1第三章 旋转机械故障诊断第三章 旋转机械故障诊断2 2什么是旋转机械l旋转机械是指依靠转子旋转运动进行工作的机器，在结构上必须具备最 基本的转子、轴承等零部件。l典型的旋转机械：各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、汽轮机 、涡轮发动机、电动机、离心机。l用途：l在大型化工、石化、压缩电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产 中的关键设备l炼油厂催化工段的三机组或四机组l大化肥装置中的四大机组或五大机组l乙烯装置中的三大机组l电力行业的汽轮发电机组、泵和水轮机组l钢铁部门的高炉风机和轧钢机组第三章 旋转机械故障诊断3 3大型气轮机外形及转子第三章 旋转机械故障诊断4 4第三章 旋转机械故障诊断5 5第三章 旋转机械故障诊断6 6学习本章的目的l目的：l研究旋转机械的故障机理l了解它们的故障类型和信息特征l故障的诊断和处理方法，从中积累知识和经验。l本章主要介绍内容l应用振动信号进行旋转机械诊断的方法由于旋转机械故障的多样性和故障因果关系的复杂很多相似的故障现象并不一定源于 同一故障原因，在现场进行故障诊断时，还需要利用动信号之外更多的信息，对机 器的振动特点，运行参数的变化以及设计、安装、维修、操作中带来的多种因素进 行综合分析，才能作出较为符合实际的诊断结论。第三章 旋转机械故障诊断补充1：转子振动的类型l由于旋转机械的结构、零部件加工、安装方面的缺陷，使得机器在运 行时引起振动。l横向振动l过大的横向振动往往是机器损坏主要原因，所以成了振动监测的 主要对象，也是机组状态判断的主要依据l刚性转子l运行转速低于一阶横向（固有）频率，如常见的电动机转子l柔性转子l运行转速高于一阶横向（固有）频率，如常见的燃气轮机转子、压缩机转子l轴向振动l扭转振动第三章 旋转机械故障诊断补充：转子振动的类型转子振动的类型l自激振动l由外部条件变化（如喘振、流体激励等）引发的自身振动，其振 动频率为系统自身的固有振动频率 。l自激振动的形成却依赖于初始振动的存在，若没有初始振动，就 没有可以反馈的信号，系统不能“起振”l这种振动常常在某个转速下突然发生，因此对旋转机械具有极大 的危害性。l对环境条件的变化十分敏感，机器的微小差异，其稳定性可能具 有极大的差异油膜振荡 机床切削颤振 琴弦的振动（提琴、胡琴）摩擦引起上满发条的钟第三章 旋转机械故障诊断 补充2：转子振动的测量1、 常 用 的 测 量 仪 器 频 谱 分 析 仪 数 据 采 集 器 振 动 传 感 器 示 波 器2、 测 量 单 位 及 检 测 类 型 位移（Pk-Pk）：适合于低频范围 速度（Rms, Pk）：适合于中频段 加 速 度（ Pk ）：适合于高频段第三章 旋转机械故障诊断测振传感器（一次仪表）分类l1.测振传感器的作用l把被测对象的机械振动量（d，v，a）在要求的范围内准确地接收下来，并把它们转变成电信号输出。l2.测振传感器的分类(按所测参数形式分)l位移传感器l速度传感器l加速度传感器第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器性能l3.三类传感器的频率特性与动态范围比较l(1)加速度传感器的频响特性与动态范围最宽（10-20KHz）l(2)速度传感器一般在101000Hzl(3) 位移传感器从理论上可到0.1 10000Hz，一般在2kHz以下第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器位移传感器l4. 电涡流式位移传感器l1) 特点：非接触l2) 适用范围：l旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动)l3)优点：la. 线性度好、频率范围宽(DC-10000Hz)；lc. 线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变；ld. 能长时间连续可靠的工作；le. 长距离传输抗干扰能力强；lf. 能在油、气及某些化学成分介质中工作。l4)结构类型la. 变间隙型电涡流传感器；lb. 变面积型电涡流传感器。第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器位移传感器l5)原理：l在传感器的端部有一线圈，线圈通以高频(一般1 2MHz)的交变电流。