振動故障類型及機(jī)理

資料來源于網(wǎng)絡(luò)整理，更多高質(zhì)量文檔請聯(lián)系。振動故障類型及機(jī)理旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的機(jī)理，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、水輪機(jī)、航空發(fā)動機(jī)等機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、機(jī)械、航空等部門。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向大型、高速和自動化方向發(fā)展，迫切需要先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。而診斷結(jié)果的可靠性取決于對故障機(jī)理的深刻了解和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這里先介紹旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾種常見故障的機(jī)理和特征。一、轉(zhuǎn)子不平衡不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因有：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運(yùn)行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、結(jié)垢、零部件的松動和脫落等。轉(zhuǎn)子不平衡故障包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、初始彎曲、熱態(tài)不平衡、部件脫落、結(jié)垢、聯(lián)軸器不平衡等，不同原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡故障規(guī)律相近，但也各有特點(diǎn)。1、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所有不平衡都可歸結(jié)為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心。根據(jù)振動理論分析可知，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的振動特征是：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動，在整個機(jī)組軸承中均發(fā)生較大的振動，在轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時振動幅值有時特別明顯地增大，其振動頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，波形為正弦波，以一倍頻振幅為主，其他諧波的振幅較小，頻譜呈樅樹形，軸心軌跡橢圓形，定速下幅值穩(wěn)定，相位穩(wěn)定。2、轉(zhuǎn)子初始彎曲人們習(xí)慣上將轉(zhuǎn)子的初始彎曲與質(zhì)量不平衡同等看待，實(shí)際上是有區(qū)別的。所謂質(zhì)量不平衡是指各橫截面的質(zhì)心連線與其幾何中心連線存在偏差，而轉(zhuǎn)子彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合。二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。初彎轉(zhuǎn)子具有與質(zhì)量不平衡轉(zhuǎn)子相似的振動特征，所不同的是初彎轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速較低時振動較明顯，趨于初彎值。3、熱態(tài)不平衡在機(jī)組的啟動和停機(jī)過程中，由于熱交換速度的差異，使轉(zhuǎn)子橫截面產(chǎn)生不均勻的溫度分布，使轉(zhuǎn)子發(fā)生瞬時熱彎曲，產(chǎn)生較大的不平衡。熱彎曲引起的振動一般與負(fù)荷有關(guān)，改變負(fù)荷，振動相應(yīng)地發(fā)生變化，但在時間上較負(fù)荷的變化滯后。隨著盤車或機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，整機(jī)溫度趨于均勻，振動會逐漸減小。4、轉(zhuǎn)子部件脫落運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子部件突然脫落也會引起轉(zhuǎn)子不平衡，使轉(zhuǎn)子振幅突然發(fā)生變化。可以將部件脫落失衡現(xiàn)象看作對工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)子的瞬時階躍響應(yīng)。由于瞬態(tài)響應(yīng)最終要衰減為零，因此，部件脫落的主要特征是振動會突然發(fā)生變化而后趨于穩(wěn)定，振動的幅值一般會有較明顯的增大，振動的相位一般會有改變。5、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢如果工質(zhì)的質(zhì)量不合格，隨著時間的推移，將在轉(zhuǎn)子的動葉和靜葉表面產(chǎn)生塵垢，使轉(zhuǎn)子原有的平衡遭到破壞，振動增大。由于結(jié)垢需要相當(dāng)長的時間，所以振動是隨著年月逐漸增大的。并且由于通流條件變差，軸向推力增加，軸向位移增大，機(jī)組級間壓力逐漸增大，效率逐漸下降。