1、设备状态监测与故障诊断技术旋转机械故障诊断技术第五章第五章 旋转机械故障诊断技术旋转机械故障诊断技术 学习目标：学习目标：掌握掌握旋转机械典型故障，如如转子不平衡、转子不对中、共振、机械松动、转子摩擦、滑动轴承故障、转轴裂纹、流体动力激振、拍频振动等的机理和特征；掌握掌握滚动轴承故障诊断技术、齿轮故障诊断技术；了解了解电动机故障诊断技术、皮带驱动故障诊断技术；熟悉熟悉利用征兆的故障诊断方法。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 一、转子不平衡一、转子不平衡 n不平衡是旋转机械最常见最常见的故障。引起转子不平衡的原因原因有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不
2、均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。n转子不平衡故障包括包括：转子质量不平衡、转子偏心、轴弯曲、转子热态不平衡、转子部件脱落、转子部件结垢、联轴器不平衡等，不同原因不同原因引起的转子不平衡故障规律相近，但但也各有特点。1转子质量不平衡转子质量不平衡n力不平衡：力不平衡：不平衡产生的振动幅值在转子第一临界转速以下随随转速的平方增大。例如例如，转速升高1倍，则振动幅值增大3倍。在转子重心平面内只用一个平衡修正重量便可修正修正之。n力偶不平衡：力偶不平衡：至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正修正。n动不平衡：动不平衡：动不平衡是不平衡的最普遍最普遍的类型，它是
3、力不平衡和力偶不平衡两者的组合组合。n悬臂转子不平衡：悬臂转子不平衡：悬臂转子不平衡包含力不平衡和力偶不平衡两两者者。总是必需要必需要在两个修正面内加以修正重量。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 2转子偏心：皮带轮、齿轮、轴承和电动机框架等旋转中心与几何中心线偏离偏离时出现偏心。最大的振动最大的振动出现在两个转子中心连线方向上。3轴弯曲：弯曲的轴引起大的轴向振动，如果如果弯曲接近轴的中部，占优势的振动出现在转子转速频率，如果如果弯曲接近力偶，则占优势的振动出现在2倍转速频率。用千分表可以证实轴的弯曲。在汽轮发电机组中，通常是在盘车时和盘车后测量晃动度的大小
4、来判断转子是否存在初始弯曲。4转子热态不平衡：在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生产生较大的不平衡。热弯曲引起的振动一般与负荷有关。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 5转子部件脱落 可以将部件脱落失衡现象看作对工作状态的转子的瞬时阶跃响应，主要特征主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定，振动振动幅值幅值一般会有较明显的增大，如果有在线监测系统的话将能捕捉到这一情况。为了防止防止脱落部件在惯性力作用下飞出飞出使机体发生二次事故，必要时应及时停机检修。6转子部件结垢 由于结垢需要一
5、定长甚至相当长的时间，所以振动是随着年月逐渐增大的。7联轴器不平衡 通常是联轴器两端轴承的振动较大。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 转子不平衡的总体振动特征：转子不平衡的总体振动特征：通常是水平方向刚度较小较小，振动幅值较大较大；轴心轨迹轴心轨迹成为椭圆形；A稳态振动稳态振动是一个与转速同频的强强迫振动迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值最大值。因此转子不平衡故障的突出表现为突出表现为一倍频振动幅值大。同时会出现出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“纵树形”，如下图所示：第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
6、旋转机械典型故障的机理和特征 图5.1 转子不平衡故障谱图实例三：转子不平衡故障的诊断转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越严重，二倍频所占比例越大；所谓选择特征突出的、有代表性的征兆参数，就是找出最能判别故障类别的独特征兆参数。管道的突然弯曲、妨碍流体流动的障碍物、阻尼器或者如果泵或风机转子与其壳体中心不重合都会引起叶片通过频率的大的振动。第二节 滚动轴承故障诊断技术乌金脱落会产生1/2倍及其谐频，幅值小于松动谱。最大的振动出现在两个转子中心连线方向上。29齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率谐波频率。宽带频谱通常将表示为一个尖峰脉冲幅值上下波动。因此，要尽量减
