旋转机械不平衡故障的诊断

《机械故障诊断技术》读书报告院系：机械与汽车工程学院专业：机械设计制造及自动化班级：13机制（升）姓名：林媛学号：1302224001指导老师：王平学年：2014-2015学年第一学期旋转机械不平衡故障的诊断案例综述The Summary of Unbalanced Rotating Machinery Fault Diagnosis Cases【摘要】：在理想的情况下回转体旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。

但在实际应用中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，造成了回转体的不平衡，即使静态平衡了，回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，从而产生了不平衡的离心力，就造成了动态的不平衡。

转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。

据统计，旋转机械约有70%的故障与转子不平衡有关。

因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。

【关键词】：旋转机械转子不平衡故障诊断【Abstract】：In the ideal case, no matter how the rotary body is rotating or not rotating, the pressure on the bearings is the same, so that the rotary body is balanced. However, b ecause material is unevenblank has some defect and machining and assembling gene rate errors,even designing has been asymmetrical geometry and so on,the various rot ary body of the practical application become to be unbalanced. Even under Static bal ance.When the rotary body is rotating,centrifugal force of inertia generated on each tiny particle can’t cancel each other out. Then the rotary body produce unbalanced ce ntrifugal force and cause dynamic imbalance. Rotor imbalance is due to partiality of mass of the rotor parts or the fault caused by rotor parts. It is most common fault of r otating machinery. According to statistics,70%fault of rotating machinery is about wi th the rotor imbalance. Therefore, there is best practical significance for research and diagnosis of unbalanced fault.[Key Words] :Rotating machinery; Rotor; Imbalance Fault diagnosis.目录前言 (1)一、不平衡的种类 (1)二、不平衡故障机理 (2)三、不平衡故障的特征 (2)四、转子不平衡的诊断方法 (4)五、转子不平衡故障机理及诊断原因 (6)六、案例分析 (7)1、不平衡逐渐增大的故障诊断 (7)2、原始质量偏心引起的不平衡 (14)3、转子腐蚀造成的失衡 (16)4、叶片磨损造成的转子失衡 (17)5、气压机三种不同原因造成的不平衡故障 (19)总结 (32)参考文献 (34)【前言】：不平衡是质量和几何中心不重合所导致的一种故障状态（质心不在旋转轴上），不平衡带来的后果是增加附加载荷，是备和零部件损坏的最常见的故障之一。

转子（包括其组合件：叶轮、转轴、联轴器、键座等）不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，通常是由于加工误差，装配误差，材料不均匀，以及运行中的腐蚀、磨损、结垢、零部件脱落等原因引起，这些因素有时只有一种，有时有几种同时存在，带来的后果是使有一定质量的转子由于不平衡而引起偏心，具有了偏心质量，旋转时产生离心力，这个变化（大小、方向）的力就会引起机组振动。

下面就针对转子不平衡做一下详细的介绍和分析。

一、不平衡的种类造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况:(1)原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。

(2)渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。

其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。

(3)突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。

不平衡按其机理又可分为静失衡、力偶失衡、准静失衡、动失衡四类。

二、不平衡故障机理设转子的质量为M，偏心质量为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1】所示。

【图1】转子力学模型由于有偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两兼而有之。

离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω有关，即F＝m eω2。

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，振动的幅频特性及相频特性。

三、不平衡故障的特征实际工程中，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，因而转子对平衡质量的响应在x、y方向不仅振幅不同，而且相位差也不是90°,因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆，如图2所示。

由上述分析知，转子不平衡故障的主要振动特征如下。

(1)振动的时域波形近似为正弦波（【图2】）。

(2)频谱图中，谐波能量集中于基频。

并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”，如【图3】所示【图3】转子不平衡故障频谱(3)当ω＜ω时，即在临界转速以下，振幅随着转速的增加而增大；当ω＞ωn后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当ω接近于ωn时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。

