设备状态监测与故障诊断技术第5章旋转机械故障诊课件.ppt
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1、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,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;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。,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。转子不平衡故障包括:转子质量不平
2、衡、 转子偏心、 轴弯曲、 转子热态不平衡、 转子部件脱落、 转子部件结垢、 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。,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。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2转
3、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。 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。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,5转子部件脱落
4、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。,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
5、达到最大值。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大。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:,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图5.1 转子不平衡故障谱图,实例一:转子不平衡故障的诊断,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。,图5.00 风机传动示意图,大家应该也有点累了,稍作休息,大家有疑问的,可以询问和交流,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。,实例
6、二:转子不平衡故障的诊断,图5.2 燃烧风机传动示意图,热媒炉燃烧风机振动幅值转速对照表,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=ME2,式中,M转子质量,E偏心距,旋转角速度)。,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。,实例二:转子不平衡故障的诊断,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
7、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。,实例三:转子不平衡故障的诊断,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,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 ,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) , 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。,如果把上述两个案例放在一起来分
8、析,我们会发现这样一个现象,那就是不管是叶轮还是喂入轮,它们都是悬臂转子,而且又都是盘类零件(注:叶轮也可以看作为盘类零件),即长径比小的零件,这说明悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡。,实例三:转子不平衡故障的诊断,二、不对中,旋转机械单转子系统通常由两个轴承支承。由多个转子串接组成的复杂转子系统,转子与转子间用联轴器联接。因此转子不对中具有两种含义:一是指转子与转子间的联接不对中,主要反映在联轴器的对中性上;二是转子轴颈与两端轴承不对中。,有资料表明现有企业在役设备30%50%存在不同程度的不对中,严重的不对中会造成设备部件的过早损坏,同时会造成能源的浪费。典型不对中如图所示:,第一节
9、旋转机械典型故障的机理和特征,图5.6 典型不对中示意图,后者对滑动轴承来说,与轴承是否形成良好的油膜有直接关系。滚动轴承的对中(如电动机转子两端的轴承对中),主要是由于两端轴承座孔不同轴,以及轴承元件损坏,外圈配合松动,内圈配合松动,两端支座(对电动机来说是前后端盖)变形等,都会引起不对中。 有的机器,如汽轮发电机之类的设备,在冷态(未运转时)情况下转子对中情况是符合要求的,一旦运转中温度升高就可能发生热不对中。 此外,地脚螺栓松动,基础下沉(这一点对于新安装的设备尤其需要注意),联轴器销孔磨损等故障的存在也会引发不对中。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图5-7 转子不对中的基本形式
10、a) 联轴器不对中;b) 轴承不对中;c) 带轮不对中,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,1角向不对中角向不对中的特征是轴向振动大。典型地出现转速频率和2倍转速频率大的轴向振动。还常见转速频率、2倍转速频率和3倍转速频率都占优势的情况。如果2倍转速频率或3倍转速频率超过转速频率的30%到50%,则可认为是存在角不对中。这些征兆也指示联轴器故障。严重的角向不对中可激起转速频率的许多阶谐波频率。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2平行不对中平行不对中的振动征兆类似于角向不对中,但是,径向方向振动大。2倍转速频率振动往往大于转速频率振动,联轴器的类型和结构决定2倍转速频率振动相对于转速频率
