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1、第四章 旋转机械故障诊断 第一节 旋转机械常见故障及其特点 一、旋转轴的振动分类 旋转机械振动按机械振动性质可以分为三类： 1.强迫振动强迫振动又称同步振动，它是由外界持续周期性激振力作用 而引起的振动。强迫振动从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消 耗的能量，使系统始终保持持续的等幅振动。该振动反过来并不 影响扰动力。 产生强迫振动的主要原因：有转子质量不平衡、联轴器不对中 、转子与定子磨擦、机械部件松动、转子部件或轴承破损等。强 迫振动的特点在于强迫振动的频率总是等于扰动力的频率。例如 ，由于转子质量不平衡而引起的强迫振动，其频率恒等于转速频 率。 2.自激振动机器在运行过程中，由于机械内部运
2、动本身所产生的交变 力而引起的振动叫自激振动。其特点是一旦振动停止，交变 力也自然消失；自激振动的频率就是机械的固有频率（或临 界频率），与外来激励的频率无关。旋转机械中常见的自激 振动有：油膜涡动和油膜振荡。它主要由转子内阻、动静部 件间的干磨擦等引起。与强迫振动相比，自激振荡出现比较突然，振荡强度比较 严重，短时间内就会对机器造成严重破坏。 3.非定常强迫振动非定常强迫振动是由外来扰动力而引起的一种强迫 振动。其特点是与扰动力具有相同的频率；振动本身反过来 会影响扰动力的大小与相位；振动的幅值和相位都是变化的 。比如转子轴上某一部位出现不均匀的热变形，就相当于给 转子增加了不平衡质量，它将
3、会使振动的幅值和相位都发生 变化。反过来，振动幅值和相位的变化又影响不均匀热变形 的大小与部位，从而使强迫振动连续不断地发生变化。二、旋转机械常见故障及其特点 1.不平衡转子不平衡是旋转机械的常见故障之一 。在制造与维修过程中，虽都要对转子作仔细平衡 ，使不平衡量小于限定值。但经过一段时间的运行 ，不平衡量会逐渐增大。由于转子处于高速运行状 态，偏心量的少许增加，都会使惯性离心力剧增， 使机器的功能下降，甚至无法继续运行。 转子不平衡引起的振动有以下特点： 振幅随转速的上升而增加； 振动的频率与转子的旋转频率相同； 振动方向以径向为主； 振动相位常保持一定角度。当不平衡重量只存在于一个平面内时
4、，这种不 平衡称为静不平衡；而当在多个平面内有不平衡情 况时，就是动不平衡。 2.转子不对中所谓旋转轴不同轴，是指用联轴器连 接起来的两根轴的中心线有偏移。存在不同轴时 ，容易发生轴向振动，使转子发生暂时或永久变 形， 危害：使轴承和联轴器工作情况恶化、机械寿命缩 短等。不同轴较轻时，其频率成分为旋转基本频 率；不同轴严重时，会产生旋转基本频率的高次 成分。 造成不同轴的主要原因：有制造精度差、安装不良 、热变形不均匀、联轴器松动、地基下沉等。对于不平衡引起的振动，振幅的增大 与转速的平方成比例；对于不同轴引起的振动， 振幅大体为一常数，与转速的变化无关。3. 油膜振荡油膜涡动是一种在某突然开
5、始的转速下， 在轴承中发生的一种流体力不稳定现象。其特点是 振动频率约为转子转动频率的一半，故又称为半速 涡动； 油膜振荡：随着转子转速的上升，油膜涡动频率也随 之上升；当转子转速上升到临界转速二倍以上时， 涡动频率不再上升，而始终为临界转速，并出现强 烈振动，这就是油膜振荡。油膜振荡的原因：是油膜涡动与转子共振二者 相互作用的结果，因而也称为共振振荡。根据线性 化理论，一旦这种振动出现，就会产生相当大的共 振振幅，增加转子中心与轴承中心的偏离程度，容 易导致转子疲劳破坏。 4.摩擦松动松动现象是由螺栓紧固不牢引起的，或 由于基础松动、过大的轴承间隙等引起的。松 动会使设备发生严重振动。松动引
6、起的振动特 征如下： （1）振动方向常表现为上下方向的振动； （2）振动频率除旋转基本频率fr外，可发生 高次谐波（2fr，3fr，）成分，也会发生 1/2fr，1/3fr，等分数谐波和共振； （3）振动相位无变化； （4）振动形态使转速增减、位移突然变大或 减小。 第二节 转子不平衡的故障机理与诊断转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部 件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。一、不平衡的种类造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平 衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不 平衡等几种情况。原始不平衡：是由于转子的制造误差、装配误差 以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平