7、少传递通道上的中间界面，只有一个界面最理想，如图5-40中之测点A即是理想测量部位。第二节 滚动轴承故障诊断技术故障表现齿轮故障诊断技术主要是啮合频率谐频分析和边频带分析。通常是在齿轮箱上测取振动信号，通过FFT处理后，作振动信号的功率谱分析，借以监测和诊断齿轮运行工况。日本故障诊断专家白木万博的得分法不对中的滚动轴承卡在轴上时，将产生明显的轴向振动。转速超过临界转速后，一般各高阶谐波振幅较未超过时小；36一般地，对于交流感应电动机，可用定子电流频谱中主峰与两个旁瓣的幅值差指示转子条好坏。（a）波形 （b）频谱实例一：转子不平衡故障的诊断实例一：转子不平衡故障的诊断n波形为简谐波，少毛刺。n轴
8、心轨迹为椭圆。n1X频率为主。n轴向振动不大。n振幅随转速升高而增大。n过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小图5.00 风机传动示意图 某化纤公司聚酯装置一台热媒加热炉燃烧风机，2002年9月26日采集的径向速度频谱图中转速频率占绝对优势转速频率占绝对优势，是典型的转转子（叶轮）不平衡子（叶轮）不平衡信息，此时振动幅值相对不大，无需修理。电机风机FIMOMIFO实例二：转子不平衡故障的诊断实例二：转子不平衡故障的诊断图5.2 燃烧风机传动示意图热媒炉燃烧风机振动幅值热媒炉燃烧风机振动幅值转速对照表转速对照表
9、监测日期9月26日10月22日10月29日11月25日转速频率(Hz)28.4442.6632.0629.42转速(RPM)1706256019241765振动幅值(MM/S)4.75499.53396.18045.1166 本案例利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作，确保了设备安全稳定运行。同时它也充分印证了这一理论：不平衡产生的理论：不平衡产生的振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大（注：转子产生的离心力F=ME2，式中，M转子质量，E偏心距，旋转角速度）。10月22日振值出现大幅上升，查频谱
10、图得知转速被调高转速被调高，因此分析这很可能很可能是造成振动增大的直接原因；在满足工艺要求的前提下两次调低转速调低转速，结果振值重又回落。实例二：转子不平衡故障的诊断实例二：转子不平衡故障的诊断 在涤纶短纤维生产工艺流程中有这样一台瓶颈设备喂入机，纤维丝束从喂入轮绕过，由于其结构和用途的特殊性，喂入轮不平衡现象频发。它们的共同频谱特征频谱特征是：喂入轮转速频率占喂入轮转速频率占绝对优势绝对优势。电机齿轮箱喂入轮实例三：转子不平衡故障的诊断实例三：转子不平衡故障的诊断图5.4 喂入机传动示意图图5.5 喂入机轮不平衡速度谱图 结合喂入轮实际特点，引起引起其不平衡的诱因主要有：制造误差，锈蚀，表面
11、结垢，磨损引起的喂入轮轴系配合松动等。以前在检修时发现，由于操作人员经常用水冲洗喂入轮致其内部进水，其安装螺栓已经产生了大量锈蚀大量锈蚀，再加之油剂等产生的工艺杂质附着在喂入轮齿形表面越积越厚(结垢结垢)，是造成喂入轮不平衡现象频发的主要原因主要原因。为此，已将其列为工艺处理注意事项，并要求操作人员利用缠辊等停机机会及时对喂入轮表面进行清理清理。如果把上述两个案例放在一起来分析，我们会发现发现这样一个现象，那就是不管是叶轮还是喂入轮，它们都是悬臂转子，而且又都是盘类零件（注：叶轮也可以看作为盘类零件），即即长径比小的零件，这说明悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡悬臂转子和盘类零件可能更易出现
12、不平衡。实例三：转子不平衡故障的诊断实例三：转子不平衡故障的诊断二、不对中二、不对中 n旋转机械单转子系统旋转机械单转子系统通常由两个轴承支承。由多个转子串接组成的复杂转子系统，转子与转子间用联轴器联接。因此转子不对中具有两种含义两种含义：一是一是指转子与转子间的联接不对中，主要反映主要反映在联轴器的对中性上；二是二是转子轴颈与两端轴承不对中。电机电机水泵水泵POMOMIPIn有资料表明现有企业在役设备30%50%存在存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成造成设备部件的过早损坏，同时会造造成成能源的浪费。典型不对中如图所示：第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特
