大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測與故障診斷講義

阿爾斯通創(chuàng)為實技術(shù)發(fā)展（深圳）2006年12 一 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意 二、大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷常用的方 振動分析 油液分析 軸位移的監(jiān) 軸承回油溫度及瓦塊溫度的監(jiān) 綜合分析 三、有關(guān)振動的常用術(shù) 機(jī)械振 渦動、進(jìn)動、正進(jìn)動、反進(jìn) 振 振 峰峰值、單峰值、有效 振動位移、振動速度、振動加速 振動烈度、振動標(biāo) 頻 頻率、周 倍頻、一倍頻、二倍頻、0.5倍頻、工頻、基頻、半 通頻振動、選頻振 故障特征頻 相 相位、相位 鍵相 絕對相 同相振動、反相振 相位的應(yīng) 相對軸振動、絕對軸振動、軸承座振 橫向振動、軸向振動、扭轉(zhuǎn)振 剛性轉(zhuǎn)子、撓性轉(zhuǎn)子、圓柱形振動、圓錐形振動、弓狀回 剛度、阻尼、臨界阻 臨界轉(zhuǎn) 撓度、彈性線、主振型、軸振 高點、重 機(jī)械偏差、電氣偏差、晃 諧波、次諧 同步振動、異步振動、亞異步振動、超異步振 共振、高次諧波共振、次諧波共 簡諧振動、周期振動、準(zhǔn)周期振動、瞬態(tài)振動、沖擊振動、隨機(jī)振 自由振動、受迫振動、自激振動、參變振 旋轉(zhuǎn)失速、喘 半速渦動、油膜振 一、常規(guī)圖 機(jī)組總貌 單值棒 多值棒 波形 頻譜 軸心軌跡 振動趨勢 過程振動趨勢 極坐標(biāo) 軸心位置 全息譜 二、啟停機(jī)圖 轉(zhuǎn)速時間 波德 奈奎斯特 頻譜瀑布 級聯(lián) 一、故障真?zhèn)蔚脑\ 首先應(yīng)查詢故障發(fā)生時生產(chǎn)工藝系統(tǒng)有無大的波動或調(diào) 其次應(yīng)查看儀表、主要是探頭的間隙電壓是否真實可 應(yīng)查看相關(guān)的運行參數(shù)有無相應(yīng)的變 應(yīng)察看現(xiàn)場有無人可直接感受到的異常現(xiàn) 二、故障類型的診 振動故障類型的診 主要異常振動分量頻率的查找步驟及方 先看棒圖或多值棒 依次調(diào)看振動趨勢 最后看頻譜 根據(jù)異常振動分量的頻率進(jìn)行振動類型診 主要異常振動分量為工頻 主要異常振動分量為低頻 主要異常振動分量為二倍頻 主要異常振動分量為其它頻率 軸位移故障原因的診 三、故障程度的評 四、故障部位的診 五、故障趨勢的預(yù) 第一 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本知一、常必要。API（美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）振動用基本參數(shù)、即所謂的“振動三要素”—旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的實際運動狀態(tài)是，在以角速度ω（n）繞著自身軸線ACB旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）的同時，整個軸線又以角速度ΩAOB在此可以沿用機(jī)械振動的許多成熟以旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的渦動通常仍然在研究大機(jī)組轉(zhuǎn)（pp（p（ap值是正峰它們之間的換算關(guān)系是：峰峰值＝2×單峰值＝2×21/2×單位是微米m]或密耳[mil]；振動速度的量值為有效值，單位是毫米/秒[mm/s]或英寸/秒[ips]；振動加速度的量值是單峰值，單位是重力加速度[g]。