尼的增大，临界转速的数字将有所

4、增加，但增加量很小。 临界转速时，振幅滞后于激振力90。 临界转速就是转子系统的偏心质量在转动过程中形成的激振力与转子系统发生共振时的转速。第六章 旋转机械故障诊断结论2 nnnn 红色为质量偏心矢量，黑色为涡动位移矢量第六章 旋转机械故障诊断结论3 在一定的转速下，振幅与激振力的幅值成正比，振幅向量滞后与激振力的相位角不变。这就是刚性转子加平衡的理论依据。第六章 旋转机械故障诊断 临界转速 What？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 现现象？象？转子在临界转速下会发生剧烈振动 大小？大小？临界转速数值上一般等于转子横向振动的固有频率。大小决定于转子的结构

5、（质量和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件) 形式？形式？一个实际的转子往往有多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等 特点？特点？每一阶临界转速下，转子有一个对应的振型第六章 旋转机械故障诊断 影响临界转速的因素 支承支承刚刚度度 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。 回回转转力矩力矩 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。 正进动时，回转力矩可以提高转子的刚度，临界转速增大；反进动时，降低转子

6、的刚度，临界转速减小。 组组合合转转子子 组合系统中各转子的各阶临界转速高于单个转子。第六章 旋转机械故障诊断支承刚度对临界转速的影响 小 支承刚度 大临界转速 0K支承刚度降低，临界转速随之下降支承刚度降低，临界转速随之下降mkc : 临界转速第六章 旋转机械故障诊断单转子的临界转速和振型 单转子的临界转速和振型650MW发电机转子 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第六章 旋转机械故障诊断多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组高压转子 中压转子 低压转子 发

7、电机转子 第六章 旋转机械故障诊断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。第六章 旋转机械故障诊断 转子系统分类 刚刚性性转转子系子系统统：工作转速在一阶临界转速以下 判别依据：一般工作转速6000r/min 的机械系统属于柔性转子系统 亚亚同

8、步振同步振动动：振动频率 工作频率 自激振自激振动动：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第六章 旋转机械故障诊断 两种转子系统振动特点比较刚刚性系性系统统柔性系柔性系统统振振动动特点特点强迫振强迫振动动自激振自激振动动激振原因激振原因由于外部激振力或激振位移引起的由于外部激振力或激振位移引起的在振在振动过动过程中，由于系程中，由于系统内统内部有能量部有能量输输入入而引起的而引起的频频率率与与工作工作频频率的率的关关系系振振动频动频率率 = 工作工作频频率率（同步振（同步振动动）振振动频动频率率 工作工作频频率率（亚亚同步振同步振动动）频频率率与转与转速速变变化的化的关关系系

9、振振动频动频率率随转随转速速变变化而化而变变化，呈比例化，呈比例关关系系振振动频动频率在一定范率在一定范围内围内可能存在某可能存在某种种比例比例关关系，但超系，但超过过一定范一定范围围后后则则主要主要与转与转子的子的一一阶阶自振自振频频率有率有关关振幅振幅与转与转速速变变化的化的关关系系振幅振幅随转随转速增加而增加，速增加而增加，达达到到临临界界转转速速时时振幅出振幅出现现峰峰值值，然后，然后则随转则随转速之速之增加而增加而减减小，小，趋趋于某定于某定值值随转随转速的速的变变化振幅有突化振幅有突发变发变化的可能（增化的可能（增大或大或减减小）小）阻尼的影阻尼的影响响阻尼阻尼对临对临界界转转速无

10、影速无影响响，但，但对对共振峰共振峰的高低有的高低有较较大影大影响响对频对频率及振幅影率及振幅影响响不大不大第六章 旋转机械故障诊断 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（自激振动同步振动（强迫振动）柔性转子刚性转子旋转机械故障 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第六章 旋转机械故障诊断 旋转机械故障原因分类 设计设计原因原因 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 制造原因制造原因 零部件加工制造不良，精度不够 零件材质不良，强度不够，

11、制造缺陷 转子动平衡不符合技术要求第六章 旋转机械故障诊断 旋转机械故障原因分类 安装安装/维维修的原因修的原因 机械安装不当，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 操作操作运运行的原因行的原因 工艺参数(如介质的温度、压力、流量、负荷)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第六章 旋转机械故障诊断 旋转机械故障原因分类 机器劣化的原因机器劣化的原因 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

