1、 第六章 旋转机械故障诊断主讲：王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院大型汽轮机外形及转子大型汽轮机外形及转子多级汽轮机转子转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡 61 动力学特征及信号特点 何谓旋转机械何谓旋转机械主要运动由旋转运动来完成的机械主要运动由旋转运动来完成的机械汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机核心：转轴组件核心：转轴组件611 转子特性 转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等）的各类盘状零件（如：叶
2、轮、齿轮、联轴节、轴承等）所组成。所组成。高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子 三个中心：质量、几何、回转中心转子三个中心：转子三个中心：几何中心几何中心S S；质量中心质量中心G G；回转中心回转中心O O。不重合是必然的；不重合是必然的；重合是偶然的。重合是偶然的。刚性转子与柔性转子 转子系统分类转子系统分类刚性转子系统：刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下工作转速在一阶临界转速以下判别依据：一般工作转速判别依据：一般工作转速6000r/min 6000r/min 6000r/min 的机械系统属的机械系统属于柔性转子系统于柔性转子系统亚同步振动：亚同步振动：振动频率振动频率 工作
3、频率工作频率自激振动：自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象输入而产生的共振现象柔性转子的临界转速 柔性转子在起、停车过程中，它必定要通过固有柔性转子在起、停车过程中，它必定要通过固有频率这个位置，此时机组将发生共振；频率这个位置，此时机组将发生共振；而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的幅值都不会太大，共振点是一个临界点。幅值都不会太大，共振点是一个临界点。机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。临界转速与自由度数目相等 转子的临界转速往往不止一个
4、，它与系统的自由转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目相等。度数目相等。一个转子的轴系，具有一个自由度，有一个临界一个转子的轴系，具有一个自由度，有一个临界转速；二个转子，二个自由度，有二个临界转速，转速；二个转子，二个自由度，有二个临界转速，依次类推；依次类推；转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速n nc1c1；只有前几阶临界转速工程上有实际意义。只有前几阶临界转速工程上有实际意义。避让临界转速 刚性转子刚性转子n0.75 nn0.75 nc1c1 柔性转子柔性转子1.4 n1.4 nc1 c1 n 0.7 n n 0.7 nc2c2式中，式
5、中，n nc1c1、n nc2c2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。分别为轴系的一阶、二阶临界转速。临界转速会变吗？一般不会改变：因为临界转速是固有特一般不会改变：因为临界转速是固有特性，是与生俱有的；性，是与生俱有的；偶尔也会改变：偶尔也会改变：1.设备运行故障：松动、轴承损坏等；设备运行故障：松动、轴承损坏等；2.设备大修后：更换轴瓦、改变过盈量等。设备大修后：更换轴瓦、改变过盈量等。612 转子轴承系统的稳定性(油膜涡动与油膜振荡)转子转子轴承系统的稳定性是指转子在受到某种轴承系统的稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态
6、的能力。的能力。动压轴承工作状态 轴颈在轴承内旋转时油膜压力分布 偏位角偏位角 e e 偏心距偏心距 c c 平均间隙，平均间隙，c=R-rc=R-r相对间隙，相对间隙，c/rc/r相对偏心率，相对偏心率，=e/=e/r rh hminmin 最小油膜厚度最小油膜厚度h hminmin=c e=c(1-)=c e=c(1-)涡动的概念 涡动是转子轴颈在作高速旋转（自转）的同时，涡动是转子轴颈在作高速旋转（自转）的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动；还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动；涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可以是反向的（与轴旋转方向相
