旋转机械故障诊断

1、关于旋转机械故障诊断第一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械故障诊断技术旋转机械振动及故障概述旋转机械典型故障分析小结第二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述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、密封装置第三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述振动的分类横向振动：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轴向振动：振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对

2、中将会激发轴向振动扭转振动：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与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩方向来回变化。yxz0最简单的转子系统第四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述旋转机械故障原因分类设计原因设计不当，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第五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述旋转

3、机械故障原因分类安装/维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运行的原因工艺参数(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张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述旋转机械故障原因分类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

4、沉降不均匀，机器壳体变形第七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子的临界转速临界转速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，即所谓临界转速现象？转子在临界转速下会发生剧烈振动大小？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（质量和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)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？每一阶临界转速下，转子有一个对应的振型第八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月单圆盘转子的临界转速re A O 01r/ecC A m O O k y x 由上式中解出x和y,

5、并求得振幅r。圆盘惯性力 轴弹性力 偏心的离心力第九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子的临界转速影响临界转速的因素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，降低转子的刚度，临界转速减小。组合转子组合系统中各转子的各阶临界转速高于单个转子。第十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支

6、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，临界转速随之下降第十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月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第十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月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 发电机转子 第十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系 发电机转子型n1 =1002

7、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。第十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系 轴系的各阶临界转速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于刚性支承转子的临界转速第十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述转子系统分类刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下判别依据：一般工作

8、转速6000r/min 的机械系统属于柔性转子系统亚同步振动：振动频率 工作频率自激振动：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第十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述两种转子系统振动特点比较刚性系统柔性系统振动特点强迫振动自激振动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 = 工作频率（同步振动）振动频率 工作频率（亚同步振动）频率与转速变化的关系振动频率随转速变化而变化，呈比例关系振动频率在一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

9、转速变化的关系振幅随转速增加而增加，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第十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械振动及故障概述旋转机械故障分类第十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械故障诊断技术旋转机械振动及故障概述旋转机械典型故障分析小结第十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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

10、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二十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月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转子不平衡第二十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障不平衡的原因 转子机械损伤污染物堆积轴弯曲轴孔偏离中心 风扇机械损伤污染物堆积轴孔偏离中心 齿轮机械损伤轴孔偏离中心第二十二张，PPT共一百四

11、十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障不平衡的原因 滑轮/槽轮机械损伤琐丝太大轴孔偏离中心 飞轮机械损伤偏心孔轴孔偏离中心 轴轴弯曲不规则加工第二十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障不平衡的原因 叶轮机械损伤腐蚀 联轴器 机械损伤 轴孔偏离中心 电气绕组 铜线分布不均第二十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障不平衡的原因铸造缺陷 热膨胀由于每个部件热膨胀率不同影响转子平衡轴孔太大第二十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断不平衡的种类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

12、为：静不平衡偶不平衡动不平衡旋转机械故障诊断转子不平衡静不平衡偶不平衡= 静不平衡 + 偶不平衡第二十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月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)会引起振动转子转动一周，离心力方向改变一次。因此，不平衡振动的频率与转频相一致。转子不平衡故障机理与诊断旋转机械故障诊断转子不平衡F（t）te c(a) 转子系统MFsint y( t)ck(b) 振动模型第二十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断无阻尼时，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

13、膜的黏性阻尼，滑动面之间的摩擦阻尼，轴材料不完全弹性的内摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗产生的结构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转子不平衡第二十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断不平衡故障的振动机理旋转机械故障诊断转子不平衡设：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：两力相差90，y方向的振动方程为：归一化后：其中：阻尼系数自振角频率 第二十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断故障机理旋转机械故障诊断转子不

14、平衡上式的通解为：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：第三十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断故障机理旋转机械故障诊断转子不平衡 H()-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。 ()-相频响应函数其中：第三十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断阻尼对转子临界转速的影响旋转机械故障诊断转子不平衡不敏感转子阻尼小阻尼大转速振幅阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响第三十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子

15、不平衡故障机理与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转子不平衡第三十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断正向进动：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

16、圆从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动同步采集H方向V方向第三十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与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转子不平衡第三十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断诊断实例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。旋转机械故障诊断转子不平衡压缩机振动特征第三十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断诊

