旋轉(zhuǎn)機械故障診斷

旋轉(zhuǎn)機械故障診斷旋轉(zhuǎn)機械是指依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動進行工作的機器，在結(jié)構(gòu)上必須具備最基本的轉(zhuǎn)子、軸承等零部件。典型的旋轉(zhuǎn)機械：各類離心泵、軸流泵、離心式和軸流式風(fēng)機、汽輪機、渦輪發(fā)動機、電動機、離心機等。用途：1、在大型化工、石化、壓縮電力和鋼鐵等部門，某些大型旋轉(zhuǎn)機械屬于生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備2、 煉油廠催化工段的三機組或四機組3、 大化肥裝置中的四大機組或五大機組4、 乙烯裝置中的三大機組5、 電力行業(yè)的汽輪發(fā)電機、泵和水輪機組6、 鋼鐵部門的高爐風(fēng)機和軋鋼機組旋轉(zhuǎn)機械可能出現(xiàn)的故障類型：1、轉(zhuǎn)子不平衡故障2、 轉(zhuǎn)子不對中故障3、 轉(zhuǎn)軸彎曲故障4、 轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的故障5、 連接松動故障6、 碰摩故障7、 喘振轉(zhuǎn)子的不平衡振動機理及特性：旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子由于受材料的質(zhì)量分布、加工誤差、裝配因素以及運動中的沖蝕和沉積等因素的影響，致使其質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心存在一定程度的偏心距。偏心距較大時，靜態(tài)下，所產(chǎn)生的偏心力矩大于摩擦阻力距，表現(xiàn)為某一點始終恢復(fù)到水平放置的轉(zhuǎn)子下部，其偏心力矩小于摩擦阻力距的區(qū)域內(nèi)，稱之為靜不平衡。偏心距較小時，不能表現(xiàn)出靜不平衡的特征，但是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，表現(xiàn)為一個與轉(zhuǎn)動頻率同步的離心力矢量，離心力F=Mew2,從而激發(fā)轉(zhuǎn)子的振動。這種現(xiàn)象稱之為動不平衡。靜不平衡的轉(zhuǎn)子，由于偏心距e較大，表現(xiàn)出更為強烈的動不平衡振動。雖然做不到質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心絕對重合，但為了設(shè)備的安全運行，必須將偏心所激發(fā)的振動幅度控制在許可范圍內(nèi)。1、 不平衡故障的信號特征1） 時域波形為近似的等福正弦波。2） 軸心軌跡為比較穩(wěn)定的圓或橢圓，這是因為軸承座及基礎(chǔ)的水平剛度與垂直剛度不同所造成。3） 頻譜圖上轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率處的振幅。4） 在三維全息圖中，轉(zhuǎn)動頻率的振幅橢圓較大，其他成分較小。2、 敏感參數(shù)特征1）振幅隨轉(zhuǎn)速變化明顯，這是因為，激振力與角速度w是指數(shù)關(guān)系。2）當轉(zhuǎn)子上得部件破損時，振幅突然變大。例如，某燒結(jié)廠抽風(fēng)機轉(zhuǎn)子焊接的合金耐磨層突然脫落，造成振幅突然增大。轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器的不對中振動機理：轉(zhuǎn)子不對中包括軸承不對中和軸系不對中。軸承不對中本身不引起振動，它影響軸承的載荷分布、油膜形態(tài)等運行狀況。一般情況下，轉(zhuǎn)子不對中都是指軸系不對中，故障原因在聯(lián)軸器處。1、 引起軸系不對中的原因1） 安裝施工中超差。2） 冷態(tài)對中時沒有正確估計各個轉(zhuǎn)子中心線的熱態(tài)升高量，工作時出現(xiàn)主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生動態(tài)對中不良。3） 軸承座熱膨脹不均勻。4） 機殼變形或移位。5） 地基不均勻下沉。6） 轉(zhuǎn)子彎曲，同時產(chǎn)生不平衡和不對中故障。軸系不對中可分為三種情況：1） 軸線不平行不對中。2） 軸線交叉不對中。3） 軸線綜合不對中。在實際情況中，都存在著綜合不對中。只是其中軸線平行不對中和軸線交叉不對中所占的比例不同而已。