chap3-旋转机械故障诊断-YJR

2023/2/2工业装备故障诊断技术1

转子不平衡故障诊断转子不对中故障诊断

滑动轴承故障诊断

转子摩擦故障诊断

浮环密封故障诊断

叶片式机器中流体激振故障诊断

高速旋转机械不稳定自激振动的分析方法2023/2/2工业装备故障诊断技术2

旋转机械是指依靠转子旋转运动来完成主要功能的机械，在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。化工过程装备中大量使用的各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等是典型的旋转机械。在大型化工、石化、电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产中的关键设备。例如：炼油厂催化工段的三机组或四机组，大化肥装置中的四大机组或五大机组，乙烯装置中的三大机组，电力行业的汽轮发电机组、泵和水轮机组，钢铁部门的高炉风机和轧钢机组以及生产流程中的某些重要旋转机械，它们出现了故障，直接影响到整个生产线，因此是状态监测与故障诊断的主要对象。

2023/2/2工业装备故障诊断技术3故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运转失稳，产生异常振动和噪声，工作转速，输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息就不一样，根据这些特有的信息，可以对机器故障进行诊断。振动是机器故障最基本的信息特征，振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。由于旋转机械故障的多样性和故障因果关系的复杂性，很多相似的故障现象并不一定源于同一故障原因，在现场进行故障诊断时，还需要利用振动信号之外更多的信息，对机器的振动特点，运行参数的变化以及设计、安装、维修、操作中带来的多种因素进行综合分析，才能作出较为符合实际的诊断结论。2023/2/2工业装备故障诊断技术43.1转子不平衡故障诊断

旋转机器的转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”的。

离心力与偏心距的方向一致，以角速度w绕轴旋转。力通过转轴作用在轴承上，使轴承承受附加动载荷，引起转子或轴承的不平衡振动。2023/2/2工业装备故障诊断技术5

在共振点上，振动位移总是滞后于激振力90°，而与阻尼大小无关。测量转子的临界转速，常常利用相位的变化点来确定。阻尼越大，转子过临界转速时的振幅越小，接近临界转速时，这种阻尼衰减作用尤为明显。正常的高速旋转机器，在启动过程中阻尼值必须在某一限定值以内，并且升速时应迅速通过临界转速。特解2023/2/2工业装备故障诊断技术6转子不平衡振动的故障特征

1）不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。

2）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。

3）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。3.1转子不平衡故障诊断

4）转子的进动方向为同步正进动。

5）除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在轴向上的振幅一般不明显。

6）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。2023/2/2工业装备故障诊断技术7不平衡振动的故障原因和防治措施

固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频率振动，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，但如果温度、负荷等条件变化，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改善转子的平衡状态来降低转子的激振力。固有质量不平衡产生的主要原因有：设计错误；材料缺陷；加工与装配误差；动平衡方法不当。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术8实例3-1气压机的不平衡振动某炼油厂催化车间气压机组，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力1.35MPa，转速10700r/min。轴承型式为5块可倾瓦，联轴节均为膜片式。该机运行数年后为增大气量，更换了转子，扩大了转子隔板，并且对转子做了高速动平衡。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Ⅵ375、Ⅵ376的振幅达到60μm，此后又上升至90μm左右。信号分析显示振动频率中工频成分占绝对优势，Ⅵ375、Ⅵ376的轴心轨迹为椭圆，确认是转子不平衡引起的振动。另外又从转子升速过程的极坐标图上看出（见图3-6），转子在到达工作转速时，振幅迅速增长，相位也有明显变化。考虑到气压机靠齿轮箱一侧的Ⅵ375、Ⅵ376测点振幅最高，决定在这一侧的联轴节上做现场动平衡。

2023/2/2工业装备故障诊断技术9转子运行中的不平衡分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种。转子弯曲

转子临时性弯曲，是指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低速长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振动。如，转子受热不均；自重引起临时性弯曲；气流冲击、温度和载荷突变引起的弯曲等。转子发生永久性弯曲，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形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。很难用动平衡方法消除。

3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术10实例3-4喘振引起空压机转子的临时性弯曲

某石化公司乙烯装置上使用一台德国制造的GA1000型离心式空压机，该机在制造厂做喘振试验时，由于放空消音器振裂而落入管内，阻塞了放空管，使压缩机出口压力升高，机器提前发生喘振。因为未及预料，延迟了关闭进口阀时间，引起机器强烈喘振。事后中方要求开盖检查，发现转子径向跳动量偏了0.12mm，即转子发生了弯曲。该厂采用的校正措施，是在1000r/min转速下开盖慢转转子约一小时，重新测量径向跳动量，结果下降到0.01mm，在允许范围之内，以后投产运行也很正常。

