设备状态监测与故障诊断技术第5章-旋转机械故障诊断技术讲解.ppt

1 第五章 旋转机械故障诊断技术 n旋转机械是指齿轮箱、离心风机、离心泵、汽轮机、燃气轮 机、发电机、电动机、离心压缩机、水轮机、航空发动机等 机械设备，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、造纸 、船舶、航空以及一些军事工业部门 n随着科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、高 速和自动化方向发展，这对提高安全性和可靠性，对发展先 进的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切的要求 n旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究，发 展比较成熟的故障诊断技术，具有一定的代表性，因此书的 重点部分，也是难点部分 *2 第五章 旋转机械故障诊断技术 学习目标： ü掌握旋转机械典型故障，如转子不平衡、转子不对中、共振 、机械松动、转子摩擦、滑动轴承故障、转轴裂纹、流体动 力激振、拍频振动等的机理和特征； ü掌握滚动轴承故障诊断技术、齿轮故障诊断技术； ü了解电动机故障诊断技术、皮带驱动故障诊断技术； ü熟悉利用征兆的故障诊断方法 *3 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 一、转子不平衡 n不平衡是旋转机械最常见的故障引起转子不平衡的原因 有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受 热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松 动和脱落等。

n转子不平衡故障包括：①转子质量不平衡、 ②转子偏心、 ③轴弯曲、 ④转子热态不平衡、 ⑤转子部件脱落、 ⑥转子 部件结垢、 ⑦ 联轴器不平衡等，不同原因引起的转子不平 衡故障规律相近，但也各有特点 *4 1．转子质量不平衡 n力不平衡：不平衡产生的振动幅值在转子第一临界转速以下随转 速的平方增大例如，转速升高1倍，则振动幅值增大3倍在转 子重心平面内只用一个平衡修正重量便可修正之 n力偶不平衡：至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正 n动不平衡：动不平衡是不平衡的最普遍的类型，它是力不平衡和 力偶不平衡两者的组合 n悬臂转子不平衡：悬臂转子不平衡包含力不平衡和力偶不平衡两 者总是必需要在两个修正面内加以修正重量 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *5 2．转子偏心：皮带轮、齿轮、轴承和电动机框架等旋转中心与 几何中心线偏离时出现偏心最大的振动出现在两个转子中心 连线方向上 3．轴弯曲：弯曲的轴引起大的轴向振动，如果弯曲接近轴的中 部，占优势的振动出现在转子转速频率，如果弯曲接近力偶， 则占优势的振动出现在2倍转速频率用千分表可以证实轴的 弯曲在汽轮发电机组中，通常是在盘车时和盘车后测量晃动 度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。

4．转子热态不平衡：在机组的启动和停机过程中，由于热交换 速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发 生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡热弯曲引起的振动一般与 负荷有关 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *6 5．转子部件脱落 可以将部件脱落失衡现象看作对工作状态的转子的瞬时阶 跃响应，主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定，振动 幅值一般会有较明显的增大，如果有监测系统的话将能捕 捉到这一情况为了防止脱落部件在惯性力作用下飞出使机体 发生二次事故，必要时应及时停机检修 6．转子部件结垢 由于结垢需要一定长甚至相当长的时间，所以振动是随着 年月逐渐增大的 7．联轴器不平衡 通常是联轴器两端轴承的振动较大 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *7 Ø 转子不平衡的总体振动特征： ü通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大； ü轴心轨迹成为椭圆形； A ω ü稳态振动是一个与转速同频的强 迫振动，振动幅值随转速按振动 理论中的共振曲线规律变化，在 临界转速处达到最大值因此转 子不平衡故障的突出表现为一倍 频振动幅值大同时会出现较小 的高次谐波，使整个频谱呈所谓 的“纵树形”，如下图所示： 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 图5.1 转子不平衡故障谱图 *8 实例一：转子不平衡故障的诊断 n波形为简谐波，少毛刺。

