旋转机械故障诊断1

,第六章 旋转机械故障诊断,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 振动信号测试技术,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 旋转机械故障诊断,6,1,旋转机械振动的动力学特征及信号特点,6,1,1,转子特性,何谓旋转机械,主要运动由旋转运动来完成的机械,汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机,核心：转轴组件,转子、轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器,滑动轴承、滚动轴承；支座、定子、机座；密封、密封装置,1,2,3,单圆盘转子的临界转速,r,e,A,O,0,1,r,/,e,c,C,A,m,O,O,k,y,x,由上式中解出,x,和,y,并求得振幅,r,。,圆盘惯性力 轴弹性力 偏心的离心力,4,r,e,A,O,C,A,m,O,O,k,y,5,6,7,8,9,10,结论,1,由圆盘质量偏心的不平衡响应产生两种运动，一是圆盘以角速度 绕自己轴心的自转，一是轴心以角速度 绕圆盘的静挠曲线的涡动。,若无阻尼（ ），当 时，振幅趋于无限大。由于实际中存在阻尼，此时振幅会达到一个有限的峰值。,11,结论,2,转轴的涡动频率与质量偏心引起的激振力频率相同，即和转动频率相同；,涡动振幅的相位和激振力的相位差在 ,时，涡动向量滞后激振力向量,090,，当,时，为,90180,。,，相位差为,180,，即质心位与原点与轴心之间。,12,与没有阻尼的相比，有阻尼的情况下，临界转速下转子的振幅将随阻尼增加而减少。同时，随阻尼的增大，临界转速的数字将有所增加，但增加量很小。,临界转速时，振幅滞后于激振力90。,临界转速就是转子系统的偏心质量在转动过程中形成的激振力与转子系统发生共振时的转速。,13,结论,2, ,红色为质量偏心矢量，黑色为涡动位移矢量,14,结论,3,在一定的转速下，振幅与激振力的幅值成正比，振幅向量滞后与激振力的相位角不变。这就是刚性转子加平衡的理论依据。,15,临界转速,What,？,当转子转速达到某一数值后，振动就大得使机组无法继续工作，即所谓临界转速,现象？,转子在临界转速下会发生剧烈振动,大小？,临界转速数值上一般等于转子横向振动的固有频率。大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和轴承的结构,(,边界条件,),形式？,一个实际的转子往往有多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等,特点？,每一阶临界转速下，转子有一个对应的振型,16,影响临界转速的因素,支承刚度,只有在支承完全不变形的条件下，支点才会在转子运动过程中保持不动。考虑支承的弹性变形时，就相当于弹簧与弹性转轴相串联。,支承与弹性转轴串联后，总的弹性刚度要低于转轴本身的弹性刚度，使转子的临界转速降低。,回转力矩,转子的轴线与支点的连线有夹角，会产生回转力矩，也称陀螺力矩。,正进动时，回转力矩可以提高转子的刚度，临界转速增大；反进动时，降低转子的刚度，临界转速减小。,组合转子,组合系统中各转子的各阶临界转速高于单个转子。,17,支承刚度对临界转速的影响,小,支承刚度,大,临界转速,0,K,支承刚度降低，临界转速随之下降,18,单转子的临界转速和振型,单转子的临界转速和振型,650,MW,发电机转子,n,1,= 604 r/min,n,2,= 1840 r/min,n,3,= 4651 r/min,多自由度转子有多个临界转速和相应的振型,19,多转子轴系的临界转速和振型,200,MW,汽轮发电机组,高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子,20,多转子轴系的临界转速和振型,200,MW,汽轮发电机组轴系,发电机转子型,n,1,=1002 r/min,中压转子型,n,2,=,1470,r/min,高压转子型,n,3,=,1936,r/min,低压转子型,n,4,=,2014,r/min,发电机转子型,n,5,=,2678,r/min,高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子,轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用,。,21,转子系统分类,刚性转子系统：,工作转速在一阶临界转速以下,判别依据：一般工作转速,6000r/min,的机械系统属于柔性转子系统,亚同步振动：,振动频率,工作频率,自激振动：,振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象,22,两种转子系统振动特点比较,23,旋转机械故障分类,24,旋转机械故障原因分类,设计原因,设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动,/,自激振动,结构不合理，应力集中,设计工作转速接近或落入临界转速区,热膨胀量计算不准，导致热态不对中,制造原因,零部件加工制造不良，精度不够,零件材质不良，强度不够，制造缺陷,转子动平衡不符合技术要求,25,旋转机械故障原因分类,安装,/,维修的原因,机械安装不当，零部件错位，预负荷大,轴系对中不良,机器几何参数,(,如配合间隙、过盈量及相对位置,),调整不当,转子长期放置不当，改变了动平衡精度,操作运行的原因,工艺参数,(,如介质的温度、压力、流量、负荷,),偏离设计值,转速接近或落入临界转速区,润滑或冷却不良,启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长,26,旋转机械故障原因分类,机器劣化的原因,长期运行，转子的挠度增大或动平衡劣化,转子局部损坏、脱落或产生裂纹,零部件磨损、点蚀或腐蚀,配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度,机器基础沉降不均匀，机器壳体变形,27,振动的分类,横向振动,：振动发生在包括转轴的横向,xoy,平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动,轴向振动,：振动发生在转轴轴线,z,方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动,扭转振动,：沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振,产生扭转振动的根本原因是旋转机械的,主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡,，致使合成,扭矩方向,来回变化。