旋转机械的常见故障诊断
旋转机械故障诊断
旋转机械故障诊断
----机组振动的原因及分析
一、 旋转机械的分类
旋转机械是指主要功能是由旋转动作来完成的机械，尤其是指转速较高的机械。大致可分为以下几类：
1：动力机械
（1） 原动机 如蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等，利用高压蒸汽或气体的压力能膨胀做功推动转子旋转。
（2） 流体输送机械 这类机械的转子被原动机拖动，通过转子的叶片将能量传递被输送的流体，他可分为以下两类：
7、 转子在运转时突然破裂等因素产生的不平衡。
不平衡因素有时只有一种，有时有几种同时存在。
三）、不平衡产生的振动有以下特点
1、 当转子的转速低于临界转速时，振幅随转速的上升而上升；当转子的转速高于临界转速时，随着转速的上升振幅趋于一个较小的定值。
2、 由于作用力方向随着转子的转动而转动，振动在频谱图上反映的是转子的工作频率。
四、 不平衡的诊断及对策
一）、转子的静平衡和动平衡
1、 转子的静平衡：使转子产生偏心距的称为静不平衡。静不平衡是质量的平衡，在水平轨道上既可以测量出不平衡质量的方位，通过加重或去重可以做到静平衡。
2、 转子的动平衡：多盘转子在转子的不同平面存在大小相等，方向相反的两个或多个不平衡质量，转子总的偏心距为零，作静平衡实验室转子可以随遇平衡，转子在旋转时产生两个大小相等、方向相反的离心力组成离心力矩，从而引起震动。
旋转机械故障诊断
旋转机械故障诊断
旋转机械故障诊断主要是通过观察和分析机械运行过程中
的异常现象来判断故障原因。
以下是一些常见的旋转机械
故障诊断方法：
1. 震动分析：通过测量机械运行时的振动幅值和频率，分
析振动的特点和变化趋势，判断故障位置和类型。
常见的
故障类型包括不平衡、轴承损坏和轴承松动等。
2. 温度监测：通过测量机械的各个部件的温度，判断是否
存在过热的情况。
过高的温度可能是由于摩擦、润滑不良
或散热不良等原因引起的故障。
3. 声音分析：通过对机械工作过程中产生的声音进行分析，判断是否存在异响或噪音。
噪音可以是由于轴承损坏、齿
轮磨损或螺栓松动等引起的。
4. 润滑油分析：通过对机械润滑油的化学成分和物理性质
进行分析，判断是否存在金属粉末、水分或杂质等异常。
这些异常可能是由于零件磨损或润滑油质量不佳引起的故障。
5. 可视检查：通过对机械各个部件的外观进行检查，观察
是否存在磨损、裂纹或松动等现象。
这可以帮助诊断轴承、齿轮和联接件等部件的故障。
以上是常见的旋转机械故障诊断方法，诊断时可以结合多
种方法综合分析，准确判断和定位故障原因，以便及时进
行修复或更换有问题的部件。
5 旋转机械常见故障特征
特征频 常伴 振动稳 振动 相位 轴心 时域 率 频率 定性 方向 特征 轨迹 波形 1× 简谐 稳定 径向 稳定 椭圆 波形
转子不平衡振动敏感参数
1 振动 随转 速变 化 明显 2 振动 随负 荷变 化 不明 显 3 振动 随油 温变 化 不变 4 振动 随流 量变 化 不变 5 振动 随压 力变 化 不变 6 其它 识别 方法 低速 时趋 于零
转子不平衡产生的原因
转子不平衡产生的原因
转子不平衡类型
力不平衡
力偶不平衡
转子不平衡类型
动不平衡
悬臂转子不平衡
转子不平衡动力学特性
x = Acos(Ωt +θ )
me λ2 A= • M (1− λ2 )2 + 4ζ 2 λ2
2ζλ tanθ = 1− λ2
转子不平衡振动特征
1 2 3 4 5 6 7
转子不对中故障形式
轴线平行不对中
角度不对中
综合不对中
转子不对中故障轴心轨迹
∆α
∆y Z
∆α / 2
Z
∆L
(b)
Z
∆y
∆L
(a)
∆L
(c)
轴线平行不对中
角度不对中
综合不对中
转子不对中故障特征
1）齿式联轴器不对中故障的特征频率为轴转 角频率的2 角频率的2倍。 由不对中故障产生的对转子的激振力幅， 2）由不对中故障产生的对转子的激振力幅， 随转速的升高而加大，因此， 随转速的升高而加大，因此，高速旋转机 械应更加注重转子的对中要求。 械应更加注重转子的对中要求。 激励力幅与不对中量成正比， 3）激励力幅与不对中量成正比，随不对中量 的增加，激励力幅呈线性加大。 的增加，激励力幅呈线性加大。