当线圈平面靠近一导体面时，穿过 导体的磁通量随时间而变化，在导体表面感应出电涡 流，涡流产生的磁通又穿过原线圈。l所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的 线圈，互感的大小与线圈离导体表面的间隙有关。第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器位移传感器l6)被测物体尺寸及材料对测量性能的影响la尺寸的影响l当被测物体为圆柱，且传感器中心线垂直于被测物体 轴线，要求：lD3d（d为探头头部直径）如果Dd，灵敏度会下降 70左右。lb. 表面加工质量的影响l不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测 表面的粗糙度Ra要求在0.40.8m之间（磨或抛光）lc. 材料的影响l当被测物体为导磁材料（如普通钢）时，由于磁效应 和涡流效应同时存在，且磁效应与涡流效应相反，会 抵消一部分涡流效应，使灵敏度变低。第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器位移传感器l7)涡流传感器的 安装la.探头间的距 离lb.探头与安装 面的距离第三章 旋转机械故障诊断 5.2.3 测振传感器位移传感器第三章 旋转机械故障诊断 测振传感器位移传感器l9)使用时的注意事项l安装时要注意平均间隙的选取，即平均间隙加上振动间 隙(总间隙)应处于传感器的线性范围内，否则会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性中点。l选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。第三章 旋转机械故障诊断 测 绝 对 振 动 测 相 对 振 动补充：振 动 的 测 试 方 式第三章 旋转机械故障诊断测 点 位 置 的 选 取 三 个 方 向 设 测 点 给测点位置作记号 设备表面的处理 尽 量 靠 近 轴 承 测量部位应选在设备上对振动敏感的部 分。一般都把轴承处选为主要测点，把 机壳、箱体、基础的部位选作辅助测点第三章 旋转机械故障诊断对于低频振动，一般应在水平、垂直和轴向三个方向测量 ；对于高频振动，只需在一个方向（径向）测量。其原因 在于低频信号的方向性较强，而高频信号方向不敏感数字序列从驱动器非驱动侧的轴承座开始，赋予其数字 001，朝着被驱动设备进行数字排列，直到第一根轴线的 最后一个轴承测 点 编 号 原 则第三章 旋转机械故障诊断武钢大型厂加热助燃风机机组 l该机组由直流电机和风机两部分组成，其中风机为单轴悬 臂结构，支撑部位采用滚动轴承，与电机采用直连方式 第三章 旋转机械故障诊断 补充3：旋转机械振动评定标准l目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态，根据所使用的传感器种类分为：l轴承振动评定：利用接触式传感器（如压电式振动加速度传感器）放置在轴承座上进行测量l轴振动评定：利用非接触式（如涡流式传感器）测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。l评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方根值，它代表了振动能量的大小）来表示。第三章 旋转机械故障诊断 旋转机械振动评定标准l1、以轴承振动位移峰峰值作为评定标准l特点：转速低时，允许的振动值大，转速高时，允许 的振动值小。l原因：同样的振动值，高速机组比低速机组更易出现 故障转速 r/min标准/um 优良合格 1500305070 30002030501959年水电部颁发的电力工业技术管理法规 关于汽轮机组轴承的振动标准 要求机组垂直、水平和轴向均满足该标准第三章 旋转机械故障诊断 旋转机械振动评定标准l“轴承振动位移峰峰值评定标准”存在的问题：l在制定上述标准时，假设：l机组振动为单一频率的正弦波振动l轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此， 可用轴承振动来代表转子振动l轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本相等，即各向 同性l实际与假设不尽相符，所测得的振动多数是由多种频率 的振动合成的； 轴承座水平刚度明显低于垂直刚度； 转子振动和轴承座振动的比值在250倍，它和轴承类 型、间隙、油膜特性等有关。