13、征 图5.6 典型不对中示意图n 后者后者对滑动轴承来说，与轴承是否形成良好的油膜有直接关系直接关系。滚动轴承的对中（如电动机转子两端的轴承对中），主要主要是由于两端轴承座孔不同轴，以及轴承元件损坏，外圈配合松动，内圈配合松动，两端支座（对电动机来说是前后端盖）变形等，都会引起不对中。有的机器有的机器，如汽轮发电机之类的设备，在冷态（未运转时）情况下转子对中情况是符合要求的，一旦运转中温度升高就可能发生热不对中。此外，地脚螺栓松动，基础下沉（这一点对于新安装的设备尤其需要注意），联轴器销孔磨损等故障的存在也会引发不对中引发不对中。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理
14、和特征 图图5-7 转子不对中的基本形式转子不对中的基本形式a)联轴器不对中；b)轴承不对中；c)带轮不对中第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 1角向不对中n角向不对中的特征特征是轴向振动大。典型地出现转速频率和2倍转速频率大的轴向振动。还常见常见转速频率、2倍转速频率和3倍转速频率都占优势占优势的情况。n如果如果2倍转速频率或3倍转速频率超过超过转速频率的30%到50%，则可认为是存在角不对中。n这些征兆征兆也指示联轴器故障。严重的角向不对中可激起转速频率的许多阶谐波频率。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 2平行不对中
15、n平行不对中的振动征兆类似类似于角向不对中，但是，径向方向振动大。2倍转速频率振动往往往往大于转速频率振动，联轴器的类型和结构决定2倍转速频率振动相对相对于转速频率振动的高度。n角向不对中或平行不对中严重严重时，可在较高较高谐振波频率4倍到8倍转速频率谐波处出现大的振动，甚至甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波。3滚动轴承偏斜地固定在轴上n 不对中的滚动轴承卡在轴上时，将产生明显的轴向振动。通常，必须卸下轴承并重新正确安装。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 不对中的总体振动特征：不对中的总体振动特征：联轴器联轴器不对中时轴向振动较大，振动幅值和
16、相位稳定；轴承轴承不对中时径向振动较大，有可能有可能出现高次谐波，振动不稳定；振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发生改变，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化。但由于热传导的惯性惯性，振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主分量为主，不对中越严重越严重，二倍频所占比例越大越大；相邻两轴承的油膜压力反方向变化反方向变化，一个油膜压力变大变大，另一个则变小变小；典型的轴心轨迹为香蕉形香蕉形，正进动；第一节第一节 旋转机械典型故障
17、的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 热媒炉燃烧风机振动幅值转速对照表选型不当、安装错误等。如果不采取措施排除，气穴对泵内部可能十分有害，它可能局部侵蚀叶轮的叶片。Sohr于1968年在美国ASME石油机械工程年会上发表有名的论文“高速涡轮机械运行问题（故障）的起因和治理”中，将其关于旋转机械故障机理的几十年研究成果总结成两类表格，清晰而又简洁地描述了典型机械故障的症状及其可能原因，已为国内外广泛采用。改变轴承参数：提高轴承比压；如果齿轮有制造缺陷，则将出现齿轮组合状态频率或其谐波频率，如果污染颗粒通过齿轮啮合，导致吸入污染颗粒时啮合的齿进入和退出啮合中或者重新定位齿轮时使啮合的齿损坏，于
18、是在定期监测的频谱中突然出现齿轮组合状态频率必须注意。测点要选在轴承的承载区，一般为轴承的下部，对着轴的转向位置，如图5-40所示。齿轮啮合频率的幅值高未必一定指示有故障，尤其是如果边带频率幅值保持较小，没有激起齿轮自然频率的时候。随机器的负荷变化，振动有明显的变化，可能的直接故障原因主要有：对中不良、蒸汽振荡、联轴节问题、轴承问题、轴弯曲、轴裂纹、齿轮及电磁问题等。如果不采取措施排除，气穴对泵内部可能十分有害，它可能局部侵蚀叶轮的叶片。A、向心力 B、离心力 C、预紧力 D、内应力这些边带常接近转速的波动，需要高分辨率的频谱仪才能检测它们。齿轮异常又是诱发机器故障的重要因素。21以下齿轮失效
19、形式中，是分布故障。（）在满足工艺要求的前提下两次调低转速，结果振值重又回落。轴承的冲击振动经轴承座传播到加速度传感器上，激起其固有频率的减幅振荡，这个振动的幅度与轴承故障的严重程度成正比。滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物的侵入都引起表面磨损，润滑不良加剧了磨损。第一节 旋转机械典型故障的机理和特征1壳体 2扬声器 3发光二极管 4预置拨盘然而，如果泵中旋转叶片和静止的扩压器之间的间隙在圆周方向上不均匀，那么可能产生大幅值的叶片通过频率及其谐波频率，如图所示。图5.8 典型不对中谱图第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 实例四：转子不对中故障的诊断实例四：转
