转子不平衡故障诊断方法及应用实例分析

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.
不平衡有关。因此，对转子不平衡故障的研究与诊断也 最具有实际意义。
二
不平衡故障机理
转子的结构形式很多，但对于一些简单的旋转机械，为了分析与计算简便，通常将转子的力学模 型简化装在一圆盘装在一无质量的弹性转轴上。考虑到转轴两端的支承不可能是绝对刚性不变形的， 而且存在有一定的阻尼，因此将轴承与轴承座支承简化为弹簧与阻尼的力学模型。
三
转子不平衡故障特征
3.2 不平衡故障频谱特征 对故障进行定位的一种常用方法是进行信号的频域分析。所谓频域分析， 是把时间为横坐标的时域信号通过傅里叶变换分解为频率为横坐标的频 域信号，从而求得关于原时域信号频率成分的幅值和相位信息的一种分 析方法。通过对各频率成分的分析，对照机械零部件运行时的特征频率， 以便查找故障源。频域分析方法已成为机械设备故障振动诊断的主要方 法。 如图3所示，当转子存在不平衡故障时，由于非线性关系常伴有较小的高 次谐波分量，但是频谱中的谐波能量主要集中于基频(1X频)。
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。由于偏心质量m与偏心距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及旋转角速度w有关，即F=mew2(F为交变力)。 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。
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
参考文献
[1] 高殿成. 330MW汽轮机联轴器松动故障诊断分析[J]. 机械工程师,
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五
转子不平衡故障诊断应用实例
5.1 石化厂轴承箱异常振动实例 某石化公司炼油厂一台压缩机组轴承箱振值突然增大，现已超过报 警值，该压缩机组由电机驱动，由刚性联轴器连接，电机转速 7501~11212r/min，该机组结构简图如图6所示。
图6 该机组结构简图
五
转子不平衡故障诊断应用实例
1.从表1测得的数据来看，测点VT2431/VT2432和VT2433/VT2434水平 方向全频值均大于垂直方向全频值。
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。
转子不平衡故障诊断方法及 应用实例分析
目 录 CONTENTS
一 选题意义 二 不平衡故障机理 三 转子不平衡故障特征 四 转子不平衡故障诊断方法 五 转子不平衡故障诊断应用实例
一
选题意义
许多现代机械如发电机组,航空发动机,离心式压缩机,汽轮 机，燃气轮机等都是以转子为主要元件的旋转机械。任
何转子由于材质不均匀、部件缺损、制造和安装误差等 因素,不可避免地存在着偏心,同时,工作过程中还可能产生 转子的热变形以及磨损和介质的粘附等现象,这些因素均 会导致实际转子的中心惯性主轴或多或少地偏离其旋转 轴,产生不平衡,这一不平衡会引起转子的挠曲和内应力,使 机器产生振动和噪声,对旋转机械的运行状态产生恶劣的 影响。据统计，旋转机械约有一半以上的故障与转子的
THE END
谢谢
5.2 空压机转子不平衡故障实例 某空压机转子测得的双通道功率谱信号如图9所示。空压机转速为5400rpm， 轴频为90Hz。
图9 空压机功率谱
1.空压机功率谱中，虽然存在高次谐波分量，但是基波分量占 主要成分。
2.测点信号的轴心轨迹图如图10所示，一倍频提纯后，该测点 的轴心轨迹为椭圆，而且轴心轨迹很稳定。
4.结论：分析认为造成该机组高振值的主要原因是机组轴系不平衡，结合机组 运行实际情况认为转子存在严重损伤，建议立即停车检查。
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。因此证明了此次诊 断的正确性。
五
转子不平衡故障诊断应用实例
图3 转子不平衡故障谱图
三
转子不平衡故障特征
3.3 转子不平衡故障轴心轨迹特征 轴心运动轨迹是利用安装在同—截面内相互垂直的两支电涡流传感器对轴 颈振动测量后得到的，如图4所示，它可以用來指示轴颈轴承的磨损、轴
不对中、轴不平衡、液压动态轴承润滑失稳以及轴摩擦等。传感器的前置 放大器输出信号经滤波后将交流分量输入示波器的x轴和y轴或监测计算机， 便可以得到转子的轴心轨迹。轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的 旋转和振动情况，是故障诊断中常用的非常重要的特征信息。
图1 转子力学模型
三
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转子不平衡故障特征
3.1时域波形特征 常用工程信号都是时间波形的形式，时间波形有直观、易于理解等特点，由
于是最原始的信号，所以包含的信息量大，缺点是不太容易看出所包含的信息与 故障的联系。对于某些故障信号，其波形具有明显的特征，这时可以利用时间波 形做出初步判断。对于旋转机械，其不平衡故障严重时，信号中有明显的以旋转 频率为特征的周期成分。
四
转子不平衡故障诊断方法
转子系统属于旋转机械系统，即使轻微的机械损伤或缺陷都会引起转 子系统的振动。这些振动包括小到几乎微不足道的振动到大到足以引起 机械破坏的振动。因此，转子系统的故障几乎都是以振动的形式表现出 来，从转子系统的时域波形及其频谱和轴心轨迹中提取出一些重复性较 好、可靠性较高的特征参数，将其与转子的不平衡故障建立特定的联系， 从而可以间接地通过对振动信号进行时频域分析获得的参数来对转子的 不平衡故障进行诊断和预测。
3.结论：空压机转子存在不平衡故障。
图10 空压机测点轴心轨迹图
五
转子不平衡故障诊断应用实例
5.3转子不平衡故障仿真实例 1.转子不平衡故障仿真实验装置如图11所示。
2.不平衡实验方法 在转子侧面凹槽内加入两个螺钉,螺钉要集中放置以使转 子发生质量不平衡，加入后拧紧。 3.转子不平衡时频域特征 对比图12、13发现，利用此仿真系统，从时域波形信号 尚不能明显识别出不平衡故障，需要对时域信号进一步 地分析。 对比图12、13发现，利用此仿真系统，从时域波形信号 尚不能明显识别出不平衡故障，需要对时域信号进一步 地分析。 由图14-图15知，当机器正常运转的情况下，对振动信号 时间波形进行频谱分析，可知其频率成分以基频为主， 含有极少量的倍频成分。当发生转子不平衡故障时，基 频的振幅明显增大，同时二倍频成分较为突出。
图5 轴心轨迹
图4 轴心轨迹测量传感器的安装
对于仅由质量不平衡引起的转子振动，若转子各个方向的弯曲刚度及支承 剛度都相等，则轴心轨迹为圆，在x和y方向为只有转动频率的简谐振动，并且 两者的振幅相等，相位差为90°。实际上，引起转子振动的原因也并非只有质 量不平衡，大多数情况下转子各个方向的弯曲刚度和支承刚度并不相同,因此 轴心轨迹不再是圆，而是一个椭圆(如图5)或更复杂的图形，反映在x和y方向的 振幅并不相等，相位也不是90°。 转轴轴心相对于轴承座的运动轨迹，直观地 反映了转子瞬时运动状态，它包含着许多有关机械运转状态的信息。因此，轴 心轨迹分析是诊断设备故障很有用的一种方法，对确诊设备故障能起到很好的 作用。
表1 机组运行6075r/min时各测点振值及GAP电压值
2.测点VT2431/VT2432和VT2433/VT2434均以工频占主导(见图7)。
图7 轴承测点VT2431(VT2432)频谱图
五
转子不平衡故障诊断应用实例
3.测点VT2431/VT2432轴承轴心轨迹测点为不规则椭圆
图8 轴承测点VT2431(VT2432)轴心轨迹