機械設備故障診斷技術課件

機械設備故障診斷技術機械設備故障診斷技術1機械設備故障診斷技術課程內容

（教材內容）1

概論2

故障診斷的信號處理方法3

旋轉機械故障診斷4

往復式壓縮機的故障分析和管道振動5

齒輪故障診斷6

滾動軸承故障診斷7

無損檢測技術在設備診斷中的應用8

現(xiàn)代智能診斷技術的應用機械設備故障診斷技術課程內容 （教材內容）2機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.1

設備故障診斷的含義和特性

1.

設備故障診斷的含義

應用現(xiàn)代測試技術、診斷理論方法

識別診斷設備故障機理、原因、部位和程度

根據(jù)診斷結論，確定設備維修方案和防范措施

設備故障：設備喪失工作效能程度，設備喪失規(guī)定性能狀態(tài)診斷：用測試分析技術和故障識別方法

確定故障性質、程度、類別和部位，研究故障機理的學科

診斷內容（三部分）：

一、信號采集（狀態(tài)監(jiān)測）：利用傳感器和監(jiān)測儀表，獲取設備運行信息

信號分析處理，提取設備特征信息

二、故障診斷：獲取特征參數(shù)，識別信息特征

利用專家知識經(jīng)驗，類似醫(yī)生診斷疾病

診斷設備故障類型、故障部位、故障程度

和產(chǎn)生故障的原因三、診斷決策：根據(jù)診斷結論，采取控制、治理和預防措施的決策

設備故障診斷包含三部分內容和實施過程機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診斷3機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.1

設備故障診斷的含義和特性

1.

設備故障診斷的含義

設備故障診斷所包含的

三部分內容和實施過程

如圖所示

一、狀態(tài)監(jiān)測（信號采集）

二、故障診斷（壽命估計）

三、診斷決策（防治控制）機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診斷4機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.1

設備故障診斷的含義和特性

2.

設備故障診斷的特性（1）多樣性

化工過程裝置

靜設備：如換熱器、傳質容器、反應器、變換器、塔設備等

動設備：如旋轉機器和往復機器等

設備結構不同，工藝參數(shù)各異，制造安裝差異

使用環(huán)境不同，產(chǎn)生各種故障

如離心式、軸流式壓縮機、煙氣輪機：

工藝氣體粉料（催化劑），轉子不平衡、振動、摩擦、磨損故障

高速旋轉機器：

軸承油膜不穩(wěn)定，轉子不對中

高速高壓旋轉機器：

流體激振，轉子自激振動

往復式壓縮機：

管道振動故障，零件磨損、變形、斷裂

高壓容器：

裂紋擴展，內部腐蝕，密封泄漏機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診斷5機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.1

設備故障診斷的含義和特性

2.

設備故障診斷的特性（2）層次性

設備故障現(xiàn)象（征兆）原因（癥候、病癥）深層次、多層次性（3）多因素和相關性

設備故障因相互關系產(chǎn)生多因素和相關性（4）延時性

故障形成，缺陷累積，狀態(tài)劣化，量變轉質變。故障過程延時性（5）不確定性（模糊性）

故障頻度、表現(xiàn)形式、特征差異、機理復雜機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診斷的目6機械設備故障診斷技術§1概述§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.2

設備故障診斷技術的應用與發(fā)展1.

應用

現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益提高，發(fā)展規(guī)?；透呒夹g含量

生產(chǎn)裝置大型化、高速高效化、自動化和連續(xù)化

設備要求性能好，效率高，少故障。否則故障損失巨大

如石油化工大型機組（離心、軸流壓縮機，煙氣輪機，汽輪機，風機和機泵）

單機、滿負荷關鍵設備，故障停機導致停產(chǎn)損失慘重

大型煉油裝置，化肥裝置，乙烯裝置停產(chǎn)一天損失數(shù)百萬

電力部門

300

MW發(fā)電機組停機一天少發(fā)電

720

萬度損失數(shù)千萬元

中國

1977～1987

年投產(chǎn)

6～7

個大化肥廠，機組故障停機

兩年損失相當一個大化肥廠全年產(chǎn)量（30

萬噸合成氨，48

萬噸尿素）

高技術大型化設備，故障重大災難性事故，經(jīng)濟損失慘重，嚴重政治影響

美國三里島核電站放射性物質外逸，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸

印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰酸甲醋毒氣泄漏

美國

1986、2003

年

“挑戰(zhàn)者”

號和

“哥倫比亞”

號航天飛機失事

中國

1980

年代

200

MW

汽輪發(fā)電機組事故

機組劇烈振動，轉子斷

7

段，聯(lián)軸節(jié)飛出廠房，機組徹底破壞

大化肥合成氣壓縮機強烈振動，振因復雜，停產(chǎn)

2

月?lián)p失億元

中國

20

世紀

70

年代開始應用機械設備故障診斷技術§1概述§1.1設備故障診斷的目的7機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.2

設備故障診斷技術的應用與發(fā)展

2.

發(fā)展

19

世紀：事后維修；20

世紀初～

50

年代：定期維修，孕育時期

20

世紀

60～70

年代：設備狀態(tài)維修。計算機技術、數(shù)據(jù)處理技術發(fā)展

20

世紀

80

年代以后：診斷智能化。人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)展

國內

20

世紀

80

年代初開始

高校和科研單位學術交流、理論研究和實際應用

大型企業(yè)建組織機構，技術應用發(fā)展，推動理論與方法研究

如數(shù)據(jù)采集，信號處理，故障特征、模式識別及人工智能等

診斷涉及多項學科知識，推動邊緣學科相互交叉、滲透和發(fā)展

如故障機理研究推動轉子動力學、結構動力學和模態(tài)分析技術的發(fā)展

故障診斷方法研究推動振動工程應用

模式識別，模糊數(shù)學、人工智能等數(shù)學物理方法應用和發(fā)展

狀態(tài)監(jiān)測技術推動測試技術、信號分析處理技術

和網(wǎng)絡傳輸技術的發(fā)展

故障控制推動振動噪聲控制理論研究與發(fā)展

設備故障評判結合故障診斷技術

與可靠性分析技術、失效分析技術機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診8機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.3

