旋转机械故障诊断

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。