6、聯(lián)軸器不平衡由于制造、安裝的偏差或者動平衡時未考慮聯(lián)軸器的影響，可能使聯(lián)軸器產(chǎn)生不平衡。聯(lián)軸器不平衡具有與質(zhì)量不平衡相似的振動特征，通常是聯(lián)軸器兩端軸承的振動較大，相位基本相同。二、轉(zhuǎn)子不對中轉(zhuǎn)子不對中通常是指相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。轉(zhuǎn)子不對中可分為聯(lián)軸器不對中和軸承不對中，聯(lián)軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。1、聯(lián)軸器不對中經(jīng)過分析可知，平行不對中時振動頻率為轉(zhuǎn)子工頻的兩倍。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。軸旋轉(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。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時，就有一個兩倍頻的附加徑向力作用于靠近聯(lián)軸器的軸承上，有一個同頻的附加軸向力作用于止推軸承上，從而激勵轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向振動。2、軸承不對中軸承不對中實(shí)際上反映的是軸承座標(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(bǔ)不對中的影響，但當(dāng)不對中過大時，會使軸承的工作條件改變，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加的力和力矩，甚至使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)和產(chǎn)生碰摩。軸承不對中使軸頸中心的平衡位置發(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)荷較輕的軸承容易失穩(wěn)。同時還使軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型發(fā)生改變。因此，不對中故障的特征是：●轉(zhuǎn)子徑向振動出現(xiàn)二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，不對中越嚴(yán)重，二倍頻所占比例越大；●相鄰兩軸承的油膜壓力反方向變化，一個油膜壓力變大，另一個則變?。弧竦湫偷妮S心軌跡為香蕉形，正進(jìn)動；●聯(lián)軸器不對中時軸向振動較大，振動頻率為一倍頻，振動幅值和相位穩(wěn)定；●軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定；●振動對負(fù)荷變化敏感。當(dāng)負(fù)荷改變時，由聯(lián)軸器傳遞的扭矩立即發(fā)生改變，如果聯(lián)軸器不對中，則轉(zhuǎn)子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。由于軸承座的熱膨脹不均勻而引起軸承不對中，使轉(zhuǎn)子的振動也要發(fā)生變化。但由于熱傳導(dǎo)的慣性，振動的變化在時間上要比負(fù)荷的改變滯后一段時間。三、轉(zhuǎn)子碰摩隨著機(jī)組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙的不斷縮小，以及運(yùn)行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等的影響，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子碰摩故障。從不同的角度，摩擦可分為徑向碰摩和軸向碰摩，局部摩擦和全周摩擦，早期、中期和晚期碰摩等。1、機(jī)理分析轉(zhuǎn)子碰摩是一個復(fù)雜的過程，從機(jī)理上分析，摩擦振動對轉(zhuǎn)子有以下三方面的影響：1）直接影響轉(zhuǎn)子運(yùn)動可分為自轉(zhuǎn)和進(jìn)動兩種形式。摩擦對自轉(zhuǎn)的影響在于附加了一個力矩，因此，在轉(zhuǎn)子原有力矩不變的條件下有可能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生波動。至于進(jìn)動，由于摩擦力的干預(yù)可能使正進(jìn)動轉(zhuǎn)化為反進(jìn)動，特別是全周摩擦，常常產(chǎn)生所謂的“干摩擦”現(xiàn)象，從而引起自激振動，影響轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行，甚至損壞機(jī)組。2）間接影響摩擦的作用使動靜部件相互抵觸，相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)子的支承條件，增大了系統(tǒng)的剛度，改變了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速及振型，且這種附加支承是不穩(wěn)定的，從而可能引起不穩(wěn)定振動及非線性振動。3）沖擊影響局部碰摩除了摩擦作用外還會產(chǎn)生沖擊作用，其直觀效應(yīng)是給轉(zhuǎn)子施加了一個瞬態(tài)激振力，激發(fā)轉(zhuǎn)子以固有頻率作自由振動。雖然自由振動是衰減的，但由于碰摩在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都產(chǎn)生沖擊激勵作用，在一定條件下有可能使轉(zhuǎn)子振動成為疊加自由振動的復(fù)雜振動。