設備故障診斷技術與維修方式的關系

定期維修（計劃維修）：

設備運行時間為基礎，根據(jù)設備磨損和故障規(guī)律，事先制定計劃

確定修理類別、間隔、內容及要求。分大修和項（目）修

適用掌握故障規(guī)律的流程工業(yè)生產(chǎn)設備、自動化生產(chǎn)線和連續(xù)運行設備

缺點：①檢修量大耗時耗費；②要求精密機械，過多拆卸人為故障

③備品備件種類多，檢修費用大

技術發(fā)展和設備管理現(xiàn)代化，認識到采用一種預防性維修方式

即設備運行時進行狀態(tài)監(jiān)測，掌握技術狀況

對將形成或已形成故障分析診斷，判定設備劣化程度和部位

故障前制訂預知性維修計劃，確定設備修理內容和時間

即為基于狀態(tài)監(jiān)測為基礎的維修，最經(jīng)濟合理方式，又稱預知性維修

預知性維修（狀態(tài)監(jiān)測維修）：

測知設備狀態(tài)參數(shù)，了解設備現(xiàn)狀，判斷故障類型、性質和程度

推測發(fā)展趨勢，確定最佳維修時機，依據(jù)設備實際狀態(tài)

以設備故障診斷為基礎的先進維修方式

優(yōu)點：①減少突發(fā)性事故；②減少停機時間；③延長檢修周期

④延長設備使用壽命；⑤節(jié)約維修費用機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診斷的9維修方式內容比較使用對象事后維修（故障維修）設備出現(xiàn)故障或性能精度下降到合格水平以下，無法繼續(xù)使用時維修設備結構簡單，修理容易，獲得修理配件，故障停機不對生產(chǎn)造成損失，一般均設有備機定期維修（計劃維修）按磨損規(guī)律和故障概率得出維修周期，根據(jù)計劃定期維修。設備大修解體檢查，更換或修理零部件單機連續(xù)運行設備，掌握磨損規(guī)律和故障概率。關鍵設備和零部件，分析計算使用周期，確保設備安全運行狀態(tài)監(jiān)測維修（預知性維修）根據(jù)設備運行狀態(tài)監(jiān)測信息，判斷設備故障程度和發(fā)展趨勢，提出最佳維修時間和部位單機連續(xù)運行大型機組和重大設備，停機損失巨大，不宜解體檢查高精度設備，故障引起公害設備。具備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷條件機械設備故障診斷技術§1概述§1.1

設備故障診斷的目的和意義

1.1.3

設備故障診斷技術與維修方式的關系表

1-2三種維修制度比較工業(yè)發(fā)達國家經(jīng)驗

90

％設備要求預知性維修

10

％設備需要定期維修維修方式內容比較使用對象事后維修設備出現(xiàn)故障或性能精度下降到10機械設備故障診斷技術§1概述

§1.1

設備故障診斷的目的和意義1.1.3

設備故障診斷技術與維修方式的關系

五體制（維修體制）：（主要為帶

☆

號的三種維修體制）

☆

事后維修

BM（Break-down

Maintenance）：

故障（后）維修。適用于非重點或備用設備維修，傳統(tǒng)維修方式

☆

定期維修

TBM（Tim-Based

Maintenance）：

屬預防維修，即計劃維修

根據(jù)設備規(guī)律，固定維修周期，確定維修內容，制定維修計劃

適用主要生產(chǎn)設備，成本高，經(jīng)濟差，傳統(tǒng)典型維修方式

☆

狀態(tài)維修

CBM（Condition-Based

Maintenance）：

屬預防維修，即預知維修

日常檢查、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、故障分析、判別程度、計劃維修

適用于重點或通用設備，經(jīng)濟合理，值得提倡的維修方式

改善維修

CM（Corrective

Maintenance）：

改進結構，消除缺陷。值得提倡的維修方式

視情維修

OM（On-condition

Maintenance）：

屬預防維修。定期檢測，安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題，確定界限

適用于非重要零部件，認為有必要才進行維修的維修方式機械設備故障診斷技術§1概述 §1.1設備故障診11機械設備故障診斷技術§1概述

§1.2

設備故障的類型和狀態(tài)監(jiān)測技術1.2.1

設備故障的類型及其可能原因

結構損傷性故障：設備結構內外缺陷和損傷

裂紋：能由于疲勞、腐蝕、應力集中和應力突變等原因引起

磨損：運動部件相對摩擦，摩擦副間缺潤滑，顆粒物料對葉片沖刷等

腐蝕：化學反應現(xiàn)象。化學腐蝕，應力腐蝕、電化腐蝕

變形：設備外加負荷、不均勻熱膨脹、管道力、物料沖擊力

流體激振力、慣性力、內應力和設備結構薄弱等原因

斷裂：負荷過大，局部應力集中，振動激烈，循環(huán)載荷下產(chǎn)生金屬疲勞

剝落和燒傷：零件摩擦副潤滑不良或斷油，表面接觸應力過大

運動狀態(tài)劣化性故障：

（1）機械位置不良：轉子不平衡、轉子不對中、軸承工作不穩(wěn)定

熱態(tài)變形、零件松動

（2）剛性不足：支承基礎剛性、轉子剛性

（3）摩擦：轉子定子干摩擦、軸件內摩擦

（4）流體激振：壓力脈動和聲學共振；旋轉失速、喘振、汽蝕

滑動軸承油膜振蕩、浮環(huán)和迷宮密封中流體激振

（5）非線性的諧波共振：零件松動、流體間隙激勵、摩擦等機械設備故障診斷技術§1概述 §1.2設備故障的類型12機械設備故障診斷技術§1概述

§1.2

設備故障的類型和狀態(tài)監(jiān)測技術1.2.2

設備故障診斷的功能和環(huán)節(jié)

1.

功能

①

檢測評價設備運動、缺陷、磨損、劣化和故障狀態(tài)

②

確定設備故障性質、類型、程度、部位及發(fā)展趨勢

預測設備可靠性程度

③

確定故障來源，提出整改措施

2.

環(huán)節(jié)

①

信號采集

——

傳感器（人體感覺器官）采集設備運行參數(shù)

反映設備故障特性

②

信號處理

——

分析儀器加工處理采集信息，提取特征信息

反映故障狀態(tài)、性質、類型和程度

③

故障診斷

——

人的知識經(jīng)驗或診斷技術方法

分析診斷故障原因

確定故障類型和發(fā)生部位

④

防治控制

——

確定故障提出控制方案或預防治理措施機械設備故障診斷技術§1概述 §1.2設備故障的類13機械設備故障診斷技術§1概述

§1.2

設備故障的類型和狀態(tài)監(jiān)測技術1.2.2

設

備

故

障

診

斷

的

功

能

和

環(huán)

節(jié)

2.

