旋转机械故障诊断优秀课件
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旋转机械故障诊断
大型汽轮机外形及转子
多级汽轮机转子
转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡
6．1 动力学特征及信号特点
▪ 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
6．1．1 转子特性
▪ 转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上 的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等） 所组成。
临界转速会变吗？
▪ 一般不会改变：因为临界转速是固有特性， 是与生俱有的；
▪ 偶尔也会改变：
1. 设备运行故障：松动、轴承损坏等； 2. 设备大修后：更换轴瓦、改变过盈量等。
6．1．2 转子—轴承系统的稳定性 (油膜涡动与油膜振荡)
▪ 转子——轴承系统的稳定性是指转子在受到某种 小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态 的能力。
同步振动：振动频率 = 工作频率 强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应
➢ 柔性转子系统：工作转速在一阶临界转速以上
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
转 子 转 速 r/min
涡动频率 c/min
油膜涡动与油膜振荡的发生条件
▪ 只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润 滑轴承上不发生。
▪ 油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上 （柔性转子）。
油膜涡动与油膜振荡的信号特征
① 油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持 =（0.42～f 0.48）fn，轴心轨迹f双椭圆； ② 油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有 频率附近，不随转速变化；轴心轨迹不规则，波 形幅度不稳定，相位突变。 ③ 两者的振动随油温变化明显。
▪源自文库半速涡动
➢ 因为油具有黏性，所以 轴颈表面的油流速度与 轴颈线速度相同，均为 rω，而轴瓦表面的油 流速度为0
➢ 假设油流速度呈直线分 布
➢ 轴颈某一直径扫过的面 积，即为油楔入口与出 口的流量差
r ω lC ed tr ω lC ed t2 rΩ le d dtQ
2
2
1
1
dQ
当轴承两端泄漏量 dQ 0
▪ 涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可 以是反向的（与轴旋转方向相反）；
▪ 涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步 的。
油膜涡动的机理
▪ 轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面
大于出口断面的油楔，则轴颈从油楔间隙大的地 方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量， 由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推 向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动， 涡动速度就是油楔本身的前进速度。 ▪ 研究表明，涡动的速度大约是转子转动速度的一 半，所以又称为半速涡动。
▪ 一个转子的轴系，具有一个自由度，有一个临界 转速；二个转子，二个自由度，有二个临界转速， 依次类推；
▪ 转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1； ▪ 只有前几阶临界转速工程上有实际意义。
避让临界转速
▪ 刚性转子 n<0.75 nc1 ▪ 柔性转子 1.4 nc1 < n <0.7 nc2 式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。
频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加 剧。 ▪ 如果转子的转速升高到第一临界转速的2倍以上时， 半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会 发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。 这种现象称为油膜振荡，如图1（c）、（d）所 示。 ▪ 油膜振荡极具危害性。
油膜振荡的图谱特征
▪ 轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中 的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅， 频谱会呈现组合频率的特征；
➢ 中载转子
过了一阶临界转速后会出现半速涡动 油膜振荡在二倍的一阶临界转速之后出现
➢ 重载转子
低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达 到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很 大的振动
转速达到两倍的一阶临界转速之后的某一转速 时，突然发生油膜振荡
轴承升速过程振动瀑布图
从油膜涡动发展到油膜振荡
高压转子 中压转子 低压转子
发电机转子
三个中心：质量、几何、回转中心
转子三个中心： 几何中心S； 质量中心G； 回转中心O。
不重合是必然的； 重合是偶然的。
刚性转子与柔性转子
▪ 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 属于刚性转子系统
动压轴承工作状态
轴颈在轴承内旋转时油膜压力分布
θ－偏位角 e －偏心距 c －平均间隙，c = R-r ψ－相对间隙， ψ＝c / r ε－相对偏心率， ε= e / r hmin －最小油膜厚度 hmin = c – e = c(1- ε)
涡动的概念
▪ 涡动是转子轴颈在作高速旋转（自转）的同时， 还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动；
dt
时，可得：
2 2reldt
Ω 1ω 2
油膜涡动不必惊慌
▪ 涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是 一种比较平静的转子涡动运动，转子仍能平稳地工 作；
▪ 轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图1-5（a)所示。
油膜涡动与油膜振荡图谱
油膜振荡十分可怕
▪ 随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，
柔性转子的临界转速
▪ 柔性转子在起、停车过程中，它必定要通过固有 频率这个位置，此时机组将发生共振；
▪ 而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的 幅值都不会太大，共振点是一个临界点。
▪ 机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。
临界转速与自由度数目相等
▪ 转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由 度数目相等。
▪ 若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变， 始终等于转子的一阶临界转速，即Ω＝ωc1 。
油膜涡动与油膜振荡的特征
➢ 轻载转子
在一阶临界转速之前就可能发生不稳定的半速 涡动，但不产生大幅度的振动
越过一阶临界转速后振幅减少 当达到两倍一阶临界转速时，振幅增大并且不
随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡
故障原因
➢ 轴承参数设计不合理 ➢ 轴承制造不符合技术要求 ➢ 安装不当 ➢ 油温或油压不当 ➢ 润滑不良 ➢ 轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等