17、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振动大小随转速升降变化明显诊断意见：强烈振动的原因是振动不平衡处理措施：监护运行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，未按规定周期盘转旋转机械故障诊断转子不平衡第三十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断诊断实例2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

18、机械故障诊断转子不平衡CO2压缩机渐变不平衡振动特征第三十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断诊断实例2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处理措施：监护运行生产验证6个月后大修时检查到转子并不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转子不平衡第三十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转子不平衡故障机理与诊断转子不平衡故障的特征小结时域为类似正弦波的振动波形振动能量主要集

19、中在工频的1倍频轴心轨迹为椭圆，并为正进动方向主要表现为径向振动同一平面X、Y方向振动相位差90振动幅值随转速升高而迅速增大振动幅值不随负荷的增大而增大旋转机械故障诊断转子不平衡第四十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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四十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断据美国MONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的 5060 %是由转子不对中引起的。转子不对中

20、的类型轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜轴系不对中：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转子不对中e(a) 平行不对中(b) 角度不对中(c) 综合不对中第四十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断造成不对中的原因安装误差管道应变影响温度变化热变形基础沉降不均危害滚动轴承振动噪声过度磨损“卡死” 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转子不对中不对中的危害-热像图30,000 out平行10,000/inch out角1,000/inch out角不对中

21、62 F105 F0对中第四十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断旋转机械故障诊断转子不对中不同的联轴器具有不同的故障机理大型高速旋转机械，常用齿式联轴器中、小设备多采用固定式刚性联轴器平行不对中角不对中综合不对中平行不对中角不对中综合不对中第四十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理齿式联轴器平行不对中在K点的线速度在K点的角速度ABww第四十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月wwwwB不对中故障机理齿式联轴器平行不对中ABwwMBOMBOOMBOMMBO从图中可以看出，半联轴器旋转半圈，而中间齿套旋转一圈，即中间齿套O的

22、运动方程为：中间齿套的这种运动向转子系统施加的激振力为：第四十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理齿式联轴器平行不对中 激振力与不对中量 D 和质量 m 成正比 激振力随转速变化的因子为 4w2，这说明不对中对转速的敏感程度比不平衡对转速的敏感程度要大4倍。不平衡时的幅频响应函数第四十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理刚性联轴器平行不对中两半联轴节旋转时，在螺栓力作用下有把偏移的两轴中心拉到一起的趋势PO1=PS, PO2e,O1SPO2SO2=PO2-PO1=ecost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

23、似相等=SO2 / 2=ecost / 2设刚度为K，则F=K= Kecost / 2第四十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理刚性联轴器平行不对中将F进行分解Fy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Fy后一项与Fx，是随转速而变化的两倍频激振力，即：联轴节每旋转一周，径向力交变两次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。第四十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障转子不对中的故障特征振动的振幅与转子的负荷有关负荷越大、振幅越

24、大不对中故障对转子的激振力随转速的升高而加大激励力与不对中量成正比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。第五十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障转子不对中的故障特征振动幅值平行不对中：振动频谱中2x幅值超过1x幅值的50角不不对中：轴向2x或3x幅值约是1x转频幅值的30502x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构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

25、度不对中，轴向振动差180轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈第五十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障平行不对中的故障特征角度不对中的故障特征第五十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障不对中故障，除了1x，2 x频率外，还会出现3x倍频第五十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断诊断实例某透平压缩机组检修后启动时，高压缸振动较大；机组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

26、转机械故障诊断转子不对中机组布置示意图第五十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断诊断实例旋转机械故障诊断转子不对中异常振动特征测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波形，频谱中2倍频谱具有较大幅值双椭圆复合轨迹轴向振动变大不平衡的频谱第五十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断诊断实例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，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

27、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。旋转机械故障诊断转子不对中第五十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月不对中故障机理与诊断小结旋转机械故障诊断转子不对中转子不对中故障原因与治理措施序号故障原因分类故障原因处理措施1设计原因1）对工作状态下热膨胀量计算不准2）对介质压力、真空度变化对机壳的影响计算不准3）给出的冷态对中数据不准1） 核对设计给出的冷态对中数据2）按技术要求检查调整轴承对中3）检查热态膨胀是否受限4） 检查保温是否完好5）检查调整基础沉降2制造原因1）材质不均，造成热膨胀3安装维修1）冷态对

