转子系统的故障机理及其诊断技术
转子系统的故障机理及诊断技术
第六章转子系统的故障机理及诊断技术第一节概述旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，统称为机器。
旋转机械故障是指机器的功能失常，即其动态性能劣化，不符合技术要求。
例如，机器运行失稳，机器发生异常振动和噪声，机器的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。
机器发生故障的原因不同，所生产的信息也不一样，根据机器特有的信息，可以对机器故障进行诊断。
但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障因素耦合结果，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。
对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患者的治疗。
医生基于病理需要向患者询问病、病史。
切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。
同样，对旋转机械的故障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机器大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析。
例如，对于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一部分；而流体机械的负荷变化，以及介质的温度、压力和流量等，对机器的运行状态有重要的影响，往往是造成机器发生异常振动和运行失稳的重要因素。
因此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。
旋转机械的故障来源及其主要原因，见表6-1。
表6-1 旋转机械故障的来源及主要原因第二节转子振动的基本概念旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子是其主要的部件。
转子系统及不对中故障
航空发动机转子系统的结构包括：转子结构、转子支承方案与转子支承结构等三部分。
转子是发动机的重要部件，其结构设计很大程度上影响发动机的重量、可靠性和振动特性等。
在上个世纪六十年代研制的斯贝发动机中那种复杂的转子结构和支承方案的布局，在现今的发动机中已见不到了，取而代之的是简单、紧凑的焊接转子结构与支点数目较少的支承方案。
1.转子结构转子可分为三种基本结构形式：鼓式、盘式和混合式。
鼓式转子：鼓式转子的基本构件是一圆柱形或圆锥形鼓筒，借安装边和螺栓等与前后轴颈连成一体。
鼓筒外表面加工有环向或纵向燕尾形槽，用来安装工作叶片。
图示为一种涡扇式发动机的低压压气机转子，是典型的鼓式转子结构。
鼓筒分为前后两段，每段又由三段通过氩弧焊对接焊成。
前段带有前轴颈，后段带有后轴颈。
前后两段用24个精密螺栓连接，其中3个是圆柱形螺栓，起装配定心作用，其余为锥形螺栓，工作时定心传扭。
盘式转子：盘式转子由一组轮盘和中心轴组成，扭矩通过盘轴传递。
与鼓式转子相比，盘式转子强度好；主要缺点是抗弯刚性差，并容易产生振动。
混合式转子：混合式转子由盘、鼓筒和轴等部件组成。
鼓筒和轮盘做成一体或者单独制成。
扭矩由轴、盘或轴、鼓、盘逐级传递。
混合式转子兼有鼓式转子抗弯刚性好久盘式转子强度好的优点。
如图为某发动机的核心机转子结构图，是一典型的混合式转子。
该转子压气机部分共九级，由一级涡轮带动，压气机与涡轮通过鼓筒轴用短螺栓连接。
压气机的第三级盘处与前轴颈连接，后轴与压气机后封严*齿盘相连接。
这几处的连接均采用带自锁螺母的短螺栓。
压气机后与涡轮盘前均设有*齿封压盘。
压气机的前两级钛合金盘焊成一体，4~9级镍基合金盘焊成一体，焊接方式均采用摩擦焊。
该转子的两处*齿环均带有盘，这是由于该转子的转速较高，其产生的离心符合较大。
*齿盘的结构在现代高转速发动机的核心机转子上被广泛采用。
旋转机器一般是多转子轴承系统,转子与转子之间需要用联轴器连接,转子本身又由轴承支承。
感应电机定子或转子电气故障原因和处理方法
感应电机定子或转子电气故障原因和处理方法电气故障，在定子或转子上发生，可以有不同的故障类型和不同的故障缘由。
如电源电压不平衡或者是频繁起动都会导致定子线圈过热，最终导致绝缘子的局部破坏。
同样的，施加在导体上的电动阻力会导致机械振动，也可能使绝缘恶化。