大型汽轮机外形及转子
多级汽轮机转子
转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡
6．1 动力学特征及信号特点
▪ 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
6．1．1 转子特性
▪ 转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上 的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等） 所组成。
临界转速会变吗？
▪ 一般不会改变：因为临界转速是固有特性， 是与生俱有的；
▪ 偶尔也会改变：
1. 设备运行故障：松动、轴承损坏等； 2. 设备大修后：更换轴瓦、改变过盈量等。
6．1．2 转子—轴承系统的稳定性 (油膜涡动与油膜振荡)
▪ 转子——轴承系统的稳定性是指转子在受到某种 小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态 的能力。
同步振动：振动频率 = 工作频率 强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应
➢ 柔性转子系统：工作转速在一阶临界转速以上
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
转 子 转 速 r/min
涡动频率 c/min
油膜涡动与油膜振荡的发生条件
▪ 只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润 滑轴承上不发生。
▪ 油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上 （柔性转子）。
油膜涡动与油膜振荡的信号特征
① 油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持 =（0.42～f 0.48）fn，轴心轨迹f双椭圆； ② 油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有 频率附近，不随转速变化；轴心轨迹不规则，波 形幅度不稳定，相位突变。 ③ 两者的振动随油温变化明显。
▪源自文库半速涡动
➢ 因为油具有黏性，所以 轴颈表面的油流速度与 轴颈线速度相同，均为 rω，而轴瓦表面的油 流速度为0
➢ 假设油流速度呈直线分 布
➢ 轴颈某一直径扫过的面 积，即为油楔入口与出 口的流量差
r ω lC ed tr ω lC ed t2 rΩ le d dtQ
2
2
1
1
dQ
当轴承两端泄漏量 dQ 0
▪ 涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可 以是反向的（与轴旋转方向相反）；
▪ 涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步 的。
油膜涡动的机理
▪ 轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面
大于出口断面的油楔，则轴颈从油楔间隙大的地 方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量， 由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推 向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动， 涡动速度就是油楔本身的前进速度。 ▪ 研究表明，涡动的速度大约是转子转动速度的一 半，所以又称为半速涡动。
▪ 一个转子的轴系，具有一个自由度，有一个临界 转速；二个转子，二个自由度，有二个临界转速， 依次类推；
▪ 转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1； ▪ 只有前几阶临界转速工程上有实际意义。
避让临界转速
▪ 刚性转子 n<0.75 nc1 ▪ 柔性转子 1.4 nc1 < n <0.7 nc2 式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。
频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加 剧。 ▪ 如果转子的转速升高到第一临界转速的2倍以上时， 半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会 发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。 这种现象称为油膜振荡，如图1（c）、（d）所 示。 ▪ 油膜振荡极具危害性。
油膜振荡的图谱特征
▪ 轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中 的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅， 频谱会呈现组合频率的特征；
➢ 中载转子
过了一阶临界转速后会出现半速涡动 油膜振荡在二倍的一阶临界转速之后出现
➢ 重载转子
低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达 到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很 大的振动
转速达到两倍的一阶临界转速之后的某一转速 时，突然发生油膜振荡
轴承升速过程振动瀑布图
从油膜涡动发展到油膜振荡
高压转子 中压转子 低压转子
发电机转子
三个中心：质量、几何、回转中心
转子三个中心： 几何中心S； 质量中心G； 回转中心O。
不重合是必然的； 重合是偶然的。
刚性转子与柔性转子
▪ 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 属于刚性转子系统
动压轴承工作状态
轴颈在轴承内旋转时油膜压力分布
θ－偏位角 e －偏心距 c －平均间隙，c = R-r ψ－相对间隙， ψ＝c / r ε－相对偏心率， ε= e / r hmin －最小油膜厚度 hmin = c – e = c(1- ε)
涡动的概念
▪ 涡动是转子轴颈在作高速旋转（自转）的同时， 还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动；
dt
时，可得：
2 2reldt
Ω 1ω 2
油膜涡动不必惊慌
▪ 涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是 一种比较平静的转子涡动运动，转子仍能平稳地工 作；
▪ 轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图1-5（a)所示。
油膜涡动与油膜振荡图谱
油膜振荡十分可怕
▪ 随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，
柔性转子的临界转速
▪ 柔性转子在起、停车过程中，它必定要通过固有 频率这个位置，此时机组将发生共振；
▪ 而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的 幅值都不会太大，共振点是一个临界点。
▪ 机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。
临界转速与自由度数目相等
▪ 转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由 度数目相等。
▪ 若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变， 始终等于转子的一阶临界转速，即Ω＝ωc1 。
油膜涡动与油膜振荡的特征
➢ 轻载转子
在一阶临界转速之前就可能发生不稳定的半速 涡动，但不产生大幅度的振动
越过一阶临界转速后振幅减少 当达到两倍一阶临界转速时，振幅增大并且不
随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡
故障原因
➢ 轴承参数设计不合理 ➢ 轴承制造不符合技术要求 ➢ 安装不当 ➢ 油温或油压不当 ➢ 润滑不良 ➢ 轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等