转子碰摩故障分析 (DEMO)

转子碰摩、摩擦故障分析

一、机理分析

在旋转机械中，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与固定件接触碰撞而引起的异常振动时有发生。转子碰摩、摩擦是一个复杂的过程，其主要表现为振动响应的随机性和频谱的非线性特征，从机理上分析，摩擦振动对转子有以下四方面的影响：

1)直接影响

转子运动可分为自转和进动（即公转）两种形式。摩擦对自转的影响在于附加了一个力矩，因此，在转子原有力矩不变的条件下有可能使转子转速发生波动。至于进动，由于摩擦力的干预可能使正进动转化为反进动，特别是全周摩擦，常常产生所谓的“干摩擦”现象，从而引起自激振动，影响转子的正常运行，甚至损坏机组。

2)间接影响

摩擦的作用使动静部件相互抵触，相当于增加了转子的支承条件，增大了系统的刚度，改变了转子的临界转速及振型。且这种附加支承是不稳定的，从而可能引起不稳定振动及非线性振动。

3)冲击影响

局部碰摩除了摩擦作用外还会产生冲击作用。其直观效应是给转子施加了一个瞬态激振力，激发转子以固有频率作自由振动。虽然自由振动是衰减的，但由于碰摩在每个旋转周期内都产生冲击激励作用，在一定的条件下有可能使转子振动成为叠加自由振动的复杂振动。

4)热变形

摩擦引起的热变形可能引起转子弯曲，加大偏心量，使振动增大。

二、转子碰摩、摩擦的特征分析

摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种，其特征有：a) 振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别；b) 振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位变化与旋转方向相反；c）接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动（大于100°相位变化）。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹地带有附加的环（说明相位在很大的变化）。

转子碰摩的定量分析比较困难，一般来说，转子与静止件发生摩擦时，转子受到静止附加作用力。它是非线性的和时变的，因此，使转子产生非线性的振动。在频谱图上表现频谱成分丰富。不仅有工频，还有高次和低次谐波分量。当摩擦加剧时，这些谐波分量的增长很快。

转子径向碰摩主要影响转子的径向振动，对转子的轴向振动影响较小。但当转子发生轴向碰摩时，除了对径向振动产生影响外，由于轴向力的存在，使轴向位移和轴向振动增大，有时还会使级间压力发生变化，造成机组效率的下降。

此外、在不同转速下发生的摩擦对机组的影响是不同的。对于柔性转子，在临界转速以下发生摩擦时，由于相位差(注：摩擦点与不平衡点的相位差，下同)小于90°，摩擦引起的热变形将加大转子的偏心，进而发生转子越来越弯，越弯越摩的恶性循环，如果不紧急停机势必造成大的轴的永久弯曲。在临界转速以上发生摩擦时，由于相位差大于90°，摩擦引起的热变形有抵消原始不平衡的趋向，如果摩擦轻微，可以迅速提升到工作转速。在工作转速下发生轻微摩擦时，设A为原始不平衡矢量，转子高点与静止件发生摩擦产生热变形，设B为摩擦热变形形成的偏心矢量。A、B两个矢量合成新的矢量A′，相当于新的原始不平衡矢量，它使转子产生新的摩擦热变形矢量B′。A′和B′又合成新的矢量。如此持续循环下去，即可发现振动矢量逆转动方向旋转。

A′

A

B ω

B′

一般转子碰摩、摩擦有以下特征：

1)振动频带宽，既有与转速相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴随着异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判断。

2)振动随着时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位与旋转方向相反。

3)接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动（大于10°相位变化）。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹均带有附加的环。

4)当转子与静止部件有轻微的碰摩时，首先会引起较小零部件的振动并产生共振。此时在加速度频谱和加速度包络谱中会有显示。

5)比较有规律的碰摩会产生激励频率特征。

6)随着转子与静止件的碰摩的加剧，一般振动频率会逐渐的向低频过渡。使低频的振动增大，在低频段呈现出非线性的振动特征。

7)局部碰摩会产生工频及其谐波，碰摩即产生向心力同时又会产生切向力，由于碰摩的原因相位会很不稳定。一般局部碰摩发展成为连续的全周摩擦时，在加速度包络谱或速度谱中会产生以转子工频为主的特征频率。产生在那一部分主要与零部件的质量、刚度的大小有关。

