1、旋转机械故障机理及诊断2000.07.04第一节 概述F旋转机械的故障来源及其主要原因旋转机械的故障来源及其主要原因F旋转机械故障的特征旋转机械故障的特征 表表3-1旋旋转转机机械械的的 故故障障来来源源及及 其其主主要要原原因因故障来源主 要 原 因设计、制造1）设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动2）结构不合理，有应力集中3）工作转速接近或落入临界转速4）运行点接近或落入运行非稳定区5）零部件加工制造不良，精度不够6）零件材质不良，强度不够，有制造缺陷7）转子动平衡不符合技术要求安装、维修1）机器安装不当，零部件错位，预载荷大2）轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）3）机
2、器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当4）管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度5）转子长期放置不当，破坏了动平衡精度6）安装或检修过程破坏了机器原有的配合性质和精度运 行 操 作 不 当 1）机 器 在 非 设 计状 态 下 运 行（如 超 速、超负 荷 或 低 负荷运 行）改 变 了 机 器 工 作 特 性2）润 滑 或 冷 却 不 良3）旋 转 体 局 部 损 坏 或 结 垢4）工 艺 参 数（如介 质 的 温 度、压 力、流 量、负 荷 等）不当，机 器 运 行 失 稳5）启 动、停 机 或升 降 过 程 操作 不 当，暖 机不 够，热 膨胀不 均 匀 或 在
3、 临 界 区 停 留 时 间 长机 器长 期运行劣 化1）长 期 运 行，转 子 挠 度 增 大2）旋 转 体 局 部 损 坏、脱 落 或 产 生 裂 纹3）零、部 件 磨 损、点 蚀 或 腐 蚀 等4）配 合 面 受 力 劣化，产 生 过盈 不 足 或 松 动等，破 坏 了配合 性 质 和 精 度5）机 器 基 础 沉 降 不 均 匀，机 器 壳 体 变 形旋转机械故障的特征旋转机械故障的特征F故障发生的阶段性F故障暴露的渐进性F故障的并存性F征兆的相关性F数据和信息的不充分性F征兆和故障的复杂映射性F故障表现的不一致性第二节 转子系统振动基础F转子振动的基本特性F转子临界转速及其影响因素
4、p2；2n=m+r.x+k xx =me2cost 3-2-1 m y+r.y+Kyy=me2t2n.x+px2e2cost.y2n.y+py2ye2t x1（t）+x2（t）y1（t）+2（t）x1（t）=Axe-ntcos（prt+x）1（t）=Aye-ntsin（prt+y）x2（t）=Bxcos(t-)2（t）Bysin(t-y)2242)22(/2)22/(212242)22(/22242)22(/2nyPeyBxPntgxnxPexBnxPexBz=/p p-转子的固有振动频率；=n/p-为转子系统的阻尼比；)1/(2)2()1(/)1/(2tg)2()1(/21222221-x2
5、222yyyyyyyxxxxxxzztgzzezBzzZzezB通常认为转轴及轴承在各方向的刚度是相同的，即 K x=Ky=k ；px=py=p；zx=zy=z2222)2()1(/zzezBBByx=t g-12 z/（1-z2）影响振幅的主要原因Fe的影响Fz的影响F的影响e的影响F转子受迫振动的振幅B与质心的偏心距e成正比F要想减小转子的振幅应尽量减小质心的偏心距ez的影响F当z=0时，即表示转子静止时，B/Bs=1，振幅B为零。F当z很小时，B/Bs1，振幅B与激振力幅值引起的转子静变形Bs差不多F当z1时，即p；在=0的情况下，B/Bs，在很小的情况下，振幅B将会非常大。实际情况下系