7、反）；以是反向的（与轴旋转方向相反）；涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步的。的。油膜涡动的机理 轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，则轴颈从油楔间隙大的地大于出口断面的油楔，则轴颈从油楔间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动，向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动，涡动速度就是油楔本身的前进速度
8、。涡动速度就是油楔本身的前进速度。研究表明，涡动的速度大约是转子转动速度的一研究表明，涡动的速度大约是转子转动速度的一半，所以又称为半速涡动。半，所以又称为半速涡动。半速涡动因为油具有黏性，所以因为油具有黏性，所以轴颈表面的油流速度与轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为轴颈线速度相同，均为rr，而轴瓦表面的油，而轴瓦表面的油流速度为流速度为0 0假设油流速度呈直线分假设油流速度呈直线分布布轴颈某一直径扫过的面轴颈某一直径扫过的面积，即为油楔入口与出积，即为油楔入口与出口的流量差口的流量差dQedtrldteClrdteClr222dtdQrel212121当轴承两端泄漏量 时，可得：0dt
9、dQ油膜涡动不必惊慌 涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是一种比较平静的转子涡动运动，转子仍能平稳地工一种比较平静的转子涡动运动，转子仍能平稳地工作；作；轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图1-51-5（a)a)所示。所示。油膜涡动与油膜振荡图谱油膜振荡十分可怕 随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加剧。剧。如果转子的转速升高到第一临界转速的如果转子的转速升高到第一临界转速的2 2倍
10、以上时，倍以上时，半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。这种现象称为油膜振荡，如图这种现象称为油膜振荡，如图1 1（c c）、（）、（d d）所示。）所示。油膜振荡极具危害性。油膜振荡极具危害性。油膜振荡的图谱特征 轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅，的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅，频谱会呈现组合频率的特征；频谱会呈现组合频率的特征；若继续提高转速，则转子的涡动频率保
11、持不变，若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临界转速，即始终等于转子的一阶临界转速，即c1 c1。轻载转子轻载转子在一阶临界转速之前就可能发生不稳定的半速在一阶临界转速之前就可能发生不稳定的半速涡动，但不产生大幅度的振动涡动，但不产生大幅度的振动越过一阶临界转速后振幅减少越过一阶临界转速后振幅减少当达到两倍一阶临界转速时，振幅增大并且不当达到两倍一阶临界转速时，振幅增大并且不随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡随着转速的增加而改变，即发生了油膜振荡中载转子中载转子过了一阶临界转速后会出现半速涡动过了一阶临界转速后会出现半速涡动油膜振荡在二倍的一阶临界转速之后出现油膜振
12、荡在二倍的一阶临界转速之后出现重载转子重载转子低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很到两倍的一阶临界转速时，也不会立即发生很大的振动大的振动转速达到两倍的一阶临界转速之后的某一转速转速达到两倍的一阶临界转速之后的某一转速时，突然发生油膜振荡时，突然发生油膜振荡油膜涡动与油膜振荡的特征轴承升速过程振动瀑布图 从油膜涡动发展到油膜振荡涡动频率涡动频率 c/minc/min转子转速转子转速r/min油膜涡动与油膜振荡的发生条件 只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润滑轴承上