1、定子故障定子故障是最常见故障之一。
本文主要分析定子铁芯、定子绕组匝间短路和绕组绝缘三类故障的形成缘由。
1.1 铁芯故障感应电机定子铁芯是用硅钢片夹紧铁芯固定在定子支架上，正由于这个结构，假如损伤了定子铁芯，就会形成定子片间短路。
定子消失高温、大环路电流、绝缘材料高温分解现象。
流过铁芯短路位置的电流不断增大。
大到肯定程度，定子铁芯硅钢片就会被熔化，导致定子槽中绝缘绕组被烧化，此时必需更换线圈。
此种故障产生缘由多为制造缺陷，电机猛烈振动导致的电机定子铁芯片间绝缘损坏也是故障诱因之一。
（1）铁芯多点接地故障。
当铁芯多点接地发生故障后，会伴随许多奇怪的现象，如：绕组过热、绝缘损耗和老化、接地线路被烧断、铁损增大、铁芯过热。
（2）铁芯过热故障。
铁芯过热故障的缘由通常包括：不正常接地、绝缘损坏、定子绕组匝间短路、过载运行等。
铁芯过热多发生在夹件与铁芯上。
1.2 绕组绝原因障感应电机的故障往往是由于绕组绝缘空洞或混有杂质等缺陷造成的。
绝缘缺陷主要是生产过程中造成的，因此电机的运行状况与使用寿命与生产工艺息息相关。
绝缘缺陷和绝缘老化导致的绝原因障都表现为电机内活动性放电量增加，通过一些检测试验可以获得绝缘老化的一些数据参数，通过分析能够推断绝缘老化的程度和缘由。
1.3 定子绕组匝间短路故障定子绕组匝间短路也是感应电机常见故障之一，故障缘由主要有生产工艺不合格和不正常的运行两个方面引起。
1.3.1 定子故障的进展过程感应电机定子故障的最初阶段，电机仍可正常运行，功率、电压及震惊也都在正常范围之内，但此时电机定子磁场已发生转变，定子电流中可以检测到故障特征。
这里我们采纳了定子电流法诊断感应电机定子故障，随着故障的恶化，电机正常运行受到影响，震惊加剧，输出转矩波动，电机工况特别，故障即将爆发。
不对中故障机理与诊断
不对中故障机理与诊断大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。
由于机器的安装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等，有可能会造成机器工作时各转子轴线之间产生不对中。
具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。
一、转子不对中的类型如图1-1所示，转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。
轴颈在轴承中偏斜称为轴承不对中。
轴承不对中本身不会产生振动，它主要影响到油膜性能和阻尼。
在转子不平衡情况下，由于轴承不对中对不平衡力的反作用，会出现工频振动。
机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称为轴系不对中。
通常所讲的不对中多指轴系不对中。
造成轴系不对中的原因有安装误差、管道应变影响、温度变化热变形、基础沉降不均等。
由于不对中，将导致轴向、径向交变力，引起轴向振动和径向振动。
由于不对中引起的振动会随不对中严重程度的增加而增大。
不对中是非常普遍的故障，即使采用自动调位轴承和可调节联轴器也难以使轴系及轴承绝对对中。
当对中超差过大时，会对设备造成一系列有害的影响，如联轴节咬死、轴承碰磨、油膜失稳、轴挠曲变形增大等，严重时将造成灾难性事故。
J.—_…L一如图1-2所示，轴系不对中一般可分为以下三种情况:(1)轴线平行位移，称为平行不对中；(2)轴线交叉成一角度，称为角度不对中；(3)轴线位移且交叉，称为综合不对中。
图1-2齿式联轴器转子不对中形式二、不对中振动的机理大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中小设备多用固定式刚性联轴器，不同类型联轴器及不同类型的不对中情况，振动特征不尽相同，在此分别加以说明。
1.齿式联轴器连接不对中的振动机理齿式联轴器由两个具有外齿环的半联轴器和具有内齿环的中间齿套组成。
两个半联轴器分别与主动轴和被动轴连接。
火力发电厂汽轮机转子常见故障浅析与诊断
火力发电厂汽轮机转子常见故障浅析与诊断摘要：汽轮机是火力发电厂中重要的转动设备，是常用的机械设备。
转子是汽轮机的主要部件，汽轮机转子的安全性直接关系到汽轮机的正常使用，为了进一步提高汽轮机的稳定性，充分发挥汽轮机的作用，就要了解汽轮机转子运行的故障原因以及故障排除方法。
汽轮机转子运行状态的重要指标是振动信号，汽轮机在不同工作状态下的振动信号是工作人员了解汽轮机转子是否发生故障以及故障种类的重要指标，是保障汽轮机运行安全和工作人员人身安全的重要依据。
