旋转机械的故障基本机理和诊断技术

在某些旋转机械的开车或停机过程中，当经 过某一转速附近时，会出现剧烈振动；这个转速 在数值上非常接近于转子横向自由振动的固有频 率，称为临界转速。但是，临界转速的值并不等 于转子的固有频率，而且在临界转速时发生的剧 烈振动与共振是不同的物理现象。
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转子临界转速
如果圆盘的重心G与转轴中心O’不重合， 设e为圆盘的偏心距即0’G=e，如下图所示。 当圆盘以角速度转动时，重心G的加速度在坐 标上的位置为
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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响运行工作状态等信 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。
二、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 是其最主要的部件。旋转机械发生故障的重要特征是 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， 了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动机理，对于 监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确度具有重 要的理论意义和实际工程应用价值。
旋转机械的故障基本机理 和诊断技术
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一、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， 所产生的信息也不一样，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的耦 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。
（c）当= n时，A，是共振情况，实际上由于 存在阻尼，振幅A不是无穷大而是较大的有限值， 转轴的振动仍然非常剧烈，以致有可能断裂。 n 称为转轴的“临界角速度”；与其对应的每分钟 的转数则称为“临界转速”，以nc表示 ，即
在转轴的弹性力F作用 下，由质心运动定理知
图 圆盘重心位置
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则轴心O’的运动微分方程为
上式式 其特解为
Z=Aej 10
代上式后，可求得振幅
圆盘或转轴中心0’对于不平衡质量的响应为
由复数式和上式可知，轴心O’的响应频率和偏心质 量产生的激振力频率相同，而位相也相同（＜ n 时）或相差180 ( ＞ n时）
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（1）、转子涡动
一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，
转子的两个支承点在同一水平线上。设转子上的圆
盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆
盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形，
但由于静变形较小，对转子运动的影响不显著，可
以忽略不计，即仍认为圆盘的几何中心 O’ 与轴
线AB上O点相重合，如图 5-1 所示。当转子开始转
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1、转子振动的基本特性 转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，
为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装 在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支 承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算所得到的 概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述 种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然 不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特性。
式中X、Y为振幅，x，y为相位。
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由上式可知，圆盘或转子的中心O’，在互 相垂直的两个方向作频率为n的简谐振动。在一 般情况下，振幅X，Y不相等，O’点的轨迹为一 椭圆。 O’的这种运动是一种“涡动”或称“进 动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度同 向时，称为正进动；与反方向时，称为反进动。
（2）、临界转速
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这表明，圆盘转动时，上图的0，O’和G三点始 终在同一直线上。这直线绕过O点而垂直于OXY平 面的轴以角速度转动。O’点和G点作同步进动， 两者的轨迹是半径不相等的同心圆，这是正常运 转的情况。如果在某瞬时，转轴受一横向冲击， 则圆盘中心O’同时有自然振动和强迫振动。其 合成的运动是此较复杂的。O，O’和G三点不在 同一直线上，而且涡动频率与转动角度不相等。 实际上由于有外阻力作用，涡动是衰减的。经过 一段时间，转子将恢复其正常的同步进动。
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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情、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。
动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度。
此时，转子有两种运动：一种是转子的自身转动，
即圆盘绕其轴线AO’B的转动；另一种是弓形转
动．即弯曲的轴心线AO’B与轴承联线AOB组成的平
面绕AB轴线转动。
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圆盘的质量以M表示，它所受的力是转子的 弹性力F
F=-ka
式中k为转子的刚度系数，“ a=OO’ ”，圆盘的 运动微分方程为
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在正常运转的情况下，由振幅公式可知：
（a）＜ n时，A＞0，O’点和G点在O点的同一侧， 如下图 （a）所示；
（b） > n时，A＜0，但A＞e，G在O和O’之间， 如下图 （c）所示；
当》 n时。且Ae，或OO’ -O’G，圆盘的 重心G近似地落在固定点O，振动很小，转动反而 比较平稳。这种情况称为“自动时心”。