基于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷與分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷與分析王宇飛 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘭州謝永鵬 中國石油蘭州石化公司 蘭州摘 要化工生產(chǎn)中，石油、化工產(chǎn)品都是利用一定的生產(chǎn)技術(shù)和按照特定的工藝要求，將原料經(jīng)過一系列加工處理得到的。在生產(chǎn)過程中需要有相應(yīng)的機器和設(shè)備以滿足生產(chǎn)的工藝要求。結(jié)合石化生產(chǎn)的特殊性，設(shè)備的安全可靠運行是重中之重。而在機器設(shè)備的故障中，旋轉(zhuǎn)機械故障占了很大的比重，旋轉(zhuǎn)機械約有近七成的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。因此，對旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子不平衡故障的研究和診斷最有實際意義。關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)機械 轉(zhuǎn)子不平衡 故障診斷 狀態(tài)監(jiān)測中圖分類號 TP206+.3正 文一、引言近年來化工生

2、產(chǎn)中的設(shè)備、機器有著明顯趨勢就是向功能原理多樣化、大型化、連續(xù)化和集成化方向發(fā)展。以此提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，使用較低的消耗來充分完成設(shè)備的工藝目標。然而，一旦機器設(shè)備發(fā)生故障，所造成的后果將是十分嚴重的，甚至是災(zāi)難性的。首先，生產(chǎn)過程被中斷，最直接的就是經(jīng)濟損失；其次，由于石化生產(chǎn)的特殊性，可能造成人身傷亡以及對環(huán)境的污染。在機器設(shè)備的故障中，旋轉(zhuǎn)機械故障占了很大的比重。如風(fēng)機、壓縮機和汽輪機等設(shè)備，都是石油、化工、冶金和電力等現(xiàn)代企業(yè)中的關(guān)鍵生產(chǎn)工具。通常大型旋轉(zhuǎn)機械的故障常在振動狀況方面體現(xiàn)出來，要保證設(shè)備安全可靠運行，就必須對其進行故障診斷和狀態(tài)的監(jiān)測?，F(xiàn)代化生產(chǎn)中，不能停留在設(shè)備

3、的事故后維修，要進行故障前的監(jiān)測并對得到信息進行分析同時預(yù)測設(shè)備下一步的運行趨勢。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械約有近七成的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。因此，對旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子不平衡故障的研究和診斷最有實際意義。二、不平衡故障的產(chǎn)生、原理旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子受材料質(zhì)量分布、加工誤差和裝配技術(shù)以及長期運行中產(chǎn)生不均勻的磨損、腐蝕、變形、零件脫落、不均勻結(jié)垢等各種因素的影響，使其質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心線之間存在一定的偏心距，轉(zhuǎn)子在工作時形成周期性的離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動載荷，從而引起機器振動的現(xiàn)象。如下圖所示為一個帶有薄圓盤的剛性轉(zhuǎn)子支承在跨度為的兩個軸承上。假定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沒有阻尼，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為，質(zhì)心距旋轉(zhuǎn)中心o的

4、距離即偏心距為，旋轉(zhuǎn)角速度為，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力為： 以上表達式表明，離心力的大小與轉(zhuǎn)子質(zhì)量、偏心距、轉(zhuǎn)速有關(guān)，且方向與同步。因此，離心力為一交變載荷，眾所周知，交變的力會引起振動，這就是不平衡引起振動的原因。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周，離心力方向變化一個周期，因此不平衡振動的頻率和轉(zhuǎn)速一致。轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的離心力、故障特征轉(zhuǎn)子不平衡故障的振動特征主要表現(xiàn)在四個方面：第一，不平衡故障主要引起轉(zhuǎn)子或軸承的徑向振動，在轉(zhuǎn)子徑向測點的頻譜圖上轉(zhuǎn)速頻率成分具有突出的峰值。第二，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，反映在時域上的波形很接近于正弦波。第三，轉(zhuǎn)子同一個截面處相互垂直的兩個徑向測振點之間，相位差在左右，因此軸心軌跡