振动幅值对转速的变化很敏感，如【图4】所示。

(4)当工作转速一定时相位稳定。

(5)转子的轴心轨迹为椭圆。

(6)从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。

【图4】转子不平衡主要特征四、转子不平衡的诊断方法转子不平衡的诊断依据主要见【表1】和【表2】, 对于原始不平衡、渐变不平衡和突发性不平衡这三种形式，其共同点较多，但可以从以下两个方面对其进行甄别。

(1)振动趋势不同原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的水平，见【图5（a）】；渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的推移，振值逐步升高，见【图（5）b】；突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较高的水平，见【图5（c) 】。

【表1】转子不平衡诊断敏感参数【表2】转子不平衡敏感参数【图5】几种不同性质的不平衡的振动变化趋势(2)矢量域变化不同原始不平衡：矢量域稳定于某一允许的范围，见【图6(a)】；【图6】几种不同性质的不平衡矢量域变化趋势渐变不平衡：矢量域逐渐变化，见【图6(b)】；突发不平衡：矢量域某一时刻发生突变，见【图（c）】，然后稳定。

五、转子不平衡故障分析及治理原因上述三类转子不平衡的故障原因分析及相应治理措施见【表3】。

六、案例分析例1不平衡逐渐增大的故障诊断某化工厂的离心压缩机高压缸的径向振动自3月份以来呈不断增长趋势，有的测点振动峰峰值从27μm增长到4月底的50μm，几乎翻了一番，工厂对这样的增长幅度深为担忧，并有停车检修的想法。

这台机器年初刚经过大修，离下次年度大修还有八个月之久。

四五月份应该是生产的黄金时期，停工一天，即减少产值20万元，而检修一次要花费几天时间，加上检修费用，造成的经济损失可想而知。

因为该机是工厂的关键设备，配备了转子监测系统和诊断系统，可以对机器振动增大的原因作进一步分析，以决定是否停车检修。

（1）数据处理压缩机组分为高压缸和低压缸两部分，代号分别为9102j（HP）和9102j （LP）,通过增速箱（代号9102G）联接，压缩机由工业透平（代号9102j）驱动，其排列简图和振动探头分布情况如【图7】所示,其中，测头编号以G开头的为轴位移测点，以X开头的为径向振动测点，标注的每个径向振动测点各有水平方向（H）和垂直方向（V）两个探头。

所以探头都是振动位移传感器，机器工作时，透平驱动低压缸，并通过增速箱带动高压缸转子旋转，低压缸转子转速为6446r/min左右，高压缸转子转速为13175r/min左右，经过简单的换算，高压转子振动的基频和主要倍频见【表4】。

【图 7 】振动测点分布图【表4】高压缸振动基频和倍频【图8-a】和【图8-b】分别为高压转子左轴承测点(即X9108)在垂直和水平方向的振动频谱，【图8-c】和【图8-d】分别是右轴承测点（X9109）垂直和水平方向振动频谱，频谱图上纵坐标是振幅（单位μm），横坐标是频率，图下的数据依次为按振幅大小排列的序号、频率（以r/min为单位）及该分量的振幅。

从频谱图上看出，主要的频率分量只有一个，即基频分量，其余倍频分量均极小，所占比例在10%以下（见【表5】）。

再从此的转子轴心轨迹来看（如【图9】），轨迹很规则，基本上呈圆形，波动很小，并且为正进动（轴心轨迹旋向与转子转速旋向相同）。

【表 5】倍频成分相对百分比（百分比%/幅值μm）【图 8】高压缸转子径向振动频谱【图 9】轴承轨迹图 a）左轴承 b）右轴承为进一步了解情况，将3月份以来的转子振动数据作趋势分析，【图10】为转子左轴承水平方向振动从3月20日到5月4日的趋势图，a、b、c分别为峰峰值、基频和2倍频的趋势，右轴承在同时期的振动趋势与左轴承类似。

可以看到，2倍频分量的振幅基本上没有变化，振动峰峰值增长的原因全是由于基频振动分量的增长。