環(huán)

節(jié)機械設備故障診斷技術§1概述 §1.2設備故障的14機械設備故障診斷技術§1概述

§1.2

設備故障的類型和狀態(tài)監(jiān)測技術1.2.3

狀態(tài)監(jiān)測的技術和方法

振動信號監(jiān)測診斷技術：

振動主要故障原因，信號包含狀態(tài)信息，轉換電信號便于處理分析

聲信號監(jiān)測診斷技術：

噪聲診斷、超聲波診斷和聲發(fā)射診斷技術

溫度信號監(jiān)測診斷技術：

溫度直接測量技術、熱紅外分析技術

潤滑油的分析診斷技術：

油品理化性能分析技術、油樣含磨損金屬顆粒鐵譜分析技術

和光譜分析技術

其他無損檢測診斷技術：

超聲波檢測技術、射線照相檢測技術、表面缺陷的檢測技術

包括磁粉探傷、表面滲透、電渦流檢測

光學顯微鏡分析以及光纖內窺鏡和光學成像技術機械設備故障診斷技術§1概述 §1.2設備故障的類型和15機械設備故障診斷技術§1概述

§1.3

設備故障狀態(tài)的識別方法1.3.1

信息比較診斷法

采集存儲振動幅值、頻率、相位、轉速、位移、模態(tài)、溫度、壓力

流量等參數(shù)信息，建立數(shù)據(jù)庫，趨勢分析比較等1.3.2

參數(shù)變化診斷法

改變操作參數(shù)，測量分析參數(shù)變化信號特征

結合參數(shù)門檻值（閉值），觀察機器故障有關因素1.3.3

模擬試驗診斷法

模擬試驗，研究未知或不確定的故障機理和特征，解答故障原因

提出故障特征參數(shù)及參數(shù)間定量關系等

注意模型與對象相似條件1.3.4

函數(shù)診斷法

故障征兆和原因間存在函數(shù)關系，計算設備運行參數(shù)

預測或識別設備故障1.3.5

故障樹分析診斷法（Fault

Tree

Analysis，F(xiàn)TA法）

以系統(tǒng)不希望故障狀態(tài)出發(fā)（頂事件）

按照邏輯關系總體到部件逐級細化，推理分析故障原因

確定故障最初原因、影響程度和發(fā)生概率（底事件）機械設備故障診斷技術§1概述 §1.3設備故障狀態(tài)的識16機械設備故障診斷技術§1概述

§1.3

設備故障狀態(tài)的識別方法1.3.6

模糊診斷法

確定故障原因和征兆論域、確定兩論域中元素隸屬度

建立模糊關系矩陣、模糊綜合評判1.3.7

神經(jīng)網(wǎng)絡診斷法

基本組成、網(wǎng)絡拓撲結構、故障診斷應用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡基本組成：神經(jīng)元、神經(jīng)元間連接、神經(jīng)網(wǎng)絡結構

神經(jīng)網(wǎng)絡診斷方法：自學習功能、結合模糊診斷1.3.8

結論

設備故障診斷技術成功條件

（1）足夠有用的信息

診斷決策依據(jù)

（2）多方面診斷知識

設備工作原理、結構特點、故障機理

結構動力學、轉子動力學和流體力學知識

測試技術和信號分析處理方法機械設備故障診斷技術§1概述 §1.3設備故障狀態(tài)的識17機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷

旋

轉

機

械

：轉子旋轉運動工作機器，轉子、軸承等部件

典型旋轉機械：離心泵、軸流泵、離心式和軸流式風機、壓縮機

汽輪機、渦輪發(fā)動機、電動機、離心機等

生產(chǎn)關鍵設備：大型化工、石化、電力和鋼鐵等行業(yè)大型旋轉機械

煉油廠催化三機組或四機組

大化肥裝置四大機組或五大機組

乙烯裝置三大機組

電力行業(yè)汽輪發(fā)電機組、泵和水輪機組

鋼鐵行業(yè)高爐風機和軋鋼機組3.1.1

轉子不平衡概念

轉子不平衡：轉子受材料質量、加工、裝配以及運行多因素影響

質量中心和旋轉中心之間存在偏心距

轉子工作時周期性離心力干擾

軸承產(chǎn)生動載荷引起機器振動

不平衡原因：旋轉體質量沿旋轉中心線不均勻分布機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.1轉18G

?

2πn??

2πn??

2π

×6000?機械設備故障診斷技術（N）圓盤質量

10

kg，偏心距

0.2

mm，轉速

6000

r/min，離心力離心力在軸承上每轉變化一次，引起轉子軸承系統(tǒng)振動§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.1

轉子不平衡概念

帶薄圓盤剛性轉子

兩軸承支承跨度

l

轉子質量

m

質心

M

距旋轉中心

O

偏心距

e

旋轉角速度ω

假定轉子系統(tǒng)無阻尼

轉子產(chǎn)生離心力Gen2

900

2

e?

?

≈g

?

60

?F

=

meω

2

=22?

60

?=10×2×10?4

×?

?

=

789

（N）F

=

me×?

?

?

60

?G?2πn??2πn??2π×6000?機械設19機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.1

轉子不平衡故障診斷

3.1.1

轉子不平衡概念機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.1轉子不20機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.2

臨界轉速對不平衡振動的影響（1）臨界轉速的動力特性

臨界轉速現(xiàn)象：不平衡離心力引起共振現(xiàn)象，臨界轉速時轉子很大彎曲變形

弓狀回旋運動（“渦動”或“進動”），轉子質量中心遠離軸承中心線

離心力大增，轉子更大變形，離心力放大，機器劇烈振動

臨界轉速：一階臨界轉速

ncr1，多階臨界轉速

ncri（階數(shù)

i

）

設計要求：工作轉速

n

避開臨界轉速

ncr

一般規(guī)定：工作轉速

n

＜一階臨界轉速

ncr1，n

≤

0.75

ncr1

工作轉速

n

＞一階臨界轉速

ncr1，1.4

ncri＜

n

＜

0.7ncr(i+1)（i

階）

轉子運動力學模型：最簡單兩端剛性軸承對稱支承轉子

軸中點圓盤質量

m，剛度系數(shù)

k，動撓度δ

轉子無阻尼橫向振動固有頻率

ωn

=

K

/m

ω＝ωn

時，理論δ

無限大

角速度ω

即臨界轉速

轉速頻率ω

＝橫向固頻ωn機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.121機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.2