关键词：汽轮机转子；故障分析；技术诊断前言随着工业的进一步发展，工业机械设设备也进行了革新，汽轮机作为工业生产中的重要旋转设备也得到了全面的发展。
在火电厂中，汽轮机是必不可少的，其运转情况直接关系到火电厂进行电力生产的稳定性和电厂的经济效益。
汽轮机转子是汽轮机的重要部件，有着较高的故障率，转子运转中产生的异常振动会在一定程度上增大转子的负荷。
此时，如果对转子有着不科学的处理就会出现机组磨碰现象，进而使转子的主轴发生弯曲，对汽轮机的运行产生很大影响。
在实际工作中，为了找出汽轮机转子的故障原因就必须要对汽轮机振动程度进行分析，通过建立实验模型来证明，进而找出转子故障原因，最后依据原因来制定合理的故障排除方案。
经过维修后要对汽轮机进行测试，如果存在振动继续进行故障排除工作，依据振动检测的方法来实现汽轮机转子故障分析及诊断需要较多时间和人力物力，但是这种方法的可靠性强。
一、汽轮机故障基本分析方法（一）汽轮机转子故障问题汽轮机工作过程中，转子发生故障直接影响到汽轮机的运行，汽轮机转子发生故障会伴随着振动信号的产生，通过对产生的振动信号的分析来确定汽轮机转子发生故障的类型、严重程度等。
通常来讲，要对转子振动信号行进较为精确的测量，对测量的结果进行逐一分析，经过长期实践和理论的研究得出，转子故障时一般有以下几种振动频率：基频振动、倍频振动、整分数基频振动、比例基频振动、超高频振动和超低频基频振动[1]。
04_机械系统诊断理论-专题一_转子系统的故障诊断 part2
3.4 诊断实例——案例一
۩ 诊断结论：为不平衡过大。
库存时间长，转子较重，有初始变形。
۩ 处理措施：短期内不会迅速恶化，监护运行。 ۩ 生产验证：
在加强检测前提下运行无迅速增大趋势。 运行至大修周期，转子送专业厂检查，动平衡严重 超标。
3.4 诊断实例——案例二
۩ 某厂一锅炉引风机，转速1480rev/min，功率 75kW，在某次振动测量中，机器各测点的速 度有效值较大。
三种不平衡的故障特征及诊断方法
振动趋势 极坐标图（矢量域图） 区别
3.2 故障特征及诊断方法
۩ 振动趋势
3.2 故障特征及诊断方法
۩ 极坐标图（矢量域图）
3.2 故障特征及诊断方法
۩ 转子不平衡的振动特征表
序号 1 2 3 特征参量 时域波形 特征频率 常伴频率 故障特征 原始不平衡 渐变不平衡 正弦 1* 较小的高次谐波 突发不平衡
高/低压缸之间联轴器的连接螺栓断掉3只。 复查对中情况，大于设计要求16倍。
4.4 诊断实例——案例二
۩ 某离心压缩机，电动机转速1500r/min。更换 减速机后振动增大，超出允许正常水平。
4.4 诊断实例——案例二
۩ 1点水平方向
1、2倍频明显 有高倍频分量 可测试数据有限，综合考虑到 更换减速机的影响，初步认为 不对中。
۩ 渐变不平衡？ ۩ 监控下继续开车？
4.4 诊断实例——案例一
۩ 时域波形
倍频的正弦信号叠加
۩ 频域幅值
1，2倍频均明显
4.4 诊断实例——案例一
۩ 轴心轨迹
双椭圆
۩ 测点6轴向振动大
4.4 诊断实例——案例一
۩ 诊断意见：
低压缸与高压缸之间转子对中不良 紧急停车检修
转子不平衡故障诊断方法及应用实例分析
5.生产验证：在次日对该机组进行检修，发现第二级叶片上有明显裂纹，第一、 三级叶片上分别存在多处细小裂纹，叶片出现了较严重缺损。因此证明பைடு நூலகம்此次诊 断的正确性。
五
转子不平衡故障诊断应用实例
鉴于质量不平衡引起的激励力F是一个交变力，它会使转子产生振动，当转 子每旋转一周，离心力就会改变一次方向，不平衡故障的振动频率为转子的转频， 振动的时域波形近似为正弦波。
图2 不平衡转子时域波形
时域分析仅能为机械故障诊断提供非常有限的信息， 通常只能粗略地回答机械设备是否有故障以及故障严重 的程度，但不能检测和定位故障发生的位置。因此，时 域分析只用于设备的简易诊断。对于设备管理和维修人 员，诊断出设备是否有故障，这只是解决问题的开始， 更重要的工作在于确定哪些零部件出现了故障，以便采 取针对性的措施。因此，故障定位问题在设备故障诊断 与检测研究中显得尤为重要。
2012, 15(3):57-59. [4] 黄永东. 转子不平衡现象的分析[J]. 发电设备, 2009, 23(3):164-169. [5] 徐福泽. 转子系统不平衡-不对中耦合故障的动力学分析与诊断[D]. 湖南科技大学, 2013. [6] 张茉. 转子系统振动故障的诊断方法及时频分析技术研究[D]. 东北大 学, 2008. [7]楼向明. 运转状态下转子不平衡识别方法的研究[D]. 浙江大学, 2001.