由于兩半聯(lián)軸器存在不對中，因而產(chǎn)生了附加的彎曲力。隨著轉(zhuǎn)動，這個附加彎曲力的方向和作用點也被迫發(fā)生改變，從而激發(fā)出轉(zhuǎn)動頻率的2倍頻、4倍頻等偶數(shù)倍頻的振動。其主要激振量以2倍頻為主，某些情況下4倍頻的激振量也占有較高的分量。更高倍頻的成分因所占比例很少，通常顯示不出來。2、 軸系不對中故障特征1） 時域波形在基頻正弦波上附加了2倍頻的諧波。2） 軸心軌跡圖呈香蕉形或8字形。3） 頻譜特征主要表現(xiàn)為徑向2倍頻、4倍頻的振動成分，有角度不對中時，還伴隨著以回轉(zhuǎn)頻率的軸向振動。4） 在全息圖中2倍頻、4倍頻軸心軌跡的橢圓曲線較扁，并且兩者的長軸近似垂直。故障甄別：1） 不對中的譜特征和裂紋的譜特征類似，均以2倍頻為主，兩者的區(qū)分主要是振幅的穩(wěn)定性，不對中振動比較穩(wěn)定。用全息圖譜技術(shù)則容易區(qū)分，不對中為單向約束力，2倍頻橢圓較扁。軸橫向裂紋則是旋轉(zhuǎn)矢量，2倍頻全息譜比較圓。2） 帶滾動軸承和齒輪箱的機組，不對中故障可能引發(fā)出軸承轉(zhuǎn)動頻率或嚙合頻率的高頻振動，這些高頻成分的出現(xiàn)可能掩蓋真正的振源。如高頻振動在軸向上占優(yōu)勢，而聯(lián)軸器相連的部位軸向轉(zhuǎn)動頻率的振幅亦相應(yīng)較大，則齒輪振動可能只是不對中故障所產(chǎn)生的過大的軸向力的響應(yīng)。3） 軸向轉(zhuǎn)動頻率的振動原因有可能是角度不對中，也有可能是兩端軸承不對中。一般情況，角度不對中，軸向的轉(zhuǎn)動頻率的振幅比徑向的大，而兩端軸承不對中正好相反，因為后者是由不平衡引起，它只是對不平衡力的一種響應(yīng)。轉(zhuǎn)軸彎曲故障機理：轉(zhuǎn)子彎曲示意圖設(shè)備停用一段較長時間后重新開機時，常常會遇到振動過大甚至無法開機的情況。這多半是設(shè)備停用后產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子軸彎曲的故障。轉(zhuǎn)子彎曲有永久性彎曲和暫時性彎曲兩種情況。永久性彎曲是指轉(zhuǎn)子軸呈弓形。造成永久彎曲的原因有設(shè)計制造缺陷（轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)不合理、材質(zhì)性能不均勻）、長期停放方法不當、熱態(tài)停機時未及時盤車或遭涼水急冷所致。臨時性彎曲指可恢復(fù)的彎曲。造成臨時性彎曲的原因有預(yù)負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過快等，致使轉(zhuǎn)子熱變形不均勻。軸彎曲振動的機理和轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心類似，都要產(chǎn)生與質(zhì)量偏心類似的旋轉(zhuǎn)矢量激振力，與質(zhì)量偏離不同的是軸彎曲會使軸兩端產(chǎn)生錐形運動，因而在軸向還會產(chǎn)生較大的一階轉(zhuǎn)動頻率振動。振動信號特征：1） 時域波形為近似的等幅正弦波。2） 軸心軌跡為一個比較穩(wěn)定的圓或偏心率較小的橢圓，由于軸彎曲常陪伴某種程度的軸瓦摩擦，故軸心軌跡有時會有摩擦的特征。3） 頻譜成分以轉(zhuǎn)動頻率為主，伴有高次諧波成分。與不平衡故障的區(qū)別在于彎曲在軸向方面產(chǎn)生較大的振動。轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的故障機理轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的振動響應(yīng)與所在的位置、裂紋深度及受力的情況等因素有極大的關(guān)系，因此所表現(xiàn)出的形式也是多樣的。在一般情況下，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，裂紋總會發(fā)生張合。轉(zhuǎn)軸的剛度不對稱，從而引發(fā)非線性振動，能識別的振動主要是IX、2X、3X倍頻分量。轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的振動信號特征：振動帶有非線性性質(zhì)，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率的IX、2X、3X…?