11、振动的高度。角向不对中或平行不对中严重时,可在较高谐振波频率4倍到8倍转速频率谐波处出现大的振动,甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波。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。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,不对中的总体振动特征:,联轴器不对中时轴向振动较大,振动幅值和相位稳定;轴承不对中时径向振动较大,有可能出现高次谐波,振动不稳定;振动对负荷变化敏感。当负荷改变时,由联轴器传递的扭矩立即发生改变,如果联轴器不对中,则转子的振动状态也立即发生变化。由于温度分布的变化,轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对
12、中,使转子的振动也要发生变化。但由于热传导的惯性,振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。,转子径向振动出现二倍频,以一倍频和二倍频分量为主,不对中越严重,二倍频所占比例越大;相邻两轴承的油膜压力反方向变化,一个油膜压力变大,另一个则变小;典型的轴心轨迹为香蕉形,正进动;,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图5.8 典型不对中谱图,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,实例四:转子不对中故障的诊断,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。,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
13、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。 由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题,多年来工程研究人员一直在致力于追求更加科学合理的联轴器找正技术。目前,激光对中仪已在一些大型设备的安装、检修过程中得到了广泛应用,并取得了显著的经济效益。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,三、共振,强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振,使振动幅值急剧放大,导致过早损坏或灾难性破坏。这可能是转子的自然频率,也常
14、常起源于支承框架、基础、齿轮箱甚至传动皮带。如果转子处在或接近共振,由于很大的相位漂移,几乎不可能平衡掉。共振时相位漂移为90度,通过共振时相位漂移接近180度。这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。自然频率通常不随转速变化,这一点有助于识别自然频率,除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,设备共振案例一某聚酯圆盘反应器升负荷试验,从图中可以看到,特征频率均为电机输出轴工频,这一般为电机转子不平衡信息(后进行修理),从转速调升后出现的振值上升情况也基本可以验证这一判断。 升速测试结果如表 5-3所示:,图5.9 圆盘反应器电机径向速度谱图
15、,图5.10 圆盘反应器电机径向位移谱图,设备共振案例一某聚酯圆盘反应器升负荷试验,主轴转速调至4.95rpm时,振动值非常大;但调至5rpm时,振动值复又下降。这说明,4.95rpm时的特征频率17.82Hz为机台一共振频率。后来通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率,最终解决了共振的问题。,表5-3 圆盘反应器电机测试数据,设备共振案例二某第二酯化反应器变速试验,测试结果如下表所示,表明电机转速为941rpm时,存在一共振频率15.69Hz。电机转速为1112rpm时,振动值在受控范围内,已避开共振点,故在此状况下使用。,四、机械松动,1A型机械松动这种频谱是机器底脚、底板或基础的
16、结构松动减弱引起的,或者由基础上恶化的水泥浆、松动的地脚螺栓,或者框架,或者基础变形,即软脚引起的。,A型机械松动,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,B型机械松动,2B型机械松动这种频谱通常是由螺栓松动,框架结构或轴承座裂纹引起的。主要以2倍转速频率为特征,幅值有时不稳定。振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现,此时要消除平衡或对中将很困难。在间隙达到出现碰撞前,振动主要是1倍转速频率和2倍转速频率;出现碰撞后,振动将出现大量谐频。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,3C型机械松动这种频谱通常是由零部件之间配合不良引起的。将产生许多谐波频率,而且往往引起精确的0.5倍或1.5倍
17、转速频率等亚谐波频率。C型松动往往是由轴承衬套在其盖内松动,轴承松动和在轴上旋转,滑动轴承或滚动轴承间隙过大,叶轮在轴上松动等引起的。,C型机械松动,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,C型机械松动实例转子系统松动故障的诊断,波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确2X,3X等成分,最高可达16X。松动结合面两边,振幅有明显差别。,五、转子摩擦,当旋转件与静止件相接触时,转子摩擦产生类似于机械松动产生的频谱。摩擦可能是局部的,也可能是整个转子一周都摩擦。通常,产生一系列频率,往往激起一个或多个共振。根据转子自然频率的位置,常常激起转速的整分数倍亚谐波频率0.5,1,1.5,2,4.5倍等