13、不发生。滑轴承上不发生。油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上（柔性转子）。（柔性转子）。油膜涡动与油膜振荡的信号特征 油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持 =（0.420.420.480.48）f fn n，轴心轨迹双椭圆；，轴心轨迹双椭圆；油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化；轴心轨迹不规则，波频率附近，不随转速变化；轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。形幅度不稳定，相位突变。两者的振动随油温变化明显。两者的振动随油温变化明显。ff故
14、障原因轴承参数设计不合理轴承参数设计不合理轴承制造不符合技术要求轴承制造不符合技术要求安装不当安装不当油温或油压不当油温或油压不当润滑不良润滑不良轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀、气蚀等油膜振荡的防治措施设计上尽量避开油膜共振区设计上尽量避开油膜共振区(应使应使避免为避免为22c1c1)增加轴承比压增加轴承比压轴承比压是指轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷轴承比压是指轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷增加轴承比压，即提高轴承承载能力系数，增大轴颈偏心率，增加轴承比压，即提高轴承承载能力系数，增大轴颈偏心率，以提高油膜稳定性以提高油膜稳定性常用的方法是减小轴瓦的长度常用的方法
15、是减小轴瓦的长度减小轴承间隙减小轴承间隙试验表明，减小轴承间隙，可提高发生油膜振荡的转速试验表明，减小轴承间隙，可提高发生油膜振荡的转速减小间隙，相当于增大了轴承的偏心率减小间隙，相当于增大了轴承的偏心率=e/c=e/cdlPq 油膜振荡的防治措施控制适当的轴瓦预负荷控制适当的轴瓦预负荷轴承的预负荷定义为轴承的预负荷定义为对于圆柱轴承，对于圆柱轴承，c=Rp-Rsc=Rp-Rs，预负荷为，预负荷为0 0预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴颈半径，预负荷为正值，表示轴瓦内表面上的曲率半径大于轴颈半径，相当于起到了增大偏心率的作用相当于起到了增大偏心率的作用椭圆轴承的稳定性优于圆柱轴承椭
16、圆轴承的稳定性优于圆柱轴承多油楔轴承的稳定性较好多油楔轴承的稳定性较好spkRRcP 1油膜振荡的防治措施选用抗振性好的轴承选用抗振性好的轴承对于高速转子，通常采用多油楔可倾瓦轴承对于高速转子，通常采用多油楔可倾瓦轴承调整油温调整油温适当地升高油温，减小油的黏度，可以增加偏心率适当地升高油温，减小油的黏度，可以增加偏心率对于已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转对于已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动的阻尼作用，有时对降低转子的振幅有利。子涡动的阻尼作用，有时对降低转子的振幅有利。613 转子的不平衡振动机理 一个与转动频率同步的离心力矢量，离心力一个与转动频率同步的离心力矢量，离
17、心力F=MeF=Me2 2，从而激发转子的振动。，从而激发转子的振动。故障原因分析制造时几何尺寸不同心、材质不均制造时几何尺寸不同心、材质不均安装方式不好，如用斜键等安装方式不好，如用斜键等轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心不平衡的原因不平衡的原因 转子转子机械损伤机械损伤污染物堆积污染物堆积轴弯曲轴弯曲轴孔偏离中心轴孔偏离中心 风扇风扇机械损伤机械损伤污
18、染物堆积污染物堆积轴孔偏离中心轴孔偏离中心 齿轮齿轮机械损伤机械损伤轴孔偏离中心轴孔偏离中心不平衡的原因 滑轮滑轮/槽轮槽轮机械损伤琐丝太大轴孔偏离中心 飞轮飞轮机械损伤偏心孔轴孔偏离中心 轴轴轴弯曲不规则加工不平衡的原因 叶轮叶轮机械损伤腐蚀 联轴器联轴器 机械损伤 轴孔偏离中心 电气绕组电气绕组 铜线分布不均不平衡的原因铸造缺陷铸造缺陷 热膨胀热膨胀由于每个部件热膨胀由于每个部件热膨胀率不同影响转子平衡率不同影响转子平衡轴孔太大轴孔太大不平衡的种类按发生不平衡的过程可分为：按发生不平衡的过程可分为：原始不平衡原始不平衡渐发性不平衡渐发性不平衡突发性不平衡突发性不平衡按机理可分为：按机理可分
19、为：静不平衡静不平衡偶不平衡偶不平衡动不平衡动不平衡静不平衡静不平衡偶不平衡偶不平衡=静不平衡静不平衡 +偶不平衡偶不平衡静不平衡静不平衡偶不平衡偶不平衡静不平衡与偶不平衡不同性质的不平衡的振幅变化趋势（1 1）原始不平衡；）原始不平衡；（2 2）渐变不平衡；）渐变不平衡；（3 3）突发不平衡。）突发不平衡。转子不平衡的轴心轨迹 同步采集同步采集 转子不平衡故障谱图 转子不平衡与转速的关系当当nnn，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；较小的稳定值；当工作转速一定时，相位稳定当工作转速一定时，相位稳定.不平衡故障的信号特征1.1.时域波形