右圖為中石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械SHS01003-2004于機(jī)器振動烈度的評定等級其它振動標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于機(jī)器振動烈度的評定等其中，根據(jù)輸出功率、機(jī)器—支承系統(tǒng)的剛性等將旋轉(zhuǎn)4類：API617、API612標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在制造廠進(jìn)AmA=25.4（12000/n1/2nA值時為優(yōu)良狀態(tài)，A25.4（12000/n）1/225.4μm中的較小值；AB值時為合格狀態(tài)，B＝(1.6～2.5)A，轉(zhuǎn)速較低時取大值，轉(zhuǎn)速高時取小值，BBCC＝1.5B，CC值為不允許狀態(tài)。另外，當(dāng)振動值變化的增量超過報警值（B值）25f[Hz]。T是物體完成一個振動過程所需要的時間，單位是秒[s]。例如一個頻率與周期互為倒數(shù)，f＝1/Tn、角速度ω都可以看作頻率，稱為旋轉(zhuǎn)n、ω、f不分，都直接簡稱為頻率，換算關(guān)系為：f=n/60，ω＝2πn/60n為轉(zhuǎn)/分鐘[r/min]，角速度ω為弧度/秒[rad/s]。倍頻、一倍頻、二倍頻、0.5如果振動頻率為機(jī)器實際運行轉(zhuǎn)速頻率的一倍、二倍、三倍、…、0.51×2×3×0.5×0.43×等。其中，一倍頻又稱為工頻或基頻，0.5倍頻又稱為半頻。n6000r/min時，100Hz200Hz50Hz互迭加后的總振動。其振選頻振動是從通頻振定頻率的振動（如工頻、0.5倍頻、二倍頻、…0.5倍頻(實際上要小一點)，等等。由各頻率成分的幅值大低頻（低于工頻的頻率）～通常情況下不顯現(xiàn)或者以微量幅值顯現(xiàn)（3μm齒輪特征頻率為：fm±nf， n為正整數(shù)（n＝1，2，3，…， 其中，f1、f2～z1、z2～fmffm的兩側(cè)，兩側(cè)稱fe，fe＝zfc，其中，z～滾動體個數(shù)，fc～保持架的旋轉(zhuǎn)頻率。外圈間隔頻率 內(nèi)圈間隔頻率 fi滾動體間隔頻率 fo＝(n/60)(Dm/d)[1-(d2/Dm2)右圖是外圈、內(nèi)圈、滾動體波形圖顯示：外圈存在缺陷1/fi，并出現(xiàn)了fi的幅值調(diào)制，調(diào)制頻率為滾動體的公轉(zhuǎn)頻率（即保持架旋轉(zhuǎn)fc缺陷時，周期為滾動體間隔頻率1/fofc。因此，滾動軸承的特征頻率外圈 內(nèi)圈 nfi±fc（或f；滾動體：2nfo±fc n為正整數(shù)［°反光板等）所組成當(dāng)軸上固定標(biāo)器便會觸發(fā)一個脈確定振動相位的基絕對相位是指位強(qiáng)調(diào)“最近的”。0°、45°、900圈、1/8圈、1/4圈、3/8圈、1/2圈、5/8(3/8)圈、3/4(1/4)圈、7/8(1/8)圈、誰先誰后～空間位置～n6000r/min15°（30°；135°（90°；225°（180°；222°（3°；359°（3°f＝n/60＝6000/60＝100Hz，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的時間、即T＝1/f＝1/100＝0.01秒＝10毫秒。001V30°、1/12圈、0.83001V001H90°、1/4圈、2.5001V002V180°、1/2圈、53°，幾乎同一方向；004V工頻振動超前005V357°（或者更確切地說005V3°119/120圈（1/120圈、9.92毫秒（0.08毫秒357°（3°0°（360°）時，則稱此兩振動為同180°時，則稱此兩振動為反相振動?！?點時，0向上的過程中，位移位移為零，速度為負(fù)方向最大，量塊振動到下限時，位移為負(fù)方加速度為正方向90°90°，180°。例如，運行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子因不平衡質(zhì)量偏心e產(chǎn)生的離心Meω2振動矢量y方向基下激振力與響應(yīng)的相位完全相同；大ωMeω2ye，yMyω2Me2Myω2Meω2激振力與響應(yīng)之間有了相位差，而且相位差隨轉(zhuǎn)速增高而增大。在通過臨界轉(zhuǎn)90°y180°，激振力與響應(yīng)方向完全相反。