旋转机械故障诊断3.pptx

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1、第六章 旋转机械故障诊断1 1第六章 旋转机械故障诊断61 旋转机械振动的动力学特征(tzhng)及信号特点611 转子(zhun z)特性何谓(hwi)旋转机械主要运动由旋转运动来完成的机械汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机核心：转轴组件转子、轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器滑动轴承、滚动轴承；支座、定子、机座；密封、密封装置第一页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2 2第二页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3 3第三页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4 4单圆盘转子(zhun z)的临界转速re A O 01r/ecC A m O O k y x 由上式中解出x和y,并求得振幅

2、(zhnf)r。圆盘圆盘(yun pn)(yun pn)惯性力惯性力 轴弹性力轴弹性力 偏心的离心力偏心的离心力第四页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断5 5re A O C A m O O k y 第五页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断6 6第六页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断7 7第七页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断8 8第八页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断9 9第九页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1010第十页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1111结论结论(jiln)1(jiln)1由圆盘质量偏心的不平衡响应产生两种运动，一是圆盘以角速度 绕自己轴心的

3、自转，一是轴心以角速度 绕圆盘的静挠曲线的涡动。若无阻尼（），当 时，振幅趋于无限大。由于(yuy)实际中存在阻尼，此时振幅会达到一个有限的峰值。第十一页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1212结论(jiln)2转轴的涡动频率与质量偏心引起的激振力频率相同，即和转动频率相同；涡动振幅(zhnf)的相位和激振力的相位差在 时，涡动向量滞后激振力向量090，当 时，为90180。，相位差为180，即质心位与原点与轴心之间。第十二页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1313与没有阻尼的相比，有阻尼的情况下，临界转速下转子的振幅将随阻尼增加而减少。同时，随阻尼的增大，临界转速的数字将有所增加，但

4、增加量很小。临界转速时，振幅滞后于激振力90。临界转速就是转子系统的偏心(pinxn)质量在转动过程中形成的激振力与转子系统发生共振时的转速。第十三页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1414结论(jiln)2 红色为质量(zhling)偏心矢量，黑色为涡动位移矢量第十四页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1515结论(jiln)3在一定的转速下，振幅与激振力的幅值成正比，振幅向量滞后与激振力的相位角不变。这就是刚性转子(zhun z)加平衡的理论依据。第十五页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1616临界转速What？当转子转速达到某一数值后，振动就大得使机组无法继续工作，即所谓临界转

5、速现象？转子在临界转速下会发生剧烈振动大小？临界转速数值上一般等于转子横向振动的固有频率。大小决定于转子的结构（质量(zhling)和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)形式？一个实际的转子往往有多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等特点？每一阶临界转速下，转子有一个对应的振型第十六页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1717影响临界转速的因素支承刚度只有在支承完全不变形的条件下，支点才会在转子运动过程中保持不动。考虑支承的弹性变形时，就相当于弹簧与弹性转轴相串联。支承与弹性转轴串联后，总的弹性刚度要低于转轴本身的弹性刚度，使转子的临界转速降低。回转力矩(l j)转子的轴线与

6、支点的连线有夹角，会产生回转力矩(l j)，也称陀螺力矩(l j)。正进动时，回转力矩(l j)可以提高转子的刚度，临界转速增大；反进动时，降低转子的刚度，临界转速减小。组合转子组合系统中各转子的各阶临界转速高于单个转子。第十七页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1818支承刚度(n d)对临界转速的影响 小 支承(zh chn)刚度 大临界(ln ji)转速 0K支承刚度降低，临界转速随之下降支承刚度降低，临界转速随之下降第十八页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断1919单转子的临界(ln ji)转速和振型单转子的临界(ln ji)转速和振型650MW发电机转子(zhun z)n1=60

7、4 r/minn2=1840 r/minn3=4651 r/min多自由度转子有多个临界转速和相应的振型多自由度转子有多个临界转速和相应的振型第十九页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2020多转子(zhun z)轴系的临界转速和振型200MW汽轮(q ln)发电机组高压转子(zhun z)中压转子(zhun z)低压转子(zhun z)发电机转子(zhun z)第二十页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2121多转子轴系的临界(ln ji)转速和振型200MW汽轮汽轮(q ln)发电机组发电机组轴系轴系 发电机转子型发电机转子型n1=1002 r/min中压转子型中压转子型n2=1470

8、 r/min高压转子型高压转子型n3=1936 r/min低压转子型低压转子型n4=2014 r/min发电机转子型发电机转子型n5=2678 r/min高压转子(zhun z)中压转子(zhun z)低压转子(zhun z)发电机转子(zhun z)轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。第二十一页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2222转子系统分类刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下判别依据：一般工作转速6000r/min 的机械系统属于(shy)柔性转子系统亚同步振动：振动频率 工作频率自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产

