旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷不平衡

旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷不平衡第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷兩軸承間距l(xiāng)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量m，質(zhì)心M距旋轉(zhuǎn)中心O的距離為e（偏心距），旋轉(zhuǎn)角速度w。O第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力為：式中：m—轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg；G—轉(zhuǎn)子重量，N；g—重力加速度，g=9.81m/s2；e—偏心距，m；n—轉(zhuǎn)速，r/min。力F通過轉(zhuǎn)軸作用在軸承上，使軸承承受附加動載荷，引起轉(zhuǎn)子或軸承的不平衡振動。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷例：m=10kg，偏心距e=0.2mm，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=6000r/min時，不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力的大小為：離心力作用在兩個軸承上的動反力各為：該力在軸承上每轉(zhuǎn)變化一次，足以引起轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振動。第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷6.1.2臨界轉(zhuǎn)速對不平衡振動的影響（1）臨界轉(zhuǎn)速的動力特性臨界轉(zhuǎn)速是一種由不平衡離心力引起的共振現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時要求機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速必須避開臨界轉(zhuǎn)速。一般規(guī)定：轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，工作轉(zhuǎn)速n應(yīng)低于一階臨界轉(zhuǎn)速ncr1的0.75倍；工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速時，要求在下列范圍內(nèi)：1.4ncri<n<0.7ncr(i+1)(i為臨界轉(zhuǎn)速的階數(shù))。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷轉(zhuǎn)子運(yùn)動的力學(xué)模型第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷轉(zhuǎn)子在低速時，G在C的外側(cè)，且O、C、G三點(diǎn)成一直線。當(dāng)不計(jì)圓盤重力影響和系統(tǒng)阻尼時，轉(zhuǎn)子受到的離心力m(e+δ)w2與彈性恢復(fù)力kδ相平衡，即可得到圓盤處的動撓度公式：式中：k——軸在中點(diǎn)的剛度系數(shù)，可由材料力學(xué)求得；wn——轉(zhuǎn)子無阻尼振動時橫向振動固有頻率，當(dāng)w=wn時，軸的撓度δ理論上為無限大，這個角速度w就稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷（2）阻尼對臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振動的影響實(shí)際轉(zhuǎn)子總是存在阻尼，這種阻尼來自工作介質(zhì)的黏性阻尼、軸承油膜的黏性阻尼、滑動面之間的摩擦阻尼、軸材料不完全彈性的內(nèi)摩擦阻尼，以及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在振動過程中變形能耗所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻尼。對于線性系統(tǒng)，阻尼力與速度成正比，力的方向與速度方向相反。有阻尼的轉(zhuǎn)子，O、C、G三點(diǎn)就不在同一直線上，OC和CG成φ角。第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷取坐標(biāo)Oxy，在x和y兩坐標(biāo)方向上列力的平衡式：其特解為：寫成復(fù)數(shù)的形式：特解：第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷代入，求解得：式中ξ——阻尼比。第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三轉(zhuǎn)子的靜撓度為：從而可將振幅A寫成無量綱形式：β稱為放大因子，是轉(zhuǎn)子振幅與靜撓度之比。其值的大小反應(yīng)了轉(zhuǎn)子共振振幅的高低。6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三轉(zhuǎn)子的幅頻和與相頻響應(yīng)曲線第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷為了有效利用軸承油膜產(chǎn)生的阻尼，使轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時不致振幅過大，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)注意，不要把軸承放在轉(zhuǎn)子振型節(jié)點(diǎn)的位置上，否則軸承的阻尼作用將會大大消弱。