这种用低速慢转转子校正临时性弯曲的措施十分有效，因为在慢转过程中由于转子的重力作用，轴的不同侧面受到交变应力作用，将轴转内临时性弯曲形成的应力释放，使轴的变形获得了矫正。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术11转子平衡状态破坏

转子在运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器振动，在生产中经常会遇到。对于这类故障必须掌握机器的工作特点、振动变化规律，注意观察分析，相对于其他故障类型来说，寻找故障原因的难度要小些。转子在高速旋转过程中，如发生轴上零件碎裂或飞离，将产生阶跃式的不平衡，引起振幅和相位的突然变化。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值上稳定下来。

固体杂质沉积在叶轮上的情况屡见不鲜，例如一些高温的并带有粘性的催化剂微粒进入机器的流道，就粘结在叶轮上，由于质量分布不均匀，引起转子的不平衡。除此之外，管道中的锈蚀、气源中的粉尘在叶轮流道内沉积，均会引起转子的不平衡。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（如，除锈）不恰当的措施就可能给机器带来振动问题，必须引起注意。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术12

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，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。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。①松动的零件随着转速的升高离心力迅速增大；②由于存在松动间隙，振动将出现明显的非线性影响因素，在频谱图上出现大量转速频率的谐波，偶然也可能出现1/2、1/3转速频率的次谐波成分；③如果松动间隙较大，零件的不平衡矢量随机地绕轴转动。振幅不稳定，相位随时间变化；④如果转子在稳态下产生零部件松动，则可能会产生“拍振”现象，拍振的频率一个是轴的转速频率，另一个是稍低于轴速度的松动零件转速频率。

3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术13

图1TA60型碟式分离机碟片松动时的升降速曲线转鼓体

碟片

定位卡口A’ABCC’O

图2鼓盖与鼓体配合示意及碟片在转鼓内的安装示意图2023/2/2工业装备故障诊断技术14升速曲线降速曲线2023/2/2工业装备故障诊断技术152023/2/2工业装备故障诊断技术162023/2/2工业装备故障诊断技术173.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术18定向振动与不平衡振动故障的鉴别转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴心轨迹形状接近于一个圆或椭圆，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生接近90°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，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，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变化，而是在某一个方向上出现同相位或接近180°反相位的振动，这种称为“定向振动”。在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近一条直线形状。对于这类故障，应该采用相位测量和轴心轨迹分析方法，与单纯的不平衡振动区别开来。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术19鉴别内容不平衡振动定向振动振动频率转速频率转速频率相互垂直的二个方向相位差接近90°接近0°或180°轴心轨迹形状圆或椭圆某一方向上近似一条直线故障原因转子固有不平衡，转子弯曲，转子平衡状态破坏等机体变形，皮带轮或齿轮偏心，机座松动，基础共振等3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术20实例3-14基础共振

某大型化工装置上使用一台单级离心泵，由一台转速为3600r/min的电动机直联驱动。因为电动机振动非常剧烈，常出故障，所以不得不为该泵配置备用电动机。

对该机组的振动测试结果，电动机水平方向的振幅为23mm/s，垂直方向振幅为30mm/s,振动频率为电动机的转速频率；而泵的振幅很低，不超过5mm/s。对电动机水平和垂直方向上的相位测量，发现两者精确地同相，也就是发生了较典型的“定向振动”。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术21转子的动平衡方法改变不平衡旋转体的质量分布来消除旋转轴系的离心力作用，使转子达到运转平稳的这个过程成为“平衡”。不平衡度：平衡精度等级：ISO1940平衡精度等级：G0.4开始，按2.5倍递增。一般转子G6.3。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术22转子的动平衡方法从转子平衡的角度看，运转中的转子可以分为刚性和挠性转子。转子在低速下运转时（工作转速低于临界转速0.5倍），离心力产生的挠度变形较小，转子可以看作不发生变形的“刚体”。这种转子称为刚性转子。在高速运转时（工作转速超过一阶临界转速的0.7倍），转子会产生很大的挠曲变形，振动也随之增大，这种转子就不能称为“刚体”，称为挠性转子。1).刚性转子平衡静平衡：薄圆盘，D/l>=5。动平衡：宽度较大，需要考虑力矩平衡。一般采用双面平衡，在动平衡机上完成转子平衡。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术23转子的动平衡方法2).现场动平衡

现场动平衡是在旋转机械与其工作状态相同或接近的转速、安装条件、支承条件和负载情况下对其进行振动测量和平衡校正的平衡方法。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术24转子的动平衡方法3).挠性转子动平衡