18、。转子摩擦可激起许多高频类似于粉笔在黑板上拖动产生的宽带噪声,如果轴与巴氏合金相接触引起摩擦时,它可能非常严重,非常短促。整个轴圆周全部角度摩擦可产生“反进动”,即转子以临界转速频率回转,但是,方向与轴的旋转方向相反,这是一种可导致灾难性破坏的不稳定的振动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,典型的碰磨故障的波形和频谱如图5.15所示。,A G(f) O t f (a)波形 (b)频谱图5-15 转子碰摩的波形和频谱图,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,转子摩擦的总体振动特征,转子失稳前频谱丰富,波形畸变,轴心轨迹不规则变化,正进动;转子失稳后波形严重畸变或削波,轴心轨迹发散,反进动;
19、轻微摩擦时同频幅值波动,轴心轨迹带有小圆环;碰摩严重时,各频率成分幅值迅速增大;系统的刚度增加,临界转速区展宽,各阶振动的相位发生变化;工作转速下发生的轻微摩擦振动,其振幅随时间缓慢变化,相位逆转动方向旋转。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,六、滑动轴承故障,1磨损或间隙等故障 如图5.16所示。 滑动轴承磨损后期的证据通常是出现一个完整的系列的转速频率谐波直到10阶20阶,破碎的滑动轴承常产生比水平方向振动大的垂直方向的振动,也,可能只有转速频率一个明显的尖峰。间隙过大的滑动轴承可让小的不平衡、不对中引起大的振动,如果轴承间隙调整达到规定的要求,则振动很小。 滑动轴承松动会产生1/2倍
20、、1/3倍等成分,并且随负荷变化较大。乌金脱落会产生1/2倍及其谐频,幅值小于松动谱。瓦块损坏会产生1/3倍涡动,调节油温有预防效果。,图5.16 滑动轴承磨损/间隙过大频谱 (噪声水平说明间隙过大/松动),第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2油膜涡动和油膜振荡,当转子在滑动轴承轴瓦中转动时,在转子与轴瓦之间的间隙中形成油膜,不但避免了转子表面与轴瓦表面之间的直接接触,减少了两表面间的摩擦和动耗,而且同时油膜的流体动压力又使油膜具有承载能力。当油膜的承载力与外载荷平衡时,转子处于平衡位置;当转子受到某种外来扰动时,转子中心就会在静平衡位置附近发生涡动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
21、,对于转子在外界偶然扰动下所发生的任一偏移,轴承油膜除了产生沿偏移方向的弹性恢复力以保持和外载荷平衡外,还要产生一垂直于偏移方向的切向失稳分力,这个失稳分力会驱动转子作涡动运动:当阻尼力大于切向失稳分力时,这种涡动是收敛的,即转子在轴承内的转动是稳定的。当切向分力大于阻尼力时,涡动是发散的,转子的运动是不稳定的,产生油膜振荡。介于两者之间的是涡动轨迹为封闭曲线,油膜涡动就是这种情况。,油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步现象,其回转频率即振动频率约为转子回转频率的一半,所以常称为半速涡动或半频涡动。产生原因:,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,由于在大多数情况下,轴瓦不旋转,轴瓦表面的
22、油膜速度为零,转子轴颈表面的油膜速度与轴颈表面的速度相同。因此,在层流假设下,油膜的平均周向速度为轴颈表面速度的一半,即转子旋转时,油膜将以轴颈表面速度之半的平均速度环绕运动。实际上,由于轴颈表面比轴瓦表面光滑及轴瓦与轴颈之间润滑油的端泄等因素的影响,一般涡动频率略小于转速的一半,约为转速的0.400.48倍(编者按:有些文献记载为0.420.46倍),如下图所示。,图5.17 油膜涡动不稳定,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,实际产生涡动频率约为 :,流入B侧的流量分 成3部分: A侧流出部分 轴承两端泄露部分 油膜下不由于涡动 增加部分。,半速涡动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特
23、征,一般说,转子的转速在失稳转速以前转动是平稳的,当达到失稳转速后即发生油膜涡动。随着转子转速的提高,油膜涡动的频率也提高,两者保持一个近乎不变的恒定比,即约为2。但是,当转子回转频率约为其一阶临界转速的两倍时,由于此时油膜涡动的涡动速度与转子的一阶临界转速相重合即产生共振,表现为强烈的振动现象,油膜可能不再具有支承能力,称为油膜振荡。油膜振荡一旦发生之后,随着转子转速的提高,涡动频率就将保持不变,而且等于该转子一阶临界转速,产生以转子临界转速频率的横向正进动亚谐波振动。这是一种可导致灾难性破坏的固有的不稳定的振动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,油膜振荡的转速特性如图5.18所示。(
24、a)图表示失稳转速在一阶临界转速之前。(b)图表示失稳转速在一阶临界转速之后,这两种情形的油膜振荡都在稍高于二倍临界转速的某一转速时发生。(c)图表示失稳转速在二倍临界转速之后,转速在稍高于二倍临界转速时,转子并没有失稳,直到比二倍临界转速高出较多时,转子才失稳;而降速时油膜振荡消失的转速要比升速时发生油膜振荡的转速低,表现出油膜振荡的一种“惯性”现象。,图5.18 油膜振荡的转速特性,第一节 旋转机械典型故障 的机理和特征,油膜振荡的振动特征:,油膜振荡总是发生在转速高于转子系统一阶临界转速的2倍以上;油膜振荡的频率接近转子的一阶临界转速,即使转速再升高,其频率基本不变;油膜振荡时,转子的挠
25、曲呈一阶振型;油膜振荡时,振动的波形发生畸变,在工频的基波上叠加了低频成分,有时低频分量占主导地位,低频振动的幅值,轴承座振动可达40m以上,轴振动可达100150m以上,且振幅不稳,轴心轨迹发散;油膜振荡时,转子涡动方向与转子转动方向相同,轴心轨迹呈花瓣形,正进动;,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,油膜振荡的发生和消失具有突然性,并具有惯性效应,即升速时产生振荡的转速比降速时振荡消失的转速要大;油膜振荡剧烈时,随着油膜的破坏,振荡停止,油膜恢复后,振荡再次发生,这样持续下去,轴颈与轴承不断碰摩,产生撞击声,轴瓦内油膜压力有较大波动;油膜振荡对转速和油温的变化较敏感,一般当机组发生油膜振
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