设备状态监测与故障诊断技术第5章-旋转机械故障诊断技术
3．滚动轴承偏斜地固定在轴上
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。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究，发 展比较成熟的故障诊断技术，具有一定的代表性，因此书的 重点部分，也是难点部分。
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第五章 旋转机械故障诊断技术
学习目标：
✓ 掌握旋转机械典型故障，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；
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实例四：转子不对中故障的诊断
MO MI PI PO
电机
水泵
出现2×频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8字形。 振动有方向性。 轴向振动一般较大。 本例中，出现叶片通过频率。
2X频率 1X频率
叶片通 过频率
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
➢ 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，引起 机组强烈振动，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，减少事故损 失十分重要。
跃响应，主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定，振动 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。为了防止脱落部件在惯性力作用下飞出使机体 发生二次事故，必要时应及时停机检修。
旋转机械常见振动故障及原因分析
旋转机械常见振动故障及原因分析旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等，广泛应用于电力、石化、冶金和航空航天等部门。
大型旋转机械一般安装有振动监测保护和故障诊断系统，旋转机械主要的振动故障有不平衡、不对中、碰摩和松动等，但诱发因素多样。
本文就旋转设备中，常见的振动故障原因进行分析，与大家共同分享。
一、旋转机械运转产生的振动机械振动中包含着从低频到高频各种频率成分的振动，旋转机械运转时产生的振动也是同样的。
轴系异常（包括转子部件）所产生的振动频率特征如表1。
二、振动故障原因分析1、旋转失速旋转失速是压缩机中最常见的一种不稳定现象。
当压缩机流量减少时，由于冲角增大，叶栅背面将发生边界层分离，流道将部分或全部被堵塞。
这样失速区会以某速度向叶栅运动的反方向传播。
实验表明，失速区的相对速度低于叶栅转动的绝对速度，失速区沿转子的转动方向以低于工频的速度移动，这种相对叶栅的旋转运动即为旋转失速。
旋转失速使压缩机中的流动情况恶化，压比下降，流量及压力随时间波动。
在一定转速下，当入口流量减少到某一值时，机组会产生强烈的旋转失速。
强烈的旋转失速会进一步引起整个压缩机组系统产生危险性更大的不稳定气动现象，即喘振。
此外，旋转失速时压缩机叶片受到一种周期性的激振力，如旋转失速的频率与叶片的固有频率相吻合，将会引起强烈振动，使叶片疲劳损坏造成事故。
旋转失速故障的识别特征：1）振动发生在流量减小时，且随着流量的减小而增大；2）振动频率与工频之比为小于1X的常值；3）转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；4）排气压力有波动现象；5）流量指示有波动现象；6）机组的压比有所下降，严重时压比可能会突降；7）分子量较大或压缩比较高的机组比较容易发生。
2、喘振旋转失速严重时可以导致喘振。
