大型機組不對中故障原因與診斷

1、大型機組不對中故障原因與診斷大型機組通常由多個轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸器聯(lián)接構(gòu)成軸系，傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。由于機器的安裝誤差、工作狀態(tài)下熱膨脹、承載后的變形以及機器基礎(chǔ)的不均勻沉等，有可能會造成機器工作時各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生不對中。具有不對中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生一系列有害于設(shè)備的動態(tài)效應(yīng)，如引起機器聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、軸承早期損壞、油膜失穩(wěn)、軸彎曲變形等，導(dǎo)致機器發(fā)生異常振動，危害極大。一、轉(zhuǎn)子不對中的類型 如圖1-1所示，轉(zhuǎn)子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。軸頸在軸承中偏斜稱為軸承不對中。軸承不對中本身不會產(chǎn)生振動，它主要影響到油膜性能和阻尼。在轉(zhuǎn)子不平衡情況下，由于軸承不對中對

2、不平衡力的反作用，會出現(xiàn)工頻振動。機組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。通常所講的不對中多指軸系不對中。造成軸系不對中的原因有安裝誤差、管道應(yīng)變影響、溫度變化熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。由于不對中，將導(dǎo)致軸向、徑向交變力，引起軸向振動和徑向振動。由于不對中引起的振動會隨不對中嚴(yán)重程度的增加而增大。不對中是非常普遍的故障，即使采用自動調(diào)位軸承和可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器也難以使軸系及軸承絕對對中。當(dāng)對中超差過大時，會對設(shè)備造成一系列有害的影響，如聯(lián)軸節(jié)咬死、軸承碰磨、油膜失穩(wěn)、軸撓曲變形增大等，嚴(yán)重時將造成災(zāi)難性事故。圖1-1 轉(zhuǎn)子不對中的受力情況 如圖1-2所示，軸系不對中一般可分

3、為以下三種情況： (1)軸線平行位移，稱為平行不對中； (2)軸線交叉成一角度，稱為角度不對中； (3)軸線位移且交叉，稱為綜合不對中。 圖1-2 齒式聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子不對中形式二、不對中振動的機理大型高速旋轉(zhuǎn)機械常用齒式聯(lián)軸器，中小設(shè)備多用固定式剛性聯(lián)軸器，不同類型聯(lián)軸器及不同類型的不對中情況，振動特征不盡相同，在此分別加以說明。1齒式聯(lián)軸器連接不對中的振動機理齒式聯(lián)軸器由兩個具有外齒環(huán)的半聯(lián)軸器和具有內(nèi)齒環(huán)的中間齒套組成。兩個半聯(lián)軸器分別與主動軸和被動軸連接。這種聯(lián)軸器具有一定的對中調(diào)節(jié)能力，因此常在大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備上采用。在對中狀態(tài)良好的情況下，內(nèi)外齒套之間只有傳遞轉(zhuǎn)矩的周向力。當(dāng)軸系對中超差時，

4、齒式聯(lián)軸器內(nèi)外齒面的接觸情況發(fā)生變化，從而使中間齒套發(fā)生相對傾斜，在傳遞運動和轉(zhuǎn)矩時，將會產(chǎn)生附加的徑向力和軸向力，引發(fā)相應(yīng)的振動，這就是不對中故障振動的原因。(1)平行不對中聯(lián)軸器的中間齒套與半聯(lián)軸器組成移動副，不能相對轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線之間存在徑向位移時，中間齒套與半聯(lián)軸器間會產(chǎn)生滑動而作平面圓周運動，中間齒套的中心是沿著以徑向位移y為直徑作圓周運動。如圖1-3所示。 圖1-3 聯(lián)軸器平形不對中 圖1-4 聯(lián)軸器齒套運動分析如圖1-4所示，設(shè)A為主動轉(zhuǎn)子的軸心投影，B為從動轉(zhuǎn)子的軸心投影，K為中間齒套的軸心，AK為中間齒套與主動軸的連線，BK為中間齒套與從動軸的連線，AK垂直BK，設(shè)AB長為