20、子不对中故障的诊断 n出现2频率成分。n轴心轨迹成香蕉形或8字形。n振动有方向性。n轴向振动一般较大。n本例中，出现叶片通过频率。1X频率2X频率叶片通过频率电机水泵POPIMOMI 不对中故障的影响和防治：不对中故障的影响和防治：当转子存在不对中时，将产生一种附加弯矩，给轴承增加一种附加载荷，致使轴承间的负荷重新分配，形成附加激励附加激励，引起机组强烈振动强烈振动，严重时严重时导致轴承和联轴器损坏、地脚螺栓断裂或扭弯、油膜失稳、转轴弯曲、转子与定子间产生碰磨等严重后果，所以及时预测处理不对中故障对确保设备正常运行，减少减少事故损失十分重要。由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题，多年来
21、工程研究人员一直在致力于致力于追求更加科学合理的联轴器找正技术。目前，激光对中仪激光对中仪已在一些大型设备的安装、检修过程中得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 三、共振三、共振 n强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动幅值强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动幅值急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏。急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏。这可能是转子的自然频率，也常常起源于支承框架、基础、齿轮箱甚至传动皮带。n如果转子处在或接近共振，由于很大的相位漂移，几乎不可能不可能平衡掉。共振时相位漂移为90度
22、，通过共振时相位漂移接近180度。n这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。自然频率通常不随转速变化，这一点有助于识别自然频率，除非除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 设备共振案例一设备共振案例一某聚酯圆盘反应器升负荷试验某聚酯圆盘反应器升负荷试验 n从图中可以看到，特征频率均为电机输出轴工频，这一般为电机转子不平衡信息（后进行修理），从转速调升后出现的振值上升情况也基本可以验证这一判断。升速测试结果如表 5-3所示：图5.9 圆盘反应器电机径向速度谱图图5.1
23、0 圆盘反应器电机径向位移谱图设备共振案例一设备共振案例一某聚酯圆盘反应器升负荷试验某聚酯圆盘反应器升负荷试验 n主轴转速调至4.95rpm时，振动值非常大；但调至5rpm时，振动值复又下降。这说明，4.95rpm时的特征频率17.82Hz为机台一共振频率共振频率。n后来通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率，最终解决解决了共振的问题。电机转速电机 特征频率主轴转速Rpmmmm/sHzRpm1035163.3513.56717.254.81069.22802217.824.951080.6208.0916.41618.015表5-3 圆盘反
24、应器电机测试数据设备共振案例二设备共振案例二某第二酯化反应器变速试验某第二酯化反应器变速试验 测点位置 减速箱高速部低速部监测日期电机转速（rpm）特征频率（Hz）振动幅值（mm/s）振动幅值（mm/s）7月24日81113.521.54411.89038月27日106017.664.24313.66839月18日94115.697.47026.80559月23日102617.104.96924.54879月25日111218.534.14093.989510月15日111218.533.89503.609011月4日111218.544.00983.5443 测试结果如下表所示，表明电机转速
25、为941rpm时，存在一共振频率共振频率15.69Hz。电机转速为1112rpm时，振动值在受控范围内，已避开共振点，故在此状况下使用。四、机械松动四、机械松动 1A型机械松动n这种频谱是机器底脚、底板或基础的结构松动减弱松动减弱引起的，或或者者由基础上恶化的水泥浆、松动的地脚螺栓，或者或者框架，或者或者基础变形变形，即软脚即软脚引起的。A型机械松动型机械松动 第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 B型机械松动型机械松动 2B型机械松动n这种频谱通常是由螺栓松动松动，框架结构或轴承座裂纹裂纹引起的。n主要主要以2倍转速频率为特征，幅值有时不稳定。振动只有伴随只