挠性转子的工作转速超过一阶临界转速，这时转子因挠曲变形而产生的质心偏移将增大离心力的作用，而且挠曲变形又是随着转速的变化而变化，因此它的平衡原理不同于刚性转子。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术25转子的动平衡方法3).挠性转子动平衡(1)振型平衡法：将转子上轴向分布的不平衡量分解为与主振型对应的各阶不平衡量，按照振型的正交性，第i阶的不平衡量仅对第i阶主振型起作用，对其余各阶主振型没有影响。这样，如将不平衡量逐阶平衡，则在理论上可获得转子的完全平衡。一般只要平衡好低阶不平衡分量就可满足要求。(2)影响系数法：多平面多转速的影响系数平衡法。对于刚性转子，取两个校正面，取一个平衡转速，可以在各个转速下都得到平衡。但对挠性转子而言，在不同转速下其挠曲不同，必须增加平衡转速的数目，相应地也需要增加平衡校正面。3.1转子不平衡故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术26引起转子不对中故障的原因有：初始安装对中超差；冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子对中不良；轴承架热膨胀不均匀；管道力作用；机壳变形或移位；地基不均匀下沉；基础变形；转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。3.2转子不对中故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术273.2转子不对中故障诊断

转子不对中故障的特征改变了轴承中的油膜压力。

轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。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。不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。对于刚性联轴节，平行不对中易激起二倍频的振动，同时也存在工频（转速频率）和多倍频的振动成分；角度不对中易激起工频轴向振动，同时也存在多倍频振动。对于挠性联轴节，按其结构型式、安装和负荷不同，所表现的振动频率是不同的。大型涡轮机械上多跨转子的不对中，一般伴随有其它故障因素。转子之间的不对中，在不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴心轨迹形状为椭圆形。随着预加载荷的增大，轨迹形状将变为香蕉形、“8”字形或外圈中产生一个内圈等形状。2023/2/2工业装备故障诊断技术283.2转子不对中故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术293.2转子不对中故障诊断

联轴节不对中的振动频率

刚性联轴节的平行不对中上式表示Fx、Fy是随转速而变化的两倍频激振力，也就是联轴节每旋转一周，径向力交变两次，转子径向方向上就有两次力的脉动。在频谱上显示两倍频振动。2023/2/2工业装备故障诊断技术303.2转子不对中故障诊断

刚性联轴节的角度不对中

在螺栓拉力作用下两半联轴节中存在一个弯矩，弯矩的作用方向是力图减小两轴中心线的交角。从联轴节某一点上观察，轴旋转一周，弯矩的作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也是每周变化一次，由此引起工频振动。

2023/2/2工业装备故障诊断技术31齿式联轴节

属半挠性联轴节2023/2/2工业装备故障诊断技术323.2转子不对中故障诊断

齿式联轴节

用齿式联轴节联接的两个转子即使是平行不对中，但在齿套与齿壳之间仍表现为角度不对中。轴每转一周，齿面接触两次，形成两次冲击振动，因此会引起两倍频振动。其振动特点主要表现为：(1)齿式联轴节相邻的二个转子如果质量接近，则振动较大的往往是紧靠联轴节两侧的轴承，轴承上的负荷也会明显增大。(2)不对中引起的轴向振动较大，高次谐波丰富，尤其是两倍频分量的幅值比正常情况增大得更为明显。(3)紧靠联轴节两侧的轴承处，径向振动相位差接近180°。(4)径向振动的频率成分实际上受多种因素影响，随着不对中量的增加，紧靠轴节的轴承或轴颈振动信号中2、3

、4

…的超谐波响应增长比基频更快一些。2023/2/2工业装备故障诊断技术333.2转子不对中故障诊断

膜片联轴节

2023/2/2工业装备故障诊断技术343.2转子不对中故障诊断

膜片联轴节

膜片联轴节是在轴端的半联轴节与连接套筒之间用一组具有挠性的膜片来连接，因此它也属于半挠性联轴节。因为这种联轴节在纵向平面上的挠性较齿式联轴节更好，而且在使用中不需要润滑，大大减少维修工作量，因此在大中型的旋转机器上获得广泛应用。对于具有n个螺栓联接的联轴节，由于力矩脉动而形成的振动频率可表示为:根据研究，膜片上的力矩脉动频率还会与转子其它激励频率（如不平衡等）产生频率调制，形成多种转速频率的高次谐波。但实验研究指出，膜片联轴节发生平行不对中或角度不对中，随着不对中量的增大，频谱中工频成分的幅值变化不大，而二倍频幅值增加最为明显，四倍频的幅值也有一定程度的增加。2023/2/2工业装备故障诊断技术35不对中故障的监测方法3.2转子不对中故障诊断

（1）打表法（2）激光对中法（3）联轴节表面状态检测法（4）振动诊断法（5）Dodd棒测量法（6）电涡流绝对值测量法（7）轴承油膜压力测量法2023/2/2工业装备故障诊断技术36转子不对中故障诊断实例3.2转子不对中故障诊断