在此過程中，轉(zhuǎn)子受到y(tǒng)eG趨近于幾何中心如剛性聯(lián)軸器，平行（徑向）不對中時兩側(cè)軸承振動的相位差為180°，角180°?！骐A振型、四階振型、…（如機(jī)組發(fā)生異常振動時n剛性轉(zhuǎn) n＜0.75撓性轉(zhuǎn) 1.3nk1＜n＜0.7重心線與軸線相交，軸線渦動的軌跡呈現(xiàn)出圓yFk，k＝F/y。剛度反映了彈y～測點的振幅值；F～作用在測點上的擾動力；k～測點處的動剛度。如一階（第一臨界轉(zhuǎn)速、二階、…、n階。主振型，如一階主振型、二階主振型、…、n階主振型。對于無阻尼剛性鉸支型為一個彎、無節(jié)點（振…彎數(shù)（拐點數(shù)）＝階節(jié)點數(shù)＝階數(shù)－14X、6X等比較高，且差不多高。API612、API6174高斯、5高斯。API標(biāo)準(zhǔn)及其它有關(guān)的振動標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定晃度的數(shù)值不能超過所允許振動位300～600rpm（1X（2X（0.5X持這一關(guān)系，如一倍頻（1X）（2X）（3X）fn倍（n=2,3,4,…，正整數(shù)）諧波，等于或接近于系統(tǒng)的固50Hz、75Hz、100Hz25Hz的基波頻率。，γ力的變化反而幾乎停止不動）振幅小，γ≈1180°；0.1~0.25轉(zhuǎn)速頻率的范圍內(nèi)。0.5~20Hz。油膜渦動是由徑向滑動軸承油膜力W相互平衡，轉(zhuǎn)子軸心處于某一平Fr與軸頸的位移方向相反，力圖把軸頸稱為油膜渦動，F(xiàn)u稱渦動力。n上升到轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速nk1的二倍附近時，也就是說當(dāng)油膜渦動的頻率等于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的固有頻率時，即Ω＝ωk1時，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)將發(fā)但渦動頻率卻不再按渦動比（Ω/ω）不變的規(guī)律上升，仍為ωk1，也就是緊緊地移變化所引起的油膜力的變化，有四個剛度系數(shù)Kxx=ΔFx/Δx,Kyx=ΔFy/Δx,Kyy=ΔFy/Δy,Kxy=ΔFx/Δy；油膜阻尼為轉(zhuǎn)子單位速度變化所引起的油膜力的變化，也有Cxx=ΔFx/ΔvxCyx=ΔFy/ΔvxCyy=ΔFy/ΔvyCxy=ΔFx/Δvy。其中，Kyx、Kxy稱為交叉剛度，不難看出，交叉剛度是引起油膜渦動、乃至油膜振蕩的根本第二 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本圖頻小于一倍頻的一半，0.5倍頻微量或無，可選頻段很小，殘余量不大。通頻值～一倍頻～n的頻率，fn/6[Hz]；0.5倍頻～0.5倍工頻，又稱半頻，油膜失穩(wěn)會引起該頻率段增大，軸承可選頻段～(0.4~0.6)倍工頻或(0.3~0.8)倍工頻，用來監(jiān)測是否發(fā)生亞異步振動，如油膜渦動、旋轉(zhuǎn)失的關(guān)系，也可以是一倍頻波形圖、二倍頻波形圖、0.5倍頻波形圖、…、等。通看一倍頻、二倍頻、0.5）122.5μm；此外，還存在波峰多、波形毛糙以及單邊（正峰）削橫坐標(biāo)可選擇“階比”或“頻率”的一半，三倍頻、四倍頻…x倍頻逐步參差遞減，低頻（即小于一倍頻的成份）對中不良時，為月牙狀、香蕉狀，嚴(yán)重時二倍頻、0.5等多種軸心軌跡，主要看提純及一信號中除了包含由不平衡引起的工頻振動分量之外，還存在著由于油膜渦動、氣體激振、摩磁干擾等超高次諧波信號的影響，突出了心軌跡則可以更合理地看出支座剛度對工頻是否產(chǎn)生影響的軸心軌跡應(yīng)該是一個圓或長短軸相差不大的橢圓上的差異，那么工頻的軸心軌跡就會變成調(diào)看DCS查找機(jī)組的運行參數(shù)有無發(fā)生重大變化，從而確定故障的真?zhèn)?