第六章旋转机械的故障诊断(第一讲)1

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1、,第六章 旋转机械的 故障诊断,本章内容 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 浮动环密封故障诊断,1. 转子不平衡故障诊断,旋转机械：转子旋转运动的工作机器，包括转子、轴承等部件。 典型旋转机械有离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机、汽轮机、涡轮发动机、电动机以及离心机等。,1.1 转子不平衡概念,转子不平衡：设计错误、材料质量、加工、装配以及运行多因素影响，转子质心与旋转中心之间存在一定的偏心距， 转子工作时周期性受离心力干扰，轴承产生动载荷引起机器振动。 不平衡原因：旋转体质量沿旋转中心线分布不均匀。,转子不平衡产生的离心力,以带薄圆盘的刚性转

2、子为例， 两轴承支承跨度为l， 转子质量为m，质心M距旋转中心O偏心距为e，旋转角速度为。 假定转子系统无阻尼，则转子产生的离心力为：,转子几种不平衡状态,质心,旋转轴线,轴承中心线,1.2 临界转速对不平衡振动的影响,（1）临界转速的动力特性 临界转速现象：不平衡离心力引起共振现象。临界转速时， 转子产生较大的弯曲变形，做弓状回旋运动（“涡动”或“进动”），转子质心远离轴承中心线，离心力剧增，转子产生更大变形，离心力进一步放大，机器剧烈振动。 临界转速：一阶临界转速ncr1，多阶临界转速ncri （阶数i） 设计要求：工作转速n避开临界转速ncr。 一般规定：工作转速n一阶临界转速ncr1，

3、1.4ncrin 0.7ncr(i+1),转子运动力学模型：两端刚性轴承对称支承转子（最简单）。,设圆盘质量为m，刚度系数为k，动挠度为，则转子无阻尼横向振动固有频率为：,=n时，理论 无限大，角速度 即为临界转速。,转子运动的力学模型,（2）阻尼对临界转速下转子振动的影响 阻尼：使自由振动衰减的各种摩擦和其它阻碍作用。主要包括介质黏性、轴承油膜黏性、滑动面间摩擦、轴材料内摩擦阻尼 、转子轴承系变形以及能耗结构阻尼等。 线性系统：阻尼力与速度成正比，方向与速度方向相反。 转子放大因子 ：反映转子共振振幅高低，值与频率比/n和阻尼比有关。,转子的幅频与相频曲线,1.3 转子不平衡振动的故障特征,

4、转子不平衡振动：周期性离心力干扰产生强迫振动，转子旋转一周，离心力经某点产生一次扰动，测点产生一次振动响应。 转子振动频率：f=转速频率=n/60（强迫振动、同步振动），转子角频率= 2f 工频（工作频率）：转速频率,不平衡振动故障特征： 转子或轴承产生径向振动，频谱图中，转速频率（工频）成分比较突出（峰值频率）。 转子单纯不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值较低，时域波形为正弦波。 转子轴心轨迹形状为圆或椭圆，同截面垂直两探头信号的相位差为90。 转子进动方向为同步正进动。 普通两端支承转子，轴向振幅不明显。 转子振幅对转速变化敏感，转速下降振幅明显下降。,典型的不平衡振动频谱和轴心轨迹,轴心

5、轨迹：椭圆,1.4 转子不平衡振动的故障原因和防治措施,（1）固有质量不平衡：转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关。 原因：,A,C,D, 解决措施：动平衡技术,标准：ISO 1940刚性转子平衡精度 转子平衡精度等级G = 0.16-4000 mm/s G=(e)/1000 式中:e转子不平衡度，gmm/kg，转子旋转角速度 G转子平衡精度等级，mm/s。 刚性转子平衡：（刚性转子转速低于一阶临界转速） 静平衡：单平面平衡、滚动法、计算平衡质量 动平衡：双面多面平衡、动平衡机,现场平衡：对大型机组，实际安装条件与平衡机条件不同。 影响系数法：试重、测定、作图、解析、再试重、计算、平衡 试重

6、周移法：圆周等分试重 挠性转子平衡：（挠性转子转速超过一阶临界转速） 减小转子振动和挠曲度，一般采用振型平衡法、影响系数法以及多平面多转速平衡。,现场平衡测试装置（动平衡技术）,双面动平衡技术, 转子弯曲 临时性弯曲：转子受外部影响或外力作用引起，不需动平衡，采用简单措施，如盘车或调整操作方式即可恢复，主要由转子受热不均，转子自重，气流冲击, 温度突变以及负荷变化快等因素引起。 永久性弯曲：转子慢转无法恢复，需要热处理校直或精加工消除。,（2）转子运行中的不平衡, 转子平衡状态破坏 转子零件碎裂或飞离：阶跃式不平衡，振幅相位突变。 叶轮沉积固体杂质：包括高温粘性催化剂微粒粘结，管道锈蚀以及气源