实例3-15基础下沉产生轴承油膜不稳定

国外某动力公司的一台汽轮发电机组，由于基础下沉，引起了汽轮机低压缸3号轴承内轴颈相对位置上升，轴颈中心原来位置是在轴承几何中心a=32°方位角上运行，轴承为圆柱形，但是后来轴颈中心方位角开始发生变化，a角逐渐增大,最后到达近90°位置，轴承因为失去油膜支承力而发生油膜振荡。这个例子说明由于基础下沉，该处轴承座相对位置下移，轴颈被相邻的2号轴承抬空，造成轴承与轴颈不对中，轴承上比压减小，导至油膜失去稳定而发生转子强烈振动。2023/2/2工业装备故障诊断技术37转子不对中故障诊断实例3.2转子不对中故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术38转子不对中故障诊断实例3.2转子不对中故障诊断

2023/2/2工业装备故障诊断技术393.3滑动轴承故障诊断

滑动轴承由于具有优良的抗振性能和较长的工作寿命，因而在高速旋转机械中获得广泛应用。从动力学的角度看，它在转子系统中主要起到如下三方面的作用:1).对高速转子的负荷起支承作用；2).对转子的运动提供一定的刚度和阻尼；3).控制转子在某一个稳定的位置上运转。

滑动轴承按其工作原理分类，可分为静压轴承与动压轴承两类。静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工作的，轴无论旋转与否，轴颈始终浮在压力油中。工作时保证轴颈与轴承之间处于纯液体摩擦状态。因此，这类轴承具有旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强并有良好的速度适应性和抗振性等特点。但是，静压轴承的制造工艺要求高，此外还需要一套复杂的供油装置，因此除了在一些高精度机床上应用外，其它场合使用尚少。2023/2/2工业装备故障诊断技术403.3滑动轴承故障诊断

3.3.1

滑动轴承工作原理

在动压轴承中，轴颈外圆与轴承之间有一定间隙（一般为轴颈直径的千分之几），间隙内充满润滑油。轴颈未旋转时，它就沉在轴承孔的底部。当转轴开始旋转时，轴颈依靠摩擦力的作用，在旋转相反方向上沿轴承内表面往上爬行，到达一定位置后，摩擦力不能支持转子重量，就开始打滑，此为半液体摩擦。转速继续升高至于一定程度，轴颈把具有粘性的润滑油带入轴颈与轴承之间的楔形间隙（油楔）中。因为楔形间隙是收敛形的，它的入口断面大于出口断面，油楔中断面不断收缩的结果使油压逐渐升高，平均流速逐渐增大，油液在楔形间隙内升高的压力就是流体动压力，所以称这种轴承为动压轴承。2023/2/2工业装备故障诊断技术413.3滑动轴承故障诊断

3.3.1

滑动轴承工作原理

在间隙内积聚的油层就是油膜，油膜压力把转子轴颈抬起。当油膜压力与外载荷相平衡时，轴颈就在轴承内不发生接触的情况下稳定地旋转，旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作用，略向一侧偏移，这便是流体动压轴承的工作原理。

轴承承载能力系数S0是在滑动轴承中用来确定轴承工作状态的一个重要系数。滑动轴承的理论指出，几何形状相似的轴承，系数S0相同时轴承就具有相似的性能，而S0本身是相对偏心率ε（e/c）和轴承宽径比l/d的函数，偏心率越大或轴承宽径比越大，则S0值也越大，轴承承载能力也越高。2023/2/2工业装备故障诊断技术423.3滑动轴承故障诊断

3.3.2滑动轴承常见故障的原因巴氏合金松脱轴承异常磨损、刮伤、拉毛轴承疲劳轴承腐蚀轴承气蚀轴承壳体配合松动轴承间隙不适当轴承温度过高2023/2/2工业装备故障诊断技术433.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施高速滑动轴承不稳定故障的原因oo1o′PPRR′假如轴颈中心在O1位置上，轴颈载荷P和油膜反力R大小相等方向相反，O1点就是轴颈旋转时的平衡位置，这个平衡位置可由轴颈的偏心率和偏位角来确定。但是当转子受到外界瞬时干扰，轴颈中心移到O′位置时，油膜反力变为R′,R

′的大小和方向与P不再平衡，两者的合力为F。把F分解为一个切向分量Fu和一个径向分量Fr。Fr为弹性恢复力；Fu与轴颈位移方向相垂直，它有推动轴颈围绕平衡中心继续旋绕的趋势，这种旋绕运动就称为“涡动”，Fu称为涡动力（或称切向力）。如果涡动力等于或小于油膜阻尼力，则轴心轨迹不扩大，成为一个稳定的封闭图形，这种涡动是稳定的。如果涡动力超过阻尼力，则轴心轨迹继续扩大，这种涡动是不稳定的。处于失稳状态下的转子，在瞬时内将出现强烈的振动。图3-36

轴颈涡动力的形成FFrFu2023/2/2工业装备故障诊断技术443.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断

油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障，它是由油膜力产生的自激振动，转子发生油膜振荡时输入的能量很大，足以引起转子轴承系统零部件的损坏。在一些大型电站汽轮发电机组中，油膜振荡也可能导致整个机组的毁坏，造成严重的事故。转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运动。如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的二分之一，所以称为“半速涡动”。涡动频率：

半速涡动的实际振动频率为：＝(0.43~0.48)2023/2/2工业装备故障诊断技术453.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断

(1).