4）熱變形摩擦引起的熱變形可能引起轉(zhuǎn)子彎曲，加大偏心量，使振動增大。轉(zhuǎn)子碰摩的定量分析比較困難。一般來說，轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生摩擦?xí)r，轉(zhuǎn)子受到靜止件的附加作用力，它是非線性的和時變的，因此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非線性振動，在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富，不僅有工頻，還有高次和低次諧波分量。當(dāng)摩擦加劇時，這些諧波分量的增長很快。轉(zhuǎn)子徑向碰摩主要影響轉(zhuǎn)子的徑向振動，對轉(zhuǎn)子的軸向振動影響較小。但當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向碰摩時，除了對徑向振動產(chǎn)生影響外，由于軸向力的存在，使軸向位移和軸向振動增大，有時還會使級間壓力發(fā)生變化，造成機(jī)組效率的下降。此外，在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)生的摩擦對機(jī)組的影響是不同的。對于柔性轉(zhuǎn)子，在臨界轉(zhuǎn)速以下發(fā)生摩擦?xí)r，由于相位差小于90度，摩擦引起的熱變形將加大轉(zhuǎn)子的偏心，進(jìn)而發(fā)生轉(zhuǎn)子越摩越彎、越彎越摩的惡性循環(huán)，如果不緊急停機(jī)勢必造成大軸的永久彎曲。在臨界轉(zhuǎn)速以上發(fā)生摩擦?xí)r，由于相位差大于90度，摩擦引起的熱變形有抵消原始不平衡的趨向，如果摩擦輕微，可以迅速提升到工作轉(zhuǎn)速。在工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生輕微摩擦?xí)r，振動矢量逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子碰摩故障的特征：●轉(zhuǎn)子失穩(wěn)前頻譜豐富，波形畸變，軸心軌跡不規(guī)則變化，正進(jìn)動；●轉(zhuǎn)子失穩(wěn)后波形嚴(yán)重畸變或削波，軸心軌跡發(fā)散，反進(jìn)動；●輕微摩擦?xí)r同頻幅值波動，軸心軌跡帶有小圓環(huán)；●碰摩嚴(yán)重時，各頻率成分幅值迅速增大；●系統(tǒng)的剛度增加，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)展寬，各階振動的相位發(fā)生變化；工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨時間緩慢變化，相位逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。四、油膜振蕩不考慮非線性作用力的油膜振蕩的機(jī)理研究比較成熟，簡述如下：軸頸在軸承中轉(zhuǎn)動時受到油膜的擠壓力，當(dāng)用油膜的八個動力特性系數(shù)表示時，主要是指交叉剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù)引起的循環(huán)力和陀螺力。當(dāng)其切向分量大于阻尼力時轉(zhuǎn)軸將產(chǎn)生渦動，也就是說轉(zhuǎn)子一方面繞其軸心線高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為Ω，其軸心本身也在不穩(wěn)定地運(yùn)動。當(dāng)載荷較小，不考慮軸的變形時，可以證明：當(dāng)Ω大于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速時軸頸出現(xiàn)渦動，渦動頻率ω小于Ω/2。隨著轉(zhuǎn)速Ω上升，渦動頻率ω也隨著上升，當(dāng)渦動頻率接近轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速時（通常為軸系最低一階臨界轉(zhuǎn)速），產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為劇烈的振動現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。因此產(chǎn)生油膜振蕩的兩個必要條件是：●軸承的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速低于實(shí)際可能的轉(zhuǎn)速?！駲C(jī)組的一階臨界轉(zhuǎn)速低于實(shí)際可能的轉(zhuǎn)速的一半。油膜振蕩的特征是：●油膜振蕩一般發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)子?！裼傻诙€必要條件可知，油膜振蕩總是發(fā)生在機(jī)組工作轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的２倍以上。●油膜振蕩的頻率接近轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速再升高，其頻率基本不變。●油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子兩端軸承振動相位基本相同?！裼湍ふ袷帟r，振動的波形發(fā)生畸變。●油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，軸心軌跡正進(jìn)動?！裼湍ふ袷幍陌l(fā)生和消失具有突然性?！裼湍ふ袷巹×視r，能聽到周期性的吼聲。