20、为近似的等幅正弦波。时域波形为近似的等幅正弦波。2.2.轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，这是因为轴承轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，这是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。3.3.频谱图上转子转动频率处的振幅（一枝独秀）。频谱图上转子转动频率处的振幅（一枝独秀）。4.4.振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速是平方指数关系。是平方指数关系。614 转子与联轴器不对中机理据美国据美国MONSANTOMONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的石化公司统计，旋转机械故障的 50-60%50-60%是由转子
21、是由转子不对中引起的。不对中引起的。转子不对中的类型转子不对中的类型轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜轴系不对中：各转子不处在同一直线上轴系不对中：各转子不处在同一直线上平行不对中：轴线平行位移平行不对中：轴线平行位移角度不对中：轴线交叉成一角度角度不对中：轴线交叉成一角度综合不对中：轴线位移且交叉综合不对中：轴线位移且交叉电机水泵POPIMOMI不对中类型正确对中 e=0,=0平行不对中 e 0,=0角度不对中 e=0,0综合不对中 e 0,0引起轴系不对中的原因：安装施工中对中超差；安装施工中对中超差；冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升冷态对中时没有正确估计
22、各个转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子之间产生动态高量，工作时出现主动转子与从动转子之间产生动态对中不良；对中不良；轴承座热膨胀不均匀；轴承座热膨胀不均匀；机壳变形或移位；机壳变形或移位；地基不均匀下沉；地基不均匀下沉；转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。不对中的危害滚动轴承滚动轴承振动噪声振动噪声过度磨损过度磨损“卡死卡死”滑动轴承滑动轴承油膜承载失稳油膜承载失稳半速涡动半速涡动油膜振荡油膜振荡严重时油膜破裂而烧损轴瓦严重时油膜破裂而烧损轴瓦-热像图热像图30,000 out平行10,000/inch out角1,000/inch o
23、ut角不对中62 F105 F0对中不对中故障机理 由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲力。力。随着转动，这个附加弯曲力的方向和作用点也被强迫随着转动，这个附加弯曲力的方向和作用点也被强迫发生改变，从而激发出转频的发生改变，从而激发出转频的2 2倍、倍、4 4倍等偶数倍频的倍等偶数倍频的振动。振动。其主要激振量以其主要激振量以2 2倍频为主，某些情况下倍频为主，某些情况下4 4倍频的激振倍频的激振量也占有较高的份量。量也占有较高的份量。转子不对中的故障特征振动的振幅与转子的振动的振幅与转子的负荷负荷有关有关负荷越大、振幅越大负荷越大、振幅
24、越大不对中故障对转子的激振力随不对中故障对转子的激振力随转速转速的升高而加大的升高而加大激励力与激励力与不对中量不对中量成正比成正比轴系具有过大的不对中量时，转子在运动中产生附加径向力和附轴系具有过大的不对中量时，转子在运动中产生附加径向力和附加轴向力，使转子产生异常振动加轴向力，使转子产生异常振动平行不对中主要引起平行不对中主要引起径向振动径向振动角度不对中主要引起角度不对中主要引起轴向振动轴向振动振动频率振动频率径向振动以工频的径向振动以工频的2 2倍频为主倍频为主，也有，也有1 1倍频的成分倍频的成分轴向振动以工频的轴向振动以工频的1 1倍频为主倍频为主，也有，也有2x2x，3x3x。转
25、子不对中的故障特征振动振动幅值幅值平行不对中：平行不对中：振动频谱中振动频谱中2x2x幅值超过幅值超过1x1x幅值的幅值的5050角不不对中：角不不对中：轴向轴向2x2x或或3x3x幅值约是幅值约是1x1x转频幅值的转频幅值的303050502x2x值相对于值相对于1x1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构结构联轴节两侧轴承振动的联轴节两侧轴承振动的相位差相位差平行不对中，径向振动差平行不对中，径向振动差180180角度不对中，轴向振动差角度不对中，轴向振动差180180轴心轨迹轴心轨迹：香蕉形、：香蕉形、8 8字形、外圈中产生一个字形、外圈中产生一个内圈内圈
