机械故障诊断技术6_旋转机械故障诊断

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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6.1.1 6.1.1 转子特性转子特性转子组件转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等）所组成。 从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。刚性转子刚性转子：转动频率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。柔性转子柔性转子：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。在工程上，我们也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。当代的大型转动机械，为了提高单位体积的做功能力，一般均将转动部件做成高速运转的柔

2、性转子(工作转速高于其固有频率对应的转速)，采用滑动轴承支撑。由于滑动轴承滑动轴承具有弹性和阻尼，因此，它的作用远不止是作为转子的承载元件，而且已成为转子动力系统的一部分。在考虑到滑动轴承的作用后，转子在考虑到滑动轴承的作用后，转子轴承系轴承系统的固有振动、强迫振动和稳定特性就和单个振动体不统的固有振动、强迫振动和稳定特性就和单个振动体不同了同了。柔性转子的临界转速由于柔性转子在高于其固有频率的转速下工作，所以在起、停车过程中，它必定要通过固有频率这个位置。此时机组将因共振而发生强烈的振动，而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的振动是一般的强迫振动，幅值都不会太大，共振点共振点是一个临界点

3、。故此，机组发生共振时的转速也被称之为临界转速临界转速。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nc1，比之大的依次叫做二阶临界转速nc2、三阶临界转速nc3。工程上有实际意义的主要是前几阶主要是前几阶，过高的临界转速已超出了转子可达的工作转速范围。临界转速的变动为了保证大机组能够安全平稳的运转，轴系转速应处于该轴系各临界转速的一定

4、范围之外，一般要求：刚性转子 n0.75 nc1柔性转子 1.4 nc1 n 0.7 nc2式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。机组的临界转速机组的临界转速可由产品样本查到或在起停车过程中由振动测试获取。需指出的是需指出的是，样本提供的临界转速和机组实际的临界转速可能不同，因为系统的固有频率受到种种因素影响会发生改变。设备故障诊断人员应该了解影响临界转速改变的可能原因。一般地说一般地说，一台给定的设备，除非受到损坏，其结构不会有太大的变化，因而其质量分布、轴系刚度系数都是固定的，其固有频率也应是一定的。但实际上但实际上，现场设备结构变动的情况还是很多的，最常遇到的是换瓦，有时是

5、更换转子，不可避免的是设备维修安装后未能准确复位等等，都会影响到临界转速的改变。多数情况下多数情况下，这种临界转速的改变量不大，处在规定必须避开的转速区域内，因而被忽略。 612 转子轴承系统的稳定性转子系统的稳定与失稳：转子系统的稳定与失稳：转子轴承系统的稳定性稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定稳定的。若响应随时问增加，则转子系统就失稳失稳了。油膜涡动与油膜振荡：油膜涡动与油膜振荡：在瓦隙较大的情况下，转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致使油膜合力与载荷不能平衡，就会

6、引起油膜涡动油膜涡动。油膜涡动是一种比较典型的失稳。机组的稳定性能在很大程度上取决于滑动轴承的刚度和阻尼刚度和阻尼。当系统具有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。反之系统具有负阻尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡油膜涡动就会发展为油膜振荡。油膜涡动与油膜振荡都是油膜承载压力波动油膜承载压力波动的反映，表现为轴的振动表现为轴的振动。（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件油膜涡动与油膜振荡的发生条件 只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润滑轴 承上不发生。 油膜振荡只发生在转速高于临界转速高于临界转速的设备上。（2）油膜涡动与油膜振荡的信号特征油膜涡动与油膜振荡的信号特征 油膜涡动的振动频率随

7、转速变化，与转频保持 f=（0.430.48）fn。 油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附 近，不随转速变化。 两者的振动随油温变化明显。（3）油膜涡动与油膜振荡的振动特点油膜涡动与油膜振荡的振动特点 油膜涡动的轴心轨迹轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双双椭圆，较稳定椭圆，较稳定。 油膜振荡是自激振荡自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变波形幅度不稳定，相位突变。（4）消除措施 设计时使转子避开油膜共振区； 增大轴承比压，减小承压面； 减小轴承间隙； 控制轴瓦预负荷，

8、降低供油压力； 选用抗振性好的轴承结构； 适当调整润滑油温； 从多方面分析并消除产生的因素。 6.1.3 转子的不平衡振动机理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存在在一定程度的偏心距偏心距。静不平衡：偏心距较大时静不平衡：偏心距较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦阻力矩，表现为某一点始终恢复到水平放置的转子下部，其偏心力矩小于摩擦阻力矩的区域内，称之为静不平衡静不平衡。动不平衡动不平衡：偏心距较小时偏心距较小时，不能表现出静不平衡的特征，但是在转子旋转时，表现为一个与转动频率同步的离心力矢量离心力矢量，离心力

9、F=Me2，从而激发转子的振动。这种现象称之为动不平衡动不平衡。特点特点：静不平衡的转子，由于偏心距e较大，表现出更为强烈的动不平衡振动。要求：要求：虽然作不到质量中心与旋转中心绝对重合，但为了设备的安全运行，必需将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。（1）不平衡故障的信号特征不平衡故障的信号特征 时域波形为近似的等幅正弦波。 轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，这是因为轴承座及 基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。 频谱图上转子转动频率处的振幅。 在三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其他成份较 小。（2）敏感参数特征敏感参数特征 振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与角速度是指数关系。 当转子上

10、的部件破损时，振幅突然变大。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。 6.1.4 转子与联轴节的不对中振动机理转子不对中包括轴承轴承不对中和轴系轴系不对中两类。轴承不对中轴承不对中本身不引起振动，它影响轴承的载荷分布、油膜形态等运行状况。一般情况下，转子不对中都是指轴系不对中指轴系不对中，故障原因在联轴节处。 引起轴系不对中的原因：引起轴系不对中的原因： 安装施工中对中超差； 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之间产生动态对中不良； 轴承座热膨胀不均匀； 机壳变形或移位； 地基不均匀下沉； 转子弯曲，同时产生不平衡和不对

11、中故障。轴系不对中可分为三种情况轴系不对中可分为三种情况： 轴线平行不对中 轴线交叉不对中 轴线综合不对中在实际情况中，都存在着综合不对中。只是其中平行不对中和交叉不对中所占的比重不同而已。由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲力。由于转动，这个附加弯曲力的方向和作用点也被强迫发生改变，从而激发出转频的2倍、4倍等偶数倍频的振动。其主要激振量以主要激振量以2 2倍频为主倍频为主，某些情况下4倍频的激振量也占有较高的份量。更高倍频的成份因所占比重很少，通常显示不出来。轴系不对中故障特征轴系不对中故障特征： 时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。 轴心轨迹图呈香蕉形或香蕉形或8 8字形