26、有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现，此时要消除平衡或对中将很困难。n在间隙达到间隙达到出现碰撞前，振动主要振动主要是1倍转速频率和2倍转速频率；出现碰撞后，振动将出现大量谐频。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 3C型机械松动n这种频谱通常是通常是由零部件之间配合不良引起的。将产生许多谐波频率，而且往往引起精确的0.5倍或1.5倍转速频率等亚亚谐波频率谐波频率。nC型松动往往是由轴承衬套在其盖内松动松动，轴承松动和在轴上旋转，滑动轴承或滚动轴承间隙过大间隙过大，叶轮在轴上松动叶轮在轴上松动等引起的。C型机械松动型机械松动 第一节第一节 旋转机械典型故障
27、的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 为了频谱比较有意义，每次测量分析都应该在系统处于最大负载下运转时进行。由于这种冲击脉冲计把轴承转速和轴承大小（内径）两个因素在仪器中归一到同一个尺度上，使得仪器的指示值仅与轴承损伤程度有关，各种类型、各种尺寸的滚动轴承只要凭冲击脉冲值（即地毯值dBc和标准值dBN）就可以直接判断被测轴承是否存在故障以及故障和程度。18 油膜振荡的转速特性因此在选择轴承测点时，应遵守以下几条原则：73Hz成分，说明齿轮有偏载迹象。第一节 旋转机械典型故障 的机理和特征表5-3 圆盘反应器电机测试数据为了防止灾难性破坏，必须修理松动或者断开的接头。瓦块损坏会产生1/3倍涡
28、动，调节油温有预防效果。介于两者之间的是涡动轨迹为封闭曲线，油膜涡动就是这种情况。在我国企业得到广泛应用的国产CMJ-1型冲击脉冲计就属于这类仪器，图5-38就是它的结构示意图。通常是用钳型电流表（带信号输出以便连接仪器）和数据采集器定期对电机定子电流进行监测，一旦上述幅值差小于50dB，或与正常时比较有较大幅度的下降，就应引起高度注意。g/SE实际是一种滤波器，它运用包络法将上述经调制的高频分量拾取，经放大，滤波后送入解调器，即可得到原来的低频脉动信号，再经快速傅立叶变换（FFT）即可获得g/SE谱；4低频信号接收法直接测量因精加工表面形状误差或疲劳剥落而出现的脉冲频率。从20世纪80年代起
29、，我国企业广泛应用冲击脉冲法诊断滚动轴承故障，取得显著的成效。第六节 利用征兆的故障诊断方法两值均较大，且数值较接近机组的功率（表指针）呈周期性的变化；转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；当转子因挠曲、偏磨、安装偏心或旋转产生涡动运动时，密封腔内周向的间隙不均匀，即使密封腔内入口处的压力周向分布是均匀的，在该腔的出口处却形成了不均匀的周向压力分布形成了一个作用于转子上的合力，此力在与转子偏心位移相垂直方向上的切向分力相互作用，就将激励转子作进一步的涡动，成为转子一个不稳定的激励力，可能导致转子失稳。1而壳体扭曲和基础不均匀沉降则是产生轴弯曲、不对中和轴承偏心的直接原因，或者说是产生同频及倍频振
30、动的间接原因。常因载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂。从电机机身水平及垂直方向拾取的振动数据分析，“嗡嗡”噪音的振动频率应为1Hz，其振动是由于电机的电磁力矩频率（99.一般说，转子的转速在失稳转速以前转动是平稳的，当达到失稳转速后即发生油膜涡动。第四节 电动机故障诊断技术通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大；如果皮带自然频率接近或者与电动机或被驱动机器的转速频率一致，皮带共振可引起大的幅值振动，如下图所示：（）还可用非频率域的诊断方法，如共振解调。第四节 电动机故障诊断技术主要以2倍转速频率为特征，幅值有时不稳定。七、转轴裂纹（转轴裂纹的总体振动特征）此时利用峭度作为诊断特征量将很有效。如果不采
31、取措施排除，气穴对泵内部可能十分有害，它可能局部侵蚀叶轮的叶片。第五节 皮带驱动故障诊断技术随着转子转速的提高，油膜涡动的频率也提高，两者保持一个近乎不变的恒定比，即约为2。第二节 滚动轴承故障诊断技术46得分法是日本故障诊断专家白木万博所用的诊断方法。29齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率谐波频率。转子条裂或断的典型频谱如下图所示：（）C型机械松动实例型机械松动实例转子系统松动故障的诊断转子系统松动故障的诊断 n波形出现许多毛刺。n谱图中噪声水平高。n出现精确2X，3X等成分，最高最高可达16X。n松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分最高可出现16X