等高倍分量，隨裂紋擴展，剛度進一步下降，IX、2X……等頻率幅值隨之增大，相位角則發(fā)生不規(guī)則波動，與不平衡相角穩(wěn)定有差別。開停機過程中，由于非線性諧頻關(guān)系，會出現(xiàn)分頻共振，即轉(zhuǎn)子在經(jīng)過1/2.1/3……臨界轉(zhuǎn)速時，由于相應(yīng)的高倍頻（2X 、3X）正好與臨界轉(zhuǎn)速重合，振動響應(yīng)會出現(xiàn)峰值。裂紋的擴展速度隨深度的增大而加速，相應(yīng)的IX、21X的振動也會隨裂紋擴展而快速上升，同時IX、2X相位角出現(xiàn)異常波動。全息譜表現(xiàn)為2X橢圓，與不對中的扁圓有明顯的差別。故障甄別：穩(wěn)態(tài)運行時，應(yīng)能與不對中故障區(qū)分。全息譜是最好的區(qū)分方法。連接松動故障的機理振動幅值由激振力和機械阻抗共同決定，松動使連接剛度下降，這是松動振動異常的基本原因。支承系統(tǒng)松動引起異常振動的機理可從兩個側(cè)面加以說明。1） 當軸承套與軸承座配合具有較大間隙或緊固力不足時，軸承套受轉(zhuǎn)子離心力作用，沿圓周方向發(fā)生周期性變形，改變軸承的幾何參數(shù)。進而影響油膜的穩(wěn)定性。2） 當軸承座螺栓緊固不牢時，由于結(jié)合面上存在間隙，使系統(tǒng)發(fā)生不連續(xù)的位移。上述兩頂因素的改變，都屬于非線性剛度改變，變化程度與激振力相聯(lián)系，因而使松動振動顯示出非線性特征。松動的典型特征是產(chǎn)生2X及3X、4X、5X等高倍頻的振動。連接松動故障的振動特征：軸心軌跡混亂，重心飄移頻譜圖中，具有3X、5X、7X等高階奇次倍頻分量，也有偶次分量。松動方向的振幅大。高次諧波的振幅值大于轉(zhuǎn)頻振幅的1/2時，應(yīng)懷疑有松動故障。碰摩故障的機理動靜件之間的輕微摩擦，開始時故障癥狀可能并不十分明顯，特別是滑動軸承的輕微碰摩，由于潤滑油的緩沖作用，總振值的變化是很微弱的，主要靠油液分析發(fā)現(xiàn)這種早期隱患；有經(jīng)驗的診斷人員，由軸心軌跡也能做出較為準確的診斷。當動靜碰摩發(fā)展到一定程度后，機組將發(fā)生碰撞式大面積摩擦，碰摩特征就將轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕Y狀。動靜碰摩與部件松動具有類似特點。動靜碰摩是當間隙過小時發(fā)生動靜件接觸再彈開，改變構(gòu)件的動態(tài)剛度；松動是連接件緊固不牢、受交變力（不平衡力、對中不良激勵等）作用，周期性地脫離再接觸，同樣是改變構(gòu)件的動態(tài)剛度。不同點是，前者還有一個切向的摩擦力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動。轉(zhuǎn)子強迫振動、碰摩自由振動和摩擦渦動運動疊加到一起，產(chǎn)生出復(fù)雜的、特有的振動響應(yīng)頻率。由于碰摩力是不穩(wěn)定的接觸正壓力，時間上和空間位置上都是變化的，因而摩擦力具有明顯的非線性特征（一般表現(xiàn)為豐富的超諧波）。因此，動靜碰摩與松動相比，振動成分的周期性相對較弱，而非線性更為突出。碰摩故障的振動特征：1） 時域波形存在“削頂”現(xiàn)象，或振動遠離平衡位置時出現(xiàn)高頻小幅振蕩。2） 頻譜上除轉(zhuǎn)子工頻外，還存在非常豐富的高次諧波成分（經(jīng)常出現(xiàn)在氣封摩擦?xí)r）。3） 嚴重摩擦?xí)r，還會出現(xiàn)1/2X、l/3X、1/NX等精確的分頻成分（經(jīng)常出現(xiàn)在軸瓦磨損時）。4） 全息譜上出現(xiàn)較多、較大的高頻橢圓，且偏心率較大。5） 提純軸心軌跡（IX、2X、3X、4X合成）存在“尖角”。6） 軸瓦磨損時，還伴有軸瓦溫度升高、油溫上升等特征，氣封摩擦?xí)r，在機組起停過程中，可聽到金屬摩擦?xí)r的鉉聲。7） 軸瓦磨損時，對潤滑油樣進行鐵譜分析，可發(fā)現(xiàn)如下特征：譜片上磁性磨粒在譜片入口沿磁力線方向呈長鏈密集狀排列，且存在超過20pm的金屬磨粒；非磁性磨粒隨機地分布在譜片上，其尺寸超過20pm；譜片上測試的光密度值較上次測試有明顯的增大。碰摩故障的故障甄別：1） 由于故障機理與松動類似，兩者不容易加以區(qū)分。據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，松動時以高次諧波為特征，摩擦?xí)r以分諧波為特征。另外，松動振動來源于不平衡力，故松動振動隨轉(zhuǎn)速變化比較明顯，碰摩受間隙大小控制，與轉(zhuǎn)速關(guān)系不甚密切，由此可對兩者加以區(qū)分。