臨界轉速對不平衡振動的影響（2）阻尼對臨界轉速下

轉子振動的影響

阻尼：介質黏性

軸承油膜黏性

滑動面間摩擦

軸材料內摩擦阻尼

以及

轉子軸承系變形

能耗結構阻尼等

線性系統(tǒng)：阻尼力與速度成正比

力方向與速度方向相反

轉子放大因子β

＝

振幅

A

/

靜撓度

Xst

反映轉子共振振幅高低

β

值與頻率比ω/ωn

和阻尼比ζ

有關機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.1轉22機械設備故障診斷技術

不平衡振動故障特征：①

轉子或軸承徑向振動，頻譜圖轉速頻率成分突出峰值②

轉子單純不平衡振動

轉速頻率高次諧波幅值低

時域波形為正弦波③

轉子軸心軌跡形狀為圓或橢圓

同截面垂直兩探頭信號相位差

90o④

轉子進動方向為同步正進動⑤

普通兩端支承轉子

軸向振幅不明顯⑥

轉子振幅對轉速變化敏感

轉速下降振幅明顯下降§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.3

轉子不平衡振動的故障特征

轉子不平衡振動：周期性離心力干擾產(chǎn)生強迫振動，轉子旋轉一周

離心力經(jīng)某點產(chǎn)生一次擾動，測點一次振動響應

轉子振動頻率

f

＝轉速頻率

n

/

60，轉子角頻率ω＝2πf

工頻（工作頻率）：轉速頻率工頻成分機械設備故障診斷技術 不平衡振動故障特征：§3旋轉機械故障診23§3.1轉子不平衡故障診斷3.1.4不平衡振動的故障原因和防治措施1固有質量不平衡轉子原始狀態(tài)存在不平衡，與操作運行無關原因：設計錯誤、材料缺陷、加工與裝配誤差、動平衡方法不正確等§3.1轉子不平衡故障診斷24機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷25機械設備故障診斷技術1

固有質量不平衡轉子原始狀態(tài)存在不平衡，與操作運行無關原因：設計錯誤、材料缺陷、加工與裝配誤差、動平衡方法不正確等§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的故障原因和防治措施機械設備故障診斷技術1固有質量不平衡轉子原始狀態(tài)存在不平26機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的

故障原因和防治措施

1

固有質量不平衡

轉子原始狀態(tài)

存在不平衡，

與操作運行無關

原因：

設計錯誤、

材料缺陷、

加工與裝配誤差、

動平衡方法

不正確等機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.127機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的故障原因和防治措施

1

固有質量不平衡

轉子原始狀態(tài)存在不平衡，操作運行無關

原因：設計錯誤、材料缺陷、加工與裝配誤差、動平衡方法不正確等機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.1轉28機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的故障原因和防治措施

1

固有質量不平衡

動平衡技術（解決措施）：

標準：ISO

1940《剛性轉子平衡精度》

11

等級，轉子平衡精度等級

G

＝

0.16

～

4000

mm/s

G

＝（eω）/

1000

式中：

e

——

轉子不平衡度，g·mm/kg；ω

——

轉子旋轉角速度，1/s

G

——

轉子平衡精度等級，mm/s

剛性轉子平衡：（轉速低于一階臨界轉速）

靜平衡（單平面平衡、滾動法、計算平衡質量，對薄圓盤轉子）

動平衡（雙面多面平衡、動平衡機）

現(xiàn)場平衡：對大型機組、實際安裝條件（與平衡機條件不同）

維修更換零件等

影響系數(shù)法（試重、測定、作圖、解析、再試重、計算、平衡）

試重周移法（圓周等分試重）

撓性轉子平衡（轉速超一階臨界轉速）：減小轉子振動和撓曲度

振型平衡法、影響系數(shù)法，多平面多轉速平衡

技術發(fā)展：自動化、微機化，提高精度、減少次數(shù)機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.129機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的故障原因和防治措施F2F3F113m2

2m1r2r1

r3m3IIIF2IF3IF3

IIF1IrI

rIIF1

IIF2

II

mbIIFIILl1l2l3θIIθ

I

mb

I

PI平衡平面1

固有質量不平衡

雙面動平衡技術機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.1轉子不30機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的

故障原因和防治措施

2

轉子運行中的不平衡（1）轉子彎曲

臨時性彎曲：

外部影響或外力作用

不需動平衡

簡單措施（盤車）

或改操作方式

轉子受熱不均

轉子自重

氣流沖擊

溫度突變

負荷變化快等

永久性彎曲：

轉子慢轉無法恢復

熱處理校直

精加工消除機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §331機械設備故障診斷技術2

轉子運行中的不平衡（2）轉子平衡狀態(tài)破壞轉子零件碎裂或飛離：階躍式不平衡，振幅相位突變葉輪沉積固體雜質：高溫粘性催化劑微粒粘結，管道銹蝕、氣源粉塵沉積

振幅加大，轉速成分突出，轉速增振幅大。嚴重時轉靜子摩擦磨損葉輪除銹或氣體雜質沖蝕：維修不當措施軸上零件松動：輪、盤、軸、鍵槽配合，材料選擇，介質腐蝕，軸承間隙§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.4

不平衡振動的故障原因和防治措施機械設備故障診斷技術2轉子運行中的不平衡（2）轉子平衡狀32機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.1

轉子不平衡故障診斷3.1.5

定向振動與不平衡振動故障的鑒別

定向振動：

軸心軌跡接近直線

非圓或橢圓

振動同相位或

180o

反相位

機體變形

皮帶輪或齒輪偏心

機座松動

結構共振等機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.1轉子33機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷轉子不對中故障：

轉子連接對中超標，或軸頸位置不良

軸承缺良好油膜和適當負荷

引發(fā)機器振動或聯(lián)軸節(jié)、軸承損壞原因：①

初始安裝對中超差

②

轉子中心運行時熱態(tài)升高

③

軸承架熱膨脹不均勻

④

管道力作用

⑤

機殼變形或移位

⑥

地基不均勻下沉

⑦

基礎變形

⑧

轉子彎曲，同時產(chǎn)生不平衡和不對中故障故障：振動加大，軸承偏磨，聯(lián)軸節(jié)過熱，齒式聯(lián)軸節(jié)齒面磨損

聯(lián)軸節(jié)配合鍵槽裂紋，膜片聯(lián)軸節(jié)疲勞損壞

旋轉機械故障

60％原因為轉子不對中機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.2轉子34機械設備故障診斷技術①