26、 典型的频谱 相 位 关 系平平 行行不不 对对 中中 定义：当转子轴线之间存在径向位移。定义：当转子轴线之间存在径向位移。平行不对中的振动特性类似角不对中，但平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向径向振动振动较大。较大。频谱中频谱中2X2X较大，常常超过较大，常常超过1X1X，这与联轴节结构，这与联轴节结构类型有关。类型有关。角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高次（波的高次（4X4X8X8X）振动。）振动。联轴节两侧联轴节两侧径向振动径向振动相位差相位差180180。定义：当转子轴线之间存在偏角位移。定义：当转子轴线之间存在偏角位移。角不对
27、中产生较大的角不对中产生较大的轴向振动轴向振动，频谱成分为，频谱成分为1X1X和和2X2X；还常见；还常见1X1X、2X 2X 或或3X 3X 都占优势的情都占优势的情况。况。如果如果2X2X或或 3X3X超过超过 1X 1X 的的 3030到到 5050，则可，则可认为是存在角不对中认为是存在角不对中 联轴节两侧联轴节两侧轴向振动轴向振动相位相差相位相差180.180.典型的频谱 相 位 关 系角角 不不 对对 中中 轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差，由于结构上的原因，轴承在水平和垂直方向上具有不同，由于结构上的原因，轴承在
28、水平和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。虽然油膜能够在一定程度上弥补不对中的影响，但不对中虽然油膜能够在一定程度上弥补不对中的影响，但不对中过大时，会使轴承的工作条件发生改变，在转子上产生附过大时，会使轴承的工作条件发生改变，在转子上产生附加的力和力矩，甚至使转子失稳或产生碰磨。加的力和力矩，甚至使转子失稳或产生碰磨。轴承不对中同时使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系轴承不对中同时使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配，负荷较大的轴承油膜呈现非线性，在一的载荷重新分配，负荷较大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现
29、高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜定条件下出现高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡涡动进而导致油膜振荡 典型的频谱 相 位 关 系轴轴 承承 不不 对对 中中对中不良设备的轴心轨迹全息谱中的特征：全息谱中的特征：特征频率为二倍频，伴随一、三倍频；特征频率为二倍频，伴随一、三倍频；二倍频椭圆大，偏心率小；二倍频椭圆大，偏心率小；四倍频椭圆的偏心率也小，其长轴与二倍频椭圆的长轴接近垂直；四倍频椭圆的偏心率也小，其长轴与二倍频椭圆的长轴接近垂直；三倍频椭圆相对地小。三倍频椭圆相对地小。提纯轴心轨迹（提纯轴心轨迹（1 1，2 2，4 4）中的特征：）中的特征：呈香蕉形或呈香蕉
30、形或8 8字形，但香蕉形并不意味着机组不对中程度较字形，但香蕉形并不意味着机组不对中程度较8 8字形轻；字形轻；当四倍频分量增大时，轴心轨迹还可能出现双当四倍频分量增大时，轴心轨迹还可能出现双8 8字形。字形。诊断实例异常振动特征测点测点5 5的振动波形畸的振动波形畸变为基频与倍频的叠变为基频与倍频的叠加波形，频谱中加波形，频谱中2 2倍倍频谱具有较大幅值频谱具有较大幅值双椭圆复合轨迹双椭圆复合轨迹轴向振动变大轴向振动变大不平衡的频谱不平衡的频谱轴系不对中故障特征1.1.时域波形在基频正弦波上附加了时域波形在基频正弦波上附加了2 2倍频的谐波。倍频的谐波。2.2.轴心轨迹图呈香蕉形或轴心轨迹图
31、呈香蕉形或8 8字形。字形。3.3.频谱特征：主要表现为径向频谱特征：主要表现为径向2 2倍频、倍频、4 4倍频成份；倍频成份；4.4.伴随着以回转频率的轴向振动。伴随着以回转频率的轴向振动。615 转轴弯曲故障的机理 设备停用一段较长时间后重新开机时，设备停用一段较长时间后重新开机时，常常会遇到振动过大甚至无法开机的情况。常常会遇到振动过大甚至无法开机的情况。这多半是设备停用后产生了转子轴弯曲的这多半是设备停用后产生了转子轴弯曲的故障。故障。永久弯曲和暂时弯曲 转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。永久性弯曲是指转子轴呈弓形弯曲后无法恢复。永久性