图12 转子正常运转时时域信号波形图 图14 转子正常运转频谱图
图11转子不平衡故障仿真实验装置
图13 转子不平衡时时域信号波性特征 图15 转子不平衡频谱图
六
电机转子故障诊断分析
电机转子故障诊断分析1 前言电机是工农业生产中的主要传动机械。
随着现代科学技术的进步和生产的发展,电机的容量不断增大,所组成的系统的规模越来越大,构成也越来越复杂。
但由于工作环境复杂,或者电机频繁起动等原因,电机转子断条等故障时有发生,对其可靠性要求也越来越高。
传统的电机故障诊断方法,需要建立精确的数学模型、有效的状态估计或参数估计、适当的统计决策方法等。
这些前提条件使得传统的电机故障诊断具有相当的局限性。
针对传统检测方法的以上缺陷,有必要对电机转子工作情况进行更先进及时监测,以防造成重大损失。
异步电动机故障检测是通过应用先进的技术手段,在线监测异步电动机相关运行参数(如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、局部放电等),判断其是否处于正常状态,以确定合理检修方案,从而达到避免事故停机、提高设备运行可靠性、降低维修费用的目的。
2 电机转子断条故障转子断条故障是指异步电动机转子导条断裂(端环开裂)故障。
异步电动机在运行过程中,转子导条受到径向点磁力、旋转点磁力、离心力、热弯曲挠度力等交变应力的作用,加之转子制造缺陷,导致断条故障。
在冷却效果较差时,起动电流产生的热应力和机械应力较大。
当在重载和频繁起动情况下,笼条与端环焊接处是经常发生断裂的部位。
一般过程如下:(1)在即将断裂的部位经常出现过热,很高的热应力或机械应力。
(2)达到疲劳极限时笼条断裂,并产生电弧。
(3)在继续起动时,相邻的笼条通过更大的电流,并承受更大的机械和热应力。
(4)造成更多笼条断裂,故障范围扩大;产生较大的单边磁拉力,使电机产生振动、噪声;定子电流摆动和温升增加,转速波动。
3 神经网络技术在电机转子断条故障诊断的应用人工神经元的信息处理分三个部分,首先完成输入信号与神经元联接强度内运算,然后再将其结果通过激活函数(如Sigmond函数),再经过阀值函数判决,如果输出值大于阀值,则该神经元被激活否则处于抑制状态。
神经元按一定模式连接成网络型,神经元之间的连接权值的大小反应信号传递的强弱。
汽轮发电机转子典型故障机理分析及诊断方法
柬工案捉术
５ ０
汽轮发 电机转子典型 故障机理 分析及诊 断方法
刘志岩 （ 大唐临清热 电有 限公司 ， 山东 临清 ２ ５ ２ ６ ０ ０）
摘 要 ： 目前 电力工业生产 中汽轮 发 电机组 的转子故 障成 为影 响机 组安全稳定运行 的重要缺 陷，一旦发 电机转 子产生故 障，将直接影响机纽安 全运行 ，甚至将导致机纽非停 。因此分析汽轮发 电机转子 的典型故障 ，并提 出诊 断方法和解 决方案成为 电力生产 中不得不面对的问题 。 关键词 ：偏 心；不对称 ；摩擦 力
０ 引 言
１ 定转子 间气隙偏心
１ ． １ 偏 心故 障 机 理 及 其成 因
发 电机转子 的三 个中心包括定子 中心 、转子中心、转子旋转中心 ， 这三个 中心是发 电机定转子通 过气 隙磁场耦合形成 的。发电机正常运 行 时电磁 力均匀对称 的分别在 转子上 ，发 电机 间气 隙分别均 匀 ，三个 中心重 合 。 若 由于某种原 因造 成气隙偏心 ，即三个 中心不重 合时 ，将 形成动态偏心和静态偏 心两种 气隙偏 心。 动 态偏心是 由于轴承磨 损、转轴弯 曲挠度 、安装不规范 等原因造 成 的转子 中心与旋转 中心不 吻合 。 最小 间隙是随着空间和时 间而变化 ， 不在是静 止的 。这样 由于静 止部件和主轴之间 的摩擦产 生的高热 ，主 轴就会 因高热而膨胀 ，造成主 轴弯 曲。静态偏心是导轴承 中心从定子 中心向某个方 向偏移 ，使得 转子气隙变化 ，转子 相对 于定子偏心 。致 使 发电机转子 的旋转 中心与 定子中心不 吻合 。静态偏心 一般不随转子 旋 转而 改变 ，它会在某 一固定 位置 ，一般是 由于装配不 合格 或加工精 度 的原 因造成 的。 １ ． ２ 偏 心故 障的危害 般 动态偏心会造 成磁通 分布不对称 ，转子很可能会产 生单极效 应 ，导致轴 电压 的产生 ，甚 至可能会导致轴承油膜击 穿 ，形成的轴 电 流 烧损轴瓦 。静态偏差 同样会 引起发 电机定转子振动 ，恶化 轴承工作 状 况 ，使线棒磨损严重 ，甚 至危及到发 电机的正常运行 。可 见不管是 动态偏 心还是静态偏心都会 加剧转子弯 曲，一旦转子弯 曲严 重将会引 起转 动部件和静止部件 的摩 擦 ，甚至会造成设备损坏 ，可见偏心对于 旋 转机械 而言是衡量旋转机械性能的重要指标。 １ ． ３ 偏 心故障的诊断方法 现 有的针对汽轮发 电机偏 心的诊断方法一般是根据 发电机转子 的 振 动特 征进行判 断，但是在偏 心的故障下会引起发 电机 定子和转子 同 时振动。常规的诊断方 法是 根据发 电机转子的振 动特征 ， 但 是造成转 子 振动的原 因有很多 ，诸如碰 撞、摩擦、质量不平衡等 等。若同时结 合 发 电机定子在故 障态时的振动特征 ，可 以更全面 的了解发 电机偏心 的原因。结合工程实践 ，不 同的偏心故障 以及正常运行 状况下发 电机 定 转子 的组合 振动特 征都是唯一的。
汽轮发电机转子典型故障机理分析及诊断方法
汽轮发电机转子典型故障机理分析及诊断方法摘要：由汽轮发电机转子常见故障入手，分析了常见故障的机理成因，故障造成的危害，在此基础上提出了偏心故障的诊断方法，不对称冷却的预防措施和不对称摩擦的诊断方法，为发电子转子日常维护提供了理论依据。
关键词：偏心；不对称；摩擦力1导致转子发生故障的因素1.1冷却系统故障对于氢内冷发电机，通风孔是转子热交换的主要风路通道，通风孔变形、杂物堵塞等会引起通风孔通流面积减小，这将破坏冷却的对称性，使转子横截面的温度不对称，进而引起热弯曲。