32、成分噪声水平高五、转子摩擦五、转子摩擦 n当旋转件与静止件相接触时，转子摩擦产生类似于类似于机械松动产生的频谱。摩擦可能是局部的，也可能也可能是整个转子一周都摩擦。通常，产生一系列频率，往往往往激起一个或多个共振。n根据转子自然频率的位置，常常激起转速的整分数倍亚谐波频率0.5，1，1.5，2，4.5倍等。n转子摩擦可激起许多高频类似于粉笔在黑板上拖动产生的宽带噪粉笔在黑板上拖动产生的宽带噪声声，如果轴与巴氏合金相接触引起摩擦时，它可能非常严重，非常短促。整个轴圆周全部角度摩擦可产生“反进动”，即即转子以临界转速频率回转，但是但是，方向与轴的旋转方向相反，这是一种可导致灾难性破坏导致灾难性破坏
33、的不稳定的振动。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 典型的碰磨故障的波形和频谱如图5.15所示。A G（f）O t f （a）波形 （b）频谱图图5-15 转子碰摩的波形和频谱图转子碰摩的波形和频谱图第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 转子摩擦的总体振动特征转子摩擦的总体振动特征 转子失稳前失稳前频谱丰富，波形畸变，轴心轨迹不规则变化，正进动；转子失稳后失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散，反进动；轻微摩擦轻微摩擦时同频幅值波动，轴心轨迹带有小圆环；碰摩严重碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大；系统的刚度增加刚度增加，临界
34、转速区展宽，各阶振动的相位发生变化；工作转速工作转速下发生的轻微摩擦振动轻微摩擦振动，其振幅随时间缓慢变化，相位逆转动方向旋转。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 六、滑动轴承故障六、滑动轴承故障1磨损或间隙等故障 如图5.16所示。滑动轴承磨损后期的证据通常是出现一个完整完整的系列的转速频率谐波直到10阶20阶，破碎的滑动轴承常产生比水平方向振动大的垂直方向的振动，也可能只有转速频率一个明显的尖峰。间隙过大的滑动轴承可让小的不平衡、不对中引起引起大的振动，如果轴承间隙调整达到规定的要求，则振动很小。滑动轴承松动会产生1/2倍、1/3倍等成分，并且随负荷变化
35、较大。乌金脱落会产生1/2倍及其谐频，幅值小于松动谱。瓦块损坏会产生1/3倍涡动，调节油温有预防效果。图5.16 滑动轴承磨损/间隙过大频谱 （噪声水平说明间隙过大/松动）第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 2油膜涡动和油膜振荡 n当转子在滑动轴承轴瓦中转动时，在转子与轴瓦之间的间隙中形成油膜，不但避免不但避免了转子表面与轴瓦表面之间的直接接触，减少减少了两表面间的摩擦和动耗，而且而且同时油膜的流体动压力又使油膜具有承载能力。n当当油膜的承载力与外载荷平衡平衡时，转子处于平衡位置；当当转子受到受到某种外来扰动时，转子中心就会在静平衡位置附近发生涡动涡动。第一
36、节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 对于转子在外界偶然扰动下所发生的任一偏移，轴承油膜除了除了产生沿偏移方向的弹性恢复力以保持和外载荷平衡外，还要还要产生一垂直于偏移方向的切向失稳分力，这个失稳分力会驱动转子作涡动运动:当阻尼力大于大于切向失稳分力时，这种涡动是收敛的，即转子在轴承内的转动是稳定的。当切向分力大于大于阻尼力时，涡动是发散的，转子的运动是不稳定的，产生产生油膜振荡。介于介于两者之间的是涡动轨迹为封闭曲线，油膜涡动就是这种情况。油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步现象，其回转频率即振动频率约为转子回转频率的一半一半，所以常称为半速涡动或半频涡动。
37、产生原因：第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 由于由于在大多数情况下，轴瓦不旋转，轴瓦表面轴瓦表面的油膜速度为零零，转子轴颈表面轴颈表面的油膜速度与轴颈表面的速度相同相同。因此，在层流假设下，油膜的平均周向速度平均周向速度为轴颈表面速度的一一半半，即转子旋转时，油膜将以轴颈表面速度之半的平均速度半的平均速度环绕运动。n实际上，由于轴颈表面比比轴瓦表面光滑及轴瓦与轴颈之间润滑油的端泄等因素的影响，一般涡动频率略小于转速的一半，约为转速的0.400.48倍（编者按：有些文献记载为0.420.46倍），如下图所示。图5.17 油膜涡动不稳定第一节第一节 旋转机械典
