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1、第三章 旋转机械故障诊断,本章内容,1、转子不平衡故障诊断，包括：转子不平衡概念、临界转速对不平衡振动的影响、转子不平衡振动的故障特征、不平衡振动的故障原因和防治措施、定向振动与不平衡振动故障的鉴别等。 2、转子不对中故障诊断，包括：转子不对中故障的特征、联轴节不对中的振动频率、不对中故障的监测方法、故障诊断实例等。 3、滑动轴承故障诊断，包括：滑动轴承工作原理、滑动轴承常见故障的原因和防治措施、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施等。 4、转子摩擦故障诊断，包括：干摩擦故障的机理和特征、转子内摩擦引起失稳的机理等。 5、叶片式机器中流体激振故障诊断，包括叶片式机器中的气流不稳定故障等。,第
2、三章 旋转机械故障诊断,本章要求 1、了解叶片式机器中气流不稳定故障的机理和特征。 2、理解滑动轴承故障的机理、特征、诊断方法及防治措施。 3、理解转子摩擦故障的机理和特征。 4、掌握转子不平稳故障的机理、特征和诊断方法。 5、掌握转子不对中故障的机理、特征和诊断方法。,旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距，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，就是不平衡故障。 不平衡可分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。,3.1.1 转子不平衡的类型,转子不平衡产生的
3、离心力,3.1 转子不平衡故障诊断,1、静不平衡 不平衡位于转子的中部，在这种情况下，只要在不平衡量沿径向的反方向上加一个配重就可以消除不平衡，如右图所示。转子上部圆点代表不平衡量，下部的圆点代表加的配重。 静不平衡的主惯性轴平行于旋转轴。存在静不平衡的转子旋转时，产生一个周期作用的离心力，使其形成一阶振动。,3.1.1 转子不平衡的类型,2、偶不平衡 如右图所示，m1=m2，转子的重心是在旋转轴上，但主惯性轴和旋转轴不重合，因而至少要放置两块配重才能达到平衡的目的，如图中与m1和m2所对应画圈的地方。当转子转动时，由每一侧的不平衡重量产生相反的离心力，将使转子产生振动。,3.1.1 转子不平
4、衡的类型,3、动不平衡 动不平衡是以上两种不平衡的综合， m1m2，转子的重心不在旋转轴上，而且主惯性轴与旋转轴也不平行。对于这类平衡至少需要两个配重。,事实上一个平衡良好的转子也不能做到绝对平衡，总是存在微量的不平衡，因此，在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。,3.1.1 转子不平衡的类型,3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响,3.1.2.1 临界转速的动力特性,在工程上，把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临界转速。 临界转速是指由不平衡离心力引起转子共振现象时的转速。,转子运动的力学模型
5、,转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有关。 实际情况表明，带有一个转子的轴系，可简化成具有一个自由度的弹性系统，有一个临界转速；转轴上带有二个转子，可简化成二个自由度系统，对应有二个临界转速，依次类推。 其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速 ，比之大的依次叫做二阶临界转速 、三阶临界转速 。,3.1.2.1 临界转速的动力特性,一般规定，转子在一阶临界转速以下运行时，工作转速n应低于一阶临界转速 的0.75倍；工作转速高于一阶临界转速时，要求在下列范围内（i为临界转速的阶数）：,3.1.2.1 临界转速的动力特性,从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。 转动频率
6、低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子，如电动机、中小型离心式风机等。转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为柔性转子，如燃气轮机转子。,刚性转子 准刚性转子 柔性转子,3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响,取坐标系Oxy，在x和y两坐标方向上列力的平衡式：,上式的特解为：,式中， 为离心力导前位移的角度，称为相位角；A为振幅。,3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响,式中阻尼比为：,3.1.2.2 阻尼对临界转速下转子振动的影响,转子的振幅与相频响应曲线,3.1.3 转子不平衡振动的故障特征,转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动，转子每旋转一周，离心力经过
7、转子或轴承上的某一测点处产生一次扰动，在测点处就有一次扰动响应，因此，它的振动频率就是转子的转速频率：,当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下： 1、时域波形为近似的等幅正弦波。因为单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低。 2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，意味着转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90。椭圆是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。,3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动。,4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。,3.1.3 转子不平衡振动的故障特征,典型的转子不平衡振动频谱和轴
8、心轨迹,5、转子的进动方向为同步正进动。 6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。 7、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。 8、敏感参数（振幅）具有如下特征： 振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速是平方指数关系。 当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。,3.1.3 转子不平衡振动的故障特征,3.1.4 不平衡振动故障的原因及防治,3.1.4.1 固有质量不平衡 固有质量不平衡是指转子在原始状态下已经存在的不平衡，而与操作运行情况无关。 引起固有质量不平衡的原因主要是设