该故障的特点是：随着氢温的升高，发电机转子的冷却效果会变差，但转子不对称冷却程度就相对减小，最终导致热不平衡振动减小。
为此，进行了变氢温试验，试验中发现7，8号轴承振动与氢温变化的相关性不大。
1.2转子线圈膨胀受阻发电机的磁场由转子绕组的励磁电流建立，励磁电流通过绕组并加热线圈，线圈受热后向两端膨胀。
如果这种膨胀不受约束，并不会在转子上产生内应力，而在旋转过程中线槽中的铜线承受巨大离心力，使线圈紧贴在槽楔和护环的内壁，导致结合面存在很大的摩擦力，阻碍线圈膨胀；如果有些线槽中的线圈完全膨胀出来，膨胀受阻的线圈将产生一个反作用力，通过槽楔和护环作用在转子上，使转子弯曲。
该故障的特点是：线圈膨胀量随着转子电流增大而加大，这类振动总体上与电流大小有关。
但由于存在一定的摩擦力，线圈受热膨胀及冷却收缩均会受阻，2 者都可以引起转子的弯曲。
所以当转子电流增加后振动上升，但电流恢复到初始状态时，振动不会完全恢复，往往更高。
另外，经过一段时间的运行后，这类故障随着线圈多次膨胀、收缩后，会慢慢消失。
1.3转子绕组匝间短路因发电机短路，定子膛内被污染，未被彻底清理的污染物可能会进入转子通风槽或其他部位，引起匝间短路。
通过以下试验，并与转子修后返回的交接试验进行比对验证，结果如下：空载特性曲线与交接试验曲线符合性好；转子直阻与出厂值比较在合格范围内，且较出厂值略大；转子绕组静态交流阻抗试验数据正常；动态转子绕组 RSO 脉冲试验显示，正、负2 条相应曲线出现了不吻合部分，不吻合部分的电压最大偏差接近 250 mV。
06 转子系统故障诊断技术
f
油膜涡动及振荡实例二 某公司一台空气压缩机，由高压缸和低压缸组成。低压 缸在一次大修后，转子两端轴振动持续上升，振幅达5055μm，大大超过允许值33μm。低压缸前、后轴承上的振动 测点信号频谱图如图6—23(a)、(b)所示，图中主要振动频率 为91.2Hz，其幅值为工频（190Hz）振幅的3倍多，另外还有2 倍频和4倍频成份，值得注意的是，图中除了非常突出的低频 91.2Hz之外，4倍频成分也非常明显。
转子系统故障诊断技术
大型机组的安全运行转速范围： 刚性转子： 柔性转子： n<0.75 nc1 1.4 nc1 < n <0.7 nc2
柔性转子在高于一阶临界转速nc1范围工作，所以在起、 停车过程中，要通过一阶临界转速nc1，机组将因共振而发 生强烈的振动，因此要快速通过此区域。
速度传感器 涡流传感器
转子系统故障诊断技术
转子部件缺损的振动特征
1 特征频 率 1× 2 3 4 振动 方向 5 相位 特征 6 轴心 轨迹 椭圆 7 进动 方向 正进动 常伴频率 振动 稳定性 高次谐波 突发性增 大后稳定
径向为主 突变后 稳定
转子缺损部件的敏感参数
1 振动随转 速变化 明显 3 振动随负 荷变化 不明显 3 振动随油 温变化 不变 4 振动随流 量变化 不变 5 6 振动随压 其它识别方 力变化 法 不变 振幅突然增 加
转子系统故障诊断技术
油膜涡动与油膜振荡的振动特点 ① 油膜涡动的轴心轨迹是由基频(1×)与半速涡动频率 (0.5×)叠加成的双椭圆，较稳定。 ② 油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转 中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦
转子系统故障诊断
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4.1 转子不平衡
例：风机转子不平衡
4.1 转子不平衡
(2) 不平衡的产生原因
产生 原因
后果
• 原始不平衡 • 渐发不平衡 • 突发不平衡
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故障诊断基础——机械振动
例 圆盘转子的不平衡振动
轴心轨迹
高次谐波较小， 呈“枞树形”
时域波形
不平衡故障的振动特征：
波形、频谱：正弦波，一倍频为主； 轴心轨迹：椭圆。
心压缩机、水轮机、航空发动机等机械设备。
Bently转子试验台 （不平衡故障、油膜 涡动）
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4.1 旋转机械振动的基本特性
(1) 什么是旋转机械？ 大 型 汽 轮 机 转 子
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4.1 旋转机械振动的基本特性
(2) 旋转机械的振动特性
由于旋转机械的结构及其零部件的加工和安装方面的缺陷， 使机器在运行时引起振动，其振动类型可分为横向振动、轴向 振动和扭转振动三类。
明显 不变 不变 不变 不变 不明显
7 其他识别方法
①机器开始升速时， 在低速阶段振动幅值 就比较高 ②刚性转子两端相位 差180o
①升速时转速逐步增 大，但在某一转速下 振动有一“凹谷”
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4.4 其他类型转子故障
(2) 支承松动 指系统接合面存在间隙或联接刚度不足，造成机械阻尼 偏低，机组运行振动过大的一种故障。
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4.4 其他类型转子故障
(1) 转子弯曲
转子弯曲与转子质量偏心类似，都会产生与质量偏心类似的 旋转矢量激振力。 与不平衡不同之处在于轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因 而在轴向还会产生较大的工频振动。 转轴弯曲时，由于弯曲产生的弹力和转子不平衡所产生的离 心力相位不同，两者之间相互作用会有所抵消，转轴的振幅在 某个转速下会有所减小，即在某个转速上，转轴的振幅会产生 一个“凹谷”，这点与不平衡转子动力特性有所不同。
