大型旋转机械的状态监测与故障诊断

大型旋转机械的状态监测与故障诊断大型旋转机械作为连续化工生产的单系列心脏设备，对其运行的可靠性有非常高的要求，要求它在装置的运行周期内必须稳定的运转。

对其进行准确的状态监测和故障诊断就显得尤为重要，必须随时准确的掌握其运行状态，并且在其出现异常时，能够准确的分析出异常原因，找出对策。

再不影响其安全运行的基础上进行故障运行或进行特护，以优化生产与设备维护的时间。

本章节对公司内普遍采用的在线及离线状态监测与故障诊断系统作一介绍，并对机组出现的常见故障作一些介绍，并根据经验，教授一些实际处理问题的方法。

第一节：基本参量与监测系统一部运转的机器，都伴有振动信号的产生，它的变化常常隐含着初期故障特征信号，因此需对振动信号进行监测，这种监测方法有以下特点：1.方便性：利用现代的各种振动传感器及二次仪表，可以很方便的检测出设备振动的信号。

2.在线性：监测可以在现场以及在设备正常运转的情况下进行。

3.无损性：在监测过程中，通常不会给研究对象造成任何形式的损坏。

但是一部机械是非常复杂的，仅仅靠振动信号来判断它是否正常，显然不够，这就需要对它多方面进行了解，亦即需要对多方面的参量进行测量。

每一种故障在下列参数上均有不同表现，因此测量以下基本参数，再通过分析，可以掌握机器的运转状态。

基本参量一. 振动参量1.振幅振幅值有三个单位，即振动位移(μm)，速度(mm/s)，加速度(mm/s2)，都是振动强度的标志，用来表明机器运行是否平稳，振动位移是通过非接触式的电涡流传感器直接测量的轴与轴承座（探头安装的基础）的相对位移量。

振动速度与加速度是通过测量机壳而得到的振动数据。

振动速度是通过惯性式速度传感器（磁力线圈）测量的，而加速度是通过压电式加速度传感器测量的，振动位移，速度，加速度三者之间的关系是微积分关系D=∫vdt=∫∫adt。

三者在实际应用中是相辅相成的，有时对异常的信号需要对两个参数进行测量，以求精确的掌握机组运行状态。

2.频率振动频率常表示为机器运转的倍数，其原因主要是机器的振动频率趋向于机器的整数倍或分数倍。

下面简单介绍一下几种振动与频率的关系。

a)强迫振动问题：指由外来确定的扰动力应起的振动问题，而振动本身并不反过来影响扰动力，比如由于质量不平衡引起的强迫振动，发电机转子不均匀磁拉力而引起的强迫振动。

强迫振动问题的特点在于强迫振动的频率总是等于扰动力频率。

由质量不平衡力引起的强迫振动其频率恒等于转速。

由3000 rpm二极发电机不均匀磁拉力引起的强迫振动，其频率为6000rpm即100Hz。

b)自激振动问题：第二类是属于自激振动问题。

自激振动的引起归之于转子--支承系统中存在某一机械能量办反馈环节。

这一反馈环节使转子从转动中获取能量，并转变为某一特定频率下的横向振动能量（一般不等于转速），而这一横向振动又通过反馈环节进一步从转动中取得能量，从而加剧了横向振动，直至获取的能量等于消耗于阻尼的能量，则振动稳定在某一极限环上。

实际上，有时自激振动未到达极限环之前，转子已不允许再运转或已引起破坏。

这些在转子--支承系统中出现的自激振动现象有油膜半速涡动和油膜振荡；由于转子的内阻而引起的不稳定自激振动；由于动静部分间的干摩擦而引起的自激振动以及由于不均匀蒸汽泄漏所引起的气隙振荡（蒸汽轮机）等等。

c)非定常强迫振动问题：第三类是属于非定常强迫振动。

这一类问题在性质上是属于强迫振动，因为振动仍然是由外来扰动力所引起的，而且与扰动力具有相同的频率。

但不同的是振动本身又反过来影响扰动力的大小与相位。

这样，它虽属强迫振动，但强迫振动的幅值与相位是在变化的。

比如转子轴上某一局部出现不均匀热变形，它相当于给转子增添了不平稳质量，从而使强迫振动的幅值和相位都发生了变化，而当强迫振动的幅值和相位发生变化时，反过来又影响转子轴上局部不均匀热变形的部位。