改變軸承油膜壓力③

平行不對中引起徑向振動②

軸承振幅隨負荷增大而增高④

剛性聯(lián)軸節(jié)兩側振動相位差⑤

振動頻率：剛性聯(lián)軸節(jié)平行不對中二倍轉速頻率及工頻和多倍頻

角度不對中工頻軸向振動及多倍頻⑥

大型渦輪機械多跨轉子其他因素⑦

軸頸軸心軌跡橢圓形。載荷增大，變香蕉形、“

8

”

字形或外圈中內圈等§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.1

轉子不對中故障的特征

轉子不對中故障特征：機械設備故障診斷技術①改變軸承油膜壓力②軸承振幅隨負荷增35機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.2

聯(lián)軸節(jié)不對中的振動頻率

1

剛性聯(lián)抽節(jié)軸（1）平行不對中的振動頻率

兩倍頻激振力，旋轉

1

周徑向力交變

2

次

一對連接螺釘一受拉伸另一受壓縮（2）角度不對中的振動頻率

軸旋轉一周，彎矩方向交變一次，工頻振動（3）不對中引起轉子不平衡

相當附加不平衡質量，類似不平衡振動

2

齒式聯(lián)軸節(jié)（半撓性聯(lián)軸節(jié)）

聯(lián)軸節(jié)外齒和內齒連接齒套

齒接觸表面圓弧形

齒嚙合允許一定軸向移動量和角度偏擺量

允許裝半聯(lián)軸節(jié)微量不對中

3

膜片聯(lián)軸節(jié)（半撓性聯(lián)軸節(jié)）

軸端半聯(lián)軸節(jié)與套筒間用撓性膜片連接

撓性好，不需潤滑，維修量少，廣泛應用

傳遞功率小，不能承受過大軸向力機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.236機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.3

不對中故障的監(jiān)測方法（1）靜態(tài)檢測法

打表法：

千分表測量

三表和單表找正法

激光對中法：

激光對中儀

聯(lián)軸節(jié)表面狀態(tài)檢測法：

齒面過熱摩擦

和裂紋痕跡

膜片、螺栓、軸殼等

疲勞裂紋

摩擦痕跡機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.2轉37機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.3

不對中故障的監(jiān)測方法（2）動態(tài)監(jiān)測法

振動診斷法：振動頻率、相位、振動方向和軸心軌跡形狀等特征

激光對中法：二對激光對中儀，固定軸承架上，分別測量垂直和水平位移量

儀器價格昂貴，環(huán)境中蒸汽、煙氣、灰塵和機體振動影響

Dodd

棒測量法：驅動機和被驅動機軸承架端面各固定并行測量桿

測量截面水平和垂直方向渦流探頭非接觸測量位移量

測量棒結構和剛性要求嚴格，補償溫度變形問題

電渦流測量法：

地面獨立支架

安裝垂直和水平方向

兩電渦流測量探頭

非接觸測量機組

固定測量桿位移量

軸承油膜壓力測量法：

油膜壓力反映

軸承間隙和軸承標高機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.2轉38機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.4

故障診斷實例

☆汽輪發(fā)電機組基礎下沉：軸承座位置下移，軸頸被相鄰

2

號軸承抬空

軸頸不對中，軸承比壓減小，油膜失穩(wěn)強烈振動機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.2轉39機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.2

轉子不對中故障診斷3.2.4

故障診斷實例

☆離心泵聯(lián)軸節(jié)不對中：

聯(lián)軸節(jié)軸承處振動頻譜圖顯示很大

2

倍轉速頻率和工頻成分

不平衡和不對中聯(lián)合作用，軸向測明顯軸向振動，典型不對中故障

11

倍轉速頻率成分為泵葉片通過頻率機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.2轉40機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷

滑動軸承作用：①

轉子負荷支承作用

②

轉子運動提供剛度和阻尼

③

控制轉子穩(wěn)定運轉3.3.1

滑動軸承工作原理

靜壓軸承：

依靠潤滑油在轉子軸頸周圍

形成靜壓力差與外載荷相平衡

軸旋轉與否始終浮在壓力油中

旋轉精度高、摩擦阻力小、承載能力強

良好速度適應性和抗振性等

制造工藝高，需復雜供油裝置

應用高精度機床上

動壓軸承：

油膜壓力由軸旋轉產(chǎn)生

供油系統(tǒng)簡單，使用壽命長

旋轉機器廣泛采用

徑向軸承和止推軸承（軸向力）機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.3滑動41機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.1

滑動軸承工作原理

流體動壓軸承原理：潤滑油膜楔形間隙流體動壓力作用

軸停滯時沉在軸承內底部

軸旋轉時依靠摩擦力作用

沿軸承內表面往上爬行

到達摩擦力和

轉子重量平衡位置

油膜收斂油楔動壓力作用

抬起軸頸

軸承承載能力系數(shù)

S0

相對偏心率ε

和

軸承寬徑比

l

/

d

的函數(shù)

低速重載轉子

S0＞1

高速輕載轉子

S0＜1機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.3滑42機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.2

滑動軸承常見故障的原因和防治措施（1）巴氏合金松脫

澆注基體金屬清洗，材料鍍錫澆注溫度不夠

重新澆注巴氏合金（2）軸承異常磨損、刮傷、拉毛

軸承裝配缺陷：軸承間隙，軸瓦錯位，軸瓦接觸，軸頸油膜

引起轉子振動和軸瓦磨損。更換軸承或修刮重新裝配

軸承加工誤差：軸承圓度，油楔軸承油楔大小和形狀，軸承間隙

止推軸承端面偏擺量，瓦塊厚薄，表面巴氏合金磨損

工藝檢查，修理軸瓦形狀

轉子發(fā)生大振動：軸瓦振動摩擦、燒損、刮傷、拉毛

消除振動因素，更換磨損軸承

止推軸承設計：承載面積、壓縮機超壓、密封損壞，軸向力大，瓦塊磨燒

供油系統(tǒng)：潤滑油量、供油清潔、油溫度、油黏度、供油壓力

濾清濾網(wǎng)、油孔堵塞、軸承磨損

油冷效果、潤滑油水分

加大油冷卻器，更換過濾器，更換潤滑油機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.3滑43機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.2