28、中数据不符合要求2）检修失误造成热态膨胀受阻3）机壳保温不良，热胀不均匀4操作运行1） 超负荷运行2）介质温度偏离设计值5状态劣化1）机组基础或基座沉降不均匀2）基础滑板锈蚀，热胀受阻3）机壳变形第五十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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五十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承的分类（按工作原理分）静压轴承依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压

29、力差与外载荷相平衡的原理进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动压轴承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、发电机等油膜压力靠轴本身旋转产生供油系统简单旋转机械故障诊断油膜轴承第五十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断动压油膜轴承的工作原理(a) 轴颈静止时，沉在轴承底部(b) 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(c) 油楔的入

30、口断面大于出口断面，随着转速的升高，轴颈被油压挤向另外一侧(d) 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，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油膜轴承第六十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断轴颈在轴承内旋转时的油膜压力分布偏位角 e 偏心距 c 平均间隙，c = R-r相对间隙， c / r相对偏心率， = e / rhmin 最小油膜厚度hmin = c e = c(1- )第六十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6

31、月油膜轴承的故障机理与诊断轴承的承载能力P 轴承载荷S0轴承承载能力系数也称索默费尔特(Sommerfeld)数润滑油动力黏度系数 l 轴承宽度d 轴承直径轴颈旋转角速度相对间隙轴承承载能力系数S0是相对偏心率 （= e / r）和轴承宽径比（l/d）的函数S01，称为低速重载转子； S01，称为高速轻载转子高速轻载转子易产生油膜失稳低速重载转子稳定性虽好，但偏心率过大时，油膜过薄，易产生干摩擦第六十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断轴颈在油膜中的涡动与稳定性轴承通过油膜支承载荷（完全流体润滑状态下）时，摩擦功耗最小稳态情况下：油膜动压合力R与轴载荷P处于

32、平衡状态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。F沿垂直水平方向分解为Fr和Fu。 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。旋转机械故障诊断油膜轴承轴颈的受力分析 第六十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜涡动与油膜振荡 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。 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

33、）之半，实际涡动速度=(0.430.48) 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，即转速升至临界转速的两倍，涡动频率与一阶自振频率重合，则发生油膜振荡。旋转机械故障诊断油膜轴承第六十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断半速涡动因为油具有黏性，所以轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为r，而轴瓦表面的油流速度为0假设油流速度呈直线分布轴颈某一直径扫过的面积，即为油楔入口与出口的流量差当轴承两端泄漏量 时，可得：第六十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断实际的涡动频率，通常低于转频的一半受到不断增

34、大的压力作用，油楔入口的油速减慢，油楔出口的油速增加。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。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。油有泄漏时根据国外资料介绍，半速涡动的实际振动频率为 (0.430.48)第六十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月半速涡动与油膜振荡半速涡动的发展将使转子由稳定变为不稳定在半速涡动出现的初期阶段，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，轴心轨迹为一稳定的封闭图形。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

35、生油膜振荡。转速继续升高，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第六十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜涡动故障特征旋转机械故障诊断油膜轴承油膜振荡故障特征第六十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜涡动与油膜振荡的特征轻载转子在一阶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越过一阶临界转速后振幅减少当达到两倍一阶临界转速时，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一阶临界转速之后出现重载转子低

36、转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很大的振动转速达到两倍的一阶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油膜轴承第六十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜涡动与油膜振荡的特征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，升速时产生油膜振荡的转速和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。旋转机械故障诊断油膜轴承第七十张

37、，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断故障原因轴承参数设计不合理轴承制造不符合技术要求安装不当油温或油压不当润滑不良轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等旋转机械故障诊断油膜轴承第七十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜振荡的防治措施设计上尽量避开油膜共振区(应使避免为2c1)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

38、机械故障诊断油膜轴承第七十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜振荡的防治措施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第七十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断油膜振荡的防治措施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