油膜振蕩對轉(zhuǎn)速和油溫的變化較敏感，一般當(dāng)機(jī)組發(fā)生油膜振蕩時，隨著轉(zhuǎn)速增加，振動不下降，隨著轉(zhuǎn)速降低，振動也不立即消失，稱為滯后現(xiàn)象；提高進(jìn)油溫度，振動有所降低。五、旋轉(zhuǎn)失速旋轉(zhuǎn)失速是壓縮機(jī)中最常見的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)壓縮機(jī)流量減少時，由于沖角增大，葉柵背面將發(fā)生流體分離，流道將部分或全部被堵塞。這樣失速區(qū)會以某速度向葉柵運(yùn)動的反方向傳播。實(shí)驗(yàn)表明，失速區(qū)傳播的相對速度低于葉柵轉(zhuǎn)動的絕對速度。因此觀察到的失速區(qū)沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向移動，故稱分離區(qū)這種相對葉柵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)失速。旋轉(zhuǎn)失速使壓汽機(jī)中的流動情況惡化，壓比下降，流量及壓力隨時間波動。在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)入口流量減少到某一值Qmin時，機(jī)組會產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)失速。強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)失速會進(jìn)一步引起整個壓縮機(jī)組系統(tǒng)的一種危險(xiǎn)性更大的不穩(wěn)定的氣動現(xiàn)象，即喘振。此外，旋轉(zhuǎn)失速時壓縮機(jī)葉片受到一種周期性的激振力，如旋轉(zhuǎn)失速的頻率與葉片的固有頻率相吻合，則將引起強(qiáng)烈振動，使葉片疲勞損壞造成事故。旋轉(zhuǎn)失速故障的識別特征：●振動發(fā)生在流量減小時，且隨著流量的減小而增大；●振動頻率與工頻之比為小于1的常值；●轉(zhuǎn)子的軸向振動對轉(zhuǎn)速和流量十分敏感；●排氣壓力有波動現(xiàn)象；●機(jī)組的壓比有所下降，嚴(yán)重時壓比突降。六、喘振旋轉(zhuǎn)失速嚴(yán)重時可以導(dǎo)致喘振，但二者并不是一回事。喘振除了與壓縮機(jī)內(nèi)部的氣體流動情況有關(guān)之外，還同與之相連的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作特性有密切的聯(lián)系。壓縮機(jī)總是和管網(wǎng)聯(lián)合工作的。為了保證一定的流量通過管網(wǎng)，必須維持一定壓力，用來克服管網(wǎng)的阻力。機(jī)組正常工作時的出口壓力是與管網(wǎng)阻力相平衡的。但當(dāng)壓縮機(jī)的流量減少到某一值Qmin時，出口壓力會很快下降，然而由于慣性作用，管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，于是，管網(wǎng)中的氣體壓力反而大于壓縮機(jī)的出口壓力，因此，管網(wǎng)中的氣體就倒流回壓縮機(jī)，一直到管網(wǎng)中的壓力下降到低于壓縮機(jī)出口壓力為止。這時，壓縮機(jī)又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機(jī)的流量增大，恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力又回到原來的壓力時，壓縮機(jī)的流量又減少，系統(tǒng)中的流體又倒流。如此周而復(fù)始產(chǎn)生了氣體強(qiáng)烈的低頻脈動現(xiàn)象—喘振。喘振故障的識別特征：●診斷對象為壓汽機(jī)組或其它帶長導(dǎo)管、容器的流體動力機(jī)械；●振動發(fā)生時，機(jī)組的入口流量小于相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最小流量；●振動的頻率一般在1─15Hz之內(nèi)；●機(jī)組及與之相連的管道都發(fā)生強(qiáng)烈振動；●出口壓力（壓力表）呈大幅度的波動；●機(jī)組的功率（表指針）呈周期性的變化；●振動時有周期性的吼叫聲。七、迷宮密封的氣流激振氣體在迷宮中流動是一種復(fù)雜的三維流動。當(dāng)轉(zhuǎn)子因撓曲、偏磨、安裝偏心或旋轉(zhuǎn)時的渦動運(yùn)動時，密封腔內(nèi)周向的間隙不均勻，即使密封腔內(nèi)入口處的壓力周向分布是均勻的，在該腔的出口處卻形成了不均勻的周向壓力分布，形成了一個作用于轉(zhuǎn)子上的合力，此力在與轉(zhuǎn)子偏心位移相垂直方向上的切向分力，就將激勵轉(zhuǎn)子作進(jìn)一步的渦動，成為轉(zhuǎn)子一個不穩(wěn)定的激勵力，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。失穩(wěn)時的頻率因不同的氣體狀態(tài)及迷宮幾何形狀而不相同。迷宮密封氣流渦動故障特征是：●渦動頻率一般為0.6─0.9倍工頻；●強(qiáng)振時激發(fā)轉(zhuǎn)子的一階固有頻率，表現(xiàn)為自激振動，頻帶較寬；●負(fù)荷存在一個“閥門值”，在其值附近可導(dǎo)致強(qiáng)烈振動；●振動的再現(xiàn)性強(qiáng)。八、松動非轉(zhuǎn)動部分配合松動是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障之一，其典型情況是軸承外殼以過大的間隙與軸承座配合，其它情況還有軸承座的松動，支座的松動，機(jī)架或灌漿的松動，地腳螺栓沒有擰