油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生，它不受外部激励力的影响。(2).对于高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界转速二倍以上。对于稳定性较差的转子轴承系统，一般在发生油膜振荡转速之前的较低转速下就已出现了半速涡动频率。

(3).油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率和转速频率的多倍频成分以及这两个主振频率的和差组合频率成分。(4).发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加成花瓣形状。(5).发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，因而会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。(6).当转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不下降。2023/2/2工业装备故障诊断技术463.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜振荡的机理及其故障诊断2023/2/2工业装备故障诊断技术473.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施

避开油膜共振区域设计时就要避免转子工作转速在一阶临界转速的两倍附近运转；2)增加轴承比压增加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜的稳定性；

用车削方法缩短轴承宽度；在轴承下瓦开环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内的油压分布；减小下瓦接触角，在下瓦开泄油槽，可增加轴颈的偏心率；减小上瓦油槽宽度或在上瓦设置油坝，用以提高上瓦油压；改变油楔形式，例如对圆柱轴承，可降低顶隙，适当增加侧隙，变为椭圆形轴承，提高轴颈在轴承中的稳定性。2023/2/2工业装备故障诊断技术483)

减小轴承间隙轴承间隙减小，则可提高发生油膜振荡的转速。4)控制适当的轴瓦预负荷C——轴承平均半径间隙；RP——轴承内表面曲率半径；RS——轴颈半径。

预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴承内圆半径，起到增大偏心距作用。在每块瓦块上油楔的收敛程度更大，迫使油进入收敛形间隙中增加油楔力。几个瓦块在周向上的联合作用，稳住了轴颈的涡动，增强了转子的稳定性。3.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施

2023/2/2工业装备故障诊断技术493.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施

多油楔轴承（多油叶和多油楔轴承），多个油楔产生的预负荷作用，把轴颈紧紧地约束在转动中心，可以较好地减弱转子的涡动。2023/2/2工业装备故障诊断技术503.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承常见故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施

5)

选用抗振性好的轴承多油楔轴承因为轴颈受到周围几个油膜力的约束，稳定性优于椭圆轴承。化工用的汽轮机和离心压缩机转子多属高速轻载，容易引起油膜失稳，因而很多机器采用抗振性更为优良的可倾瓦轴承。6)

调整油温适当升高油温，减小油的粘度，可以增加轴颈在轴承中的偏心率，有利于轴颈稳定。但是对一个已经发生不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动的阻尼作用，有时也会有利于降低转子振幅。2023/2/2工业装备故障诊断技术513.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承故障诊断实例

实例3-19离心式氨压缩机油膜振荡的非线性特性

某公司国产30万吨合成氨装置，其中一台ALS-16000型离心式氨压缩，在试车中曾遇到轴承油膜振荡。该机由11000kW的汽轮机拖动，压缩机由高压缸和低压缸两部分组成，中间为速比56︰42的增速器。低压缸工作转速为6700r/min，高压缸工作转速为8933r/min。轴承型式为四油叶。轴承间隙1.6‰。在试车中高压缸转子在7800r/min以后振幅迅速增大，至8760r/min时，振幅达到150μm左右。高压缸第一临界转速为3000～3300r/min。