39、降低转子的振幅有利。第七十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例1某气体压缩机运行期间，蒸汽透平时常有短时强振发生。旋转机械故障诊断油膜轴承1#轴承测点频谱变化趋势第七十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例1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，工频及其它低次谐波的幅值基本不变，但透平前后两端测点出现很大的0.49成分，其幅度大大超过了工

40、频幅值分频成分随转速改变而改变，与转速频率保持0.49左右的比例关系随着强振的发生，机组声响明显异常，有时油温也明显升高旋转机械故障诊断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第七十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例1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后，运行一直正常旋转机械故障诊断油膜轴承第七十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例2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

41、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。旋转机械故障诊断油膜轴承气压机轴承振动频谱前后轴承振动频谱图均有47Hz低频峰值存在第七十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例2振动特征分析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，但振幅非常大旋转机械故障诊断油膜轴承前轴承升速过程振动瀑布图47Hz频率成分第

42、七十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月油膜轴承的故障机理与诊断诊断实例2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振荡故障现象完全吻合，建议立即停机检修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油膜轴承第八十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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

43、障机理与诊断转轴裂纹的故障机理与诊断第八十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速与喘振的故障机理与诊断概述离心式、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，引起流道内和管道内的气流压力脉动，从而导致机器和管道的强烈振动。气流不稳定现象主要表现的故障形式为旋转失速喘振旋转失速和喘振是高速离心压缩机特有的一类振动故障。喘振会对机器造成很大危害，严重时会导致转子弯曲，联轴器损坏故障是由于气体流动分离造成，通过调节流量即可使振动减到允许值旋转机械故障诊断旋转失速与喘振第八十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月气体流动分离

44、几个基本概念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。流量减小时，气流绝对速度c变小，气流相对速度角也将随之减小。 气流脉动力主要来自气体流动分离第八十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月气体流动分离几个基本概念收敛流动和扩压流动气流流动方向由高压流向低压，称为收敛流动，即减压反之，称为扩压流动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

45、，速度梯度极大，称为边界层边界层外的流动区域，速度分布比较均匀，称为主流区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第八十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月气体流动分离气流分离的原因在气流扩压流动的过程中，由于主流区速度逐渐减弱，不足以带动边界层气体向前流动，致使边界层在流动方向的压差作用下倒流，而主流区仍维持其流向，从而形成旋涡(分离)。即使是收敛流动，也可能在局部区域存在扩压区。由于弯管内流动的曲率作用，外壁弯曲处压力高、速度低，内壁弯曲处压力低、速度高。因此，弯管前半部外壁和后半部内壁均为局部扩压区。第八十五张，PPT共一百四十二页，

46、创作于2022年6月气体流动分离由叶轮入口气流冲击造成的分离冲角的变化将导致气流对叶片的冲击，使叶片入口附近产生局部扩压区叶片的工作面与非工作面气流流量减小时，冲角为正，凹面产生气流分离，流量增大时，冲角变负，凸面产生气流分离。第八十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的机理与特征旋转失速的机理首先由H.W.Emmons在1995年提出压缩机在正常流量下工作时，气体进入叶轮的方向1与叶片进口安装角一致s，气体可以平稳地进入叶轮。当进入叶轮的气体流量小于额定流量时， 1与s不一致，在叶片凹面附近形成旋涡由旋涡组成的气流堵塞团(失速团或失速区)，将沿着叶轮旋转的反方向在各个流道

47、中传播。失速区在反方向传播速度小于叶轮的旋转速度。但从叶轮之外的绝对参考系来看，失速区还是沿着叶轮旋转方向转动。旋转机械故障诊断旋转失速与喘振第八十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的机理与特征旋转失速频率经验公式Vs：旋转失速区的传播速度Q0p：发生旋转失速时的实际流量Q0：压缩机设计工况流量u：转子的周向速度据此公式计算出的旋转失速区传播速度约为转子旋转速度的0.30.45旋转机械故障诊断旋转失速与喘振第八十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的机理与特征旋转失速的振动特征分频同时存在和(-)两个频率成份全息谱工频椭圆与脱离团椭圆形状相似，旋转方向