转子故障振动机理分析
转子故障振动机理分析转子故障引起振动有许多形式, 现对其中的几个典型振动故障产生的原因及其对应的振动机理进行如下分析:1.转子不平衡故障及振动机理分析转子不平衡包括转子系统的质量偏心及转子部件出现缺陷;转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材料不均匀等原因造成的，称为初始不平衡。
转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、脱落、碎片飞出等，造成的新的转子不平衡。
转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其不平衡振动机理却有共同之处。
振动机理分析:旋转过程中,转子产生不平衡离心力与力矩通过支承点作用在轴及轴承上,引起振动.设转子质量为M（包括偏心质量m），偏心距e，旋转角频率w=2f（v f为v转动频率），在t瞬时位移在直角坐标系分量x，y，如图6-3所示，则可得转子中心运动微分方程为图6-3 转子力学模型则有以上几式中的K可以近似简化为机器的安装总刚度，M为机器的总质量，为K和M构成的振动体的无阻尼固有频率。
为无量纲阻尼因子，它的取值不同，会影响到系统的响应，是激励频率与固有频率之比，也是无量纲因子。
根据上式，按不同的频率比和阻尼系数的变化，作出幅频响应图及相频响应图，如下图所示：图6-4 幅频响应图及相频响应图转子不平衡所引起振动有下列特点:振动方向为径向,振动的特征频率等于转频;转子的轴承均发生较大的振动;在转子通过临界转速时振幅有特别显著的增大;在高速下随转轴转速上升振动很快增大;振动频率与转速相等且为正弦波;在没有带负荷时振动就达到最大值.2.转子不对中故障振动机理分析机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转动。
由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。
转子系统机械故障的60％是由不对中引起的。
转子系统的故障机理及其诊断技术
转子系统的故障机理及其诊断技术1 概述旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成。
旋转肌械故障是指机械的功能失常，即其动态性能恶化，不符合技术要求。
例如机械运行失稳，机械发生异常振动和噪声，机械的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。
机械发生故障的原因不同，所产生的信息也不一样，根据机械特有的信息，可以对机械故障进行诊断。
但足机械发生故障的原因往往不是单•一的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障耦合结果，所发对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。
旋转机械的主要功能是由旋转动作写成的，转子是最主要的部件。
旋转机械发生故障诊断的觅要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。
因此，了解与掌握转子系统在故障状态卜•的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高故障诊断的准确度具有重要的理论意义和实际的工程价值。
2转子系统的故障机理2.1转子不平衡故障机理转子不平衡包括转子的质量偏心及转子部件出现缺损。
转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配谋差、材质不均匀等原因造成的，称此为初始不平衡。
转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、脱落，碎块飞出等，造成的新的转子不平衡。
图2.1转子力学模型设转子的质承为M,偏心质最为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，具有挠度为a,如图2.1所示。
由于偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。
离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转速度有关，即F = mecu2.众所周知，交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动,这就是不平衡引起振动的原因。
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速相一致。
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转子系统的故障机理及其诊断技术1 概述旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成。
旋转肌械故障是指机械的功能失常，即其动态性能恶化，不符合技术要求。
例如机械运行失稳，机械发生异常振动和噪声，机械的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。
机械发生故障的原因不同，所产生的信息也不一样，根据机械特有的信息，可以对机械故障进行诊断。
但足机械发生故障的原因往往不是单•一的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障耦合结果，所发对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。
