转子摩擦故障诊断

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（1）局部碰摩的故障特征 局部碰摩是指转子在进动过程中与静止部件发生问歇性的、局部性的碰 撞摩擦。 反向进动模型：当转子与静子在A点发生旋转摩擦时，转子给静子壁面 一个摩擦力Fa，而静子以反作用力Fa’作用于转子上。如果把力Fa’平移 至转子旋转中心O’,即在O’点上加相等相反的力F’和F,则F’的作用是促使 转子以旋转的相反方向进动(反进动)，而F与Fa’组成了一个力偶，阻止 转子旋转，因而多消耗了转子的驱动功率。



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②转子内部发生的内摩擦故障。内摩擦又可分为两种类型:


一类是转轴材料弹性滞后产生的内摩擦力激发转子涡动; 另一类是轴上配合零件与轴在弯曲时产生的摩擦以及齿式联轴节的齿套与 齿壳之间的轴向滑动摩擦，这种摩擦同样也会激励转子涡动。 内摩擦力对于具有足够大阻尼的转子并不会产生问题，但是对于柔性较好 的高速转子，在某些情况下可能会引起转子的自激振动。
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（2）摩擦接触弧增大时的故障特征 当离心压缩机发生喘振、轴承油膜振荡等大振动时，转子处于完全失稳 状态，转子在轴承、密封等处表面作大面积摩擦，甚至发生整周摩擦， 产生很大的摩擦力。在整周摩擦时。高的摩擦力可使转子由正向涡动变 为反向涡动。 转子发生重摩擦，且摩擦接触弧较大时，在波形图上就会产生单边波峰 “削波”现象，这时将在频谱上出现涡动频率与转速频率的和差频率成 分，即产生 n m 的频率成分(n,m为正整数)。 另外，由于转子振动进入了非线性区，因而在频谱上还会出现幅值升高 了的高次谐波。从实验研究中得到如下几点结论。
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3. 4. 1干靡擦故障的机理和特征



转子与静子之间发生的干摩擦有轻重之分。 轻摩擦，如转子与迷宫密封齿之间的摩擦、轴颈与轴承表面巴氏合金之 间的轻微摩擦属于表面擦伤，由于摩擦力不大，并不影响转子的运动特 性，也不会产生很大的转子振动，机器未停车拆检之前往往没有发现问 题。 重摩擦，是指转子与静止部件之间发生碰撞摩擦，产生较大的摩擦力， 有时甚至发生360的整周接触摩擦，显然这种摩擦就会引起转子很大振 动，并且对机器零部件带来严重损伤。 在摩擦故障的诊断中，局部碰擦和整周接触摩擦的故障特征是不同的， 利用振动信号进行诊断是常用的方法:
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(3)摩擦产生转子热弯曲 一些大型的挠性转子，发生摩擦后产生转子热弯曲变形，变形后将形 成新的不平衡。发生摩擦的转速不同。碰磨点的位置不同.热弯曲后形 成的不平衡情况也是不同的。