2023/2/2工业装备故障诊断技术523.3滑动轴承故障诊断

3.3.3滑动轴承故障诊断实例

图3-50高压缸油膜振荡开始和发展的频谱比较

140.5Hz(8430r/min)是轴的转速频率，由轴的不平衡振动引起；55Hz为油膜振荡频率。当转速升至8760r/min(146Hz)时，油膜振荡频率的幅值已超过转速频率幅值，从图（b）中可见，频率成分除了（146Hz）和（56.5Hz）之外，还存在其它频率成分，这些成分是主振动频率和的和差组合频率。2023/2/2工业装备故障诊断技术533.4转子摩擦故障诊断转子发生摩擦故障，可以分两类：1、转子与静子零部件发生干摩擦，这是最常见的摩擦故障。例如：高速旋转的转子与迷宫密封件之间的摩擦，叶轮口环与密封环之间的摩擦，叶轮与隔板之间的摩擦，轴颈与轴承之间的摩擦，轴与浮动环之间的磨擦等等。2、转子内部发生的内摩擦故障。内摩擦又可分为两种类型：一类是转轴材料弹性滞后产生的内摩擦力激发转子涡动；另一类是轴上配合零件与轴在弯曲时产生的摩擦以及齿式联轴节的齿套与齿壳之间的轴向滑动摩擦，这种摩擦同样也会激励转子涡动。内摩擦力对于具有足够大阻尼的转子并不会产生问题，但是对于柔性较好的高速转子，在某些情况下可能会引起转子的自激振动。2023/2/2工业装备故障诊断技术543.4转子摩擦故障诊断3.4.1干摩擦故障的机理和特征（径向碰摩）

局部碰摩是指转子在进动过程中与静止部件发生间歇性的、局部性的碰撞摩擦。转子碰摩后发生转速波动，波动幅度大小取决于摩擦扭矩的大小，碰摩时瞬时扭矩增大，转速瞬间下降，摩擦扭矩消失阶段，又会发生短暂时间的转子扭转振动。

转子发生碰摩时相当于在碰摩点处增加了一个支承，改变了转子的刚度。转子与静子不断发生局部摩擦，刚度在接触（刚度变大）与非接触（刚度变小）两种情况之间发生变化，刚度变化的频率就是转子的进动频率，这种周期性变化的刚度使得转子自由振动变为不稳定。2023/2/2工业装备故障诊断技术553.4转子摩擦故障诊断3.4.1干摩擦故障的机理和特征（径向碰摩）重碰摩振动，主要出现0.5的频率成分，轴心轨迹为“8”字形2023/2/2工业装备故障诊断技术563.4转子摩擦故障诊断3.4.1干摩擦故障的机理和特征（径向碰摩）大面积摩擦碰撞：当离心压缩机发生喘振、轴承油膜振荡等大振动时，转子处于完全失稳状态，转子在轴承、密封等处表面作大面积摩擦，甚至发生整周摩擦，产生很大的摩擦力。在整周摩擦时，高的摩擦力可使转子由正向涡动变为反向涡动。转子发生重摩擦，且摩擦接触弧较大时，在波形图上就会产生单边波峰“削波”现象，这时将在频谱上出现涡动频率与转速频率的和差频率成分，即产生n±m的频率成分（n、m为正整数）。频谱图上以0.5为主，还有半频和工频组成的和差组合频率1.5

、2

、2.5

等成分。2023/2/2工业装备故障诊断技术573.4转子摩擦故障诊断3.4.1干摩擦故障的机理和特征（径向碰摩）摩擦热弯曲变形：发生摩擦后转子产生弯曲变形，变形后将形成新的不平衡。发生摩擦的转速不同，碰摩点的位置不同，热弯曲后形成的不平衡情况也不同。如在临界转速以下发生碰摩，因为振动位移方向滞后于原始不平衡力方向的相位角小于90°，碰摩点的方位接近原始不平衡方位，热弯曲后加剧转子的不平衡量，产生更大的碰摩力，由此形成恶性循环。如果在临界转速以上发生碰摩，因为振动位移与原始不平衡力之间的相位角大于90°，碰摩方位靠近原始不平衡方位的反方向，热弯曲后可部分抵消转子的不平衡量，可能改善转子的振动，但是实际热弯曲情况是要根据转子的振型和碰摩点的位置而定。2023/2/2工业装备故障诊断技术58大型多轴离心压缩机摩擦振动例子2023/2/2工业装备故障诊断技术593.4转子摩擦故障诊断3.4.2转子内摩擦引起的失稳（轴向碰摩）材料弹性滞后引起的不稳定振动：转子旋转时，由于离心力的作用使轴弯曲，弯曲的结果是轴外侧部分材料纤维受拉伸，内侧部分受压缩。如果轴的转速与涡动速度一致时，则拉伸部分材料纤维永远为拉伸，压缩部分永远为压缩；如果，

≠

，则转轴上各段纤维依次受到交变拉伸和压缩。根据材料弹性滞后性质，纤维拉伸和压缩过程的应力应变曲线不一致，当

>时，转子会形成自激振动，振动频率即为自振频率，通常为转子的一阶自振频率。材料弹性滞后产生的自激振动多发生在挠性转子中。2023/2/2工业装备故障诊断技术603.4转子摩擦故障诊断3.4.2转子内摩擦引起的失稳（轴向碰摩）轴上零件滑动摩擦引起的不稳定振动：