喘振除了与压缩机内部的气体流动情况有关，还同与之相连的管道网络系统的工作特性有密切的联系。
旋转机械故障诊断技术及处理方法
推力盘
耸起,刮伤,裂纹
围带、拉筋 断裂,摩擦
靠背轮
连接不良,磨损,断裂
冷却风扇 弯曲,断裂,裂纹,摩擦,不合适间隙,腐蚀,积垢,共振
造成发电机产生热不平衡的原因是由于转子上某些零件产生不对称热变形和转子热弯 曲。产生不对称热变形的零件主要是端部零件，特别是端部线包，由于线包受热膨胀在径向 发生不对称位移，破坏了转子的质量平衡。热弯曲的原因主要是由制造和材质方面的缺陷所 引起，另一方面是运行方面的原因引起的。 b.汽轮机转子的热不平衡
(3) 大修时进行过可能破坏转子质量平衡的技术操作：如拆装或更换叶轮、叶片等。 1.2 靠背轮和转子找中心不正 a.靠背轮的影响
⑴ 靠背轮平面瓢偏，当拧紧靠背轮螺丝后，转子将产生静变形（即挠度），在轴颈上会 呈现较大的晃摆，在旋转状态处，静变形将产生旋转的强迫振动。
⑵ 靠背轮连接螺栓有紧力差别，其产生的后果将会像瓢偏一样。 ⑶ 两个靠背轮止口或连接螺栓节圆不同心，当拧紧靠背螺丝后，两个转子会产生偏心， 这种偏心在旋转状态下直接产生激振力，而且以力偶形式作用在两个相邻的轴承上。 靠背轮本身及连接缺陷所造成振动的特点是：振动的主要分量与转速相符，但包含有一 定的非基波分量，因此在激起普通强迫振动的同时，可能还会激起高次谐波和分谐波共振。 b.转子找中心的影响 通常所指的转子找中心，实际上是找轴承中心，即通过调整轴承座的标高和左右位置， 使冷态下两靠背轮圆周和平面的偏差力求最小，使轴系在给定的支撑数目下，能连成一条连 续的自然垂弧曲线。对于刚性或半绕度性靠背轮，由于它有对中的止口配合部分或配合螺栓 部分，所以即使中心略有不正，即轴承座定位略有不当，当拧紧螺丝后，转子将会自动同心， 因而它并不直接产生振动的激振力，但由于轴承座相对位置的变动将会引起下列后果： ⑴ 使轴瓦载荷分配不合理，载荷过大者会使轴瓦温度升高，过小者易使转子失稳，发 生轴瓦自激振动。 ⑵ 破坏了已经调整好的动静间隙，可能会引起静摩擦或汽流激振。
机械故障诊断—第四章 旋转机械故障诊断
2
制造原因
1制造误差大 2材质不均匀 3动平衡精度低 1转子上零部件安装错误 2零件漏装
3
安装维修
1转子有较大预负荷
4
操作运行
1介质带液，造成腐蚀 2介质脏，造成结垢
1超速、超负荷运行 2入口阻力大，导致部件损坏，进人 流道松动
1转子回转体结垢 2转子腐蚀
图4.1 转子力学模型
由于有偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动 时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心 力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω有 F me 2 。众所周知，交变的力(方向、大小 关，即 均周期性变化)会引起振动，这就是不平衡引起振动 的原因。转子转动一周，离心力方向改变一次，因 此不平衡振动的频率与转速相一致。
例2：某52万吨／年尿素装置CO2压缩机组低压缸转子，大修后开车振动值 正常，但在线监测系统发现其振动值有逐步增大的趋势。其时域波形为 正弦波，分析其频谱，以1×频为主，分析其矢量域图，相位有一个缓慢 的变化。如图4.7所示。
(a)时域波形
(b)幅值谱
(c)振动趋势
(d)矢量域图
图4.7 CO2压缩机渐变不平衡振动特征
3.非定常强迫振动 非定常强迫振动是由外来扰动力而引起的一种强迫振动。其特点是 与扰动力具有相同的频率；振动本身反过来会影响扰动力的大小与相 位；振动的幅值和相位都是变化的。比如转子轴上某一部位出现不均 匀的热变形，就相当于给转子增加了不平衡质量，它将会使振动的幅 值和相位都发生变化。反过来，振动幅值和相位的变化又影响不均匀 热变形的大小与部位，从而使强迫振动连续不断地发生变化。 二、旋转机械常见故障及其特点 1.不平衡 转子不平衡是旋转机械的常见故障之一。在制造与维修过程中，虽 都要对转子作仔细平衡，使不平衡量小于限定值。但经过一段时间的 运行，不平衡量会逐渐增大。由于转子处于高速运行状态，偏心量的 少许增加，都会使惯性离心力剧增，使机器的功能下降，甚至无法继 续运行。 转子不平衡引起的振动有以下特点： 1. 振幅随转速的上升而增加； 2. 振动的频率与转子的旋转频率相同； 3. 振动方向以径向为主； 4. 振动相位常保持一定角度。 当不平衡重量只存在于一个平面内时，这种不平衡称为静不平衡；而当 在多个平面内有不平衡情况时，就是动不平衡。