这样，表现出来的强迫振动，其幅值和相位都在连续不断地变化。

这里暂且将这类强迫振动称之为不定常强迫振动，并单列为一类。

3.相角就是利用键相器描述一特定时刻转子的位置，通过这一相角，可以确定转子的平衡状态及转子上残留的非平衡重的位置。

在故障诊断中，相角具有很大作用，在一些不同的故障中，相角有不同的特点，比如在关于不平衡及不对中的区分中。

有时相角的测量与比较是影响测量判定效果的直接因素，通过测量同一轴承座各个方向上的相位角及两端轴承座上各测点的相位角，为准确判断提供了依据。

4.振动形式振动形式是显示在示波器上的原始振动波形，有两种形式：振动的时域波形：轴心轨迹：5.振型转子在一定转速下，沿轴向的一种变形。

二. 位置参量1.轴在轴承内的径向位置径向位置是指转子在轴承内的径向位置。

在出现重大负荷情况下，因偏心较大，振幅并不增大，但可能由于偏心太大而发生故障，在这种情况下必须及时检查偏心位置，才能做出早期预报，径向位置的检查非常简单，只需察看电涡流传感器反应的间隙电压即可。

2.轴向位置转子运行中的轴向位置关系到机器的安全运行。

在监测中对同一监测点一般选用两只以上的探头同时监测。

它能比较容易的反映止推轴承的工作情况。

3.偏心度峰—峰值测量转子静态时的弯曲量，特别是发电用大型蒸汽透平机，在启动时必须测量转子静弯曲量。

当低于允许的弯曲量时，可以启动，以防止引起密封件与转子之间的摩擦。

另外在往复式压缩机的连杆（水平式）上，有时安装探头，以测量其下降程度，以便监测活塞托瓦的磨损量。

4.差涨，机壳膨胀，对中（各机壳之间）三. 其他测量参数1.机器的转速用以找出振动与转速的关系。

2.温度这是机械的重要参数，轴承处温度能直接反映轴承工作状况。

3.相关性测量各工艺状况参数（T、P、V）及其它一些可能影响机器运行状态的外部参数，分析它们的相互关系对优化生产维修时间、帮助决策有很大作用。

监测系统监测系统分为离线监测系统和在线监测系统，它们在实际工作中相辅相成，不可或缺。

一. 在线监测系统对机组运行参数进行不间断监测的系统。

我们以公司大机组普遍采用的Bently监测系统来进行说明。

其特点是：能够连续的监测机组运行状态，而且与联锁保护相连；另外，新型号的表还附加了后续故障诊断系统，但是价格昂贵；测点固定，监测手段固定，时实数据丰富，分析手段较少，数据管理性较差。

指示表二. 离线监测系统一种巡检系统，在机组需要时进行测试，以明确机组的运行状况或判断设备故障。

离线状态监测的分析手段很多，较在线系统有很多优点，诸如使用灵活，分析精密，数据便于管理等，而与在线监测相比则缺少了监测的连续性。

下面就介绍一下我公司的离线监测仪器及系统。

三. 在线监测系统与离线监测系统的相互关系我公司的大型机组，绝大部分带有Bently监测系统，对机组进行实时在线监测与保护。

对于出现异常的设备，采用专用仪器（离线手段）通过在线系统进行数据采集与故障分析。

对于特护的设备，离线手段可以临时实时服务于现场，以监测故障部位的运行有是用于机组的开停车，监视、采集开停车数据。

第二节：大型旋转机械典型故障的诊断及处理方法一. 转子不平衡故障1． 转子不平衡的概念及特征众所周知，旋转机械的转子由于受材料质量和加工技术等各方面的影响，转子上的质量分布相对于旋转中心线不可能绝对地轴对称的，因此任何一个转子不可能做到“绝对平衡”，转子质量中心和旋转中心线之间总是有一定的偏心距存在，这就使得转子旋转时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，使机器发生振动。