12、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，机器壳体变形第六章 旋转机械故障诊断 振动的分类 横横向振向振动动：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 轴轴向振向振动动：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 扭转扭转振振动动：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主动动力矩力矩与负与负荷反力矩之荷反力矩之间间失去平衡失去平衡，致使合成扭矩方向来回变化。yxz0最简单的转子系统第六章 旋转机械故障诊断旋转机械典型故障分析 转子不平衡

13、的故障机理与诊断 不对中故障机理与诊断 油膜轴承的故障机理与诊断 旋转失速与喘振故障机理与诊断 动静件摩擦的故障机理与诊断 转子支承部件松动的故障机理与诊断 转轴裂纹的故障机理与诊断第六章 旋转机械故障诊断转子不平衡故障机理与诊断 故障原因分析 制造时几何尺寸不同心、材质不均 安装方式不好，如用斜键等 轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形 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第六章 旋转机械故障诊断不平衡的原因 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

14、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第六章 旋转机械故障诊断不平衡的原因 滑轮滑轮/ /槽轮槽轮机械损伤琐丝太大轴孔偏离中心 飞轮飞轮机械损伤偏心孔轴孔偏离中心 轴轴轴弯曲不规则加工第六章 旋转机械故障诊断不平衡的原因 叶轮叶轮机械损伤腐蚀 联轴器联轴器 机械损伤 轴孔偏离中心 电气绕组电气绕组 铜线分布不均第六章 旋转机械故障诊断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热膨胀由于每个部件热膨胀率不同影响转子平衡率不同影响转子平衡轴孔太大轴孔太大第六章 旋转机械故障诊断 不平衡的种类

15、 按发生不平衡的过程可分为： 原始不平衡 渐发性不平衡 突发性不平衡 按机理可分为： 静不平衡 偶不平衡 动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静静不平衡不平衡偶不平衡偶不平衡= = 静不平衡静不平衡 + + 偶不平衡偶不平衡第六章 旋转机械故障诊断 故障机理 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 交变的力(方向、大小周期性变化)会引起振动 转转子子转动转动一周，离心力方向改一周，离心力方向改变变一次。一次。因此，不平衡振动的频率与转频相一致。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

16、)ck(b) 振动模型第六章 旋转机械故障诊断 无阻尼时，O、O、G三点成一直线 实际转子总存在阻尼 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内摩擦阻尼摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗产生的结构结构阻尼阻尼 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第六章 旋转机械故障诊断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：偏心距设：偏心距e，转子质量，转子质量M，轴刚度，轴刚度k，阻尼系数，阻尼系数c，转速，转速n（r/min），角速度），角速度 =2 n/60，离心力，离心力F=Me 2

17、，分解，分解为两方向的力为：为两方向的力为： tsinMetsinFtFtcosMetcosFtFyx22两力相差90，y方向的振动方程为：tsinMekyycyM2 tsineyyynn22 归一化后：其中：阻尼系数102,Mcn自振角频率 Mkn第六章 旋转机械故障诊断 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)(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：tsineyyynn22 第六章 旋转机械故障诊断 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

18、子不平衡 212arctannn H()-幅频响应函数幅频响应函数，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。 ()-相频响应函数相频响应函数 )sin(tYty 222221nnneeHY其中：第六章 旋转机械故障诊断 阻尼对转子临界转速的影响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 222221nnneeHY阻尼对临界转速无阻尼对临界转速无影响，但对共振峰影响，但对共振峰的高低有较大影响的高低有较大影响第六章 旋转机械故障诊断 转子不平衡故障的频谱特征 振动幅值与转速平方成正比 工频的1

19、倍频能量较大 同一平面x,y振动相位差90 转子不平衡故障的时域特征 呈现为类似简谐振动的波形 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 )sin(tYty第六章 旋转机械故障诊断 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 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 转子不平衡的轴心轨迹 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椭圆 从轴心轨迹观察其进动特征为同步

20、正同步正进动进动同步采集H方向V方向第六章 旋转机械故障诊断 转子不平衡与转速的关系 当n，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值； 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障诊断转子不平衡转子不平衡第六章 旋转机械故障诊断 诊断实例1 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第六章 旋转机械故障诊断 诊断实例1 振动特征分析 时域波形为正弦波 频域中能量集中于1频，有突出的峰值，高次谐波分量较小 轴心轨迹为椭圆 进动方向为同步正进动