机械故障诊断技术6旋转机械故障诊断全解
但实际上 ，现场设备结构变动的情况还是很多的，最常遇到的是换瓦，
有时是更换转子，不可避免的是设备维修安装后未能准确复位等等，都会影
响到临界转速的改变。
多数情况下 ，这种临界转速的改变量不大，处在规定必须避开的转速区
域内，因而被忽略。
第四页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 6．1．2 转子 —轴承系统的稳定性
机组的稳定性能在很大程度上取决于滑动轴承的 刚度和阻尼 。当系统具
有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。反之系统具有负阻
尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡 。 油膜涡动与油膜振荡都是 油膜承载压力波动 的反映， 表现为轴的振动 。
第五页，编辑于星期二：二点 二十七分。
?（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件
第十四页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 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。）
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 频谱成份以转动频率为主，伴有高次谐波成份。与不
的振动主要是 1X、2X、3X倍频分量。
第十六页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 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
要求： 虽然作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，必需将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。
第八页，编辑于星期二：二点 二十七分。
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旋转机械的常见故障诊断
作者：马昊刘天保刘鸿亮
来源：《科技资讯》2014年第16期
摘要：沈鼓做为一家世界知名的鼓压风机制造企业，旋转机械是我们厂的支柱产品。
所以，旋转机械的故障诊断与分析，对于我厂产品的质量的好坏，产品是否能够让用户满意，以至于企业的生存和核心竞争力，都有着致关重要的作用。
作为一门独立的学科，依靠振动分析仪对旋转机械的异常故障进行诊断和判别，必须有较高的技术水平。
这个诊断和判别与医学上的诊断和判别是一个道理。
要能够准确地诊断和判别，要依靠大量的临床实践和临床经验，这必须有医学上的理论基础根据。
关键词：鼓压风旋转机械诊断判别
中图分类号：TH165 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0105-01
尽管旋转机械的故障是由机械仪表自行诊断是最终目的，但机械还是机械，它不是万能的，现实的问题不能全部死搬硬套，自动诊断。
系统的诊断只能做参考，最终诊断还需要人的大脑。
人—机对话，还需要人的大脑。
下面举几个各种类型振动的典型例子，可以认为是固定模式的一类，可以在判断故障时做以参考。
1 不平衡
大家知道，转动部分在转动过程中，一定会产生振动，振动是绝对的，不振动是相对的，不平衡是绝对的，平衡也是相对的。