旋转机械的主要功能是由旋转动作写成的，转子是最主要的部件。
旋转机械发生故障诊断的觅要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。
因此，了解与掌握转子系统在故障状态卜•的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高故障诊断的准确度具有重要的理论意义和实际的工程价值。
2转子系统的故障机理2.1转子不平衡故障机理转子不平衡包括转子的质量偏心及转子部件出现缺损。
转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配谋差、材质不均匀等原因造成的，称此为初始不平衡。
转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、脱落，碎块飞出等，造成的新的转子不平衡。
图2.1转子力学模型设转子的质承为M,偏心质最为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，具有挠度为a,如图2.1所示。
由于偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。
离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转速度有关，即F = mecu2.众所周知，交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动,这就是不平衡引起振动的原因。
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速相一致。
实际工程中，由于轴的各个方向上刚度有差别，特别是由于支承刚度各向不同，因而转子对不平衡的响应在x,y方向不仅振幅不同，而且相位也不是90度,因此转子的轴心轨迹不足圆而是椭圆，表2.1是转子发生不平衡时的故障特征。
表2.1转子不平衡的振动特征~待征频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进给方向矢量区域2.2转子不对中故障机理机组各转子Z间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩，由丁•机器的安装误差、承我后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时齐转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中，转子系统机械故障的60%是由不対中引起的“具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承机器发生异常振动，危害极人。
刚性联轴器连接的转子对中不良时，由于强制连接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同，其变形和受力情况也不一样，如图2.2所示用刚性联轴器连接的转子不对中时，转子往往是既右轴线平行位移,又有轴线角度位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力，又有轴向交变力。
弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之，间的摩擦而产生的相対滑动，使转子产生自激旋转振动，而且当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的自激旋转转速会产生周期性变动,每转动•周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的两倍。
(b)轴线角哎位移图2. 2刚性联轴器连接不对中情况由刚性联轴器连接的转子不对中时，其故障特征如表2.2所示2.2.3转子与静止件摩擦的故障机理在高速旋转机械中，为了提高机器效率，往往把密対间隙、轴承间隙做得较小，以减少气体和润滑油的汛漏。
但足，小间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的摩擦“例如，轴的挠曲、转子不平衡!转子与静止件热膨胀不一致、气体动力作用、密封澈励力作用以及转子对中不良等原因引起的振动，轻者发生密封件摩擦损伤，重者发生转子与静上件的摩擦碰撞，引起严重的机器损伤事故。
此外，轴承中也会发生干摩擦或半干摩擦,这种摩擦令时是不明显的，并不是明显故障，机器未停机拆检之前找不出异常振动原因。
因此,必须了解转子与静止件摩擦激振的故障特征,以便于及时作出诊断，防止甫兴爭故发生。
转子与静止件发生摩擦有两种情况:一种是转子在涡动过程中轴颈或转子外缘与静止件接触而引起的径向摩擦; 另一种是转子在轴向与静止件接触而引起的轴向摩擦。
当转子在涡动时与静止件发生接触瞬间，转子刚度增川被静止件反弹后脱离接触，转子刚度减小，并且发生横向自由振动（人多数按一阶自振频率振动）。
因此，转子刚度在接触与非接触两者Z间变化，变化的频率就是转子的涡动频率。
转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起，就会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。
局部靡擦引起的振动频率中包含冇不平衡引起的转速频率3,同时摩擦振动是非线性振动,所以还包含有23、33、...一些高次谐波。