5、接近一個圓形或橢圓形。第四，除懸臂轉(zhuǎn)子之外，對于普通兩端支承的轉(zhuǎn)子，軸向振動一般并不明顯。、類型造成不平衡的原因很多，按不平衡產(chǎn)生的過程把不平衡分為三類：原始不平衡，是由于轉(zhuǎn)子制造誤差、裝配誤差、材質(zhì)不均勻造成的，在使用之初就有較大的振動；漸發(fā)性不平衡，由于轉(zhuǎn)子在運行過程中不均勻結(jié)垢、轉(zhuǎn)子的不均勻磨損及工藝介質(zhì)對轉(zhuǎn)子的不均勻腐蝕造成的，表現(xiàn)為振動值隨運行時間的增長而變得強烈；突發(fā)性不平衡，由于轉(zhuǎn)子上零部件脫落或葉輪流道阻塞造成的，振動值發(fā)生突變。設(shè)備故障診斷的目的是保證設(shè)備安全可靠運行，要實現(xiàn)這一目的，首先明確故障的機理，通過提取相應(yīng)的故障特征，以此確定故障的類型，最終提出相應(yīng)的解決方案，消除

6、故障，使設(shè)備安全運行。三、故障的診斷對于旋轉(zhuǎn)機械而言，其轉(zhuǎn)子故障的類型很多，包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子支撐部件聯(lián)接松動、轉(zhuǎn)子的碰摩故障等等，而就故障特征來說轉(zhuǎn)子不平衡與轉(zhuǎn)子彎曲就很難區(qū)分，有人還習(xí)慣將轉(zhuǎn)子彎曲與轉(zhuǎn)子不平衡同等看待，實際上兩者是有本質(zhì)上的區(qū)別的。轉(zhuǎn)子不平衡是轉(zhuǎn)自個橫截面的質(zhì)心連線與其幾何中心連線不重合，而轉(zhuǎn)子彎曲是指轉(zhuǎn)子個截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合。相同的是二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動。1、轉(zhuǎn)子彎曲故障機理及特征在化工生產(chǎn)過程中，機組停機一段時間后重新開機時，有時會遇到振動過大甚至無法啟動的情況。這通常是由于機組停機時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子彎曲的故障。轉(zhuǎn)

7、子彎曲有兩種類型：永久彎曲，轉(zhuǎn)子呈弓形彎曲后無法恢復(fù)，可能是由于設(shè)計制造缺陷或長期停放不當(dāng)所致；臨時性彎曲，可恢復(fù)的彎曲，由于轉(zhuǎn)子受預(yù)負荷過大、升速過快等致使轉(zhuǎn)子熱變形不均勻發(fā)生的彎曲。轉(zhuǎn)子彎曲的故障在時域波形、特征頻率、軸心軌跡及敏感參數(shù)上均與轉(zhuǎn)子不平衡有著十分的相似性。其時域波形為等幅正弦波，特征頻率為基頻、同時伴有二倍頻和高次諧波，軸心軌跡為比較穩(wěn)定的圓或偏心率很小的橢圓形，敏感參數(shù)為轉(zhuǎn)速。基于這樣的特點，要采取不同的方法加以區(qū)分。只有故障類型確定了，才能找到造成故障的原因，提出相應(yīng)的解決方案，是設(shè)備正常運行。2、轉(zhuǎn)子不平衡與彎曲故障的甄別對于設(shè)備的故障診斷來說，最重要的一環(huán)就是特征信號

8、的分析，監(jiān)測設(shè)備通過對機器敏感的測量點進行信號的提取。要知道設(shè)備的運行情況就是通過信號的分析技術(shù)的知的，常用的分析技術(shù)有兩種，即時域分析和頻域分析，時域統(tǒng)計指標只能反映設(shè)備的運行情況如何，主要用于故障的監(jiān)測和預(yù)報運行趨勢。一旦設(shè)備發(fā)生故障，要知道故障的部位、類型就要對信號進一步分析，通常是頻譜分析。大多數(shù)機械設(shè)備都是通過各零部件間的運動關(guān)系，來傳遞力和運動，也就是機械能。在傳遞過程中，由于各部件間的摩擦作用、運動的不平穩(wěn)造成了能量的損失。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)就是對這些附加能耗損失進行分析，判斷機械設(shè)備的運行狀態(tài)，而頻譜圖就是對其分析的主要工具。通過正確觀察頻譜圖，確定其特征頻率，不同的故障