38、型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 ABC+eed2d2oOC-e(.)0 420 48n实际产生涡动频率约为：n 流入B侧的流量分 成3部分：l A侧流出部分l 轴承两端泄露部分l 油膜下不由于涡动 增加部分。半速涡动。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 n一般说，转子的转速在失稳转速以前前转动是平稳的，当达到失稳转速后后即发生油膜涡动。随着转子转速的提高，油膜涡动的频率也提高，两者保持一个近乎不变的恒定比，即约为2。n但是，当转子回转频率约为其一阶临界转速的两倍时，由于此时油膜涡动的涡动速度与转子的一阶临界转速相重合即产生共共振振，表现为强烈
39、的振动现象，油膜可能不再具有支承能力，称为油膜振荡油膜振荡。n油膜振荡一旦发生之后，随着转子转速的提高，涡动频率就将保持不变保持不变，而且等于等于该转子一阶临界转速，产生产生以转子临界转速频率的横向正进动亚谐波振动。这是一种可导致灾难性破坏的固有的不稳定的振动。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的转速特性如图5.18所示。（a）图表示失稳转速在一阶临界转速之前前。（b）图表示失稳转速在一阶临界转速之后后，这两种情形的油膜振荡都在稍高于稍高于二倍临界转速的某一转速时发生。（c）图表示失稳转速在二倍临界转速之后后，转速在稍高于稍高于二倍临界转速时，转子
40、并没有失稳，直到比二倍临界转速高出较多较多时，转子才失稳；而降速时油膜振荡消失的转速要比升速时发生油膜振荡的转速低低，表现出油膜振荡的一种“惯性”现象。图图5.18 油膜振荡的转速特性油膜振荡的转速特性 第一节第一节 旋转机械典型故障旋转机械典型故障 的机理和特征的机理和特征 油膜振荡的振动特征：油膜振荡的振动特征：油膜振荡总是发生在转速高于高于转子系统一阶临界转速的2倍倍以上；油膜振荡的频率接近接近转子的一阶临界转速，即使即使转速再升高，其频率基本不变；油膜振荡时，转子的挠曲呈一阶振型；油膜振荡时，振动的波形发生畸变，在工频的基波上叠加叠加了低频成分，有时低频分量占主导地位，低频振动的幅值，
41、轴承座振动可达40m以上，轴振动可达100150m以上，且振幅不稳，轴心轨迹发散；油膜振荡时，转子涡动方向与转子转动方向相同相同，轴心轨迹呈花瓣形，正进动；第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的发生和消失具有突然性突然性，并具有惯性效应，即升升速时速时产生振荡的转速比降速时降速时振荡消失的转速要大大；油膜振荡剧烈时，随着油膜的破坏，振荡停止，油膜恢复后，振荡再次再次发生，这样持续下去，轴颈与轴承不断碰摩不断碰摩，产生撞击声，轴瓦内油膜压力有较大较大波动；油膜振荡对转速和油温的变化较敏感较敏感，一般当机组发生油膜振荡时，随着转速的增加增加，振动不下降，
42、随着转速的降低，振动也不立即消失，称为滞后现象；提高提高进油温度，振动一般有所降低降低；轴承载荷越小越小或偏心率越小越小，越易越易发生油膜振荡。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 油膜振荡的预防和消除油膜振荡的预防和消除 对于石化企业，油膜振荡是空气压缩机空气压缩机等大型机组需要重点防范的问题。为了预防和消除油膜振荡，可以根据转子系统的实际情况采取以下若干措施：消除油膜振荡的诱发因素消除油膜振荡的诱发因素：改善改善转子的平衡状态，限制限制振幅放大因子；消除消除转子不对中故障，限制限制低次谐波分量；保证保证轴承的结构参数，防止防止轴承工作状态恶化；消除消除动静
43、间隙不均匀，限制限制非线性激振力。改变轴承参数改变轴承参数：提高提高轴承比压；降低降低润滑油粘度；使轴承相对间隙处于处于最佳范围。改变轴承型号改变轴承型号：根据轴承类型和结构尺寸的不同，每种轴承都有其稳定工作的范围。增加转子系统刚度增加转子系统刚度，提高提高转子系统的临界转速，转子固有频率越越高高，发生油膜振荡的失稳转速也越高越高。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 实例：带滑动轴承的机械的频谱特点实例：带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14FREQUENCY IN ORDER因此要善于识别和排
44、除干扰：实例三：转子不平衡故障的诊断各阶临界转速较正常时要小，尤其在裂纹严重时；29齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率谐波频率。准确判读dBc和dBNb)传递通道界面越少越好通常，必须卸下轴承并重新正确安装。第一节 旋转机械典型故障的机理和特征如果转子处在或接近共振，由于很大的相位漂移，几乎不可能平衡掉。只要操作方法得当，确诊率可达到90%以上。2095rpm时，振动值非常大；第一节 旋转机械典型故障的机理和特征 齿轮“点蚀”等分布故障其边带阶数少、而集中在啮合频率及其谐频的两侧。频率特低时可能是喘振或旋转失速，或某类自激振动。白木万博的得分法和Sohr的故障症状与状态表。第六节