5、D, K點坐標(biāo)為K (x，y），取為自變量，則有 (1-1) 對其求導(dǎo)，得 (1-2) K點的線速度為 (1-3) 由于中間套平面運動的角速度等于轉(zhuǎn)軸的速度，即，所以K點繞圓周中心運動的角速度K為 (1-4) 式中，VK為點K的線速度，由式（1-4)可知，K點的轉(zhuǎn)動速度為轉(zhuǎn)子角速度的兩倍，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時，就會產(chǎn)生很大的離心力，激勵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動，其振動頻率為轉(zhuǎn)子工頻的兩倍。此外由于不對中而引起的振動有時還包含有大量的諧波分量，但最主要的還是2倍頻分量。 (2)偏角不對中 當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線之間存在偏角位移時，如圖1-5所示，從動轉(zhuǎn)子與主動轉(zhuǎn)子的角速度是不同的。從動轉(zhuǎn)子的角速度為: (1-5)

6、式中，1，2分別為主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子的角速度；為從動轉(zhuǎn)子的偏斜角；1為主動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。從動轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周其轉(zhuǎn)速變化兩次，如圖1-6所示，變化范圍為 (1-6) 圖1-5 聯(lián)軸器偏角不對中 圖1-6 轉(zhuǎn)速比的變化曲線偏角不對中使聯(lián)軸器附加一個彎矩，彎矩的作用是力圖減小兩軸中心線的偏角。轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向交變一次，因此，偏角不對中增加了轉(zhuǎn)子的軸向力，使轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生工頻振動。(3)綜合不對中在實際生產(chǎn)中，軸系轉(zhuǎn)子之間的對中情況往往是既有平行位數(shù)不對中，又有角度不對中的綜合移不對中，因而轉(zhuǎn)子振動的機理是兩者的綜合結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)子既有平行位移不對中又有角度不對中時，其動態(tài)特性比較復(fù)雜。激振頻率為

7、角頻率的2倍；激振力的大小隨速度而變化，其大小和綜合不對中量y、安裝距離L以及中間齒套質(zhì)量m等有關(guān)。聯(lián)軸器兩側(cè)同一方向的激振力之間的相位差在0180之間。其他故障物理特性也介于軸線平行不對中和角度不對中之間。同時，齒式聯(lián)軸器由于所產(chǎn)生的附加軸向力以及轉(zhuǎn)子偏角的作用，從動轉(zhuǎn)子以每回轉(zhuǎn)一周為周期，在軸向往復(fù)運動一次，因而轉(zhuǎn)子軸向振動的頻率與角頻率相同，如圖1-7所示。圖1-7 轉(zhuǎn)子不對中的軸向振動2.剛性聯(lián)軸器連接轉(zhuǎn)子不對中的故障機理剛性聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子對中不良時，由于強制連接所產(chǎn)生的力矩，不僅使轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形，而且隨轉(zhuǎn)子軸線平行位移或軸線角度位移的狀態(tài)不同，其變形和受力情況也不一樣，如圖1-8

8、所示。 圖1-8 剛性聯(lián)軸器連接不對中的情況用剛性聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子不對中時，轉(zhuǎn)子往往是既有軸線平行位移，又有軸角度位移的綜合狀態(tài)，轉(zhuǎn)子所受的力既有徑向交變力，又有軸向交變力。彎曲變形的轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)軸表面與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)表面之間的摩擦而產(chǎn)生的相對滑動，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激旋轉(zhuǎn)振動，而且當(dāng)主動轉(zhuǎn)子按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生周期性變動，每轉(zhuǎn)動一周變動兩次，因而其振動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的兩倍。轉(zhuǎn)子所受的軸向交變力與圖1-7相同，其振動特征頻率為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率。3.軸承不對中的故障機理軸承不對中實際上反映的是軸承坐標(biāo)高和左右位置的偏差。由于結(jié)構(gòu)上的原因，軸承在水平方向和垂直方向上具有不同的