在波形表現(xiàn)形式上，摩擦?？梢姷较黜敳ㄐ?，松動則不存在削頂問題。2） 局部碰摩與全弧碰摩的區(qū)分。全弧碰摩分頻明顯，超諧波消失，局部輕摩擦很少有分頻出現(xiàn)，諧波幅值小但階次多，局部嚴重摩擦介于兩者之間，有分頻也有低次諧波，且諧波幅值比基頻還大?；l則由未碰撞前的較大值變?yōu)檩^小值。在軌跡上，局部摩擦軌跡亂而不放大，正進動；連續(xù)全弧摩擦則隨時間逐漸擴散，進動方向為反進動。喘振的機理喘振是一種很危險的振動，常常導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部密封件、葉輪導(dǎo)流扳、軸承等損壞，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器及齒輪箱等機構(gòu)損壞。它也是流體機械特有的振動故障之一。喘振是壓縮機組嚴重失速和管網(wǎng)相互作用的結(jié)果。它既可以是管網(wǎng)負荷急劇變化所引起，也可以是壓縮機工作狀況變化所引起。當進入葉輪的氣體流量減少到某一最小值時，氣流的分離區(qū)擴大到整個葉道，使氣流無法通過。這時葉輪沒有氣量甩出，壓縮機出口壓力突然下降。由于壓縮機總是和管網(wǎng)連在一起的，具有較高背壓的管網(wǎng)氣體就會倒流到葉輪里來。瞬間倒流來的氣流使葉輪暫時彌補了氣體流量的不足，葉輪因而恢復(fù)正常工作，重新又把倒回來的氣流壓出去，但過后又使葉輪流量減少，氣流分離又重新發(fā)生。如此周而復(fù)始。壓縮機和其連接的管路中便產(chǎn)生出一種低頻率高振幅的壓力脈動，造成機組強烈振動。喘振是壓力波在管網(wǎng)和壓縮機之間來回振蕩的現(xiàn)象，其強度和頻率不但和壓縮機中嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離有關(guān)，還和管網(wǎng)容量有關(guān)；管網(wǎng)容量越大，則喘振振幅愈大，頻率愈低；管網(wǎng)容量小，則喘振振幅小，喘振頻率也較高，一般為0.5?20Hz。轉(zhuǎn)子熱彎曲故障案例分析：1、高壓給水泵長軸彎曲案例（摩擦熱彎曲導(dǎo)致）：故障簡介：該給水泵每次大修后，只能運行7-20天，剛大修完時，振動幅度一般在0.04-0.06mm，運行一段時間后，振動值達到1.17mm，軸瓦巴氏合金磨損嚴重。故障特點及檢查情況：泵啟動后聯(lián)軸器端軸瓦振動，2h內(nèi)從0.38mm升至0.76mm。最初懷疑是對中不良引起，經(jīng)重新對中并更換聯(lián)軸器彈性膠圈后，兩端軸瓦振動都降到0.45mm以下。但運行4h后，兩端軸瓦振動值又升到0.7mm以上。反復(fù)調(diào)整后，振動問題仍無法消除，而且每次都有隨運行時間增加而增大的情況。振動頻譜顯示振動以工頻為主，引起振動的可能原因是：軸彎曲或動不平衡。將轉(zhuǎn)子組裝后進行外觀檢查，各級口環(huán)及導(dǎo)葉套處軸套磨損均在同一相位處，每處寬度25mm，共10處（每級葉輪對應(yīng)一處），磨損的溝槽深者達0.8mm以上，磨損處的金屬呈受熱后的藍色，磨損弧長約1/2圓周長度。各段的靜口環(huán)及導(dǎo)葉套頂部磨損偏輕，底部磨損偏重，測量與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)動部件配合間隙都在1.1mm以上。轉(zhuǎn)子徑向最大跳動值為0.13mm，且最大值在3、7級軸套處，5、6級間軸套（軸長中點）徑向跳動值為0.07mm。故障分析：由測量的數(shù)據(jù)可以知道，泵轉(zhuǎn)子有一定徑向跳動存在，轉(zhuǎn)子在冷態(tài)情況下動靜碰磨也比較小。轉(zhuǎn)子冷態(tài)的彎曲，不足以產(chǎn)生運行時的劇烈振動和拆檢后觀察到的磨損情況。可假設(shè)如下：泵在運行的情況下，由于導(dǎo)葉套處軸套的偏磨，軸套局部發(fā)熱，當產(chǎn)生的熱量較大而無法被介質(zhì)及時帶走時，偏磨處發(fā)藍。軸套碰磨與不碰磨處的兩側(cè)，由于溫度差而產(chǎn)生不一致的熱膨脹使軸彎曲，軸彎向原來轉(zhuǎn)子已經(jīng)碰磨的一側(cè)。這樣就出現(xiàn)了碰磨、發(fā)熱、彎曲、碰磨加劇、軸進一步發(fā)熱彎曲的惡性循環(huán)。這種假設(shè)與葉輪口環(huán)及導(dǎo)葉套處實際偏磨、發(fā)藍，振動值隨時間加大，主要分量為工頻的現(xiàn)象相