n轴心轨迹为椭圆 n1X频率为主 n轴向振动不大 n振幅随转速升高而增大 n过临界转速有共振峰 透平风机 TOTI 齿轮箱 1X频率(水平) 1X频率(水平) 1X频率(铅垂) 1X频率(铅垂) 轴向很小 轴向很小 图5.00 风机传动示意图 *9 某化纤公司聚酯装置一台热媒加热炉燃烧风机，2002年9月 26日采集的径向速度频谱图中转速频率占绝对优势，是典型的转 子（叶轮）不平衡信息，此时振动幅值相对不大，无需修理 电机 风机 FI MOMI FO 实例二：转子不平衡故障的诊断 图5.2 燃烧风机传动示意图 *10 热媒炉燃烧风机振动幅值——转速对照表 监测日期9月26日10月22日10月29日11月25日 转速频率(Hz)28.4442.6632.0629.42 转速(RPM)1706256019241765 振动幅值 (MM/S) 4.75499.53396.18045.1166 Ø 本案例利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作，确保了设 备安全稳定运行同时它也充分印证了这一理论：不平衡产生的 振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大（注：转 子产生的离心力F=MEω2，式中，M—转子质量，E—偏心距，ω —旋转角速度）。

10月22日振值出现大幅上升，查频谱图得知转速被调高，因此分 析这很可能是造成振动增大的直接原因；在满足工艺要求的前提 下两次调低转速，结果振值重又回落 实例二：转子不平衡故障的诊断 *11 在涤纶短纤维生产工艺流程中有这样一台瓶颈设备——喂入 机，纤维丝束从喂入轮绕过，由于其结构和用途的特殊性，喂入 轮不平衡现象频发它们的共同频谱特征是：喂入轮转速频率占 绝对优势 电机 齿轮箱 喂入轮 实例三：转子不平衡故障的诊断 图5.4 喂入机传动示意图 图5.5 喂入机轮不平衡速度谱图 *12 结合喂入轮实际特点，引起其不平衡的诱因主要有：制造误差 ，锈蚀，表面结垢，磨损引起的喂入轮轴系配合松动等以前在检 修时发现，由于操作人员经常用水冲洗喂入轮致其内部进水，其安 装螺栓已经产生了大量锈蚀① ，再加之油剂等产生的工艺杂质附着 在喂入轮齿形表面越积越厚(结垢) ② ， 是造成喂入轮不平衡现象频 发的主要原因为此，已将其列为工艺处理注意事项，并要求操作 人员利用缠辊等停机机会及时对喂入轮表面进行清理 Ø 如果把上述两个案例放在一起来分析，我们会发现这样一个现 象，那就是不管是叶轮还是喂入轮，它们都是悬臂转子，而且又 都是盘类零件（注：叶轮也可以看作为盘类零件），即长径比小 的零件，这说明悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡。

实例三：转子不平衡故障的诊断 *13 二、不对中 n旋转机械单转子系统通常由两个轴承支承由多个转子串接组成 的复杂转子系统，转子与转子间用联轴器联接因此转子不对中 具有两种含义：一是指转子与转子间的联接不对中，主要反映在 联轴器的对中性上；二是转子轴颈与两端轴承不对中 电机 水泵 PO MO MI PI n有资料表明现有企业在役设备 30%～50%存在不同程度的不 对中，严重的不对中会造成设 备部件的过早损坏，同时会造 成能源的浪费典型不对中如 图所示： 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 图5.6 典型不对中示意图 *14 n 后者对滑动轴承来说，与轴承是否形成良好的油膜有直接关系 滚动轴承的对中（如电动机转子两端的轴承对中），主要是由 于两端轴承座孔不同轴，以及轴承元件损坏，外圈配合松动，内 圈配合松动，两端支座（对电动机来说是前后端盖）变形等，都 会引起不对中 有的机器，如汽轮发电机之类的设备，在冷态（未运转时）情 况下转子对中情况是符合要求的，一旦运转中温度升高就可能发 生热不对中 此外，地脚螺栓松动，基础下沉（这一点对于新安装的设备尤 其需要注意），联轴器销孔磨损等故障的存在也会引发不对中。