如在临界转速以下发生碰摩。因为振动位移方向滞后于原始不平衡力方向 的相位角小于90，碰摩点的方位接近原始不平衡方位.热弯曲后加剧转子的 不平衡量，产生更大的碰靡力，由此形成恶性循环。 如果在临界转速以上发生碰摩，因为振动位移与原始不平衡力之间的相位 角大于90，碰摩方位靠近原始不平衡方位的反方向，热弯曲后可部分抵消 转子的不平衡量，可能会改善转子的振动情况，但是实际热弯曲情况是要 根据转子的振型和碰摩点的位置而定。 大部分挠性转子升速时，在临界转速点附近最易发生碰摩。转子到达工作 转速后可能已脱离了碰摩，但是升速阶段碰摩时所产生的滞后弯曲变形并 不会消失，将在降速过程中反映出来。因此一些发生碰摩的转子，在降速 停机经过临界转速点时的振幅要大于升速经过临界点时的振幅。如果出现 这种情况，需要停机后对转子作较长时间的盘车，以消除热弯曲变形。
7接触力和转子运动之间为非线性关系，使转子产生次 谐波和高次谐波振动响应。 在次谐波响应中，对称型的非线性振动产生奇次谐波响应，不对称型的 非线性振动产生偶次谐波响应。局部碰摩一般是不对称的非线性振动， 因此多数情况下是产生转速频率的1/2次谐波响应。 当转速高于转子一阶自振频率的二倍时，就会激起1/2次谐波共振。但 是，转子实际碰摩情况比较复杂，既有对称型又有不对称型的非线性振 动，因此在转子的振动响应中，既有转速频率成分ω和2ω，3ω ….. 一些高次谐波成分，又有的低次谐波成分ω/i (i=2,3,4, …)。 在低次谐波中，重摩擦时，i=2;轻摩擦时，随着转速升高，出现i=2或3， 4，5，…各个低次谐波。某一转速下i值的大小，取决于转速频率与转 子在碰摩状态下的一阶自振频率比值，当转速频率为一阶自振频率的i 倍时，就将激起ω/i的次谐波共振。 次谐波共振的幅值大小取决于转子的不平衡力、阻尼、外载荷大小、摩 擦副的几何形状以及材料特性等因素，在阻尼足够高的转子系统中，也 可能完全不出现次谐波振动。
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如果转子不旋转.仅由涡动角速度Ω引起转子与静子直接接触的力是不 大的。但是当转子高速旋转时发生碰摩，作用于转子上的反弹力和摩擦 力均很大。 碰摩后的瞬间，转子表现为横向自由振动，振动频率为一阶或多阶转子 自振频率。横向自由振动响应与转子旋转运动、强迫进动运动叠加在一 起，形成一种复杂的转子振动形态。 转子与静子碰摩时，大部分情况下转子作前向进动。反弹力P和切向摩 擦力F的大小，主要受转子不平衡质量的影响。这些力在转子涡动周期 内，按其接触圆弧大小发生变化，因而转子振动情况也在变化。 转子碰摩后发生转速波动，波动幅度大小取决于摩擦转矩的大小，碰摩 瞬时转矩增大，转速瞬间下降，摩擦转矩消失阶段，又会发生短暂时间 的转子扭转振动 转子发生碰摩时相当于在碰摩点处增加了一个支承，改变了转子的刚度。 转子与静子不断发生局部摩擦，刚度在接触(刚度变大)与非接触(刚度 变小)两种情况之间发生变化，刚度变化的频率就是转子的进动频率， 这种周期性变化的刚度使得转子自由振动变为不稳定。
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③利用双踪示波器观察转子的进动方向，如果出现由正向进动变为反向 进动，那就表示转子发生了全摩擦接触。 ④轴心轨迹形状，较轻的局部碰摩，轴心轨迹出现小圆环内圈。随着碰 摩程度的增加，内圈小圆环数增多，旦形状变化不定。轨迹图上键相位 的位置不稳定，出现快速跳动现象。当发生整周摩擦时，轴心轨迹形状 像花瓣形，键相位信号数目不变。在重摩擦转子中，往往出现ω/2的频 率成分，其轴心轨迹形状为“8”字形。
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转轴弯曲所形成的涡动激振力Fu是由转子本身旋转产生的，使输人转子 系统的能量增加，这种由运动本身产生并提供能量的振动就是自激振动。 力Fu是与转子弯曲情况相配合的，转子的弯曲次数即为Fu出现的次数， 转子按其弹性线弯曲的振动频率即为自振颇率。因此，由材料弹性滞后 所引起的振动频率就是轴系的自振频率，通常为转子的一阶自振频率。 从上面分析中看出，只有ω>Ω时，转子才会形成自激，因此材料弹性 滞后产生的自激振动多发生在挠性转子中。如果ω<Ω则P1->P2->P3是 纤维的缩短过程， P3->P2->P1是纤维的伸长过程，与弹性滞迟回线对 应，可得到应力中性线是在图—69(C)中的第2、4象限，合力F仍是从拉 伸侧指向压缩侧，则分力与涡动方向相反，起到对涡动的阻尼作用。
3.4 转子摩擦故障诊断
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转子发生摩擦故障，从机理上分析有两类情况

①转子与静子零部件发生干摩擦，这是最常见的摩擦故障。

例如:高速旋转的转子与迷宫密封件之间的摩擦，叶轮口环与密封环之间的 摩擦，叶轮与隔板之间的摩擦，轴颈与轴承之间的摩擦，轴与浮动环之间 的摩擦等。
这类摩擦故障的起因，可能是转子与静子之间的安装间隙太小、轴承间隙 太大或太小、轴存在挠曲变形、轴位移量过大或轴有蹿动、转子与静子部 件热膨胀量不一致、润滑系统故障以及其他原因引起的转子大振动(如:过 大的不平衡、不对中、油膜振荡、流体激振、转子和轴承系统的共振等)。 机器在工作中如果发生摩擦，不仅会产生转子或大或小的振动，同时也会 带来零部件的损伤甚至引发重大的破坏性事故。 对于摩擦故障，需要查找出发生转子摩擦的直接或间接原因。只有找到并 消除第一故障源，才能从根本上解决摩擦故障问题。
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图 (a), (b)分别表示轻摩擦转子与重摩擦转子的三坐标图和轴心轨迹。 图(a)为轻摩擦转子，频谱中除了出现工频ω和2ω，3ω的高次谐波成 分之外，在不同转速下出现ω/2或ω/3，ω/4，ω/5的低次谐波成分。 随着转速的升高，次谐波的阶次由高变低，某一转速下出现的次谐波在 图中横坐标上对应的频率，实际上就是转子在该状态下的一阶自振频率。 图(b)为重摩擦转子，随着转速升高，频谱中明显地显示出ω/2谐波成 分，以及ω/2和ω的高次谐波成分。另外，从轴心轨迹上观察，所有次 谐波成分的轨迹图都是向左上方倾斜的:对次谐波进行相位分析，垂直 和水平方向上的相位差为180