,y,x,z,0,最简单的转子系统,28,旋转机械典型故障分析,转子不平衡的故障机理与诊断,不对中故障机理与诊断,油膜轴承的故障机理与诊断,旋转失速与喘振故障机理与诊断,动静件摩擦的故障机理与诊断,转子支承部件松动的故障机理与诊断,转轴裂纹的故障机理与诊断,29,转子不平衡故障机理与诊断,故障原因分析,制造时几何尺寸不同心、材质不均,安装方式不好，如用斜键等,轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形,工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心,旋转机械故障诊断,转子不平衡,30,不平衡的原因,转子,机械损伤,污染物堆积,轴弯曲,轴孔偏离中心,风扇,机械损伤,污染物堆积,轴孔偏离中心,齿轮,机械损伤,轴孔偏离中心,31,不平衡的原因,滑轮,/,槽轮,机械损伤,琐丝太大,轴孔偏离中心,飞轮,机械损伤,偏心孔,轴孔偏离中心,轴,轴弯曲,不规则加工,32,不平衡的原因,叶轮,机械损伤,腐蚀,联轴器,机械损伤,轴孔偏离中心,电气绕组,铜线分布不均,33,不平衡的原因,铸造缺陷,热膨胀,由于每个部件热膨胀率不同影响转子平衡,轴孔太大,34,不平衡的种类,按发生不平衡的过程可分为：,原始不平衡,渐发性不平衡,突发性不平衡,按机理可分为：,静不平衡,偶不平衡,动不平衡,旋转机械故障诊断,转子不平衡,静不平衡,偶不平衡,=,静不平衡 + 偶不平衡,35,故障机理,如下图所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产生不平衡,交变的力,(,方向、大小周期性变化,),会引起振动,转子转动一周，离心力方向改变一次。,因此，不平衡振动的频率与转频相一致。,旋转机械故障诊断,转子不平衡,F,（,t,）,t,e,c,(,a,),转子系统,M,F,sin,t,y( t),c,k,(,b,),振动模型,36,无阻尼时，,O,、,O,、,G,三点成一直线,实际转子总存在阻尼,工作介质、轴承油膜的,黏性阻尼,，滑动面之间的,摩擦阻尼,，轴材料不完全弹性的,内摩擦阻尼,，转子轴承系统因变形能耗产生的,结构阻尼,阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反,旋转机械故障诊断,转子不平衡,37,旋转机械故障诊断,转子不平衡,设：偏心距,e,，转子质量,M,，轴刚度,k,，阻尼系数,c,，转速,n,（,r,/min,），角速度,=,2,n/,60,，离心力,F,=,Me,2,，分解为两方向的力为：,两力相差,90,，,y,方向的振动方程为：,归一化后,：,其中,：阻尼系数,自振角频率,38,故障机理,旋转机械故障诊断,转子不平衡,上式的通解为：,公式第一部分为瞬态解，是衰减的自由振动，很快消失；,公式第二部分为稳态解，是强迫振动：,39,故障机理,旋转机械故障诊断,转子不平衡,H(,),-,幅频响应函数,，表示振幅,Y,随频率比,/,n,的变化而变化的放大系数，当,/,n,1,时出现共振峰。,(,),-,相频响应函数,其中：,40,阻尼对转子临界转速的影响,旋转机械故障诊断,转子不平衡,不敏感转子,阻尼小,阻尼大,转速,振幅,阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高低有较大影响,41,转子不平衡故障的频谱特征,振动幅值与转速平方成正比,工频的,1,倍频能量较大,同一平面,x,y,振动相位差,90,转子不平衡故障的时域特征,呈现为类似简谐振动的波形,由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的影响，实际的信号不会是标准的正弦波,旋转机械故障诊断,转子不平衡,42,正向进动：轴转向与轴心轨迹转向一致,不平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等,逆向进动：轴转向与轴心轨迹转向相反,干摩擦等少数情况下发生,旋转机械故障诊断,转子不平衡,转子不平衡的轴心轨迹,轴在各个方向上刚度有差别，所以转子轴心轨迹通常为,椭圆,从轴心轨迹观察其进动特征为,同步正进动,同步采集,H,方向,V,方向,43,转子不平衡与转速的关系,当,n,，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；,当工作转速一定时，相位稳定,旋转机械故障诊断,转子不平衡,44,诊断实例,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向振幅达到报警值，机器不能正常运行。,旋转机械故障诊断,转子不平衡,压缩机振动特征,45,诊断实例,1,振动特征分析,时域,波形为正弦波,频域,中能量集中于,1,频，有突出的峰值，高次谐波分量较小,轴心轨迹,为椭圆,进动方向,为同步正进动,振动大小随转速升降变化明显,诊断意见：强烈振动的原因是振动不平衡,处理措施：监护运行,生产验证,在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋势,维持运行一个大修周期后，下次大修发现动平衡严重超标,原因：转子库存时间较长，转子较重，未按规定周期盘转,旋转机械故障诊断,转子不平衡,46,诊断实例,2,某,52,万吨,/,年尿素装置,CO,2,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。,旋转机械故障诊断,转子不平衡,CO,2,压缩机渐变不平衡振动特征,47,诊断实例,2,振动特征分析,时域波形为正弦波,频谱图中，以,1,频为主,分析其矢量域图，相位有一缓慢变化,诊断意见：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：监护运行,生产验证,6,个月后大修时检查到转子并不弯曲,目测无结垢和腐蚀现象,拆卸检查后发现一轴套内侧发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大,旋转机械故障诊断,转子不平衡,48,转子不平衡故障的特征小结,时域为类似正弦波的振动波形,振动能量主要集中在工频的,1,倍频,轴心轨迹为椭圆，并为正进动方向,主要表现为径向振动,同一平面,X,、,Y,方向振动相位差,90,振动幅值随转速升高而迅速增大,振动幅值不随负荷的增大而增大,旋转机械故障诊断,转子不平衡,49,谢 谢！,50,