旋转机械故障诊断旋转机械是指依靠转子旋转运动进行工作的机器,在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。
典型的旋转机械:各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等。
用途:1、在大型化工、石化、压缩电力和钢铁等部门,某些大型旋转机械属于生产中的关键设备2、炼油厂催化工段的三机组或四机组3、大化肥装置中的四大机组或五大机组4、乙烯装置中的三大机组5、电力行业的汽轮发电机、泵和水轮机组6、钢铁部门的高炉风机和轧钢机组旋转机械可能出现的故障类型:1、转子不平衡故障2、转子不对中故障3、转轴弯曲故障4、转轴横向裂纹的故障5、连接松动故障6、碰摩故障7、喘振转子的不平衡振动机理及特性:旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运动中的冲蚀和沉积等因素的影响,致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。
偏心距较大时,静态下,所产生的偏心力矩大于摩擦阻力距,表现为某一点始终恢复到水平放置的转子下部,其偏心力矩小于摩擦阻力距的区域内,称之为静不平衡。
偏心距较小时,不能表现出静不平衡的特征,但是在转子旋转时,表现为一个与转动频率同步的离心力矢量,离心力F=Mew2,从而激发转子的振动。
这种现象称之为动不平衡。
静不平衡的转子,由于偏心距e较大,表现出更为强烈的动不平衡振动。
虽然做不到质量中心与旋转中心绝对重合,但为了设备的安全运行,必须将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。
1、不平衡故障的信号特征1)时域波形为近似的等福正弦波。
2)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。
3)频谱图上转子转动频率处的振幅。
4)在三维全息图中,转动频率的振幅椭圆较大,其他成分较小。
2、敏感参数特征1)振幅随转速变化明显,这是因为,激振力与角速度w是指数关系。
2)当转子上得部件破损时,振幅突然变大。
例如,某烧结厂抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落,造成振幅突然增大。
转子与联轴器的不对中振动机理:转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中。
轴承不对中本身不引起振动,它影响轴承的载荷分布、油膜形态等运行状况。
一般情况下,转子不对中都是指轴系不对中,故障原因在联轴器处。
1、引起轴系不对中的原因1)安装施工中超差。
2)冷态对中时没有正确估计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对中不良。
3)轴承座热膨胀不均匀。
4)机壳变形或移位。
5)地基不均匀下沉。
6)转子弯曲,同时产生不平衡和不对中故障。
轴系不对中可分为三种情况:1)轴线不平行不对中。
2)轴线交叉不对中。
3)轴线综合不对中。
在实际情况中,都存在着综合不对中。
只是其中轴线平行不对中和轴线交叉不对中所占的比例不同而已。
由于两半联轴器存在不对中,因而产生了附加的弯曲力。
随着转动,这个附加弯曲力的方向和作用点也被迫发生改变,从而激发出转动频率的2倍频、4倍频等偶数倍频的振动。
其主要激振量以2倍频为主,某些情况下4倍频的激振量也占有较高的分量。
更高倍频的成分因所占比例很少,通常显示不出来。
2、轴系不对中故障特征1)时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。
2)轴心轨迹图呈香蕉形或8字形。
3)频谱特征主要表现为径向2倍频、4倍频的振动成分,有角度不对中时,还伴随着以回转频率的轴向振动。
4)在全息图中2倍频、4倍频轴心轨迹的椭圆曲线较扁,并且两者的长轴近似垂直。
故障甄别:1)不对中的谱特征和裂纹的谱特征类似,均以2倍频为主,两者的区分主要是振幅的稳定性,不对中振动比较稳定。
用全息图谱技术则容易区分,不对中为单向约束力,2倍频椭圆较扁。
轴横向裂纹则是旋转矢量,2倍频全息谱比较圆。
2)带滚动轴承和齿轮箱的机组,不对中故障可能引发出轴承转动频率或啮合频率的高频振动,这些高频成分的出现可能掩盖真正的振源。
如高频振动在轴向上占优势,而联轴器相连的部位轴向转动频率的振幅亦相应较大,则齿轮振动可能只是不对中故障所产生的过大的轴向力的响应。
3)轴向转动频率的振动原因有可能是角度不对中,也有可能是两端轴承不对中。
一般情况,角度不对中,轴向的转动频率的振幅比径向的大,而两端轴承不对中正好相反,因为后者是由不平衡引起,它只是对不平衡力的一种响应。
转轴弯曲故障机理:转子弯曲示意图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。
这多半是设备停用后产生了转子轴弯曲的故障。
转子弯曲有永久性弯曲和暂时性弯曲两种情况。
永久性弯曲是指转子轴呈弓形。
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、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷所致。
临时性弯曲指可恢复的弯曲。
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、升速过快等,致使转子热变形不均匀。
轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似,都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力,与质量偏离不同的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一阶转动频率振动。
振动信号特征:1)时域波形为近似的等幅正弦波。
2)轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆,由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦,故轴心轨迹有时会有摩擦的特征。
3)频谱成分以转动频率为主,伴有高次谐波成分。
与不平衡故障的区别在于弯曲在轴向方面产生较大的振动。
转轴横向裂纹的故障机理转轴横向裂纹的振动响应与所在的位置、裂纹深度及受力的情况等因素有极大的关系,因此所表现出的形式也是多样的。
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,从而引发非线性振动,能识别的振动主要是1X、2X、3X倍频分量。
转轴横向裂纹的振动信号特征:①振动带有非线性性质,出现旋转频率的l×、2×、3×…·等高倍分量,随裂纹扩展,刚度进一步下降,l×、2×……等频率幅值随之增大,相位角则发生不规则波动,与不平衡相角稳定有差别。
②开停机过程中,由于非线性谐频关系,会出现分频共振,即转子在经过1/2、1/3……临界转速时,由于相应的高倍频(2×、3×)正好与临界转速重合,振动响应会出现峰值。
③裂纹的扩展速度随深度的增大而加速,相应的l×、21×的振动也会随裂纹扩展而快速上升,同时1×、2×相位角出现异常波动。
④全息谱表现为2×椭圆,与不对中的扁圆有明显的差别。
故障甄别:稳态运行时,应能与不对中故障区分。
全息谱是最好的区分方法。
连接松动故障的机理振动幅值由激振力和机械阻抗共同决定,松动使连接刚度下降,这是松动振动异常的基本原因。
支承系统松动引起异常振动的机理可从两个侧面加以说明。
1)当轴承套与轴承座配合具有较大间隙或紧固力不足时,轴承套受转子离心力作用,沿圆周方向发生周期性变形,改变轴承的几何参数。
进而影响油膜的稳定性。
2)当轴承座螺栓紧固不牢时,由于结合面上存在间隙,使系统发生不连续的位移。
上述两顶因素的改变,都属于非线性刚度改变,变化程度与激振力相联系,因而使松动振动显示出非线性特征。
松动的典型特征是产生2×及3×、4×、5×等高倍频的振动。
连接松动故障的振动特征:①轴心轨迹混乱,重心飘移②频谱图中,具有3×、5×、7×等高阶奇次倍频分量,也有偶次分量。
③松动方向的振幅大。
高次谐波的振幅值大于转频振幅的1/2 时,应怀疑有松动故障。
碰摩故障的机理动静件之间的轻微摩擦,开始时故障症状可能并不十分明显,特别是滑动轴承的轻微碰摩,由于润滑油的缓冲作用,总振值的变化是很微弱的,主要靠油液分析发现这种早期隐患;有经验的诊断人员,由轴心轨迹也能做出较为准确的诊断。
当动静碰摩发展到一定程度后,机组将发生碰撞式大面积摩擦,碰摩特征就将转变为主要症状。
动静碰摩与部件松动具有类似特点。
动静碰摩是当间隙过小时发生动静件接触再弹开,改变构件的动态刚度;松动是连接件紧固不牢、受交变力(不平衡力、对中不良激励等)作用,周期性地脱离再接触,同样是改变构件的动态刚度。
不同点是,前者还有一个切向的摩擦力,使转子产生涡动。
转子强迫振动、碰摩自由振动和摩擦涡动运动叠加到一起,产生出复杂的、特有的振动响应频率。
由于碰摩力是不稳定的接触正压力,时间上和空间位置上都是变化的,因而摩擦力具有明显的非线性特征(一般表现为丰富的超谐波)。
因此,动静碰摩与松动相比,振动成分的周期性相对较弱,而非线性更为突出。
碰摩故障的振动特征:1) 时域波形存在“削顶”现象,或振动远离平衡位置时出现高频小幅振荡。
2) 频谱上除转子工频外,还存在非常丰富的高次谐波成分(经常出现在气封摩擦时)。
3) 严重摩擦时,还会出现1/2×、l/3×、1/N×等精确的分频成分(经常出现在轴瓦磨损时)。
4) 全息谱上出现较多、较大的高频椭圆,且偏心率较大。
5) 提纯轴心轨迹(1×、2×、3×、4×合成)存在“尖角”。
6) 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,可听到金属摩擦时的铉声。
7) 轴瓦磨损时,对润滑油样进行铁谱分析,可发现如下特征:①谱片上磁性磨粒在谱片入口沿磁力线方向呈长链密集状排列,且存在超过20μm的金属磨粒;②非磁性磨粒随机地分布在谱片上,其尺寸超过20μm;③谱片上测试的光密度值较上次测试有明显的增大。
碰摩故障的故障甄别:1) 由于故障机理与松动类似,两者不容易加以区分。
据现场经验,松动时以高次谐波为特征,摩擦时以分谐波为特征。
另外,松动振动来源于不平衡力,故松动振动随转速变化比较明显,碰摩受间隙大小控制,与转速关系不甚密切,由此可对两者加以区分。
在波形表现形式上,摩擦常可见到削顶波形,松动则不存在削顶问题。
2) 局部碰摩与全弧碰摩的区分。
全弧碰摩分频明显,超谐波消失,局部轻摩擦很少有分频出现,谐波幅值小但阶次多,局部严重摩擦介于两者之间,有分频也有低次谐波,且谐波幅值比基频还大。
基频则由未碰撞前的较大值变为较小值。
在轨迹上,局部摩擦轨迹乱而不放大,正进动;连续全弧摩擦则随时间逐渐扩散,进动方向为反进动。
喘振的机理喘振是一种很危险的振动,常常导致设备内部密封件、叶轮导流扳、轴承等损坏,甚至导致转子弯曲、联轴器及齿轮箱等机构损坏。
它也是流体机械特有的振动故障之一。
喘振是压缩机组严重失速和管网相互作用的结果。
它既可以是管网负荷急剧变化所引起,也可以是压缩机工作状况变化所引起。
当进入叶轮的气体流量减少到某一最小值时,气流的分离区扩大到整个叶道,使气流无法通过。
这时叶轮没有气量甩出,压缩机出口压力突然下降。