7、粉尘沉积等，主要引起转子振幅增大，转速成分突出，转速增振幅大，严重时转静子摩擦磨损。 轴上零件松动：轮、盘、轴、键槽配合松动，材料和介质腐蚀松动等。,1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别,定向振动：轴心轨迹接近直线，非圆或椭圆，振动同相位或180反相位；主要由机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动以及基础共振等引起。,2. 转子不对中故障诊断,转子不对中故障：转子连接对中超标，或轴颈位置不良，轴承缺乏良好油膜和适当负荷等引发机器振动或联轴节、轴承损坏。 原因： 初始安装对中较差； 转子中心运行时温度升高 ； 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

8、子弯曲（同时产生不平衡和不对中故障）。 故障：振动加大，轴承偏磨，联轴节过热，齿式联轴节齿面磨损，联轴节配合键槽出现裂纹，膜片联轴节疲劳损坏。 旋转机械故障60%原因为转子不对中。,2.1 转子不对中的故障特征,转子不对中的故障特征： 改变轴承油膜压力； 轴承振幅随负荷增大而增高； 平行不对中引起径向振动； 轴颈轴心轨迹为椭圆形。载荷增大、变香蕉形，“8”字形或外圈中内圈等。 振动频率：刚性联轴节平行不对中时，振动频率为2倍转速频率和多倍频；角度不对中时，产生轴向振动，振动频率为工频及多倍频。,2.2 联轴节不对中的振动频率, 平行不对中的振动频率 2倍频激振力，旋转1周径向力交变2次。 角度

9、不对中的振动频率 轴旋转一周，弯矩方向交变1次，工频振动 不对中引起转子不平衡 相当于附加不平衡质量，类似不平衡振动,（1）刚性联轴节,（2）齿式联轴节（半挠性联轴节） 联轴节外齿和内齿连接齿套，齿接触表面为圆弧形，齿啮合允许一定轴向移动量和角度偏摆量，允许安装半联轴节，且可微量不对中。 （3）膜片联轴节（半挠性联轴节） 轴端半联轴节与套筒间用挠性膜片连接，挠性好，不需润滑，维修量少，应用广泛，但传递功率小，不能承受过大轴向力。,2.3 不对中故障的监测方法,打表法：千分表测量，三表和单表找正法 激光对中法：激光对中仪 联轴节表面状态检测法：齿面过热引起的摩擦和裂纹痕迹，膜片、螺栓、轴壳等疲劳

10、裂纹和摩擦痕迹。,（1）静态检测法,振动诊断法：振动频率、相位、振动方向和轴心轨迹等特征。 激光对中法：2对激光对中仪，固定在轴承架上，分别测量垂直和水平位移量。仪器价格昂贵，测试受环境中蒸汽、烟气、灰尘以及机体振动等影响。 Dodd棒测量法：驱动机和被驱动机轴承架端面各固定一个并行测量杆，采用涡流探头测量截面水平和垂直方向位移（非接触测量），测量棒结构和刚性要求严格，需要补偿温度变形问题。 电涡流测量法: 地面独立支架，水平和垂直方向分别安装两个电涡流测量探头（非接触测量），测量杆的位移量固定。 轴承油膜压力测量法: 油膜压力可以反映轴承间隙和轴承标高。,（2）动态监测法,2.4 故障诊断实

11、例,（1）汽轮发电机组基础下沉：轴承座位置下移，轴颈被相邻2号轴承抬空，轴颈不对中，轴承比压减小，油膜失稳，产生强烈振动。,（2）离心泵联轴节不对中： 联轴节轴承处振动频谱图中， 2倍转速频率和工频成分比较突出，不平衡和不对中联合作用，轴向振动较为明显，属于典型不对中故障，其11倍转速频率成分为泵叶片通过频率。,3. 滑动轴承故障诊断,滑动轴承作用： 转子负荷支承作用； 转子运动提供刚度和阻尼； 控制转子稳定运转。,3.1 滑动轴承工作原理,静压轴承：依靠润滑油在转子轴颈周围形成静压力差与外载荷相平衡，轴旋转与否始终浮在压力油中，旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强，具有良好速度适应性和抗振性等

