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

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实例三：转子不平衡故障的诊断
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。
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。
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第五章 旋转机械故障诊断技术
学习目标：
✓ 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；
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
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
➢ 不对中的总体振动特征：
✓ 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；
✓ 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；
✓ 典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动；
✓ 联轴器不对中时轴向振动较大，振动幅值和相位稳定； ✓ 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； ✓ 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
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
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
图5.9 圆盘反应器电机径向速度谱图
图5.10 圆盘反应器电机径向位移谱图
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：
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
三、共振
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。
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
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，如果有在线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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
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。
➢ 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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
二、不对中
有资料表明现有企业在役设备 30%～50%存在不同程度的不
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
➢ 转子不平衡的总体振动特征：
Байду номын сангаас
✓ 通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大； ✓ 轴心轨迹成为椭圆形；
✓ 稳态振动是一个与转速同频的强 A 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
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
1．角向不对中
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。
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。
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实例四：转子不对中故障的诊断
MO MI PI PO
电机
水泵
出现2×频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8字形。 振动有方向性。 轴向振动一般较大。 本例中，出现叶片通过频率。
2X频率 1X频率
叶片通 过频率
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
➢ 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。
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
图5.8 典型不对中谱图
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轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平) 轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平)
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实例二：转子不平衡故障的诊断
电机
MO
MI
FI FO
风机
图5.2 燃烧风机传动示意图
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。
联轴器的对中性上；二是转子轴颈与两端轴承不对中。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
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。
转速频率(Hz) 28.44 42.66
32.06
29.42
转速(RPM)
1706
2560
1924
1765
振动幅值(MM/S) 4.7549 9.5339 6.1804 5.1166
➢ 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）。
✓ 掌握滚动轴承故障诊断技术、齿轮故障诊断技术； ✓ 了解电动机故障诊断技术、皮带驱动故障诊断技术； ✓ 熟悉利用征兆的故障诊断方法。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
一、转子不平衡
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。
电机
MO
MI
PI PO
对中，严重的不对中会造成设
备部件的过早损坏，同时会造
水泵
成能源的浪费。典型不对中如 图所示：
图5.6 典型不对中示意图
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
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实例二：转子不平衡故障的诊断
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。
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
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
2．平行不对中
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。
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实例三：转子不平衡故障的诊断
电机
齿轮箱 喂入轮
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
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。
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
1．转子质量不平衡
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。 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。 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。 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。
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。
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。
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设备共振案例一——某聚酯圆盘反应器升负荷试验
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：
ω
图5.1 转子不平衡故障谱图
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实例一：转子不平衡故障的诊断
TO
TI
透平 齿轮箱 风机
图5.00 风机传动示意图
波形为简谐波，少毛刺。 轴心轨迹为椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。 过临界转速有共振峰。
第五章 旋转机械故障诊断技术
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。
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。