理论研究和试验表明，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，所以诊断轴向摩擦时，不能用波形、轴心轨迹和频谱方法去识别，必须寻求新的敏感参数。轴向干摩擦力与旋转速度有关，由于轴向干摩擦的作用使基频影响相对下降，同时有高频成分出现，所以轴向干摩擦具有阻尼的特性。轴向干摩擦力的大小正比于转子与静止件间的干摩擦因数和轴向力。轴向干摩擦阻尼远较径向摩擦阻尼大，由轴向干摩擦会引起系统阻尼的显著增加，因此系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征。另外，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。2023/2/2工业装备故障诊断技术613.4转子摩擦故障诊断3.4.2转子内摩擦引起的失稳（轴向碰摩）防止轴上零件滑动摩擦激振的方法：2023/2/2工业装备故障诊断技术623.5浮动环密封故障诊断3.5.1浮动环密封故障的机理和特征浮动环卡住

1)浮动环起附加轴承作用，产生油膜涡动频率，该频率高于转子计算的一阶自振频率。2)浮动环与转轴之间的间隙小于轴承间隙，浮动环一旦卡住，容易发生转轴与浮动环摩擦，转子上出现具有摩擦特征的故障频率。3)发生卡涩的浮动环，在油膜力作用下时而浮动，时而不动，反映在转子上的振幅时高时低地变动。4)密封效果下降，产生大量高压气体泄漏。5)对于柔性较好的转子（工作转速远高过一阶临界转速），浮动环卡死，可能使得振动频率落入转子的一阶自振频率范围之内，引发转子强烈的亚异步共振，振动频率0.5。2023/2/2工业装备故障诊断技术633.5浮动环密封故障诊断3.5.1浮动环密封故障的机理和特征防转销钉折断，浮动环转动

1.转子振动加大，振幅忽高忽低。2.浮动环随转子产生随机性转动，转子上附加浮动环离心力，引起不平衡振动。转子与浮动环摩擦，引起摩擦振动。3.轴心轨迹紊乱，波形不光滑。4.转子振动的工频成分相位角不稳定，随机变化。5.密封效果下降，产生大量高压气体泄漏。

浮动环密封和滑动轴承一样，本身具有质量、刚度和阻尼的转子动力学特性，浮动环的浮动性能变化，不仅使转子的临界转速与理论计算差别很大，而且也可能极大地改变了转子的振动特性。当浮动环密封和滑动轴承组装在一起后，轴承油膜中的半速涡动可能与转子的一阶临界转速相重合，产生严重的亚异步振动。因此对于发生亚异步振动的转子，除了考虑轴承和迷宫密封的激励因素之外，浮动环密封产生的影响还必须引起足够重视，并须作深入的分析研究。2023/2/2工业装备故障诊断技术643.5浮动环密封故障诊断3.5.1浮动环密封故障的机理和特征例：四川建峰化肥厂合成气压缩机高压缸浮动环卡涩

从频谱图中看，振幅最高的频率成分是83Hz，与转速频率172.9Hz之比为0.48。轴心轨迹紊乱，类似于轴承的油膜不稳定故障。现场检查，发现高压缸参比气与密封油的油气压差产生波动，这是浮动环工作不稳定引起密封油的压力波动。另外还发现轴承回油管中带有大量工艺气体，明显密封不良。

防转动销被剪断2023/2/2工业装备故障诊断技术653.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1非接触式密封中的流体激振故障

环形密封的几何形状像圆柱形轴承，但其间隙较轴承间隙大，一般环形密封的间隙与密封半径之比为0.005，而轴承的相对间隙为0.001左右。流体对转子的作用力也象轴承中的油膜对轴颈的作用一样，在某些情况下会引起转子的不稳定，尤其对于高速高压的挠性转子振动，需要注意密封中的流体激振问题。

非接触式密封的流体激振叶片式机器中的流道以及管道中的流体激振2023/2/2工业装备故障诊断技术663.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1非接触式密封中的流体激振故障(3)

对于采用周向部分喷嘴控制流量的高压汽轮机，气隙振荡还与喷嘴的方向和进气阀的开启度直接有关。(1)

密封中流体激振所产生的振动频率，往往表现为低于工作转速频率的亚异步振动。对于某些稳定性较差的转子，容易激发起转子系统的一阶固有频率，产生自激振动。(2)

机器的振动情况与转速、压力、负荷有密切关系，当转速和负荷到达某一“门槛值”时，低频成分幅值突然增大，机器突然发生猛烈的振动。2023/2/2工业装备故障诊断技术673.6叶片式机器中流体激振故障诊断迷宫密封气流激振的防治措施采用反预旋方法，抵消气流在密封腔中周向旋转所产生的激振力。腔内开孔，导入平衡气。腔内周向上设置纵向阻挡片。改用平直形密封。实例3-31汽轮机入口密封的气流激振

