旋转机械故障诊断 1课件

1、1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234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,并求得振幅r。圆盘惯性力 轴弹性力 偏心的离心力5re A O C A m O O k y 781011结论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

2、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。12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。14结论2 红色为质量偏心矢量，黑色为涡动位移矢量15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。17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

3、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。18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19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20多转子轴系的

4、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 21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 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。22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

5、于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象24旋转机械故障分类25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27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沉降不均匀，机器壳体变形28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

6、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29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30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

7、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31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32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33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34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35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

8、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转子不平衡静不平衡偶不平衡= 静不平衡 + 偶不平衡36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。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37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，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

9、向与速度方向相反旋转机械故障诊断转子不平衡38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 39故障机理旋转机械故障诊断转子不平衡上式的通解为：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：40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：41阻尼对转子临界转速的影响旋转

10、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42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43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

11、迹通常为椭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44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45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46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47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。旋转机械故障诊断转子不平衡CO2压缩机渐变不平衡振动特征48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