9、计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等问题。 固有质量不平衡将在转子上产生稳定的转速频率振动，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。,3.1.4.1 固有质量不平衡,例：气压机的不平衡振动 某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气压机、齿轮箱、电动机等几部分串联而成，如下图所示。 气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力0.102MPa，出口压力为1.35MPa，转速为10700r/min。轴承型式为5块
10、可倾瓦，联轴节均为膜片式。,气压机组布置图（1汽轮机，2同步离合器， 3气压机，4联轴节，5齿轮箱，6电动机）,3.1.4.1 固有质量不平衡,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375、376的振幅达到60um，此后又上升至90um左右。信号分析显示振动频率中工频成分占绝对优势，375、376的轴心轨迹为椭圆，确认是转子不平衡引起的振动。 另外又从转子过程的极坐标图上看出，转子在做高速动平衡时，也曾显示970011000r/min之间具有明显峰值。,375测点的极坐标图,3.1.4.1 固有质量
11、不平衡,因此分析认为，该转子的工作转速就在它的二阶临界转速附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠齿轮箱一侧的375、376测点振幅最高，决定在这一侧的联轴节上做现场动平衡。,两次现场动平衡前后的工频幅值和相位变化,3.1.4.1 固有质量不平衡,动平衡前后相位稳定，动平衡后测点375、测点376测点处的通频振幅和工频振幅下降十分明显，其原因如下： 1、气压机和齿轮箱之间的联轴节长度较长，达302mm，气压机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴节上的不平衡量对于引发转子振动十分敏感。 2、转子工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡将在工作转速下引起明显的转子振动。当转速下降至1
12、000r/min以下，转子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显。 3、联轴节本身可能存在不平衡，因为联轴节出厂时单独做动平衡和转子加联轴节一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴节上重复去重，造成联轴节新的不平衡。,转子运行过程中的不平衡，可分成： 1、转子弯曲： 1）临时性弯曲 2）永久性弯曲 2、原始平衡状态破坏： 1）转子上零件破裂或飞离 2）固体杂质在叶轮上沉积 3）叶轮除锈后产生的不平衡 4）轴上零件松动,3.1.4.2 转子运行中的不平衡,临时性弯曲是指转子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
13、改变操作方式即可缓解或消除不平衡振动。 常见的临时性弯曲主要有以下几种情况： 1、转子受热不均匀引起的临时性弯曲。对于这种转子在启动之前必须充分盘车，避免启动后引起过大的振动。 2、转子自重引起的临时性弯曲。自重弯曲现象在卧式的柔性转子上经常会遇到。例如转子由于搁置过久，在自重作用下发生弯曲变形。这种类型的弯曲，表现的振动频率也是转速频率，而且转速频率的幅值随着转速的上升而增大。弯曲的校直可以通过较长时间慢转转子来达到。,3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲,3、气流冲击、温度突变、负荷变化过快引起转子的临时性弯曲。 压缩机发生喘振时转子受到强烈的气流冲击，容易使转子发生弯曲变形。轻度喘振，转子
14、弯曲量不大，可以通过慢转转子加以消除。但是重度喘振，转子弯曲量可能很大，以致发生转子与静止元件之间的碰撞摩擦，出现这种情况，就需要对转子进行热处理校直，并重新进行动平衡。 温度突变或负荷变化过快，致使转子发生临时性弯曲，是引起机器振动的一个主要原因。因此对于汽轮发电机组和汽轮机驱动的离心压缩机组，启停过程中一定要按操作规程进行，开车前和停机后均需要有一定时间的盘车过程。,3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲,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经形成的弯曲应力，因此变成永久性弯曲变形。 前述影响
15、转子弯曲的某些因素，如果程度严重，也可能成为永久性弯曲。 具有很大弯曲变形的转子，不能用动平衡方法校正，必须用热处理方法把转子校直，或者用精加工方法来消除弯曲。,3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲,轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力，与质心偏离不同点是轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的一阶转动频率振动。 轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同，特征如下： 时域波形为近似的等幅正弦波。 轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦，故轨迹有时会有摩擦的特征。 频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。与
16、不平衡故障的区别在于：弯曲在轴向方面产生较大的振动。,转轴弯曲的振动故障特征,3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲,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。 如果飞离块质量大，振幅突升明显。如果飞离块质量小，它所产生的不平衡矢量与原始不平衡矢量相叠加，使测点处测得的振幅可能是增大或减小，相位角、轴心轨迹形状与原来的不相同。 对这类故障进行诊断，最好在监测转子振幅的同时也能监测相位。高速转子零件的碎裂或飞离是一种较大的质量不平衡，往往对转速变化非常敏感，降低转速，振幅就会明显下降。,3.1.4.2.3 转子上零件碎裂或飞离,如一些高温的并带有黏性的催化剂微粒、管道中的锈蚀、气源中的粉尘等进入机器的流道，黏结在叶轮上，由于质量分布不均