滑動軸承常見故障的原因和防治措施（3）軸承疲勞

原因：①

軸承過載：

油膜破裂，應力集中，局部裂紋，裂紋擴展

②

軸瓦松動：

軸承間隙，機器振動，軸承交變載荷

裂紋擴展，瓦塊表面開裂與松脫

③

軸承摩擦和咬粘：

表面高溫，材料熱應力和熱裂紋，熱裂紋擴展

④

巴氏合金過厚：

疲勞敏感，疲勞破壞

⑤

巴氏合金強度：

溫度升高下降，高溫疲勞裂紋擴展

措施：①

軸承比壓合適范圍

②

軸承間隙應設計范圍

③

較薄巴氏合金（厚度

1

～

1.5

mm）和抗疲勞性能瓦塊

④

控制軸瓦溫度機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.3滑44機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.2

滑動軸承常見故障的原因和防治措施（4）軸承腐蝕

潤滑劑化學作用。選用潤滑劑，潤滑劑“老化”喪失潤滑性能（5）軸承氣蝕

軸承內油液壓力低區(qū)域（低于油液飽和蒸汽壓）生成微小氣泡

氣泡高壓擠破，瞬間壓力波沖擊軸承表面

表面金屬疲勞裂紋或金屬層剝落（6）軸承殼體配合松動

軸承蓋與軸承座之間壓緊間隙

軸瓦松動影響軸承油膜穩(wěn)定性

振動非線性特點，振動工倍、轉速頻率、次諧波成分

1

/

i

倍轉速頻率超諧波成分（正整數(shù)

i

）（7）軸承間隙不適當

軸承間隙太小發(fā)熱，間隙太大明顯振動（8）軸承溫度過高

軸承間隙?。惠S承載荷高；油冷卻器故障

軸承形狀或裝配機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.3滑動45機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

1

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的原因

高性能旋轉機器轉子軸承系統(tǒng)

多為高速輕載滑動軸承，設計或使用因素

易發(fā)生油膜不穩(wěn)定

引起轉子軸承較大振動

特有故障——油膜振蕩，油膜力引起自激振動（1）軸頸在油膜中的渦動與穩(wěn)定性（2）油膜失穩(wěn)的力學機理

油膜動態(tài)特性：油膜剛度和阻尼

油膜失穩(wěn)機理：一般強迫振動激振力為離心力

與轉子質量

M、重心偏移量

e

和轉速ω

等有關

油膜失穩(wěn)主要激振力非離心力，是與位移相垂直的油膜切向力

軸頸渦動方向起推動作用，某種條件使振幅越來越大

強烈振動導致機器損壞

軸心軌跡形狀與轉子穩(wěn)定狀態(tài)的關系：

橢圓形軸心軌跡比圓形穩(wěn)定，橢圓度大有利軸心穩(wěn)定機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.346機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

2

油膜振蕩的機理及其故障診斷

高速滑動軸承特有故障，油膜力產(chǎn)生自激振動

發(fā)生時輸入能量很大

，引起轉子軸承系統(tǒng)損壞

大型機組可能導致機組毀壞嚴重事故（1）半速渦動與油膜振蕩

半速渦動：

轉子軸頸高速旋轉時，環(huán)繞平衡中心公轉運動

油膜力激勵的渦動角速度近似為轉速二分之一

渦動正向運動（轉子旋轉同向）

實際振動頻率Ω

＝（0.43～0.48）ω（2）油膜振蕩的特征及其診斷

油膜振蕩：

軸頸渦動運動與轉子自振頻率吻合時發(fā)生大幅度共振現(xiàn)象

發(fā)生突然，振幅突升，局部油膜破裂，軸頸軸瓦摩擦

強烈吼叫聲，嚴重損壞軸承和轉子機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.347機械設備故障診斷技術

故障特征：①自激振動

不受外部激勵力影響②渦動頻率Ω

與轉速頻率ω

之比約

0.35～0.5

渦動頻率Ω

接近

轉子一階自振頻率③非線性油膜共振④軸心軌跡形狀紊亂發(fā)散，不規(guī)則軌跡線疊加花瓣形狀⑤發(fā)生巨大吼叫聲。轉子激烈自激振動，軸承油膜破裂

軸頸軸瓦碰撞摩擦，軸承和迷宮密封嚴重損傷⑥

“

慣性

”

現(xiàn)象。轉速升高降低，振蕩頻率和振幅變化不明顯§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

2

油膜振蕩的機理及其故障診斷（2）油膜振蕩的特征及其診斷高振幅振蕩低振幅渦動機械設備故障診斷技術 故障特征：③非線性油膜共振§3旋轉機械48機械設備故障診斷技術故障特征§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

2

油膜振蕩的機理及其故障診斷（2）油膜振蕩的特征及其診斷約

1/2

工頻機械設備故障診斷技術故障特征§3旋轉機械故障診斷 §3.349..機械設備故障診斷技術（2

）

油

膜

振

蕩

的

特

征

及

其

診

斷2

油

膜

振

蕩

的

機

理

及

其

故

障

診

斷333

高

速

滑

動

軸

承

不

穩(wěn)

定

故

障

的

特

征

和

防

治

措

施§3旋轉機械故障診斷§3.3

滑動軸承故障診斷..機械設備故障診斷技術（2233§3旋轉機械故障診斷§3.50機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承

不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

3

油膜不穩(wěn)定的防治措施（1）避開油膜共振區(qū)域

避免轉子工作轉速

接近兩倍一階臨界轉速

約

1/2

工頻機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.351機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

3

油膜不穩(wěn)定的防治措施（2）增加軸承比壓

軸瓦單位面積承受載荷。增加軸承比壓，承載能力系數(shù)

S0提高，偏重載形式

一般軸承比壓

1.0～1.5

MPa，高速輕載軸承

0.3～1.0

MPa

增加比壓值等于增大軸頸的偏心率，提高油膜穩(wěn)定性

重載轉子比輕載轉子穩(wěn)定，因為重載轉子偏心率大重心低

像海洋中一艘航空母艦，由于載重量大

水線下艦體深，波浪中非常穩(wěn)定

對已經(jīng)油膜失穩(wěn)轉子，增加軸承比壓，提高承載能力系數(shù)

常用辦法：

①

車削縮短軸承寬度

②

軸承下瓦環(huán)向槽或溝槽，減小瓦塊接觸面積，改善油楔內油壓分布

③

減小下瓦接觸角，下瓦開泄油槽，增加軸頸偏心率

④

減小上瓦油槽寬度或設置油壩，提高上瓦油壓

⑤

改變油楔形式，圓柱軸承降低頂隙，增加側隙

變?yōu)闄E圓形軸承，提高軸頸穩(wěn)定性機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.352機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

