转轴裂纹的故障机理与诊断.doc

转轴裂纹的故障机理与诊断石油化工行业的旋转机械一般转速都非常高，载荷也较大，长期运转后，转 轴上易出现横向疲动裂纹，导致断轴的严重事故相对而言，转轴裂纹的故障概率比其他故障少得多，但因能产住轴裂纹的潜 在原因很多，如各种因素造成的应力集中、复杂的受力状态、恶劣的工作条件和 坏境等，加Z裂纹对振动响应不够做感(深度达1/4直径的裂纹，轴刚度变化仅 为10%左右，临界转速的变化也只冇5%左右)，冇可能发展为断轴事故，危害 极人因此，对轴裂纹诊断知识的学习很有必要一、故障机理转轴裂纹对振动的响应与裂纹所处的轴向位置、裂纹深度及受力情况有关 视裂纹所处部位应力状态的不同，裂纹会呈现出三种不同的形态1) 闭裂纹转轴在压应力情况下旋转时，裂纹始终处于闭合状态例如，转子重最不大、 不平衡离心力较小或不平衡力正好处于裂纹的对侧时就是这种情况闭裂纹对转 轴振动影响不大，难以察觉2) 开裂纹当裂纹区处于拉应力状态时，轴裂纹始终处于张开状态开裂纹会造成轴刚 度不对称，使振动带有非线性性质，伴有2x、3x、…等高频成分，随着裂纹的 扩展，lx、2x.等频率的幅值也随之增大3) 开闭裂纹当裂纹区的应力是由口重或其他径向载荷产生时，轴每旋转一周，裂纹就会 开闭一次，对振动的影响比较复杂。

理论分析表明，带有裂纹的转了的振动响应 可分别按偏心及重力两种影响因素考虑，再作线性叠加由于偏心因素的影响， 振动峰值会出现在与两个不对称刚度相应的临界转速Z间；而重力因素的彩响结 果，是在转速约为无裂纹转轴的临界转速处时，会岀现较大峰值裂纹的张开或闭合与裂纹的初始状态、偏心、重力的大小及涡动的速度有关, 同时也与裂纹的深度有关若转了是同步涡动，裂纹会只保持一种状态，即张开 或闭合，这与其初始态有关在非同步涡动时，裂纹在一定条件下也可能会一直 保持张开或闭合状态，但通常情况下，转轴每旋转一周，裂纹都会有开有闭在 这种情况下，裂纹越深，其在一周内张开的时间会越长，会超过一半周期长度， 同时裂纹张开的时间也会越晚这可以作为判断裂纹深度的一个定性标准二、故障特征由上述分析知，转轴裂纹的出现及其对转子振动的影响比较复杂，其主要特 征是：图1轴上冇开裂纹时的振动响应(1) 转轴上一口存在开裂纹，转轴的刚度就不再具有各向同性，振动带有非 线性性质，出现旋转频率的2x、3x、…等高倍频分量裂纹扩展吋，刚度进一 步降低，1x. 2x....等频率的幅值也随Z增大以上特征与不平衡故障有相似 Z处，但相位角会发生不规则波动，这一点与不平衡故障时相角稳定有差别。

2) 开、停机过程中，会出现分频共振，即转子在经过1/2、1/3、…临界转 速时，由于相应的高倍频(2x、3x)正好与临界转速重合，振动响应会出现峰 值，如图1所示3) 轴上出现裂纹时，初期扩展速度很慢，径向振动值的增长也很慢，但裂 纹的扩展速度会随着裂纹深度的增大而加剧，相应地也会出现lx及2x振幅迅速 增加的现象，同时1x及2x的相位角也会出现异常的波动三、诊断方法转轴横向裂纹的主要诊断依据见表1和表2o表1转轴横向裂纹的振动特征库* I総祗维■$降持曙务 tt12科盲連血梶任1広•住斤转速时公出睥什杯徐1 M M據©力向矽3】7暮*表2转轴横向裂纹的振动敏感参数序各紙.誉•爲尚“序參■彎4倩比« tt1"SK转違由輪变隹时亍届.用机2最M税魁变ft3介以社虑tfc4妄如摆力枣復S宴怕*血1 "" -導韭规fl飲总k•辻牟£界点時2工i&滾有很如耳低僚饭定尅逢屛谐济辅償£越£ •«!位費化•尤以2.K **Q平样禺険•多次逮期也诂衣何需虫槁•廈四、故障原因及对策转轴横向裂纹的故障原因及治理措施见表3表3转轴横向裂纹的故障原因及治理措施e号］ir斤櫃紅r@一展禺楚说HI播潜初•将峰情吓 金屈烈的1S戸话行乜芒即中朽甩H将.仏泄罠幔②典业見不律介再求.”廉勉^ 伽范絃陷i：检盘■ 匕 rr A* •彳” 乂2讨大站电雳电戟tft够7诗“脾去貝念检修函泰抵饰或来枪豪疵直 迄另盒吻储燧成齋愣4._ __ ■①集麟塔叭•奔章，加歸何^«s?n»e5; 尊善梦化|炳踊厲矛尙严生盘菲群技五、诊断实例例仁 某人型高速泵在运行过程中轴振动逐渐增人，同时出现2倍频及3倍 频等高倍频谐波分量，且相位变化。

分析诊断：根据该泵的振动特征，查阅其结构图纸，初步怀疑界常振动的原 因可能是由于转轴裂纹造成的为了进一步确认界常振动的原因，在操作人员配 合下对该泵进行了降速和升速试验，观察转了通过半临界转速时的频谱特征和相 位变化其主要特征如下1)频谱图中振幅在2x、3x谐波处有共振峰值，如图2所示，为该测点当前信号谱图结构与6个月丽的对照a ZX 5K； 航炉 似衝6弟船号瞬构图2当前信号谱结构与历史信号谱比较(2)转速通过1/2临界转速时有共振峰值出现，如图3所示图3 升速过程振动趋势图诊断意见：根据上述特征，特别是转子在降速和升速通过半临界转速吋的振 动特征可以确认，高速泵转子产生了裂纹，必须立即停机进行检查，更换转子生产验证：根据诊断意见，有计划地对高速泵进行了停机检修，检查发现转 轴裂纹深度已达2/5o更换合格的转子后再次开车，高速泵轴振动趋于正常，避免了一次断轴的重 大事故。