8)在一定条件下会产生次谐波共振和分数谐波振动。

9)碰摩在时域频谱中有波形受约束和削顶现象产生。轴瓦碰摩时，时域波形不对称，频率成分往往以1倍工频为主，严重时可以3倍频为主。

10)摩擦时，轴心轨迹总是反向进动(由于存在与运动方向相反的切向力)，即与转轴旋转方向相反，由于摩擦还可能出现自激振动，自激的涡动频率为转子的一阶固有频率，但涡动方向与转子旋转方向相反。

11)当振动值随着温度的升高而增大时，因首先考虑到转子与静子之间有摩擦问题，尤其对工频值较高的设备，摩擦使温度升高，更加使转子呈现热弯曲。

12)转子与静子产生全周摩擦时，由于切向力的作用会产生与不平衡相类似的工频成分。只是不平衡为离心力，而摩擦主要为切向力，由于摩擦的连续性，垂直方向和水平方向的相位可能会接近。

动静摩擦

在旋转机械中，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与固定件接触碰撞而引起的异常振动时有发生。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种，其特征有：a) 振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别；b) 振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位变化与旋转方向相反；

c）接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动（大于100相位变化）。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹地带有附加的环。

1．转子碰摩故障的特征

(1)转子发生碰摩失稳前波形畸变，频谱成分丰富，轴心轨迹呈不规则变化。

(2)转子失稳后波形发生严重畸变或削波，轴心轨迹发散，且变为反进动。

(3)转子发生轻微碰摩时，同频幅值波动，轴心轨迹带有方位不定的小圆环。

(4)转子发生严重摩擦时，各频谱成分(谐波、次谐波)的幅值迅速增大。

(5)系统的刚度增加，临界转速区展宽，各阶振动的相位发生变化。

2．转子碰摩具有的规律

(1)在轻度局部碰摩的情况下，频谱中仍然以工频成分的幅值为主，而高阶谐波中的第二、第三阶谐波幅值一般并不太高．并且第二阶谐波幅值必定大于第三阶谐波幅值。随着碰摩程度的加剧，转子与静子的摩擦接触弧增大，此时由于摩擦接触起到了附加支承的作用，因此使工频成分幅值有所下降，而第二、第三价谐波幅值则由于附加非线性作用的影响反而有所增大。

(2)在发生全周摩擦的情况下，若转子正好通过临界转速．则将会产生一个很强的切向摩擦力．该力有可能引起转子的完全失稳。此时，转子振动一般会带有很高的亚异步成分，多为转子发生摩擦时的一阶固有频率(注意，因为发生摩擦时相当于增加了支承作用，转子系统的固有频率将会升高。除此之外，在发生全周摩擦时，高阶谐波基本上消失。

1．转子碰摩故障的特征

(1)转于发生碰摩失稳前波形畸变，频谱成分丰富．轴心轨迹虽不规则变化，且为正进动。

(2)转于失稳后波形发生严重畸变或削波，轴心轨迹发散，且变为反进动。

(3)转子发生轻微碰摩时，同频幅值被动，轴心轨迹带有方位不定的小圆环。

(4)转子发生严重摩擦时，各频谱成分(谐波、次谐波)的幅值迅速增大。

(5)系统的刚度增加，临界转速区展宽，各阶振动的相位发生变化。

2．转子碰摩具有的规律

(1)在轻度局部碰摩的情况下，频谱中仍然以工频成分的幅值为主，而高阶谐波中的第

二、第三阶谐波幅位一般并不太高．并且第二阶谐波幅值必定大于第三阶谐波幅值。随着

碰摩程度的加剧，转子与静子的摩擦接触弧增大，此时由于摩擦接触起到了附加支承的作用，因此使工频成分幅值有所下降，而第二、第三价谐波幅值则由于附加非线性作用的影响反而有所增大。