48、相反振动随负荷变化、流量变化关系明显振动随转速、压力变化而变化故障原因工作流量比设计流量小入口过滤器堵塞、气体流道有异物阻塞第八十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的诊断诊断实例某炼铁厂废气风机旋转失速风机2一直工作正常。风机1开启后起初运行平稳，一段时间(约半小时)会因振动超过停机限而跳闸。每次启动风机1都有相同的现象。旋转机械故障诊断旋转失速与喘振第九十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的诊断诊断实例风机1每次启动后初期运行稳定，但经历一段时间以后就会因振动过大而造成跳闸，可以基本排除因机械故障造成的跳闸。风机流体类故障大部分是由于进风口气流不畅或

49、气量不足等原因所致，出风口的改造效果并不明显。 第九十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的诊断诊断实例f1=7.42Hzf2=8.72Hzf1+f2=16.14Hz第九十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的诊断诊断案例生产验证管道直径1m左右，在距离风机1气体入口约等于1m处有一较大的弯道。根据现场经验，为保证气流顺畅，气流入口距离弯道的距离应大于1.5倍管道直径。第九十三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速的诊断旋转失速与油膜振荡的故障甄别区别内容旋转失速油膜振荡振动特征频率与工作转速的关系振动特征频率随转子工作转速变化油膜振荡发

50、生后，特征频率不随转速变化振动值与机器进口流量的关系振动强烈程度随流量改变而变化振动强烈程度不随流量变化压力脉动频率的特点压力脉动频率与管网容积有关，非常低压力脉动幅值很小或不存在，频率与转子固有频率相近轴振动与机壳振动情况轴振动不太高时，机壳振动已十分明显轴振动十分剧烈，但机壳振动有时却并不十分大第九十四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月喘振的机理与故障特征喘振是旋转失速的进一步发展喘振的故障特征压缩机接近或进入喘振工况时，缸体和轴承都会发生强烈的振动，其振幅要比正常运行时大大增加喘振频率一般较低，通常为130Hz压缩机在稳定工况下运行时，其出口压力和进口流量变化不大，所测得的数

51、据在平均值附近波动，幅度很小；当接近或进入喘振工况时，出口压力和进口流量的变化都很大，会发生周期性大幅度的脉动，有时甚至会出现气体从压缩机进口倒流的现象压缩机在稳定运转时，其噪声较小且是连续性的；当接近喘振工况时，在气流管道中，气流发出的噪声时高时低，产生周期性变化；当进入喘振工况时，噪声剧增，甚至有爆声出现。旋转机械故障诊断旋转失速与喘振第九十五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转失速与喘振旋转失速与喘振的治理措施开大回流阀，保证入口流量和压力调整机组转速，严格遵循“降速先降压、升压先升速”的操作原则检查入口冷却器，保证入口温度不超过允许值检查入口滤网、流道、清理堵塞的异物保证

52、出口畅通，出口压力不高于设计值第九十六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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九十七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月动静件摩擦的故障机理与诊断转子与静止件摩擦的分类径向摩擦：转子在涡动过程中轴颈或转子外缘与静止件接触偶然性或周期性的局部碰磨转子与静子的摩擦接触弧度较大，甚至发生360的全周向接触摩擦轴向摩擦：转子在轴向与静止件接触故障原因设计原因制造原因安装维修操作运行状态劣

53、化旋转机械故障诊断动静件摩擦第九十八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月径向摩擦局部动静件碰磨的故障特征转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率就是转子涡动频率。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。 不平衡引起的转速频率摩擦振动的非线性性，引起高次谐波(2、3)非线性性还引起低次谐波/i(i=2,3,4) 重摩擦时，i=2；轻摩擦时，i=2,3,4旋转机械故障诊断动静件摩擦第九十九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月径向摩擦动静件摩擦接触弧增大时的故障特征动静件间具有很大的摩擦力，可使转子由正向涡动变为反向涡动时

54、域波形出现单边“削波”频谱上出现涡动频率与旋转频率的和频与差频，即会产生(n n )的频率成分旋转机械故障诊断动静件摩擦局部摩擦削波效应摩擦产生的组合频率第一百张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月径向摩擦动静件摩擦接触弧增大时的故障特征刚开始碰摩阶段，旋转频率成分幅值较高(不平衡)，二次谐波必大于三次谐波随摩擦接触弧的增加，由于摩擦接触的附加支撑作用，旋转频率幅值下降，二、三次谐波幅值由于附加的非线性作用而有所增加转子在超过临界转速时，若发生全摩擦，可能出现转子的完全失稳，振动响应中具有很高的亚异步成分，一般为转子发生摩擦时的一阶自振频率；此外，会出现旋转频率和振动频率之间的和差频率