12、，但制造工艺高，需复杂供油装置，主要应用于高精度机床。 动压轴承：油膜压力由轴旋转产生，供油系统简单，使用寿命长，广泛应用于旋转机器，分为径向轴承和止推轴承（轴向力）。,流体动压轴承原理：润滑油膜楔形间隙流体动压力作用，轴停滞时沉在轴承内底部；轴旋转时依靠摩擦力作用，沿轴承内表面往上爬行，到达摩擦力和转子重量平衡位置，油膜收敛，油楔动压力作用抬起轴颈。 轴承承载能力系数S0：相对偏心率和轴承宽径比 l/d 的函数。低速重载转子 S0 1，高速轻载转子S0 1。,3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施（八大原因）,（1）巴氏合金松脱 材料镀锡浇注温度不够，重新浇注巴氏合金 （2）轴承异常磨损、

13、刮伤、拉毛 轴承装配缺陷：轴承间隙，轴瓦错位，轴瓦接触，轴颈油膜，引起转子振动和轴瓦磨损。更换轴承或修刮重新装配。 轴承加工误差：轴承圆度，油楔轴承油楔大小和形状，轴承间隙，止推轴承端面偏摆量，瓦块厚薄，表面巴氏合金磨损，工艺检查，修理轴瓦形状。 转子发生大振动：轴瓦振动摩擦、烧损、刮伤、拉毛，消除振动因素，更换磨损轴承。,止推轴承设计：承载面积、压缩机超压、密封损坏，轴向力大，瓦块磨烧。 供油系统：润滑油量、供油清洁、油温度、油黏度、供油压力、滤清滤网、油孔堵塞、轴承磨损，油冷效果、润滑油水分， 更换过滤器，更换润滑。,原因： 轴承过载：油膜破裂，应力集中，局部裂纹，裂纹扩展 轴瓦松动：轴承

14、间隙，机器振动，轴承交变载荷，裂纹扩展，瓦块表面开裂与松脱。 轴承摩擦和咬粘：表面高温，材料热应力和热裂纹 巴氏合金过厚：疲劳敏感，疲劳破坏 巴氏合金强度：温度升高下降，高温疲劳裂纹扩展 措施: 轴承比压合适范围 轴承间隙应设计范围 较薄巴氏合金（厚度1-1.5 mm）和抗疲劳性能瓦块 控制轴瓦温度,（3）轴承疲劳,（4）轴承腐蚀 润滑剂化学作用。选用润滑剂，润滑剂“老化”丧失润滑性能。 （5）轴承气蚀 轴承内油液压力低区域（低于油液饱和蒸汽压）生成微小气泡，气泡高压挤破，瞬间压力波冲击轴承表面，表面金属疲劳裂纹或金属层剥落。 （6）轴承壳体配合松动 轴承盖与轴承座之间压紧间隙，轴瓦松动影响轴

15、承油膜稳定性。 非线性振动，振动工频、转速频率、次谐波成分，1/i倍转速频率，超谐波成分（正整数i）。 （7）轴承间隙不适当 轴承间隙太小发热，间隙太大明显振动。 （8）轴承温度过高 轴承间隙小；轴承载荷高；油冷却器故障；轴承形状或装配。,3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施,高性能旋转机器转子轴承系统多为高速轻载滑动轴承，设计或使用因素，易发生油膜不稳定，引起转子轴承较大振动。 特有故障：油膜振荡，油膜力引起自激振动 轴颈在油膜中的涡动与稳定性,（1）高速滑动轴承不稳定故障的原因, 油膜失稳的力学机理 油膜动态特性：油膜刚度和阻尼 油膜失稳机理：一般强迫振动激振力为离心力，与转子质

16、量M、重心偏移量e 和转速等有关，油膜失稳主要激振力非离心力，是与位移相垂直的油膜切向力，轴颈涡动方向起推动作用，某种条件下使振幅越来越大，强烈振动导致机器损坏。 轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系：椭圆形轴心轨迹比圆形稳定，椭圆度大有利轴心稳定。,高速滑动轴承特有故障，油膜力产生自激振动，发生时输入能量很大，引起转子轴承系统损坏。 半速涡动 半速涡动： 转子轴颈高速旋转时，环绕平衡中心公转运动， 油膜力激励的涡动角速度近似为1/2转速，涡动正向运动（与转子旋转同向），实际振动频率=（0.43 -0.48）。 油膜振荡的特征及其诊断 油膜振荡：轴颈涡动运动与转子自振频率吻合时发生大幅度共振现象，振幅突升，局部油膜破裂，轴颈轴瓦摩擦。同时产生强烈吼叫声，严重损坏轴承和转子。,（2）油膜振荡的机理及其故障诊断,油膜振荡故障特征: 自激振动：不受外部激励