第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *15 图5-7 转子不对中的基本形式 a) 联轴器不对中；b) 轴承不对中；c) 带轮不对中 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *16 1．角向不对中 n角向不对中的特征是轴向振动大典型地出现转速频率和2 倍转速频率大的轴向振动还常见转速频率、2倍转速频率 和3倍转速频率都占优势的情况 n如果2倍转速频率或3倍转速频率超过转速频率的30%到50% ，则可认为是存在角不对中 n这些征兆也指示联轴器故障严重的角向不对中可激起转速 频率的许多阶谐波频率 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *17 2．平行不对中 n平行不对中的振动征兆类似于角向不对中，但是，径向方向 振动大2倍转速频率振动往往大于转速频率振动，联轴器 的类型和结构决定2倍转速频率振动相对于转速频率振动的 高度 n角向不对中或平行不对中严重时，可在较高谐振波频率4倍 到8倍转速频率谐波处出现大的振动，甚至出现类似于机械 松动时出现的完整系列的高频谐波 3．滚动轴承偏斜地固定在轴上 n 不对中的滚动轴承卡在轴上时，将产生明显的轴向振动 通常，必须卸下轴承并重新正确安装 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *18 Ø 不对中的总体振动特征： ü联轴器不对中时轴向振动较大，振动幅值和相位稳定； ü轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定； ü振动对负荷变化敏感。

当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发 生改变，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化 由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中， 使转子的振动也要发生变化但由于热传导的惯性，振动的变化在 时间上要比负荷的改变滞后一段时间 ü转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对 中越严重，二倍频所占比例越大； ü相邻两轴承的油膜压力反方向变化，一个油膜压力变大，另一 个则变小； ü典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动； 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *19 图5.8 典型不对中谱图 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *20 实例四：转子不对中故障的诊断 n出现2×频率成分 n轴心轨迹成香蕉形或8字形 n振动有方向性 n轴向振动一般较大 n本例中，出现叶片通过频率 1X频率 2X频率 叶片通 过频率 电机水泵 POPI MOMI *21 Ø 不对中故障的影响和防治： 当转子存在不对中时，将产生一种附加弯矩，给轴承增加一 种附加载荷，致使轴承间的负荷重新分配，形成附加激励，引起 机组强烈振动，严重时导致轴承和联轴器损坏、地脚螺栓断裂或 扭弯、油膜失稳、转轴弯曲、转子与定子间产生碰磨等严重后果 ，所以及时预测处理不对中故障对确保设备正常运行，减少事故 损失十分重要。

由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题，多年来 工程研究人员一直在致力于追求更加科学合理的联轴器找正技术 目前，激光对中仪已在一些大型设备的安装、检修过程中得到 了广泛应用，并取得了显著的经济效益 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *22 三、共振 n强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动幅值急 剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏这可能是转子的自然频率 ，也常常起源于支承框架、基础、齿轮箱甚至传动皮带 n如果转子处在或接近共振，由于很大的相位漂移，几乎不可能平 衡掉共振时相位漂移为90度，通过共振时相位漂移接近180度 n这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率自然频率通常 不随转速变化，这一点有助于识别自然频率，除非在大型平面轴 颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上 第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 *23 设备共振案例一——某聚酯圆盘反应器升负荷试验 n从图中可以看到，特征频率均为电机输出轴工频，这一般为电机 转子不平衡信息（后进行修理），从转速调升后出现的振值上升 情况也基本可以验证这一判断 升速测试结果如表 5-3所示： 图5.9 圆盘反应器电机径向速度谱图图5.10 圆盘反应器电机径。