55、，高次谐波消失。利用示波器监测转子的进动方向，若进动方向由正向变成反向，则发生了全摩擦接触。旋转机械故障诊断动静件摩擦第一百零一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月轴向摩擦振动特征转子与静止件发生轴向摩擦时，转子的振动特征几乎与正常状况一致，没有明显的异常特征系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征摩擦会造成功耗上升和效率下降，同时局部会有温升，因此工艺参数对转子与静止件轴向摩擦的故障诊断非常重要 旋转机械故障诊断动静件摩擦第一百零二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月动静件摩擦的故障机理与诊断诊断实例某大型透平压缩机组，在开车启动过程中发生异常振动，导致无法升速旋转机械

56、故障诊断动静件摩擦压缩机振动频谱图与轴心轨迹振动特征分析振动波形有削波现象频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波轴心轨迹的涡动方向为反向涡动第一百零三张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月动静件摩擦的故障机理与诊断诊断实例诊断意见机组在升速过程中发生了严重摩擦故障处理措施由于机组振动值非常高，表明内部动静件摩擦比较严重，为安全起见，决定停机拆检生产验证解体检修发现，机组转子弯曲，动平衡精度严重超差，在升速过程中因振动大造成转子与密封之间摩擦。不仅密封损坏，且转子严重偏磨旋转机械故障诊断动静件摩擦第一百零四张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月动静件摩擦的故障机理与诊断小结旋转机械故障

57、诊断动静件摩擦动静件摩擦故障原因及对策第一百零五张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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一百零六张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支承松动的故障机理与诊断支承部件连接松动指系统结合面存在间隙或连接刚度不足造成机械阻尼偏低，机组振动加大主要原因支承系统结合面的紧力不足在外力或温升作用下产生间隙固定螺栓强度不足缺乏防松措施第一百零七张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支承

58、松动的故障机理与诊断故障机理支承部件一旦松动，会使连接刚度下降，机械阻尼降低典型转子支承系统，设其右端轴承配合松动，间隙量为旋转机械故障诊断支承部件松动转子的运动方程为弹性恢复力第一百零八张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支承松动的故障机理与诊断故障机理旋转机械故障诊断支承部件松动设转子静变形转子固有频率转速比转子偏心率间隙比第一百零九张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支承松动的故障机理与诊断故障机理求解后得出如下结论转子系统是否进入非线性状态与转子的偏心率和转速比有关，当二者较小时，转子的振动响应小于静变形。此时松动对转子运行影响较小当落在非线性区域内，振动响应除基频

59、外还有2倍频、3倍频等高频谐波当=0.752时，若=0.7，=0.5，则转子支承系统为非线性系统，基频振幅随转速比而变化。当1时，松动的振幅反而较小旋转机械故障诊断支承部件松动振动特征频谱特征第一百一十张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月支承松动的故障机理与诊断旋转机械故障诊断支承部件松动转子支承部件松动的故障原因及治理措施第一百一十一张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月旋转机械典型故障分析转子不平衡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一百

60、一十二张，PPT共一百四十二页，创作于2022年6月转轴裂纹的故障机理与诊断转轴裂纹概率虽小，但危害极大，易发展为断轴事故故障机理裂纹形态闭裂纹：转轴在压应力下旋转开裂纹：转轴在拉应力下旋转开闭裂纹：应力由自重或其他径向载荷产生故障特征出现开裂纹，则振动带有非线性性质，出现旋转频率的2、3、等高频分量；裂纹扩展时，刚度进一步降低，1、2、等频率的幅值也随之增加开、停机过程中，会出现分频共振，即转子在经过1/2、1/3、临界转速时，由于相应的高倍频正好与临界转速重合，振动响应会出现峰值裂纹初期扩展速度很慢，径向振动值的增长也很慢，但裂纹的扩展速度会随着裂纹深度的增大而加剧， 1及2振幅也迅速增加