l因此，为了全面反映机组的振动情况，必须制定其他的振 动标准。第三章 旋转机械故障诊断 旋转机械振动评定标准l2、以轴承振动烈度作为评定标准l国际标准化组织ISO3945给出了用振动烈度评定功率大于300KW，转速为600-12000 转的大型原动机和其他具有旋转质量的大型机器振动特性的国际标准。l如电动机和发电机、蒸气轮机和燃气轮机、涡轮压缩机等轴承振动烈度 Vrms/(mm/s)支承分类刚性柔性0.46好好0.711.711.8良2.8良4.6及格及格7.111.218.0不可 用28.0不可用45.0刚性支承是指机器支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率第三章 旋转机械故障诊断 旋转机械振动评定标准l振动烈度是振动速度的均方根值（有效值） ；l振动烈度值与信号所含的能量关系密切，受频率变化的影 响较小，对机组常发生的非表面损伤类故障或渐进性故障 比较敏感。l计算：振动由几个不同频率的简谐振动所合成，由频谱分 析可知，加速度、速度或位移幅值（aj、vj、Aj， j=1,2,n）是角速度j的函数。根据加速度幅值aj 、位 移幅值Aj或速度幅值vj ，可计算出振动速度的均方根值： 第三章 旋转机械故障诊断旋转机械振动评定标准l3、以轴振动的位移峰峰值作为评定标准l在轴承座上测量机组的振动较为方便，然而机组转子的振 动要通过油膜传到轴承座，所测得的振动幅值受油膜刚度 和轴承刚度的影响，因此，直接测量转轴的振动值以判断 转子的振动特性将能更确切地反映振动的实质。l以上振动标准不能机械套用，还应结合机组的振动趋势综 合考虑，如长期振动较小的机组或测点，当其振动值增加 但还未超过振动标准时，这也是故障征兆，应给予足够的 重视。振动 标准 um转速 6000轴上150100504420国际电工委员会IEC推荐的汽轮机振动标准第三章 旋转机械故障诊断2828主要内容l转子不平衡故障诊断l转子不对中故障诊断l滑动轴承故障诊断l转子摩擦故障诊断l浮动环密封故障诊断l第三章 旋转机械故障诊断29293.1 转子不平衡故障诊断l3.1.1 转子不平衡概念l定义：转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量 中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期 性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象l把产生离心力的原因旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做不平衡l由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。l事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”，总是存在微量的不平衡 ，因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分(或称工频)，但不 发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明 显的振动 第三章 旋转机械故障诊断30303.1 转子不平衡故障诊断l一个带有薄圆盘的刚性转子支承在跨度为1的两个轴承上。l假定转子系统没有阻尼，转子的质量为m，质心M距旋转中心O的距离为 e(称为偏心距)，旋转角速度为 ，转子产生的离心力为第三章 旋转机械故障诊断31313.1 转子不平衡故障诊断l圆盘质量为10kg.盘子的质量偏心距为0. 2rnm.当转速为6000时.不平衡 质量所产生的离心力的大小为l该力在轴承上每转变化一次，足以引起转子轴承系统的振动 第三章 旋转机械故障诊断32323.1 转子不平衡故障诊断3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响 一、临界转速的动力特性 l临界转速是一种由不平衡离心力引起的共振现象l在临界转速下.转子出现很大的弯曲变形，并且作弓状回旋运动又称“涡 动”或“进动”)。弯曲变形后的转子质量中心远离轴承中心线.离心力将大大 增加，增大的离心力又将促使转子产生更大的变形，如此相互加剧.不平衡 离心力得到了极大的放大。机器产生剧烈振动。l工作转速范围: （i为临界转速的阶数)。 第三章 旋转机械故障诊断33333.1 转子不平衡故障诊断l转子运动的力学模型lO为轴承