9、類型表現(xiàn)出不同的特征頻率。例如，轉(zhuǎn)子不平衡的特征頻率為基頻，轉(zhuǎn)子不對中的特征頻率為二倍頻，而轉(zhuǎn)軸裂紋的特征頻率為二倍頻和三倍頻。如右圖所示，為轉(zhuǎn)子不平衡典型的頻譜。不難看出，其特征頻率為基頻，伴有高次諧波。然而轉(zhuǎn)子彎曲的特征頻率也是基頻，理論上會出現(xiàn)二倍頻，與不平衡加以區(qū)分，可還是要從實際出發(fā)。雖然二者有太多相似之處，可也有本質(zhì)的區(qū)別，不同之處在于轉(zhuǎn)子彎曲會使軸兩端產(chǎn)生錐形運動，因此在軸向產(chǎn)生較大的工頻振動。同時，由于彎曲產(chǎn)生的彈力和轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的離心力相位不同，兩者之間相互作用會有抵消，轉(zhuǎn)軸的振幅在某個轉(zhuǎn)速下會減小，在時域波形上可以很清楚的產(chǎn)生一個凹谷，彎曲作用大于不平衡量時，凹谷發(fā)生在

10、臨界轉(zhuǎn)速以上；不平衡量大于彎曲作用時，凹谷發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以下。3、解決方案對于設(shè)備故障診斷技術(shù)來說要判斷設(shè)備運行狀態(tài)并預(yù)報運行趨勢，然而一旦設(shè)備發(fā)生故障，就要確定故障類型，找出故障原因同時還要提出解決方案消除故障，最終是設(shè)備安全運行。這才是故障診斷的最終目的。旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子不平衡故障的原因很多，主要從設(shè)計、制造、安裝維修、操作運行、狀態(tài)劣化等方面來考慮。通過對信號進行分析處理，確定不平衡類型，根據(jù)不同的類型確定處理措施。初始不平衡，要按技術(shù)要求對轉(zhuǎn)子進行動平衡試驗，消除轉(zhuǎn)子松動部件等處理措施；漸變式不平衡，對轉(zhuǎn)子除垢修復(fù)，保證介質(zhì)清潔等；突發(fā)性不平衡，消除應(yīng)力防止轉(zhuǎn)子損壞或直接更換損壞轉(zhuǎn)子。通

11、過這些針對生產(chǎn)實際的措施，保證設(shè)備安全運行，更好的實現(xiàn)其工藝目標。四、結(jié)論現(xiàn)代化生產(chǎn)中，提高設(shè)備的安全可靠性，提高工作效率，降低了維修費用，盡量避免設(shè)備在生產(chǎn)中的被迫停機，延長設(shè)備使用壽命是對設(shè)備提出的全面要求。設(shè)備的故障診斷技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用解決了這一系列問題，然而不同的設(shè)備存在這各種各樣的故障類型，工程技術(shù)人員要能更具特征信號準確的確定故障的類型，找出原因并將其消除。這就要求我們能掌握機器常見的各種故障的特征，能在實踐中不斷總結(jié)，為設(shè)備的故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供強有力的實踐基礎(chǔ)。參考文獻1楊國安.機械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)M .北京：中國石化出版社，2007.2張 鍵.機械故障診斷技術(shù)M.北京

12、：機械工業(yè)出版社，2008.3張碧波.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診M斷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.4李 莊.化工機械設(shè)備安裝調(diào)試、故障診斷、維護及檢修技術(shù)規(guī)范實用手冊M.吉林：吉林電子出版社，2003.5徐小杰.虛擬儀器在轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷中的應(yīng)用D.焦作：焦作大學(xué)學(xué)報，2007.Fault Diagnosis and Analysis of Rotor Imbalance of Rotating Machinery Yufei wang Lanzhou Petrochemical College of Vocational TechnologyAbstract: In chemical pro

13、duction, the petroleum and chemical products are obtained from a series of processing and treatment of the raw materials by adopting cetarin production techniques in accordance with the specific technological requirements. The appropriate machinery and equipment are necessary in the process of produ

14、ction for meeting the technological requirements of production. Meanwhile, the safe and reliable operation of equipments is the most important factor concerning the specificity of petrochemical production. However, the rotating mechanical fault accounts for a significant proportion in machinery and equipment fault. Nearly seventy percent of fault of rotating machinery is related to the rotor imbalance. Therefore, it is of great practical significance to study