国外有一台大型电站汽轮机，由于蒸汽入口处具有较长的迷宫密封，密封中的气体力激起了转子系统强烈的自激振动。振动幅度与机器负荷有关，当负荷超过某一值后，振幅就突然上升。最初曾采用改变机器热态对中、更换轴承等措施，但是对于降低机器的振动均未见效果。最后把转子在密封腔中的位置降低了250m，大大提高了机器的稳定性。由此可见，迷宫密封的动力特性类似于滑动轴承，降低转轴在密封中的位置，可以使转子在较高的负荷下增大它在密封中的稳定性。3.6.1非接触式密封中的流体激振故障2023/2/2工业装备故障诊断技术683.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障

离心式、轴流式的风机、离心压缩机，因为设计工况范围窄、结构设计不合理、操作点远离它的设计工况点以及操作失误等因素，使气流在机器内产生不稳定流动，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，或者造成机器零部件与管道的疲劳破坏，产生一系列严重后果，这种气流不稳定现象主要表现为下列几种故障：(1)旋转失速；(2)不稳定的进口涡流；(3)喘振。2023/2/2工业装备故障诊断技术693.6叶片式机器中流体激振故障诊断旋转失速是叶轮或扩压器周向上气流的不均匀流动，一般在气量减小到一定程度时发生。旋转失速时在失速区周围会形成压力峰，使叶轮或扩压器出口产生气流压力脉动，脉动压力传递到管道，引起管道内气流压力脉动。各种机器旋转失速产生的管道压力脉动情况差别很大，较大的压力不均匀度可达到60%左右，这样大的压力脉动势必引起压缩机和管道很大振动。如果气流脉动频率与某一管段的机械自振频率或气柱共振频率相接近时，则管道振动还要强烈。3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障2023/2/2工业装备故障诊断技术703.6叶片式机器中流体激振故障诊断(1)失速区内部气流减速流动依次在叶轮各个流道内出现，它以叶轮旋转相反方向作环向移动，失速区内压力变化剧烈，会引起叶轮出口和管道内的压力脉动，发生机器和管道振动。(2)旋转失速产生的振动基本频率，叶轮失速在0.5～0.8转速频率范围内，扩压器失速在0.1～0.25转速频率范围内。在振动频率上既不同于低频喘振，又不同于较高频率的不稳定进口涡流。(3)压缩机进入旋转失速范围以后，虽然存在压力脉动，但是机器的流量基本上是稳定的，不会发生较大幅度的变动，这一点与发生喘振有根本性不同。(4)旋转失速引起的振动，在强度上比喘振要小，但属于气流激振一类的旋转失速，有时在转子上测得的振幅虽然还不太严重，然而机壳和管道（尤其是排气管道）却表现出不能忍受的剧烈振动。对于压缩比较高、分子量较大的气体，机壳和管道的振感尤为剧烈。旋转失速在机理和特征表现方面均不同于喘振和不稳定进口涡流，它的基本特征是：3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障2023/2/2工业装备故障诊断技术713.6叶片式机器中流体激振故障诊断

旋转失速的防治措施(1)对于压缩比高、级数多的压缩机，设计的稳定工况范围应尽量宽，并且合理选择各级压比分配，使各级稳定工况范围基本接近，当压缩机流量变动时不使个别级过早进入失速范围。(2)对容易发生旋转失速的机器，采用部分气体打回流、提高进气温度等方法，增大通过机器的体积流量，改变气流冲角，减少叶道内气流旋涡。(3)对于多级轴流式压缩机，在启动阶段采用中间抽气方法，增大抽气点前面几级的气量，防止前几级发生旋转失速。(4)由于旋转失速具有惯性和滞后效应，有时一旦发生旋转失速，在工作转速下很难通过气量调节加以消除，必须使机器降速至一定程度才能消除旋转失速。如果工艺参数调节得当，再升速后有可能消除旋转失速引起的机器振动。3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障2023/2/2工业装备故障诊断技术723.6叶片式机器中流体激振故障诊断不稳定的进口涡流主要出现在由进口导叶控制的风机中。为了减小风机负荷，常常需要关小进口导叶，这样，进入风机的气流就具有进口预旋速度。导叶关闭角度愈小，预旋作用愈强烈，发展到一定程度就成为一个不稳定的进口旋涡区。不稳定的进口旋涡团在进入蜗壳或扩压器时，产生的压力脉动频率通常要高于风机的转速频率，而且是转速频率的倍数。不稳定的进口涡流现象还表现在来自风机进口处的噪声，伴随出现的噪声与一般噪声不同，它带有一种气流飞速旋转的撕裂声和噼辟啪啪的爆破声。在低流量时也存在一定程度的不稳定涡流，但当发生旋转失速时，这种信号已被旋转失速信号所淹没。一些设计、制造较好的风机，就很少存在不稳定进口涡流所带来的问题。3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障2023/2/2工业装备故障诊断技术733.6叶片式机器中