32、弯曲是指转子轴呈弓形弯曲后无法恢复。造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷（转轴结构造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷（转轴结构不合理、材质性能不均匀）、长期停放方法不当、不合理、材质性能不均匀）、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷等。热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷等。临时性弯曲是指可恢复的弯曲。造成临时性弯曲临时性弯曲是指可恢复的弯曲。造成临时性弯曲的原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、的原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快局部碰磨产生温升等致使转子热变形不升速过快局部碰磨产生温升等致使转子热变形不均匀等。均匀等。与不平衡故障的异同1.1.轴弯曲振动的机理和转子质量
33、偏心类似，因而都轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力；产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力；2.2.与质心偏离不同点是轴弯曲会使轴两端产生锥形与质心偏离不同点是轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动。运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动。转轴弯曲故障的振动信号特征：（轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同）（轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同）1.1.时域波形为近似的等幅正弦波；时域波形为近似的等幅正弦波；2.2.轴心轨迹为圆或偏心率较小的椭圆；轴心轨迹为圆或偏心率较小的椭圆；3.3.频谱成份以转频为主，伴有高次谐波成份。频谱成份
34、以转频为主，伴有高次谐波成份。4.4.与不平衡故障的区别在于：轴向振动较大。与不平衡故障的区别在于：轴向振动较大。616 转轴横向裂纹故障机理 在一般情况下，转轴每转一周，裂纹总会发在一般情况下，转轴每转一周，裂纹总会发生张合。转轴的刚度不对称，从而引发非线性振生张合。转轴的刚度不对称，从而引发非线性振动，能识别的振动主要是动，能识别的振动主要是1 1、2 2、3 3倍频分倍频分量。量。转轴横向裂纹的振动信号特征：1.1.振动具有非线性性质，出现旋转频率的振动具有非线性性质，出现旋转频率的l l、2 2、3 3 等高倍分量；随裂纹扩展，刚度等高倍分量；随裂纹扩展，刚度进一步下降，进一步下降，l
35、 l、2 2等频率幅值随之增等频率幅值随之增大，相位角则发生不规则波动。大，相位角则发生不规则波动。2.2.开停机过程中，会出现分频共振，即转子在经开停机过程中，会出现分频共振，即转子在经过过1 12 2、1 13 3临界转速时，由于相应的高临界转速时，由于相应的高倍频倍频(2(2、3 3)正好与临界转速重合，振动响正好与临界转速重合，振动响应会出现峰值。应会出现峰值。裂纹信号与历史信号谱比较 升速过程的分频共振 松动本身不是纯粹松动本身不是纯粹 的故障的故障,不会直接不会直接 产生振动，但它可产生振动，但它可 放大故障的作用。放大故障的作用。A 结 构 框 架 或 底 座 松 动B 轴 承
36、座 松 动C 轴 承 等部 件 配 合松 动617 连接松动故障的机理A.结 构 框 架/底 座 松 动 振动特征振动特征:类似不平衡或不对中类似不平衡或不对中,频谱主要以频谱主要以1X 1X 为主。为主。振动具有局部性振动具有局部性,只表现在松动的转子上。只表现在松动的转子上。底板连接处相邻结合面的振动相位相差底板连接处相邻结合面的振动相位相差180180。如果轴承紧固是在轴向如果轴承紧固是在轴向,也会引起类似不对中的轴向也会引起类似不对中的轴向振动振动.包括如下几方面的故包括如下几方面的故 障障 支脚、底板、水泥底座支脚、底板、水泥底座松动松动/强度不够；强度不够；框架或底板变形；紧固框架