3

油膜不穩(wěn)定的防治措施（3）減小軸承間隙

軸承間隙減小，相對增大軸承偏心率，提高發(fā)生油膜振蕩轉速（4）控制軸瓦預負荷

預負荷正值表示軸瓦內表面曲率半徑大于軸承內圓半徑

增大偏心距和

油楔收斂程度

增加油楔力

多油楔、多油葉軸承機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.353機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

3

油膜不穩(wěn)定的防治措施（5）選用抗振性好的軸承

橢圓軸承穩(wěn)定性優(yōu)于圓柱軸承

三、四油楔（油葉）軸承

穩(wěn)定性優(yōu)于橢圓軸承

抗振性優(yōu)良高速輕載可傾瓦軸承

多塊活動軸瓦（5

塊較多）

各瓦塊有自由擺動支點

載荷方向自動調整

油膜力通過軸中心消除切向力

獨立瓦塊油膜不連續(xù)，減小渦動可能性

結構形式：平面自調式，瓦塊圓周方向自由擺動

球面自調式，瓦塊圓周方向和軸線平面方向擺動（自位作用）（6）調整油溫

油溫高，油黏度小，增加軸頸偏心率，有利軸頸穩(wěn)定

其他措施：提高供油壓力、軸承多路供油及軸承內表面開油槽等

其他因素：流體激振、材料內摩擦，聯(lián)軸節(jié)、軸承軸頸不對中

軸承架熱膨脹變形、工作流體周向作用力不平衡等機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.354機械設備故障診斷技術

低壓缸轉速

6700

r/min

高壓缸轉速

8933

r/min軸承型式四油葉，軸承間隙

1.6

‰

高壓缸第一臨界轉速3000～3300

r/min油膜振蕩頻譜：

軸轉速頻率ω

140.5

Hz

軸不平衡振動

油膜振蕩頻率Ω

55

Hz

其他成分：

主頻率ω

和Ω

和差組合頻率§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的

特征和防治措施

4

故障診斷實例

☆國產(chǎn)

30

萬噸合成氨裝置

ALS-16000

型離心式氨壓縮機

軸承油膜振蕩

11000

kW

汽輪機拖動

高低壓缸間速比

56:42

增速器油膜振蕩頻率高壓缸轉速頻率機械設備故障診斷技術 低壓缸轉速6700r/min3055機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.3

高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的特征和防治措施

4

故障診斷實例（☆空氣壓縮機低壓缸軸承油膜不穩(wěn)定振動

）

振動低頻成分突出，工頻比

0.48，認為空壓機軸承油膜不穩(wěn)定半速渦動

可能原因：低壓缸兩端聯(lián)軸節(jié)對中不良，改變軸承負荷大小和方向

大修停機檢查：軸承間隙超差；可傾瓦厚度不均勻，聯(lián)軸節(jié)平行對中量超差工頻成分工頻成分機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.356機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.3

滑動軸承故障診斷3.3.4

結構共振產(chǎn)生的軸承工作不穩(wěn)定

機器底板或軸承座剛性不足

結構、基礎共振，底板基礎連接松動、扭曲或斷裂振動，管道振動

結構振動頻率與軸承油膜渦動激發(fā)頻率吻合引發(fā)油膜不穩(wěn)定振動3.3.5

轉子軸承電流故障診斷

1

軸承電流損傷現(xiàn)象

軸承潤滑使轉子與靜子部件油膜絕緣

轉子對地電阻建對地電壓，電壓升高電阻最小區(qū)擊穿絕緣通路電火花放電

主要影響：①

放電區(qū)域熔化金屬粒子，金屬表面形成微小電流凹坑

②

凹坑積累使承磨表面粗糙，產(chǎn)生機械磨損

③

大量熔化金屬微粒進潤滑劑，潤滑性能壞，油膜電阻降低

④

局部高溫破壞油膜，燒傷金屬增加磨耗，潤滑失效摩擦損壞

2

軸承電流的成因和類型

（1）磁力線不對稱和磁化效應；（2）靜電作用（蒸汽噴射，油分子摩擦）

3

軸承電流損傷的故障特征和診斷方法

（1）宏觀觀察法；（2）微觀觀察法；（3）電壓測量法

4

軸承電流的防治措施

限軸電壓＜1V：接地裝炭刷、金屬滑靴、水銀槽、水密封等

轉軸導電荷（空氣通道，油導體添加劑）；部件絕緣；變油膜厚度機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.357機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.4

轉子摩擦故障診斷①

轉子與靜子零部件干摩擦

最常見摩擦故障

高速旋轉轉子與迷宮密封件間

葉輪口環(huán)與密封環(huán)間

葉輪與隔板間

軸頸與軸承間擦

軸與浮動環(huán)間摩擦等

起因：安裝間隙、軸承間隙、

軸撓曲變形、軸位移量或軸躥動、

部件熱膨脹量、潤滑系統(tǒng)故障

轉子振動：不平衡、不對中、

油膜振蕩、流體激振、

轉子和軸承系統(tǒng)共振等②

轉子內部發(fā)生內摩擦故障

轉軸材料彈性滯后產(chǎn)生內摩擦力激發(fā)轉子渦動

軸上配合零件與軸彎曲時產(chǎn)生摩擦

齒式聯(lián)軸節(jié)齒套與齒殼間軸向滑動摩擦機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.4轉58機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.4

轉子摩擦故障診斷3.4.1

干摩擦故障的機理和特征

輕摩擦：轉子與迷宮密封齒間、軸頸與軸承表面間摩擦，轉子振動不大

重摩擦：轉子與靜止部件間碰摩，摩擦力大，

整周接觸，轉子振動大損傷（1）局部碰摩的故障特征。一階或多階自振頻率，次諧波和高次諧波振動響應

輕摩擦：工頻ω、2ω，3ω高低次諧波。重摩擦：1/2ω諧波及高次諧波（2）摩擦接觸弧增大時故障特征。波形“削波”；反向進動；軸心軌跡圓環(huán)

“8”

字機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.4轉59機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.4

轉子摩擦故障診斷

3.4.2

轉子內摩擦引起失穩(wěn)的機理

（1）轉軸材料彈性滯后引起的不穩(wěn)定振動

（2）軸上零件滑動摩擦引起的不穩(wěn)定振動

（3）齒式聯(lián)軸節(jié)摩擦引起的不穩(wěn)定振動

（4）防止滑動摩擦激振的方法機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷§3.4轉子摩60機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.5