45、利用征兆的故障诊断方法第一节 旋转机械典型故障的机理和特征1有效值和峰值判别法有效值适用于磨损这类异常，但不宜用于剥落、压痕这类具有瞬变冲击振动的异常，此时峰值比有效值适用。由于在大多数情况下，轴瓦不旋转，轴瓦表面的油膜速度为零，转子轴颈表面的油膜速度与轴颈表面的速度相同。振动主导频率与转子叶片数及转速有关，则可能是转子气动力问题。七、转轴裂纹七、转轴裂纹（转轴裂纹的总体振动特征）（转轴裂纹的总体振动特征）各阶临界转速较较正常时要小小，尤其尤其在裂纹严重严重时；由于裂纹造成造成刚度变化且且不对称，转子的共振转速扩展扩展为一个区；裂纹转子轴系在强迫响应时，一次分量的分散度比比无裂纹时大大；转速超
46、过超过临界转速后，一般各高阶谐波振幅较较未超过时小小；恒定转速下，各阶谐波幅值1倍，2倍和3倍及其相位不稳定，且且尤以2倍突出；裂纹引起刚度不对称，使使转子动平衡发生困难，往往多次试重也达不到达不到所要求的平衡精度。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 八、流体动力激振八、流体动力激振 泵、风机和压缩机统称为流体动力机械流体动力机械，它们在通用设备中占有重要地位重要地位，因此有必要对其异常的振动形式流体动力激振作一讨论。n在流体动力机械中，叶片通过频率（转子叶片通过频率或或静子叶片通过频率）总是有的，通常不成为故障。然而然而，如果泵中旋转叶片和静止的扩压器之间
47、的间隙在圆周方向上不均匀，那么可能产生产生大幅值的叶片通过频率及其谐波频率，如图所示。图5.19 流体动力激振第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 而且而且，有时叶片通过频率或其谐波频率与与系统的某自然频率一致一致，即产生大的振动产生大的振动。n如果叶轮摩擦环卡住卡住轴承，或者焊接固定的扩压器叶片损坏损坏，则可能产生可能产生大的叶片通过频率振动。n管道的突然弯曲、妨碍流体流动的障碍物、阻尼器或者如果泵或风机转子与其壳体中心不重合都会引起引起叶片通过频率的大的振动。图5.19 流体动力激振第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 1
48、紊流（又称旋转失速）紊流紊流时压缩机叶片受到受到一种周期性的激振力，如紊流的频率与叶片的固有频率相吻合相吻合，则将引起强烈振动，使叶片疲劳损坏造成造成事故。几种特别的流体动力激振形式：紊流、喘振、气穴、涡动等图5.20 紊流第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 旋转失速发生在压气机上；振动幅值随随出口压力的增加而而增加；振动发生在流量减小时，且随着流量的减小而增大而增大；振动频率与工频之比为为小于1的常值；转子的轴向振动对对转速和流量十分敏感十分敏感；一般排气端的振动较大较大；排气压力有波动现象；机组的压比有所下降，严重时严重时压比突降。紊流的振动特征：紊流的
49、振动特征：第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 2喘振 n紊流使压气机中的流动情况恶化，压比下降，流量及压力随时间波动。n在一定转速下，当入口流量减少到某一值Qmin时，机组会产生强烈的紊流。强烈的紊流会进一步引起引起整个压缩机组系统的一种危险性更大的不稳定的气动现象，即即喘振。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 压缩机总是和管网联合工作的。为了保证一定的流量通过管网，必须维持必须维持一定压力，用来克服管网的阻力。n机组正常工作时的出口压力是与管网阻力相平衡相平衡的。但但当压缩机的流量减少到某一值Qmin时，出口压力会很快下
50、降，然而由于惯性作用，管网中的压力并不马上降低，于是，管网中的气体压力反而大于反而大于压缩机的出口压力，因此，管网中的气体就倒倒流回流回压缩机，一直到管网中的压力下降到下降到低于压缩机出口压力为止。n这时，压缩机又开始开始向管网供气，压缩机的流量增大，恢复到恢复到正常的工作状态。但但当管网中的压力又回到原来的压力时，压缩机的流量又减少，系统中的流体又倒流。如此周而复始产生了气体强烈的低频脉动现象强烈的低频脉动现象喘振喘振。第一节第一节 旋转机械典型故障的机理和特征旋转机械典型故障的机理和特征 喘喘振振的的振振动动特特征征 诊断对象为压气机组或其它带长导管、容器的流体动力机械；振动发生时，机组的