37、或底板变形；紧固螺丝松动。螺丝松动。图图 3 3 软脚或其它支架变形如管道应力能引起轴承的部件不对中软脚或其它支架变形如管道应力能引起轴承的部件不对中B.由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动 振振 动动 特特 征征:主要主要以以2X2X为特征为特征(主要是径向主要是径向 2X 2X 超过超过1X1X的的50%)50%)幅值有时不稳定幅值有时不稳定振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表 现现,此时要消除平衡或对中将很困难此时要消除平衡或对中将很困难.在间隙达到出现碰撞前在间隙达到出现碰撞前,振动主要是振动主要是1X1X和和2X2X；出现碰；出现碰
38、撞后撞后,振动将出现大量谐频。振动将出现大量谐频。包括如下几方面的故障包括如下几方面的故障 结构或轴承座开裂结构或轴承座开裂 支承件长度不同引起的晃动支承件长度不同引起的晃动 部件间隙出现少量偏差时部件间隙出现少量偏差时(尚无碰撞尚无碰撞)紧固螺丝松动。紧固螺丝松动。图图 2 在松动方向上容许的松动运动在松动方向上容许的松动运动 C.轴承在轴承座内松动或部件配合松动 振动特征振动特征:常常出现大量的高次谐频常常出现大量的高次谐频,有时有时10X10X，甚至，甚至20X20X，松动，松动严重时还会严重时还会 出现半频及谐频出现半频及谐频 (0.5X,1.5X.)(0.5X,1.5X.)成分。成分
39、。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。包括如下几方面的故包括如下几方面的故 障障 轴承在轴承座内松动轴承在轴承座内松动 轴承内圈间隙大轴承内圈间隙大 轴承保持架在轴承盖内松动轴承保持架在轴承盖内松动 轴承松动或与轴有相对转动轴承松动或与轴有相对转动轴承松动轴承松动图图 1 轴承松动产生的典型径向轴承松动产生的典型径向FFT 图图 2 轴承松动产生更多的方波，多轴承松动产生更多的方波，多于正弦波，并形成更多的谐波于正弦波，并形成更
40、多的谐波 连接松动故障的振动特征：1.1.轴心轨迹混乱，重心飘移；轴心轨迹混乱，重心飘移；2.2.频谱图中，具有频谱图中，具有3 3、5 5、7 7等高阶奇次倍等高阶奇次倍频分量，也有偶次分量。频分量，也有偶次分量。3.3.松动方向的振幅大。松动方向的振幅大。高次谐波的振幅值大于转频振幅的高次谐波的振幅值大于转频振幅的1/2 1/2 时，时，应怀疑有松动故障。应怀疑有松动故障。松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动！松动！松动！松动！不松动不松动不松动不松动618 碰摩故障的机理 在高速、高压离心压缩机或蒸汽透平等旋转机械在高速、高压离心压缩机或蒸汽透平等旋转机械
41、中，往往把轴封、级间密封、油封间隙和叶片顶中，往往把轴封、级间密封、油封间隙和叶片顶隙设计得较小，以减小气体泄漏。隙设计得较小，以减小气体泄漏。但是，过小的小间隙除了会引起流体动力激振之但是，过小的小间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的碰撞与摩擦。外，还会发生转子与静止部件的碰撞与摩擦。转子与静止件摩擦的分类径向摩擦：转子在涡动过程中轴颈或转子外径向摩擦：转子在涡动过程中轴颈或转子外缘与静止件接触缘与静止件接触偶然性或周期性的偶然性或周期性的局部碰摩局部碰摩转子与静子的摩擦接触弧度较大，甚至发生转子与静子的摩擦接触弧度较大，甚至发生360360的的全周向接触摩擦全周向接触摩
42、擦轴向摩擦：转子在轴向与静止件接触轴向摩擦：转子在轴向与静止件接触径向摩擦 局部动静件碰磨的故障特征局部动静件碰磨的故障特征转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率就是就是转子涡动频率转子涡动频率。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。在一起，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。不平衡引起的转速频率不平衡引起的转速频率摩擦振动的非线性性，引起高次谐波摩擦振动的非线性性，引起高次谐波(2(2、33)非线性性还引起低次谐波非线性性还引起低次谐波/
43、i(i=2,3,4/i(i=2,3,4)重摩擦时，重摩擦时，i=2i=2；轻摩擦时，；轻摩擦时，i=2,3,4i=2,3,4径向摩擦 动静件摩擦接触弧增大时的故障特征动静件摩擦接触弧增大时的故障特征动静件间具有很大的摩擦力，可使转子由动静件间具有很大的摩擦力，可使转子由正向涡动变正向涡动变为反向涡动为反向涡动时域波形出现时域波形出现单边单边“削波削波”频谱上出现涡动频率频谱上出现涡动频率与旋转频率的与旋转频率的和频和频与与差频差频，即，即会产生会产生(n(n n)n)的频率成分的频率成分局部摩擦削波效应局部摩擦削波效应摩擦产生的组合频率摩擦产生的组合频率径向摩擦 动静件摩擦接触弧增大时的故障特