7、衡没有达 到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。渐发性不平衡：是由于转子上不均匀结垢，介质 中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均 匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表 现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。 突发性不平衡：是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞 造 成，机组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。二、不平衡故障机理设转子的质量为M，偏心质量为m，偏心距为e，如果转子的质心 到两轴承连心线的垂直距离不为零，具有挠度为a，如图4.1所示。 图4.1 转子力学模型 三、不平衡故障的特征实际工程中，由于轴的各个方向上刚度有差别，特别是由于支 承刚度
8、各向不同，因而转子对平衡质量的响应在x、y方向不仅振幅 不同，而且相位差也不是90，因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭 圆，如图4.2所示。 由上述分析知，转子不平衡故障的主要振动特征如下。(1) 振动的时域波形近似为正弦波(图4.2)。(2) 频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波如 图4.3所示。 图4.2转子不平衡的轴心轨迹 图4.3转子不平衡故障谱图 (3)当n后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定 值；当接近于n时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具 有最大峰值。振动幅值对转速的变化很敏感，如图4.4所示。(4)当工作转速一定时，相位稳定。(5)转子的
9、轴心轨迹为椭圆。（a）刚性转子 （b）柔性转子 图4.4转子不平衡的主要特征四、诊断方法 转子不平衡的诊断依据主要见表4.1和表4.2对于原始不平衡、渐变不平衡和突发性不平衡这三种形式，其共同点较多, 但可以从以下两个方面对其进行甄别。(1)振动趋势不同原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的水平，见图4.5(a)；渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的推移，振值逐步升高，见图 4.5(b)；突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较高的水平，见图4.5(c)。 表4.1转子不平衡的振动特征 序号特征参量原始不平衡渐变不平衡突发不平衡1时域波形正弦波正弦波正弦波2特征频率1113常
10、伴频率较小的高次谐波较小的高次谐波较小的高次谐波4振动稳定性稳定逐渐增大突发性增大后稳定5振动方向径向径向径向6相位特征稳定渐变突变后稳定7轴心轨迹椭圆椭圆椭圆8矢量区域不变渐变突变后稳定表4.2转子不平衡的振动敏感参数 序号敏感参数原始不平衡渐变不平衡突发不平衡1振动随转速变化明显明显明显 2振动随油温变化不变不变不变3振动随介质温度变化不变不变不变 4振动随压力变化不变不变不变 5振动随流量变化不明显不明显不明显6振动随负荷变化不明显不明显不明显 7其他识别方法低速时振幅趋于零，运行初期振 动值就处于较高水平。随着运行时间的推移， 振动逐步增大。振幅突然增加，然 后稳定。(a)原始不平衡
11、(b)渐变不平衡 (c)突发不平衡 图4.5 几种不同性质的不平衡的振幅变化趋势五、转子不平衡故障原因分析及治理措施 上述三类转子不平衡的故障原因分析及相应治理措施见表4.3。 表4.3转子不平衡故障原因分析与治理措施 序号原因分类主要原因初始不平衡渐变不平衡突发不平衡l设计原因1结构不合理1结构不合理，易结垢 2材质不合理，易腐蚀1结构不合理，应力集中 2系统设计不合理，造成异物进入流 道2制造原因1制造误差大 2材质不均匀 3动平衡精度低1材质用错 2光洁度不够，易结垢 3表面处理不好，易腐蚀1热处理不良，有应力 2入口滤网制造缺陷3安装维修1转子上零部件安装错误 2零件漏装1转子未除垢1
