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。

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