相位公式：第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷6.1.3轉(zhuǎn)子不平衡振動的故障特征轉(zhuǎn)子的不平衡振動是在周期性離心力干擾下產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，離心力經(jīng)過轉(zhuǎn)子或軸承上的某一點(diǎn)處產(chǎn)生一次擾動，在測點(diǎn)處就有一次振動響應(yīng)，因此它的振動頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，即或f——振動頻率，s-1w——角頻率，rad/sN——轉(zhuǎn)速，r/min第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三轉(zhuǎn)速頻率也稱為工頻（工作頻率），由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時總是殘留一定的不平衡量，因此，這種頻率成分很容易在頻譜圖上觀察到。不平衡故障特征主要表現(xiàn)如下：1、不平衡故障主要引起轉(zhuǎn)子或軸承徑向振動，在轉(zhuǎn)子徑向測點(diǎn)上得到的頻譜圖，轉(zhuǎn)速頻率成分具有突出的峰值。2、單純的不平衡振動，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，因此，在時域上的波形是一個正弦波。3、轉(zhuǎn)子的軸心軌跡形狀基本上為一個圓或橢圓，這意味著置于轉(zhuǎn)軸同一截面上相互垂直的兩個探頭，其信號相位差90度。4、轉(zhuǎn)子的進(jìn)動方向?yàn)橥秸M(jìn)動。5、除了懸臂轉(zhuǎn)子之外，對于普通兩端支承的轉(zhuǎn)子，不平衡在軸向上的振幅一般不明顯。6、轉(zhuǎn)子振幅對轉(zhuǎn)速變化敏感，轉(zhuǎn)速下降，振幅將明顯下降。6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三典型不平衡振動頻譜圖。圖中還出現(xiàn)了一些幅值較小的2×f、3×f、4×f等的一些高次諧波，主要是受非線性振動的影響。6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1.4不平衡振動的故障原因和防治措施為便于鑒別故障原因，把轉(zhuǎn)子發(fā)生的不平衡故障分成2類：1、一類是固有質(zhì)量不平衡；2、另一類是轉(zhuǎn)子運(yùn)行中產(chǎn)生的不平衡。6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷6.1.4.1固有質(zhì)量不平衡固有質(zhì)量不平衡：是指轉(zhuǎn)子在原始狀態(tài)下已經(jīng)存在的不平衡，而與操作運(yùn)行情況無關(guān)。主要原因有：設(shè)計(jì)錯誤、材料缺陷、加工與裝配誤差、動平衡方法不正確等問題。第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷固有質(zhì)量不平衡將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生穩(wěn)定的每轉(zhuǎn)一次的轉(zhuǎn)速頻率振動，在給定轉(zhuǎn)速下其幅值和相位在短時間內(nèi)一般不隨時間變化。防治辦法：改善轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)來降低轉(zhuǎn)子的激振力。很多高速的大型機(jī)組，聯(lián)軸節(jié)與轉(zhuǎn)子之間正確的平衡方法是很重要的。聯(lián)軸節(jié)制造廠在出廠前一般都做了整體動平衡，半聯(lián)軸節(jié)應(yīng)該緊緊配合在軸上與轉(zhuǎn)子一起動平衡，但是轉(zhuǎn)子動平衡時不允許在聯(lián)軸節(jié)中間套或半聯(lián)軸節(jié)上再去重或配重，否則將破壞整個軸系的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生新的不平衡。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷【例】氣壓機(jī)的不平衡振動某煉油廠催化車間氣壓機(jī)組，有汽輪機(jī)同步離合器、氣壓機(jī)、齒輪箱、電動機(jī)幾部分串聯(lián)而成。第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷現(xiàn)狀：氣壓機(jī)型號為2MCL-456，壓縮氣體為瓦斯氣，入口壓力0.102MPa，出口壓力1.35MPa，轉(zhuǎn)速10700r/min。軸承形式為5塊可傾瓦，聯(lián)軸節(jié)均為膜片式。該機(jī)運(yùn)行數(shù)年后，為增大氣量，更換了轉(zhuǎn)子，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)子隔板，并且對轉(zhuǎn)子做了高速動平衡?，F(xiàn)象：改造后的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了振動超標(biāo)，靠近齒輪箱一側(cè)的振動測點(diǎn)VI375、VI376的振幅達(dá)到60um，此后又上升至90um左右。特征：信號分析顯示振動頻率中工頻成分占絕對優(yōu)勢。