12、转子有较大预负荷4操作运行1介质带液，造成腐蚀 2介质脏，造成结垢1超速、超负荷运行 2入口阻力大，导致部件损坏，进人 流道 3介质带液，导致腐蚀断裂5状态劣化1转子上配合零件松动1转子回转体结垢 2转子腐蚀1疲劳，腐蚀 2超期服役6治理措施1按技术要求对转子进行动 平衡 2按要求对位安装转子上的 零部件 3消除转子上松动的部件1转子除垢，进行修复 2定期检修 3保证介质清洁，不带液， 防止结垢和腐蚀1停机检修，更换损坏的转子 2停机清理流道异物 3消除应力，防止转子损坏六、转子不平衡故障诊断实例 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
13、向振幅达到报警值，机器不能 正常运行。主要振动特征如图4.6所示。 图4.6压缩机振动特征 振动特征：振动大小随转速升降变化明显；时域波形为正弦波；轴心轨 迹为椭圆；振动相位稳定，为同步正进动；频谱中能量集中于1频，有突出的 峰值，高次谐波分量较小。 诊断意见：根据以上振动特征，由表4.1可知，压缩机发生强烈振动的原因是 由于转子不平衡造成的。检查该转子的库存记录，库存时间较长，因转子较重，保管 员未按规定周期盘转，初步断定是转子动平衡不良造成的。处理措施：机组故障原因是转子不平衡，短期内不会迅速恶化。考虑到化工 生产工艺流程生产不能中断，经研究决定，监护运行。生产验证：在加强监测的前提下维持
14、运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋势 。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。其时域波形为 正弦波，分析其频谱，以1频为主，分析其矢量域图，相位有一个缓 慢的变化。如图4.7所示。(a)时域波形 (b)幅值谱(c)振动趋势 (d)矢量域图 图4.7 CO2压缩机渐变不平衡振动特征 诊断意见：判定其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：渐变不平衡短期内不会迅速恶化，同时正常生产 一旦中断将会导致巨大的经济损失，因此决定利用在线 监测系统监护其运行，待大修时再做处理。 生产验证：6个
15、月后工厂年度大修，更换转子后在机修车间 检查，转子并不弯曲；目测检查，无结垢和腐蚀现象， 一时对故障诊断结论提出了怀疑。但送专业厂拆卸检查 后发现，一轴套内侧(不拆卸转子时看不到部分)发生局 部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大。 第三节 不对中故障机理与诊断产生原因： 由多个转子组成的大型机组，各转子之间用联轴器联 接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安装误差、工作状态下热膨 胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等，有可能会造成机器工 作时各转子轴线之间产生不对中。 危害：如引起机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形 等，导致机器发生异常振动。 一、转子不对中的类型（1)
16、轴承不对中 如图4.8所示，轴颈在轴承中偏斜称为轴承不对中。轴承不对中本身不 会产生振动，它主要影响到油膜性能和阻尼。 在转子不平衡情况下，由于轴承不对中对不平衡力的反作用, 会出现工 频振动。图4.8转子不对中的受力情况轴系不对中一般可分为以下三种情况：(1)轴线平行位移，称为平行不对中；(2)轴线交叉成一角度，称为角度不对中；(3)轴线位移且交叉，称为综合不对中。 (2)轴系不对中机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称 为轴系不对中。通常所讲的不对中多指轴系不对中。 原因：安装误差、管道应变影响、温度变化热变形、基础沉降 不均等。 影响：由于不对中，将导致轴向、径向交变力，引起轴向振动 和径向振动。(a)平行不对中 (b)角度不对中 (c)综合不对中 图4.9齿式联轴器转子不对中形式二、不对中振动的机理和诊断大型高速旋转机械常用齿