除此之外，还会引起低次谐波振动,在频谱图上会出现低次谐波成分3/M,重摩擦时“2,轻摩擦时“2,3,4,...C次谐波的范鬧取决于转子的不平衡状态、阻尼、外我荷大小、摩擦副的几何形状以及材料特性等因素,在阻尼很高的转子系统中也可能不出现次谐波振动。
转子与静止件径向摩擦的故障特征如表2.3所示表2. 3转子与静止件径向的振动特征特征烦率常伴頻率扳动稳定性撮动方向轴心轨迹进给方向欠虽区域高次谐连续摩1）连续摩波、低次谐IX不忌彳仝向擦：扩散擦：反进动突变波及其组局部摩擦: 2）局部摩合谐波素乱擦：止进动2.4转子油膜涡动与汕膜振荡故障机理油膜涡动和油膜振荡是由滑动轴承油膜力学特性引起的自激振动。
涡动是转子轴颈在作高速旋转的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动。
按照激励因素不同，涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可以是反向的（与轴旋转方向柑反）;涡动角速度与转速可以是同步的，也对以是异步的。
如果转了轴颈上要是由门山膜力的激励作用而引起涡动,则轴颈的涡动角速度将接近转速的一半，故有时也称之为“半速涡动”其运动的机理如下：轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进I I断面大于出I I断面的油楔,如果进I I处的油液流速并不马上下降（例如，对于高速轻我转子,轴颈表向线速度很高而載荷又很小，油楔力大于轴颈我荷，此时汕楔压力的升高不足以把收敛形油楔屮的流油速度降得较低），则轴颈从汕楔间隙人的地方带入的油量人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。
半速涡动的频率小于转子的一阶固有频率时，即3 V 时,半速涡动是一种比较平静的涡动，其主要特征是:频谱中的次谐波在半频处冇峰值;其轴心轨迹是基频与半频，注加构成的较为稳定的双椭圆;相位稳定，正进动。
油膜涡动产生后,随普工作转速的升高，其涡动频率也不断增加，频谱图中半频谐波的振幅也不断增人，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倍附近，将产生自激振动，振福突然骤增,振动非常剧烈，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加到接近或趙过基频振幅，并有组合频率的特征。
若继续提髙转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的固启频率，这种现象称为油膜振荡。
由以上分析町知，油膜涡动与油膜振荡具有以下特征。
起始失稳转速与转子的相对偏心率令关，轻載转子在第-临界转速z前就町能发生不稳定的半速涡动，但不产生人幅度的振动;当转速达到两倍第一临界转速时，转子Ft!于共振而冇较人的振幅;越过第一临界转速后振幅再次减少，当转速达到两倍第一临界转速时，振幅增大并且不随转速的增加而改变，即发生了油膜振荡。
对于重我转子，因为轴颈在轴承中相对偏心率较人，转子的稳定性好，低速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的第一临界转速时,也不会立即发生很大的振动，当转速达到两倍的第一临界转速之后的某一转速时，才突然发生油膜振动。
中載转子在过了一阶临界转速后会出现半速涡动，而油膜振荡则在二倍的第一临界转速之后出现。
油®!涡动与油膜振荡的故障特征如表2.425所示。
衰转子油膜涡动的振动特征表2. 5转子油肢振荡的振动特征3转子系统的故障诊断技术3.1转子系统故障的幅域诊断方法对于转子的振动信号而言，信号的幅值是其振动信号比较直观的特征信息。
在信号幅值I••辺行的各种处理称作幅域分析”信号的简单幅域参数包括均值、瑕人值、故小值、均方根值等。
若信号x(t)为采样所获得的一组离散数据心，…,冷，则这些参数的计算式为均彳磁=x i(21)故人\UXrnax = max{|x f |}(2.2)最小值Xmin = min^Xt}(2.3)均方根ffiXgs = J扭:［曲2(2.4)方差2 = 士(如一无尸(2.5)方根幅值人= (2-6)平均幅值冈=腰角比1(2.7)斜度(Skewmess)oc = ^S；=i x f3(2.8)峭度(Kurtosis) p =范舊LA / (2.9)冇量纲幅域诊断参数的值常因负载\转速等条件的变化而变化，实际中很难加以区分“改 善的办法是引入最纲为一的幅域参数，常用的最纲为一的幅域参数有：波形指标(Shape Factor)孑=帯 (2.10)峰值指标(CrestFactor) “ =护 (2.11)脉冲指标(Impulse Factor) =卡寸 (2.12)裕度指标(ClearanceFactor) CLf =(2.13) 山肖度指标(Kurtosis Factor) K v = -^― (2.14) Xrms峭度指标、裕度指标和脉冲指标对于冲击脉冲类故障比较敏感，特别是为故障早期发生 时，它们有明显增加;但上升到一定程度后，随故障的逐渐发展，反而会卜降，表明它们对早期故 障有较高的敏感性，但稳定性不好。
一般说，均方根值的稳定性较好,但对早期故障信号不敏感。
所以,为了取得较好的效果，常将它们同时应用，以兼顾敏感性和稳定性。
3.2转子系统故障的时域诊断方法3.2.1时基波形分析转子系统的振动信号在时域一般是以时间波形的形式表示”时间波形有直观、易亍理解 等粘点，山原始的C 所以包倉的仁息量大。
缺点是不太容易看出所含信息与故障的 联系。
对于某些转子系统故障信号，由于其波形貝有明显的特征,这时可以利用时间波形作出 创舟判断”例如对于转子系统，其不平衡故障较严重时，信号中有明显的以旋转频率为特征的 周期成分,(见图2.2);而转子半速涡动时“信号在一个周期内,比旋转频率低一倍的1/2次谐波 明显加大，即一周波动12/次(图2.2)等等。