VI375、VI376的軸心軌跡為橢圓第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷結(jié)論：確認(rèn)是轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動。另外，從轉(zhuǎn)子升速過程中的極坐標(biāo)圖上看：轉(zhuǎn)子在到達(dá)工作轉(zhuǎn)速時，振幅迅速增長，相位也明顯變化。該轉(zhuǎn)子在做高速動平衡時，也曾顯示9700-11000r/min之間有明顯峰值，因此認(rèn)為該轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速在它的二階臨界轉(zhuǎn)速附近，對于不平衡振動具有較強(qiáng)的敏感性。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷解決方案：考慮到氣壓機(jī)靠齒輪箱一側(cè)的VI375、VI376測點(diǎn)振幅最高，決定在這一側(cè)的聯(lián)軸節(jié)上做現(xiàn)場動平衡。下表列出了二次現(xiàn)場動平衡前后的工頻幅值和相位變化第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷從表中可以看出，動平衡前后相位穩(wěn)定，動平衡后通頻振幅和工頻振幅降低明顯，其原因如下：1、氣壓機(jī)和齒輪箱之間的聯(lián)軸節(jié)長度較長，達(dá)302mm，氣壓機(jī)轉(zhuǎn)子在這一端具有較長的外伸端，因此該聯(lián)軸節(jié)上的不平衡量對于引發(fā)轉(zhuǎn)子振動十分敏感。2、轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速接近第二階臨界轉(zhuǎn)速，微量的不平衡將在工作轉(zhuǎn)速下引起明顯的轉(zhuǎn)子振動。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至10000r/min以下，轉(zhuǎn)子脫離了二屆臨界轉(zhuǎn)速，振幅的下降程度就十分明顯。3、聯(lián)軸節(jié)本身可能存在不平衡，因?yàn)槁?lián)軸節(jié)出廠時單獨(dú)做動平衡和轉(zhuǎn)子加聯(lián)軸節(jié)一起做動平衡時，兩種動平衡操作在聯(lián)軸節(jié)上重復(fù)去重，造成聯(lián)軸節(jié)新的不平衡。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷6.1.4.2轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的不平衡轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的不平衡，可分兩類情況：為轉(zhuǎn)子彎曲原始平衡狀態(tài)破壞（1）轉(zhuǎn)子彎曲永久性彎曲臨時性彎曲第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷a、臨時性彎曲指轉(zhuǎn)子因外部環(huán)境影響或外力的作用而產(chǎn)生彎曲變形，這種變形不需經(jīng)過動平衡，而是只需采取一些簡單的措施（如經(jīng)過低速長時間盤車方式）或改變操作方式即可減緩或消除不平衡振動。常見的臨時性彎曲主要有下列幾種情況。①轉(zhuǎn)子不均勻受熱引起的臨時性彎曲。汽輪機(jī)、高溫氣體透平機(jī)、航空發(fā)電機(jī)等機(jī)器，需要引入高溫、高壓氣體將整個缸體或殼體加熱，但是缸體的溫度分布不是均勻的，如果轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下靜止不動，則很快會發(fā)生變形。因此，對于這種轉(zhuǎn)子在啟動之前必須充分盤車，避免啟動后引起過大的振動。第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷②轉(zhuǎn)子自重引起的臨時性彎曲。自重彎曲現(xiàn)象在柔性轉(zhuǎn)子上經(jīng)常會遇到。例如轉(zhuǎn)子由于擱置已久，在自重作用下發(fā)生彎曲變形。這種類型的彎曲，表現(xiàn)的振動頻率也是轉(zhuǎn)速頻率，而且轉(zhuǎn)速頻率的幅值也是隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，隨轉(zhuǎn)速的下降而減小。彎曲的校直可以通過較長時間滿轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子來達(dá)到。③氣流沖擊、溫度突變、負(fù)荷變化過快引起轉(zhuǎn)子的臨時性彎曲。壓縮機(jī)發(fā)生喘振時轉(zhuǎn)子受到強(qiáng)烈的氣流沖擊，容易使轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形。輕度的喘振，轉(zhuǎn)子彎曲量不大，可以通過慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子加以消除。但是重度喘振，轉(zhuǎn)子彎曲量可能很大，以至發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜子元件之間碰撞摩擦，這時候就需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱處理校直，并重新進(jìn)行動平衡。溫度突變或負(fù)荷變化過快引起機(jī)器振動的主要原因也使轉(zhuǎn)子發(fā)生臨時性彎曲，因此對于汽輪發(fā)電機(jī)組和汽輪機(jī)驅(qū)動的離心壓縮機(jī)組，啟停過程中一定要按操作規(guī)程進(jìn)行，開車前和停機(jī)后均需要有一定時間的盤車過程。