9、剛度和阻尼，不對中的存在加大了這種差別。雖然油膜既有彈性又有阻尼，能夠在一定程度上彌補不對中的影響，但不對中過大時，會使軸承的工作條件改變，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生附加的力和力矩，甚至使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)或產(chǎn)生碰磨。軸承不對中同時又使軸頸中心和平衡位置發(fā)生變化，使軸系的載荷重新分配，負(fù)荷大的軸承油膜呈現(xiàn)非線性，在一定條件下出現(xiàn)高次諧波振動；負(fù)荷較輕的軸承易引起油膜渦動進而導(dǎo)致油膜振蕩。支承負(fù)荷的變化還會使軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型發(fā)生改變。三、轉(zhuǎn)子不對中的故障特征 實際工程中遇到的轉(zhuǎn)子不對中故障大多數(shù)為齒式聯(lián)軸器不對中，在此以齒式聯(lián)軸器不對中為例介紹其故障特征。由上述分析知，齒式聯(lián)軸器連接不對中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其振動主要特征

10、如下。(1)故障的特征頻率為角頻率的2倍。(2)由不對中故障產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子的激勵力隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，因此，高速旋轉(zhuǎn)機械應(yīng)更加注重轉(zhuǎn)子的對中要求。(3)激勵力與不對中量成正比，隨不對中量的增加，激勵力呈線性增大。(4)聯(lián)軸器同一側(cè)相互垂直的兩個方向，2倍頻的相位差是基頻的2倍；聯(lián)軸器兩側(cè)同一方向的相位在平行位移不對中時為0，在角位移不對中時為180，綜合位移不對中時為0180。(5)軸系轉(zhuǎn)子在不對中情況下，中間齒套的軸心線相對于聯(lián)軸器的軸心線產(chǎn)生相對運動，在平行位移不對中時的回轉(zhuǎn)輪廓為一圓柱體，角位移不對中時為一雙錐體，綜合位移不對中時是介于二者之間的形狀?；剞D(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)范圍由不對中量決定。(6)

11、軸系具有過大的不對中量時，會由于聯(lián)軸器不符合其運動條件而使轉(zhuǎn)子在運動中產(chǎn)生巨大的附加徑向力和附加軸向力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異常振動，軸承過早損壞，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有較大的破壞性。 四、轉(zhuǎn)子不對中的故障診斷 轉(zhuǎn)子不對中的故障診斷依據(jù)主要見表1-1和表1-2。 表1-1 轉(zhuǎn)子不對中故障的振動特征表1-2 轉(zhuǎn)子不對中故障振動敏感參數(shù) 五、故障原因與治理措施轉(zhuǎn)子不對中故障原因與治理措施見表1-3。 表1-3 轉(zhuǎn)子不對中故障原因與治理措施 六、診斷實例 某廠一臺透平壓縮機組整體布置如圖1-9所示。機組年度檢修時，除正常檢查、調(diào)整工作外，還更換了連接壓縮機高壓缸和低壓缸之間的聯(lián)軸器的連接螺栓，對軸系的轉(zhuǎn)子對中情況進行

12、了調(diào)整等。 圖1-9 機組布置示意圖 檢修后啟動機組時，透平和壓縮機低壓缸運行正常，而壓縮機高壓缸振動較大（在允許范圍內(nèi)）；機組運行一周后壓縮機高壓缸振動突然加劇，測點4、5的徑向振動增大，其中測點5振動值增加兩倍，測點6的軸向振動加大，透平和壓縮機低壓缸的振動無明顯變化；機組運行兩周后，高壓缸測點5的振動值又突然增加一倍，超過設(shè)計允許值，振動劇烈，危及生產(chǎn)。如圖1-10所示。 圖1-10 異常振動特征 壓縮機高壓缸主要振動特征如下：(1)連接壓縮機高、低壓缸之間的聯(lián)軸器兩端振動較大；(2)測點5的振動波形畸變?yōu)榛l與倍頻的疊加波，頻譜中2頻諧波具有較大峰值；(3)軸心軌跡為雙橢圓復(fù)合軌跡；(4)軸向振動較大。診斷意見：壓縮機高壓缸與低壓缸之間轉(zhuǎn)子對中不良，聯(lián)軸器發(fā)生故障，必須緊急停機檢修。生產(chǎn)驗證：檢修人員做好準(zhǔn)備工作后，操作人員按正常停機處理。根據(jù)診斷結(jié)論，重點對機組聯(lián)軸器局部解體檢查發(fā)現(xiàn)，連接壓縮機高壓缸與低壓缸之間的聯(lián)軸器（