44、征动静件摩擦接触弧增大时的故障特征刚开始碰摩阶段，旋转频率成分幅值较高刚开始碰摩阶段，旋转频率成分幅值较高(不平衡不平衡)，二次谐波必大于三次谐波二次谐波必大于三次谐波随摩擦接触弧的增加，由于摩擦接触的附加支撑作用，随摩擦接触弧的增加，由于摩擦接触的附加支撑作用，旋转频率幅值下降，旋转频率幅值下降，二、三次谐波幅值二、三次谐波幅值由于附加的非由于附加的非线性作用而有所线性作用而有所增加增加转子在超过临界转速时，若发生转子在超过临界转速时，若发生全摩擦全摩擦，可能出现转，可能出现转子的完全失稳，振动响应中具有很高的子的完全失稳，振动响应中具有很高的亚异步成分亚异步成分，一般为转子发生摩擦时的一阶
45、自振频率；此外，会出一般为转子发生摩擦时的一阶自振频率；此外，会出现旋转频率和振动频率之间的和差频率，高次谐波消现旋转频率和振动频率之间的和差频率，高次谐波消失。失。利用示波器监测转子的进动方向，若进动方向由利用示波器监测转子的进动方向，若进动方向由正向正向变成反向，则发生了全摩擦接触变成反向，则发生了全摩擦接触。轴向摩擦 振动特征振动特征转子与静止件发生轴向摩擦时，转子的振动特征几乎转子与静止件发生轴向摩擦时，转子的振动特征几乎与正常状况一致，没有明显的异常特征与正常状况一致，没有明显的异常特征系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征摩擦会造成功耗
46、上升和效率下降，同时局部会有温升，摩擦会造成功耗上升和效率下降，同时局部会有温升，因此工艺参数对转子与静止件轴向摩擦的故障诊断非因此工艺参数对转子与静止件轴向摩擦的故障诊断非常重要常重要 动静件摩擦的谱图与轴心轨迹压缩机振动频谱图与轴心轨迹压缩机振动频谱图与轴心轨迹n振动特征分析振动特征分析振动波形有削波现象振动波形有削波现象频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波轴心轨迹的涡动方向为反向涡动轴心轨迹的涡动方向为反向涡动碰摩故障的振动特征：1)1)时域波形存在时域波形存在“削顶削顶”现象；现象；2)2)频谱上除转子工频外，还存在非常丰富的高次谐波成分；频谱上除转子工频外
47、，还存在非常丰富的高次谐波成分；3)3)严重摩擦时，还会出现严重摩擦时，还会出现1 12 2、l l3 3、1/N1/N等精确的分频等精确的分频成分成分(经常出现在轴瓦磨损时经常出现在轴瓦磨损时)；4)4)全息谱上出现较多、较大的高频椭圆，且偏心率较大；全息谱上出现较多、较大的高频椭圆，且偏心率较大；5)5)提纯轴心轨迹提纯轴心轨迹(1(1、2 2、3 3、4 4合成合成)存在存在“尖角尖角”。6)6)轴瓦磨损时，还伴有轴瓦温度升高、油温上升等特征，气封轴瓦磨损时，还伴有轴瓦温度升高、油温上升等特征，气封摩擦时，在机组起停过程中，可听到金属摩擦声；摩擦时，在机组起停过程中，可听到金属摩擦声；7
48、)7)轴瓦磨损时，对润滑油样进行铁谱分析，可发现金属磨粒。轴瓦磨损时，对润滑油样进行铁谱分析，可发现金属磨粒。619 旋转失速与喘振的机理离心式、轴流式的风机、压缩机，因设计工况范围窄、结离心式、轴流式的风机、压缩机，因设计工况范围窄、结构设计不合理等因素，使构设计不合理等因素，使气流在机器内产生不稳定的运动气流在机器内产生不稳定的运动，引起流道内和管道内的气流压力脉动，从而导致机器和管引起流道内和管道内的气流压力脉动，从而导致机器和管道的强烈振动。道的强烈振动。气流不稳定现象主要表现的气流不稳定现象主要表现的故障形式故障形式为为旋转失速旋转失速喘振喘振旋转失速和喘振是高速离心压缩机特有的一类
49、振动故障。旋转失速和喘振是高速离心压缩机特有的一类振动故障。喘振会对机器造成很大危害，严重时会导致转子弯曲，联喘振会对机器造成很大危害，严重时会导致转子弯曲，联轴器损坏轴器损坏故障是由于气体流动分离造成，通过调节流量即可使振动故障是由于气体流动分离造成，通过调节流量即可使振动减到允许值减到允许值旋转失速的机理首先由首先由H.W.EmmonsH.W.Emmons在在19951995年提出年提出压缩机在压缩机在正常流量下正常流量下工作时，气体进入叶轮的方向工作时，气体进入叶轮的方向1 1与叶片与叶片进口安装角一致进口安装角一致ss，气体可以平稳地进入叶轮气体可以平稳地进入叶轮。当进入叶轮的气体当进
50、入叶轮的气体流量小于额定流量流量小于额定流量时，时，1 1与与ss不一致，不一致，在在叶片凹面附近形成旋涡叶片凹面附近形成旋涡由旋涡组成的气流堵塞团由旋涡组成的气流堵塞团(失速团或失速团或失速区失速区)，将沿着叶轮旋，将沿着叶轮旋转的转的反方向在各个流道中传播反方向在各个流道中传播。失速区在反方向传播速度失速区在反方向传播速度小于小于叶轮的旋转速度。但从叶轮之叶轮的旋转速度。但从叶轮之外的外的绝对参考系绝对参考系来看，来看，失速区还是沿着叶轮旋转方向转动失速区还是沿着叶轮旋转方向转动。旋转失速的机理与特征 旋转失速的形成旋转失速的形成 旋转失速的振动特征与故障原因 旋转失速的振动特征旋转失速的