我们把产生离心力的原因——旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做“不平衡”，也可以认为，不平衡就是指处于平衡状态的旋转体上存在多余（或不足）的质量。

ωF=MR ω2转子不平衡式旋转机械主要的激振源，也是许多种自激振动的触发因素。

不平衡会引起转子的挠曲和内应力，实际其产生振动和噪音，加速轴承、气封等部件的磨损，降低机器的工作效率，引发各种事故。

因为所有转动设备均存在这种不平衡振动，只有这种不平衡振动超过机器的设定标准，才称之为不平衡故障。

转子不平衡故障特征是：1)在转子径向测点的频谱图上，转速频率成分具有突出的峰值；2)转子频率的高次谐波幅值很低，因此反映在时域上的波形很接近于一个正弦波；3)除了悬臂转子之外，对于普通两端支撑的转子，轴向测点上的振值一般并不明显；4)垂直与水平的振动相位相差90°，在轴心轨迹上表现为近似一个圆。

2．常见不平衡振动的机械原因1)固有不平衡即使机组在制造过程中对各个转子以作了动平衡，当时在连接起来的转子系统中还是不可避免的出现某些固有不平衡，其不平衡原因有：a)各个转子残余不平衡的积累结果；b)平衡方法、平衡转速不对，于机器实际使用情况差别较大；c)转子由于材质不良，热处理不当，安装、运输过程中的碰撞，运转过程中的碰摩而产生永久性弯曲。

2)叶片飞离由于缺少质量，引起不平衡。

3)转子弯曲a)永久性弯曲b)由于转子和静子之间发生间歇性的局部摩擦产生热量引起转子的临时性弯曲；转子不均匀受热所引起的临时性弯曲。

c)转子自重或外力影响引起的临时性弯曲。

3．刚性转子与挠性转子的动平衡技术1)刚性转子的动平衡技术。

从转子平衡观点看，工作中的转子可分为刚性转子和挠性转子两类。

转子在较低转速下运行时（一般认为工作转速低于其临界转速的0.5倍），由于离心力产生的动挠度变形很小，可以忽略不计，转子可以看作不发生变形的“刚体”，这种转子成为刚性转子。

但在高速时（工作转速通过一阶临界转速的0.7倍）,由于分布在轴向不同位置上的不平衡力作用，转子产生很大的挠度变形，轴向弯矩增大，轴承振动也随之增大，这种转子就不能视为“刚性”，成为挠性。

刚性转子因为不考虑挠曲变形的影响，因而可以在转子上任意选择一个或两个平衡校正面进行不平衡量的校正，经过平衡校正后的转子，在最高转速范围以内，其不平衡量都不应该有明显变化。

大部分刚性转子按照其厚度不同、结构形式和平衡工艺的要求不同，分为静平衡和动平衡两种方法，或称单面平衡和双面平衡，也有少数刚性转子（如曲轴一类）采用多面平衡。

2)挠性转子的动平衡技术。

转子在高速时（工作转速通过一阶临界转速的0.7倍）,由于分布在轴向不同位置上的不平衡力作用，转子产生很大的挠度变形，轴向弯矩增大，轴承振动也随之增大，这种转子就不能视为“刚性”，成为挠性。

由于挠性转子的工作转速超过转子的一阶临界转速，这时转子因挠曲变形而产生的质心偏移将增大离心力的作用，而且挠曲变形又是随着转速的变化而变化的，因此它的平衡原理不同于刚性转子。

由上式看出，转速变化，转子上离心力也跟随变化，由于转子的挠曲情况不一样，就不能保证在一种转速下平衡后，其它转速下也能平衡，因此挠性转于的平衡效果不仅和校正质量在转子上的轴向位置有关，也和转速有关，这就不同于刚性转子平衡。

在实际中，对于挠性转子而言，新转子必须作高速动平衡，否则极有可能在低速动平衡中起到反作用。