转动部分或多或少会有残余的不平衡量存在。
这种不平衡量是由于转子的重心偏移所产生的。
由于重心偏移而引起离心力F=W/gεω2（W：转子重量，kg；g：重力加速度，cm/s2；ε：偏心量；ω：回转角速度；F：离心力）。
这种情况，机械在转动时会发生振动，明显地表现为1次/转。
如是3000 r/min，振动频率为50 Hz。
这种由于偏心、不平衡产生的离心力，迫使转子在运转过程中发生振动，其振动频率为转速的一次方成正比，转速高而高，转速低而低，这是判断转子由于偏心而产生振动的不平衡的最简单也是最直观的判断方法。
2 热的不平衡
已在常温下平衡好的转子，当进入工况后，由于热的影响温度的上升，转子转轴导热性的影响，转子可能会产生弯曲。
这种振动可随时间的延长而变大。
也可能随负荷的变化而改变。
3 找正同轴度的变化，而引起的不平衡振动
即使多缸的每个转子都是完全平衡了，但当将二个或三个以上的转子联接在一起时，如果不能正确对中，也就是说给每个转子重新增加了新的不平衡量，那么整个转子在运转中，也会发生振动。
这相当于转子轴被强制弯曲。
发生角不对中或端面不对中的振动，还可能是在找正对中时，对温度梯度的影响考虑不周，预留量不合适也会产生振动，这种情况一般发生二倍频的现象。
4 油膜振荡问题
具有油膜的滑动轴承的转子系统，由于滑动轴承油膜引起的自激振动，即使时完全平衡好的转子，也会产生非常激烈的振动，使巴氏合金烧损。
这种振动在一般的讲来认为是“油膜振荡”。
油膜振荡在实际过程中有如下特点，可以做为诊断和判别的一个基准：
（1）发生振动的频率与转子在某个转速下的固有频率相等。
（2）这一振动的频率是基频的1/2以下，严格说来是0.42～0.49，但根据实际运转的经验，在0.3以上也可发生。
（3）尽管转速上升，但频率特性不变（频率不变）。
（4）在转速升、降时，由于有摩擦振动发生和消失都有滞后现象。
（5）振动的发生和消失时实发性的，不像临界的出现是逐渐增加的。
（6）振动发生后，即使转速提高，振动也不消失。
（7）从轨迹上看，振动旋转方向与运转方向一致，即正进动。
处理方法：
（1）在轴承中沿圆周方向开槽，改变L/D比值。
（2）调整油温，上升或下降。
（3）增加油压，调整瓦间隙。
（4）更换轴承结构。
（5）增大或减小负荷或提高轴承承载力。
5 喘振
喘振现象在航空上是叫“失速”。
当风机出气侧用阀门节流时，阻力加大（阻力线变陡），风量就变小，对于某一流量可按照一定压力运转，进一步节流时，随风量减小到风机特性曲线的右上方特性时，管路系统产生脉动，与振动噪声，形成不稳定状态，这种现象称为喘振。
6 临界转速
在汽轮机拖动的压缩机的启动过程中，特别要注意一阶临界转速。
现象是：转速上升过程中，到达某一转速范围内，出现振动急速上升，越过此转速范围后，振动又迅速回落。
这种情况的出现，是由转子的临界和系统的共振而引起来的。
应尽快越过此转速范围，使它一露头就被抑制、扼杀。
这样就可避免重大事故的发生。
临界转速（nk1）是转子的固有频率，改变是很困难的，制造厂已经在设计计算中得出，在运转过程中已经测量出来。
用户只要记住：小心操作即可。
7 转轴中有缺陷、裂纹时的振动
除1、2倍还有3、5…倍高次谐波外，还可以出现1/2、1/3、1/5倍的谐波。
8 转子的挠性问题
每转一周有二次正弦波变化，可激励N振动。
9 齿轮变速箱振动
齿轮箱不仅是转轴问题，还伴随着齿的啮合问题。
一般讲，可分为三个区域：（1）属于低频范围的回转或及其谐波。
（2）属于高频范围的齿轮啮合频率。
（3）属于高低之间的中间频率范围，是由于系统的某些共振特性而产生的频谱。
一般讲来，仅用电涡流传感器，往往会失去高频信息，所以，需要用加速度传感器来配合使用。
存在的一次成份为n×Z，搜索频率到中间频率发生异常，做冲击测固有频率。
大峰值为低速的共振频率。
由于共振产生凹凸或冲击逐渐扩展发生点蚀，等等。
参考文献
[1] 冯晨，田涛.风力发电机组旋转机械的故障诊断技术研究[J].电子制作，2013（14）.
[2] 王景哲.风力发电机组旋转机械的故障诊断技术分析[J].通讯世界，2013（18）.。