；還可通過振動趨勢圖，還可以更加清晰地看到工頻、二倍頻、0.5倍頻等主要頻2.5倍，或為繼續(xù)下面二張圖是某發(fā)電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子1#、2#軸承處的一倍頻振動趨勢圖及0.5~3V1X、1Y、2X、2Y1X、1Y、2X、2Y20058393912秒振415~30微米同時劇烈197~222微米，此變化過程是一個極為明顯的突變過程。通過調(diào)看工頻、二倍頻、0.5倍頻、可選頻段趨勢圖，發(fā)現(xiàn)工頻振動值的變化相對最大，特別是子軸心位置的偏位角應(yīng)20°～50°油膜厚度大約為(30～200)μm。如果偏位角過預(yù)示著轉(zhuǎn)子很容易發(fā)生膜厚度產(chǎn)生變化，明顯變小則表明很可能出現(xiàn)磨損或者油溫、瓦塊溫度明顯增高，變大則表全息譜圖實際上是將兩個相互垂直的探頭所測得的同一階次頻率諧波合成后的軸心軌跡圖集合在一起，在分析較疑難的故障時其作用更加明顯。圓或接近直線轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)放大系數(shù)Q(Q=臨界轉(zhuǎn)速下的峰峰值∕操作轉(zhuǎn)速下的峰 值)，動態(tài)放大系數(shù)原可接受范圍是3~8，但伴隨著設(shè)計與制造水平的提高，如今動態(tài)放大系數(shù)越來越小，新出廠的機(jī)器多數(shù)在3.55以下，小于2.5的也屢見不鮮（API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于2.5時為臨界阻尼狀態(tài)，動態(tài)放大系數(shù)過大，很可能是137μm/232°，操作轉(zhuǎn)速37μm/288°；1622r/min轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)具有較適度的阻尼（較緩慢，放大系數(shù)也不過大右圖則存在較大的機(jī)械偏差和電氣偏差。在開車初期的慢轉(zhuǎn)速下（r/min50μm以上，另外還存在干擾信號（下圖則顯示了在汽輪機(jī)新安裝或檢修后開車過程中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子熱彎曲（工頻m（3700r/min左右2000rmin30mm逐步上mm很可能是發(fā)生了轉(zhuǎn)子因熱膨脹受阻或受熱不均勻而產(chǎn)生的熱彎曲。停車過程中（600r/min1000r/min，并再次發(fā)生熱彎曲的現(xiàn)象一步驗證了為熱彎曲。停車后，振動值（12.5μm、25.6μm）和相位都回6100r/min16.6（0.3μm（7.8μmμm458r/min第三 故障診斷的具體方法及步系統(tǒng)配置了DCS，則可以直接調(diào)看與機(jī)組工質(zhì)組份、流量、壓力溫度等有關(guān)的例如，89C廠德國西門子公司制造的汽輪機(jī)機(jī)組投運不久便出現(xiàn)下列的問題：℃振動值增大；℃監(jiān)視段壓力高；℃D廠硬度較高的蒸汽后出現(xiàn)問200030～40μm70~80μm，問題，通過DCS40～50μm10個月，直到計劃大修改造。200k～2MHzUUoUa兩部分。直7.87V/mm0.00787V/μm。實際運行中，伴隨著振動間隙、軸10V8V、9V?？紤]到：℃振動探頭的安裝有一定的隨意性；℃45°上方的探頭間隙電壓會有所降低（0.4V左右；℃即使振動值增大了100m0.8；℃其它的偏差。因此，振動探運行時的間隙電壓與初始安裝電壓相比較，偏差應(yīng)該在±（2～3）V以內(nèi)。一般VV基本失靈。另外，在紀(jì)錄了機(jī)組運轉(zhuǎn)正常后各點的間隙電壓或有在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄了間隙電壓的情況下，則消除了上述℃、℃因素的影響，間隙電壓的判斷將更為精確、可信如果振動值與間隙電壓的變化關(guān)系不符合探頭特性（7.87V/m，超過±V，那么測振儀表很可能已失靈。例如，某振動探頭運轉(zhuǎn)正常時的振動值/間隙電壓m/9.62Vm/8.62Vm，間隙電壓應(yīng)該0.4V9.22V8.72V，因此測振儀表本身有問題。