浮動環(huán)密封故障診斷3.5.1

浮動環(huán)密封故障的機理和特征

高速高壓離心式壓縮機防止氣體外泄采用浮動環(huán)密封

浮動環(huán)密封特點：浮動環(huán)和轉軸間注密封液，液壓略高泄漏氣壓

密封間隙內流動阻力阻止高壓氣外漏

故障：熱膨脹等，浮環(huán)與殼體間端面摩擦力大，浮環(huán)卡死成小徑向圓柱軸承

易發(fā)生油膜不穩(wěn)定。浮環(huán)內壁與轉軸間碰撞摩擦，表現(xiàn)摩擦故障特征機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.5浮61機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.5

浮動環(huán)密封故障診斷3.5.1

浮動環(huán)密封故障的機理和特征機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.5浮動62機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.5

浮動環(huán)密封故障診斷3.5.2

故障診斷實例

☆大化肥廠合成氣壓縮機

高壓缸浮動環(huán)卡澀

頻譜圖振幅最高頻率

83

Hz

與轉速頻率

172.9

Hz

（10375

r/min）

之比

0.48

軸心軌跡紊亂

類似軸承油膜

不穩(wěn)定故障

檢查發(fā)現(xiàn)：

高壓缸密封參比氣

與密封油壓差波動

浮動環(huán)工作不穩(wěn)定壓力波動

軸承回油管大量工藝氣體

高壓氣密封不良進入潤滑系統(tǒng)

診斷浮動環(huán)卡澀機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.5浮63機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.1

非接觸式密封中的流體激振故障

離心泵多用環(huán)形密封，汽輪機和離心壓縮機均用迷宮密封（梳齒形密封）機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.6葉64機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.1

非接觸式密封中的流體激振故障

1

非接觸式密封中流體激振的機理

Alford

流動模型；氣隙不平衡力矩模型

螺旋形流動模型；三維流動模型機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.6葉65機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.1

非接觸式密封中的流體激振故障

2

迷宮密封氣流激振的研究

密封偏心周向壓力，最高壓力點位置，轉子渦動切向力

密封進出口壓力差，密封激勵力，密封結構尺寸，密封流體剛度

轉子軸承系統(tǒng)結構動力特性

（轉子撓性、軸承結構、油膜剛度、流體激振力、內外摩擦等）

3

迷宮密封氣流激振的故障特征

密封流體激振產(chǎn)生振動頻率，低于工作轉速頻率亞異步振動

振動情況與轉速、壓力、負荷有密切關系

高壓汽輪機氣隙振蕩與噴嘴方向和進氣閥開啟度有關

4

迷宮密封氣流激振的防治措施

（1）導入反預旋氣流

（2）腔內開孔導入平衡氣

（3）腔內周向設置縱向阻擋片

（4）平直形密封機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.6葉66機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.1

非接觸式密封中的流體激振故障

5

故障診斷實例

☆美國宇宙飛船主發(fā)動機高壓燃料渦輪泵密封流體激振

額定功率

56

MW，質量

340

kg，壓力

40

MPa，設計轉速

25500～37500

r/min

旋轉機械最高功率密度機器，結構先進、高速高功率密度渦輪機械典范

轉子三閉式葉輪，二級軸流式渦輪驅動，軸承液氫冷卻，軸向力平衡盤平衡

臨界轉速計算忽略兩級間密封剛度影響以及泵殼撓性影響

穩(wěn)定性分析考慮密封影響，但忽視殼體撓性作用

試驗轉速

17500～20000

r/min

以上，泵殼明顯振動

振動頻率

150～165

Hz

與轉子一階自振頻率一致

轉速上升振幅增大，發(fā)生嚴重軸承損壞和密封摩擦

拆檢發(fā)現(xiàn)渦輪側軸承全損壞，泵不能超

22000

r/min

轉速操作

改進泵級間密封結構，鋸齒形密封改為臺階形平密封

類似靜壓軸承作用，提高轉子剛度，增加阻尼，改善穩(wěn)定性

泵亞異步不穩(wěn)定振動現(xiàn)象消失，順利達到工作轉速機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.667機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.1

非接觸式密封中的流體激振故障

5

故障診斷實例

美國宇宙飛船主發(fā)動機

高壓燃料渦輪泵

密封流體激振機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.6葉68機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.2

葉片式機器中的氣流不穩(wěn)定故障

離心式、軸流式風機、壓縮機，設計工況范圍窄、結構設計不合理

操作點遠離設計工況點以及操作失誤等因素產(chǎn)生不穩(wěn)定流動

引起流道和管道內氣流壓力脈動，導致機器和管道強烈振動

或零部件與管道疲勞破壞，產(chǎn)生嚴重故障

1

旋轉失速

機理：離心式或軸流式壓縮機操作工況變動→氣量減小一定程度

氣流沖葉片凸面（工作面）→凹面（非工作面）附近形成氣流旋渦

流道有效流通面積減小→各流道氣流分配不均勻→氣流旋渦差別

如某流道（2）氣流旋渦較多→氣量減少→多余氣轉鄰近流道（1

和

3）

氣流折向前流道

1

時沖葉片凹面→沖去氣流旋渦，流道氣流暢通

氣流折向后流道

3

時沖葉片凸面→凹面氣流旋渦增加

堵塞流道有效流通面積

迫使流道氣流折向鄰近流道

連續(xù)發(fā)展→旋渦組成氣流堵塞團（失速團或區(qū)）

沿葉輪旋轉反向各流道輪流出現(xiàn)

失速區(qū)傳播速度

＜

葉輪旋轉速度

葉輪外看失速區(qū)葉輪轉向轉動機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷 §3.669機械設備故障診斷技術§3旋轉機械故障診斷

§3.6

葉片式機器中流體激振故障診斷3.6.2

葉片式機器中的氣流不穩(wěn)定故障

1

旋轉失速

旋轉失速區(qū)中氣流減速壓力脈動具有周期性受迫振動

振動頻率與葉柵固有頻率重合，引起結構共振，導致零部件損壞

基本特征：漸進型和突變型

①

破壞葉輪壓力軸對稱性，引起壓力脈動，發(fā)生機器和管道振動

②

振動基本頻率

0.5

～

0.8

倍轉速頻率范圍

③

機器流量基本穩(wěn)定

④

振動強度比喘振小，但比不穩(wěn)定進口渦流大，不同其他機械振動

防治措施：

①

設計穩(wěn)定工況范圍寬，各級壓比分配合理

②

部分氣體回流、提高進氣溫度，增體積流量，變氣流沖角，減氣流旋渦

③

多級軸流式壓縮機啟動階段采用中間抽氣方法

增