机械故障诊断技术6_旋转机械故障诊断

• 6.1.4 转子与联轴节的不对中振动机理
转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两类。 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 节处。 引起轴系不对中的原因： ① 安装施工中对中超差； 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。
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。 当高次谐波的振幅值大于转动频率振幅的1/2 时，应怀疑有松动故 障。
• 6．1．8 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。
（3）油膜涡动与油膜振荡的振动特点
① 油膜涡动的轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双 椭圆，较稳定。 ② 油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供 应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因 此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。
（4）消除措施
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 设计时使转子避开油膜共振区； 增大轴承比压，减小承压面； 减小轴承间隙； 控制轴瓦预负荷，降低供油压力； 选用抗振性好的轴承结构； 适当调整润滑油温； 从多方面分析并消除产生的因素。
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临（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等。 轴弯曲振动的机理和转子质量偏心类似，因而都要产生与质量偏心类似 的旋转矢量激振力，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。
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，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×、2×（倍频）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倍频的椭圆形状，与轴系不对中的扁圆形状有明显的 差别。
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 平衡故障的区别在于：弯曲在轴向方面产生较大够安全平稳的运转，轴系转速应处于该轴系各临界转 速的一定范围之外，一般要求： 刚性转子 n<0.75 nc1 柔性转子 1.4 nc1 < n <0.7 nc2 式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。 机组的临界转速可由产品样本查到或在起停车过程中由振动测试获取。 需指出的是，样本提供的临界转速和机组实际的临界转速可能不同，因 为系统的固有频率受到种种因素影响会发生改变。设备故障诊断人员应该了 解影响临界转速改变的可能原因。 一般地说，一台给定的设备，除非受到损坏，其结构不会有太大的变化 ，因而其质量分布、轴系刚度系数都是固定的，其固有频率也应是一定的。 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。
（1）不平衡故障的信号特征
① 时域波形为近似的等幅正弦波。 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，转频的振幅椭圆较大，其他成份较 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ω 是指数关系。 ② 当转子上的部件破损时，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。
• 6．1．2 转子—轴承系统的稳定性
转子系统的稳定与失稳：
转子——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的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加 而消失。 如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定的。 若响应随时问增加，则转子系统就失稳了。
油膜涡动与油膜振荡：
转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有关。实际情 况表明：带有一个转子的轴系，可简化成具有一个自由度的弹性系统， 有一个临界转速；转轴上带有二个转子，可简化成二个自由度系统，对 应有二个临界转速，依次类推。 其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1，比之大的依次叫 做二阶临界转速nc2、三阶临界转速nc3。 工程上有实际意义的主要是前几阶，过高的临界转速已超出了转子可 达的工作转速范围。
• 6．1．6 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：
第六章 旋转机械故障诊断 6．1 旋转机械振动的动力学特征及信号特点
6.1.1 转子特性
转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上的各类盘状零件 （如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等）所组成。 从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。 刚性转子：转动频率低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子，如电 动机、中小型离心式风机等。 柔性转子：转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为柔性转子，如燃 气轮机转子。
柔性转子的临界转速
由于柔性转子在高于其固有频率的转速下工作，所以在起、停车过程 中，它必定要通过固有频率这个位置。此时机组将因共振而发生强烈的 振动，而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的振动是一般的强 迫振动，幅值都不会太大，共振点是一个临界点。故此，机组发生共振 时的转速也被称之为临界转速。
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倍频振动成份， 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、4倍频椭圆较扁，并且两者的长轴近似 垂直。

不对中故障甄别：
① 不对中的谱特征和裂纹的谱特征类似，均以两倍频为主，二者的区分 主要是振动幅值的稳定性，不对中振动比较稳定。用全息谱技术则容易 区分，不对中为单向约束力，二倍频椭圆较扁。轴横向裂纹则是旋转矢 量，二倍频全息谱比较圆。 ② 带滚动轴承和齿轮箱的机组，不对中故障可能引发出通过频率或啮合 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，而联轴器相联的部位轴向工频亦相应较大，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 轴向工频有可能是角度不对中，也有可能是轴承不对中。一般情况， 角度不对中，轴向工频振值比径向为大；而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。
（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件
① 只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润滑轴 承上不发生。 ② 油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。
（2）油膜涡动与油膜振荡的信号特征
① 油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持 f=（0.43～0.48）fn。 ② 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。 ③ 两者的振动随油温变化明显。

轴系不对中可分为三种情况：
① 轴线平行不对中 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。只是其中平行 不对中和交叉不对中所占的比重不同而已。 由于两半联轴节存在不对中，因而产生了附加的弯曲 力。由于转动，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2倍、4倍等偶数倍频的振动 。其主要激振量以2倍频为主，某些情况下4倍频的激振量 也占有较高的份量。更高倍频的成份因所占比重很少，通 常显示不出来。
在工程上，我们也把对应于转子一阶横向固有频率的 转速称为临界转速。 当代的大型转动机械，为了提高单位体积的做功能力 ，一般均将转动部件做成高速运转的柔性转子(工作转速 高于其固有频率对应的转速)，采用滑动轴承支撑。 由于滑动轴承具有弹性和阻尼，因此，它的作用远不 止是作为转子的承载元件，而且已成为转子动力系统的 一部分。在考虑到滑动轴承的作用后，转子——轴承系 统的固有振动、强迫振动和稳定特性就和单个振动体不 同了。
在瓦隙较大的情况下，转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致 使油膜合力与载荷不能平衡，就会引起油膜涡动。油膜涡动是一种比 较典型的失稳。 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。