0.2V以內(nèi)。也就是說，當(dāng)軸位移的間隙電壓±軸位移值（單位：mm，遠(yuǎn)離探頭時為“＋”，靠近為“－”）×7.87與初始安裝電壓相差在±（0.5～1）V以內(nèi)，則例如，20017月某煉油廠連續(xù)重整循環(huán)氫壓縮機(jī)機(jī)組在通過臨界轉(zhuǎn)速時，“二選二”17.6V17.8VDCS上調(diào)看到推力軸承溫52℃56℃，且略滯后于軸位移的變化。當(dāng)即判斷不是儀表誤動作，2.2mm及2.3mm1.5mm17.6V17.8V相符，只有蒸汽帶液所形成的巨大軸向力才有可能造成961～2V，儀表部門認(rèn)為無明顯問題，后仍繼續(xù)下降，最低時4~5S，有時S上發(fā)現(xiàn)振動上升，甚至造成連鎖動作停車，但現(xiàn)場的一次儀表及就地表S上發(fā)現(xiàn)有問題時，還應(yīng)到現(xiàn)場進(jìn)行對照檢查。械而言，如果進(jìn)一步再能體會出噪聲的聲調(diào)和聲量，那就更好。耳聽，聽機(jī)組“…”“嘰…”Vm-63之類的便攜式測振儀；手摸的另一種方法是用手去觸1999年元月，某化工廠西門子汽輪機(jī)大修后多次試車均被迫中斷。其現(xiàn)象3000rpm后，伴隨著轉(zhuǎn)速升高，現(xiàn)場所感到的振動加0.1～0.15mm的間隙錯誤地留隙變成了1mm以上，轉(zhuǎn)速上升后，（水平方向有縱銷在限制以便到故障發(fā)生時做相互比照。象有個大致的印象。因為在正常運行狀態(tài)下，總是工頻最高，2倍頻約在工頻的一半以下，0.5倍頻微量或無，殘余量不高。如果，工頻過高、很靠近通頻，那2倍頻接近或超過工頻，那么有可3～5μm5～8μm就算相當(dāng)高了、而且此時工頻也同步跳動增大，那么有原有的動平衡狀態(tài)，其工頻必然增大（但工頻增大并非肯定發(fā)生了轉(zhuǎn)子動不平衡0.5由于振動趨勢圖只顯示工頻、二倍頻、0.5倍頻、自選頻段、殘余量這些常……n倍頻更60％如果工頻的幅值及相位趨勢出現(xiàn)一段垂直于時間坐標(biāo)的直（干撓信號也是直線，瞬間上去后又即刻回到原位；而機(jī)械損傷是變化后不回）表明轉(zhuǎn)子動平衡狀態(tài)的變化過程極即有東西從轉(zhuǎn)子上突然脫落下來（或者極少發(fā)生的異物嵌入葉輪1/2倍頻、1/3倍頻等分?jǐn)?shù)諧波瓦面接觸“夾幫”、可傾瓦搖擺性差、潤滑油粘度不當(dāng)、軸承緊力不夠、油擋與0.5倍頻以下的低頻，其中主要為（0.4～0.5）倍頻，振動又蒸汽進(jìn)汽脈動，還包括壓縮機(jī)與汽輪機(jī)都有可能發(fā)生的密封流體激振（氣隙激振。其中，進(jìn)氣（汽）脈動與機(jī)器的負(fù)荷調(diào)整、入口管道的設(shè)計及施工質(zhì)量密而且發(fā)生的概率極低。4個特點：℃氣流脈動；℃出口壓力、進(jìn)口流量向波動；℃振動與氣流脈動同步；℃頻率范圍，葉輪失速時為（0.5～0.8）倍頻同時判斷振動值的波動是否與氣流脈動（及壓力、流量的波動）；℃答案是否定的，則不大可能是旋轉(zhuǎn)失速，而是軸承不良0.50.5倍頻就肯定是旋轉(zhuǎn)失速。這也有頻率——第一臨界轉(zhuǎn)速——“合拍”而產(chǎn)生的自激振動。油膜振蕩發(fā)生時，振故障從中區(qū)別出來可以考慮以下幾點因素：℃對于摩擦、松動故障來說，低頻0.5倍頻速不可能產(chǎn)生高于工頻的頻率成分。這一點是最重要的區(qū)別點?！娴皖l分量的1/2倍頻、1/3倍頻、…、等數(shù)諧波?！姹M管軸心軌跡都不穩(wěn)定，但形態(tài)有所不同。油膜渦動、旋轉(zhuǎn)失速的角度不對中時為二倍頻、反相；金屬撓性聯(lián)軸器（疊片、膜盤）角度不對中時n倍頻（nn為偶數(shù)）2n倍頻（n為奇數(shù)時。但是，由于大機(jī)組使用的聯(lián)軸器幾乎都是齒式、金屬撓性、剛性聯(lián)軸器，而且在使用齒式、（3倍頻、4倍頻、5倍頻、…、n倍頻。子受力變化兩次，所以故障特征頻率為二倍頻，同時伴有工頻、3倍頻、4倍不對中區(qū)別于其