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3. 4. 2转子内摩擦引起失稳的机理
(1)转轴材料弹性滞后引起的不稳定振动

转子旋转时，由于离心力的作用使 轴弯曲，弯曲的结果是轴外侧部分 材料纤维受拉伸，内侧部分受压缩。 如果轴的转速ω与涡动速度Ω相等 时，则拉伸部分材料纤维永远为拉 伸，压缩部分永远为压缩; 如 果 ，则转轴上各段纤维依次 受到交变拉伸和压缩，如图a所示。
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从截面上看，轴如果作顺时针方向旋转，涡动方向也是顺时针的，在图 示这个位置上，断面中性线A- A以上的材料受到拉伸，A-A以下的材料 受到压缩，因此A-A为应变中性线。 假定轴旋转时ω>Ω，轴载面上受拉伸点P1(以“+”号表示拉伸)将逐渐 进入到压缩区，压缩点P3〔以“-”号表示压缩)将逐渐进入到拉伸区， 图中P1->P2->P3是纤维的缩短过程，P3->P2->P1是纤维的伸长过程。 根据材料弹性滞后性质，图(b)的回线下半部表示纤维的缩短过程，在 P1和P2之间经过无应力点Q1(σ=0);回线上半部表示纤维的伸长过程， 在P3和P4之间经过无应力点Q2，因此Q1Q2为σ=0的应力中性线。 由此可见，由于材料的弹性滞后，轴截面上的应力中性线与应变中性线 不重合，倾斜一个角度φ。应力中性线的上半侧为拉伸应力(以“+”号 表示)，下半侧为压缩应力(以“-”号表示)，其合力F垂直应力中性线， 从拉伸侧指向压缩侧。如把F力分解为与转子位移垂直的分量Fu和位移 相反方向的分量Fr， 则Fr指向涡动中心O，即为弹性恢复力，而Fu与涡 动方向一致，它将加剧转子涡动运动，引起转子失稳。
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因为实际材料不具有完全弹性性质， 材料在卸载时某一应变的弹性力总 是小于加载时同一应变下的弹性力， 即应力、应变的加载曲线位于卸载 曲线之上，构成一条滞迟回线，如 图b所示。 因此，材料在加载时作的功大于卸 载时释放的功，这部分耗散的能量 转变为热量，回线所围面积即为耗 散能。

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研究一垂直转轴(这样可不考虑转子自重影响)，轴中间装一圆盘，当轴 挠曲涡动时，质心S将围绕旋转中心O进行涡动。取轴的一个截面，轴涡 动的某瞬间位置如图（c)所示。
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转子碰摩后的热弯曲变形将引起转 子的振动矢量变化。如图所示，转 子原始不平衡引起的振动矢量为Ac, 摩擦接触点滞后原始不平衡点，由 摩擦热弯曲变形引起的振动矢量为 At，其合成矢量Am可作为新的不平 衡矢量。 随着摩擦的继续，摩擦的滞后角不 变，摩擦热弯曲变形引起的振动矢 量由At，变为At’，其合成矢量变为 Am’，这样反映在转子上的振幅和相 位均会随时间变化，振动矢量的旋 转方向与转子的旋转方向相反。
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事实上，转子与静子发生碰撞摩擦的振动特性还要复杂，已有不少学者 进行了研究。从机理上分析，转子发生碰摩时存在如图所示的几种力: N—正压力.此力决定摩擦力的大小; P—反弹力，由于静子的弹性变形而施加于转子上的反作用力， K—附加弹性力，由于碰摩时转子刚度变化而作用于转子上的力; F—摩擦力，F=uN,u为摩擦因数。
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①在刚开始发生摩擦接触情况下.由于转子不平衡，转速频率成分幅值 较高。高次谐波中第二、第三次谐波一般并不太高。第二次谐波幅值必 定大于第三次谐波。随着转子摩擦接触弧的增加，由于摩擦起到附加支 承作用，转速频率幅值有所下降，第二，第三次谐波幅值由于附加的非 线性作用而有明显增大。 ②转子在超过临界转速时，如果发生360全摩擦接触，将会产生很强的 摩擦切向力，此力可引起转子的完全失稳:在转子的振动响应中将含有 幅值很高的次谐波成分，该成分一般为转子发生摩擦时的一阶自振频率 (注意转子发生摩擦时相当于增加了一个支承。使自振频率升高)。除此 之外，还会出现转速频率与振动频率之间的和差频率成分「例如.重摩 擦时频谱图上可出现以半频0.5ω为主的主频，还有半频与工频组成的 和差组合频率1.5ω、2ω、2.5ω…….等成分]。