6、统不可能没有阻尼，但从中可以看出共振的危险性.F当z很大时，即p；B/Bs很小。说明在转子运行在高速的范围内时，转子的振幅很小，运行反而更加平稳的影响F在=0时的幅频响应曲线以下，这说明由于阻尼的存在使振幅变小F当p；p时计算振幅可以不计阻尼的影响F当与p较接近时，对于振幅的影响较大F在给定阻尼比的情况下，求解转子最大振幅所对应的频率比zF当较小（=0.050.2）时,可以近似的认为共振时的振幅就是最大振幅,此时z=1,即=p B=e/2相频响应曲线F当=0时，当z1，则=；当z=1，则共振点前后相位角发生突然变化F当很小时，在z1，在高频范围内，即表示位移与激振力的相位相反F当很大时，相位角
7、随z增加而增大。当z=1（即共振）时，相位角=/2，与阻尼大小无关，这是共振时的一个共同特征转子临界转速及其影响因素F当p时，/2，在p时，/2，在p，z，即转子运行在高速范围内 ，即表示位移与激振力的相位相反,这时转子的振动很小,自动对心.F当=p时，即z=1 B=e/2，=/2回转半径即为转轴的横向位移最大值B=e/2 此时的转速为临界转速。影响转子临界转速的因素F陀螺力矩对转子临界转速的影响F弹性支承对转子临界转速的影响F组合转子对临界转速的影响转子不平衡的故障机理及诊断转子不平衡的分类F静不平衡F动不平衡F一般不平衡柔性转子不平衡不平衡故障的主要振动特征F振动的时域波形为正弦波F频谱图
8、中,谐波能量集中基频F当 p 时,振幅随 的增加而增大;当 p 后,增加时振幅趋于一个较小的稳定值;=p时发生共振,振幅具有最大峰值.F当工作转速一定时,相位稳定.F转子的轴心轨迹为椭圆 转子弯曲的故障机理及诊断转子弯曲的故障机理及诊断转子弯曲故障机理转子弯曲故障机理F发电机转子热弯曲原因F汽轮机转子热弯曲原因发电机转子热弯曲原因F转轴上内应力过大F转轴材质不均F转轴存在径向不对称温差.(1)发电机转子受热不均;(2)转子冷却不均匀;(3)转轴轴向传热、直径方向的热阻不均匀;(4)转轴上套装零件失去紧力;(5)楔条紧力不一.汽轮机转子热弯曲F转轴上内应力过大F转轴材质不均F汽轮机叶轮的轮毂之间
9、或轴上其他套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足或不均匀F转轴存在径向不对称温差 在转轴处存在着轴向不对称漏汽 转子外表面热辐射不均转子中心孔内有油或水转轴直径方向热阻不均匀轴上套装零件失去紧力图3-4-1 转轴弯曲振动矢量域a)转子弓形弯曲振动矢量域 b)转了临时性弯曲振动矢量域轴系裂纹的故障机理与诊断轴系裂纹的故障机理与诊断 轴系裂纹的原因轴系裂纹的原因F轴的受力状态F横向弯曲状态是由径向旋转和不旋转的力产生的，这些力包括质量和弱不平衡(弯曲)惯性力、不对中力、热变形力和重力F正常运转时，旋转机械的转子随由驱动力矩和载荷力矩产生的稳定的扭转应力F拉伸和压缩对总应力的影响通常较小轴系裂纹的原因轴系
10、裂纹的原因F应力集中F促使裂纹扩展的最重要的应力集中部位是转子材料的缺陷处，如夹渣及其他非金属夹杂物F一些转子设计的特殊要求使其特定部分产生应力集中，在这些部位经常出现裂纹如孔(如透平机叶轮的压力平衡孔)F槽切口、缝隙、螺纹、转子内孔、压花、刻痕和或健槽(特别是加工粗糙和有尖锐的内角时)将被削弱的部位F紧固在转子上的零件都在“紧固”表面形成一个潜在的应力集中区域轴系裂纹的原因轴系裂纹的原因F环境因素F转子的内孔、键槽、沟槽、装配处的缝隙和锐角不仅产生机械的应力集中，还特别易于腐蚀由于化学活性物质的集中结晶。当水蒸汽的纯度较差时，即使时间很短也能形成激发裂纹的环境F热状态是裂纹形成和扩展的另一个重要因素。例如过高的温度会使蠕变加速。这将在金属中形成晶间空位，从而产生微观和宏观的开裂轴系裂纹诊断F工作转速下轴的同步(1X)相对横向振动幅值和或相位的无法解释的变化，以及启动和/或停机过程中低速转动向量的变化。F二倍转速(2X)振动分量的出现从极座标图中得到轴裂纹扩展的信息应当注意F低速转动向量(幅值和相位)的变化，特别是幅值的增加F一倍频(和二倍频)共振响应向量的变化(幅值和相位)F第一阶(和第二阶、第三阶)共振频率是否降低(轴裂纹使系统刚度下降，故共振频率也有所降低)F共振峰的开裂(与裂纹有关的轴的不对称性导致了两个横向振型的差别）F轴振动变化
