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

掌握滚动轴承故障诊断技术、齿轮故障诊断技术； 了解电动机故障诊断技术、皮带驱动故障诊断技术； 熟悉利用征兆的故障诊断方法。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
一、转子不平衡
不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因 有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，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。
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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实例三：转子不平衡故障的诊断
电机
齿轮箱 喂入轮
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
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是：喂入轮转速频率占 绝对优势。
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第一节 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 几何中心线偏离时出现偏心。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 度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。源自频振动幅值大。同时会出现较小
的高次谐波，使整个频谱呈所谓
的“纵树形”，如下图所示：
ω
图5.1 转子不平衡故障谱图
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实例一：转子不平衡故障的诊断
TO
TI
透平 齿轮箱 风机
图5.00 风机传动示意图
波形为简谐波，少毛刺。 轴心轨迹为椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。 过临界转速有共振峰。
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轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平) 轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平)
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实例二：转子不平衡故障的诊断
电机
MO
MI
FI FO
风机
图5.2 燃烧风机传动示意图
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，是典型的转 子（叶轮）不平衡信息，此时振动幅值相对不大，无需修理。
转子不平衡故障包括：①转子质量不平衡、 ②转子偏心、 ③轴弯曲、 ④转子热态不平衡、 ⑤转子部件脱落、 ⑥转子 部件结垢、 ⑦ 联轴器不平衡等，不同原因引起的转子不平 衡故障规律相近，但也各有特点。
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第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
1．转子质量不平衡
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转 速的平方增大。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之。 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。 动不平衡：动不平衡是不平衡的最普遍的类型，它是力不平衡和 力偶不平衡两者的组合。 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 者。总是必需要在两个修正面内加以修正重量。
转速频率(Hz) 28.44 42.66
32.06
29.42
转速(RPM)
1706
2560
1924
1765
振动幅值(MM/S) 4.7549 9.5339 6.1804 5.1166
➢ 本案例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 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=MEω2，式中，M—转子质量，E—偏心距， ω—旋转角速度）。
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，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发 生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡。热弯曲引起的振动一般与 负荷有关。
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第一节 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。
6．转子部件结垢 由于结垢需要一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。
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实例三：转子不平衡故障的诊断
结合喂入轮实际特点，引起其不平衡的诱因主要有：制造误差， 锈蚀，表面结垢，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① ，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) ② ， 是造成喂入轮不平衡现象频发 的主要原因。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。
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第一节 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：
✓ 通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大； ✓ 轴心轨迹成为椭圆形；
✓ 稳态振动是一个与转速同频的强 A 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。因此转
子不平衡故障的突出表现为一倍
第五章 旋转机械故障诊断技术
旋转机械是指齿轮箱、离心风机、、汽轮机、燃气轮机、发 电机、电动机、离心压缩机、水轮机、航空发动机等机械设 备，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、造纸、船舶、 航空以及一些军事工业部门。
随着科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、和 自动化方向发展，这对提高和可靠性，对发展先进的状态监 测与故障诊断技术，提出了迫切的要求。
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实例二：转子不平衡故障的诊断
10月22日振值出现大幅上升，查频谱图得知转速被调高，因此分 析这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，结果振值重又回落。
热媒炉燃烧风机振动幅值——转速对照表
监测日期 9月26日 10月22日 10月29日 11月25日