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷b、永久性彎曲指經(jīng)過滿轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的方式仍然無法恢復(fù)轉(zhuǎn)子的彎曲狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在盤車過程中僅僅依靠本身的重量施加在軸上產(chǎn)生的交變力，不足以釋放轉(zhuǎn)軸內(nèi)部已形成的彎曲應(yīng)力，因此形成永久性變形。上述影響轉(zhuǎn)子彎曲的某些因素，如果程度嚴(yán)重，也可能稱為永久性彎曲。具有很大彎曲變形的轉(zhuǎn)子，不能用動平衡方法校正，必須用熱處理方法把轉(zhuǎn)子校直，或用精加工方法來消除彎曲。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷（2）轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)破壞轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中，由于破壞原始的平衡狀態(tài)而引發(fā)機(jī)器振動，在生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到。a、轉(zhuǎn)子上零件碎裂或飛離轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過程中，如發(fā)生軸上零件碎裂或飛離，將產(chǎn)生階躍式的不平衡，引起振幅和相位的突然變化。這種變化屬于瞬態(tài)響應(yīng)，此后將會衰減下去，因而振幅突變后將在某一數(shù)值上穩(wěn)定下來。b、固體雜質(zhì)在葉輪上沉積。此情況屢見不鮮，如管道中的銹蝕、氣源中的粉塵在葉輪流道內(nèi)沉積，均會引起轉(zhuǎn)子的不平衡。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷c、軸上零件松動帶有各種零件的轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中可能發(fā)生松動，如葉輪、平衡盤、止推軸盤在軸上配合的過盈量不足，或者鍵槽配合太松，使轉(zhuǎn)子在搞轉(zhuǎn)速下發(fā)生松動；還有材料選擇不良或是工作介質(zhì)腐蝕嚴(yán)重，引起軸套和輪殼內(nèi)部發(fā)生腐蝕而松動。此外，滾動軸承外圈配合間隙過大，軸在旋轉(zhuǎn)時外圈也跟著作不同步的旋轉(zhuǎn)，也會發(fā)生類似松動的故障。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷軸上零件松動在振動頻率和相位上可能表現(xiàn)如下一些特征：①松動的零件隨著轉(zhuǎn)速的升高離心力迅速增大，零件內(nèi)孔擴(kuò)大，與轉(zhuǎn)軸之間發(fā)生松動，并偏置于零件重心一側(cè)或軸中心線弓形回轉(zhuǎn)的外側(cè)，因此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率成分幅值很快增大現(xiàn)象。②由于存在松動間隙，振動將出現(xiàn)明顯的非線性影響因素，在頻譜圖上出現(xiàn)大量轉(zhuǎn)速頻率的諧波，偶爾也可能出現(xiàn)1/2、1/3轉(zhuǎn)速頻率的次諧波成分。③如果松動間隙較大，則零件的不平衡矢量可能會隨機(jī)的繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。因此在振動信號上表現(xiàn)為振幅不穩(wěn)定，相位隨時間變動，而且頻譜圖上會出現(xiàn)許多連續(xù)的噪聲譜線。這種現(xiàn)象表明轉(zhuǎn)子振動帶有一定程度的不穩(wěn)定沖擊。④如果轉(zhuǎn)子在穩(wěn)態(tài)下產(chǎn)生零部件松動，則在不平衡力的作用下可能會產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象，拍振的頻率一個是軸的轉(zhuǎn)速頻率，另一個是稍低于軸速度的松動零件轉(zhuǎn)速頻率。第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷【實(shí)例1】離心泵葉輪松動一臺懸臂式單級離心泵，運(yùn)轉(zhuǎn)幾個月后發(fā)生了葉輪松動。在泵側(cè)的兩個軸承上檢測振動信號，近頻譜分析，顯示有很多旋轉(zhuǎn)頻率的諧波成分，這些很強(qiáng)的諧波預(yù)示著泵的轉(zhuǎn)子零件存在松動問題。另外，從圖中還可以看出，頻譜的噪聲底線很高，譜線連續(xù)，表明松動零件對周施加了一種不穩(wěn)定的隨機(jī)性沖擊。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷離心泵葉輪松動頻譜第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三6.1轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷【實(shí)例2】某52萬噸／年尿素裝置CO2壓縮機(jī)組低壓缸轉(zhuǎn)子，大修后開車振動值正常，但在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其振動值有逐步增大的趨勢。其時域波形為正弦波，分析其頻譜，以1×頻為主，分析其矢量域圖，相位有一個緩慢的變化。第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，