9、生的共振现象第二十二页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2323两种转子系统振动(zhndng)特点比较刚性系性系统柔性系柔性系统振振动特点特点强迫振强迫振动自激振自激振动激振原因激振原因由于外部激振力或激振位移引起的由于外部激振力或激振位移引起的在振在振动过程中，由于系程中，由于系统内内部有能量部有能量输入入而引起的而引起的频率率与与工作工作频率的率的关关系系振振动频率率=工作工作频率率（同步振（同步振动）振振动频率率 工作工作频率率（亚同步振同步振动）频率率与与转速速变化的化的关关系系振振动频率率随随转速速变化而化而变化，呈比例化，呈比例关关系系振振动频率在一定范率在一定范围内内可能存在

10、某可能存在某种种比例比例关关系，但超系，但超过一定范一定范围后后则主要主要与与转子的子的一一阶自振自振频率有率有关关振幅振幅与与转速速变化的化的关关系系振幅振幅随随转速增加而增加，速增加而增加，达达到到临界界转速速时振幅出振幅出现峰峰值，然后，然后则随随转速之速之增加而增加而减减小，小，趋于某定于某定值随随转速的速的变化振幅有突化振幅有突发变化的可能（增化的可能（增大或大或减减小）小）阻尼的影阻尼的影响响阻尼阻尼对临界界转速无影速无影响响，但，但对共振峰共振峰的高低有的高低有较大影大影响响对频率及振幅影率及振幅影响响不大不大第二十三页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2424旋转(xunzh

11、un)机械故障分类第二十四页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2525旋转机械故障原因分类(fn li)设计原因设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动/自激振动结构不合理，应力集中设计工作转速接近或落入临界转速区热膨胀量计算不准，导致热态不对中制造原因零部件加工制造不良，精度不够零件材质不良，强度不够，制造缺陷转子动平衡不符合技术要求第二十五页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2626旋转机械故障原因分类安装/维修的原因机械安装不当，零部件错位，预负荷大轴系对中不良机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当转子长期放置不当，改变了动平衡精度操作运行的原因工艺参数(如介质的温度

12、、压力、流量、负荷)偏离设计值转速接近或落入临界转速区润滑(rnhu)或冷却不良启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长第二十六页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2727旋转机械故障原因分类机器劣化的原因长期运行，转子的挠度增大或动平衡劣化转子局部损坏、脱落或产生裂纹零部件磨损、点蚀或腐蚀配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度机器基础(jch)沉降不均匀，机器壳体变形第二十七页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2828振动的分类横向振动：振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动轴向振动：振动发生在转轴轴线

13、z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动扭转振动：沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振产生扭转振动的根本原因是旋转(xunzhun)机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩方向来回变化。yxz0最简单的转子系统第二十八页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断2929旋转机械典型(dinxng)故障分析转子不平衡的故障机理与诊断(zhndun)不对中故障机理与诊断(zhndun)油膜轴承的故障机理与诊断(zhndun)旋转失速与喘振故障机理与诊断(zhndun)动静件摩擦的故障机理与诊断(zhndun)转子支承部件松动的故障机理与诊断(zhndun)转轴裂纹的故障机理与

14、诊断(zhndun)第二十九页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3030转子(zhun z)不平衡故障机理与诊断故障原因分析制造时几何尺寸不同心、材质不均安装方式不好，如用斜键等轴水平放置太久，或受热不均，造成永久或暂时变形工作中的液、固杂质或腐蚀，使转子不对称磨损或不对称沉积(chnj)零件配合过松，旋转时间隙变大，造成偏心旋转机械旋转机械(jxi)故障诊断故障诊断转子不平衡转子不平衡第三十页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3131不平衡(pnghng)的原因 转子转子机械损伤机械损伤污染物堆积污染物堆积轴弯曲轴弯曲(wnq)轴孔偏离中心轴孔偏离中心 风扇风扇机械损伤机械损伤污染物堆积

15、污染物堆积轴孔偏离轴孔偏离(pinl)中心中心 齿轮齿轮机械损伤机械损伤轴孔偏离中心轴孔偏离中心第三十一页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3232不平衡(pnghng)的原因 滑轮滑轮/槽轮槽轮机械损伤机械损伤(snshng)(snshng)琐丝太大琐丝太大轴孔偏离中心轴孔偏离中心 飞轮机械损伤偏心孔轴孔偏离(pinl)中心 轴轴轴弯曲不规则加工第三十二页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3333不平衡(pnghng)的原因 叶轮叶轮机械损伤机械损伤(snshng)腐蚀腐蚀 联轴器联轴器 机械损伤机械损伤(snshng)轴孔偏离中心轴孔偏离中心 电气绕组电气绕组 铜线分布不均第三十三页，

16、共50页。第六章 旋转机械故障诊断3434不平衡(pnghng)的原因铸造铸造(zhzo)缺陷缺陷 热膨胀热膨胀由于每个部件热膨由于每个部件热膨胀率不同影响转子胀率不同影响转子(zhun z)平衡平衡轴孔太大轴孔太大第三十四页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3535不平衡的种类按发生不平衡的过程可分为：原始不平衡渐发性(f xn)不平衡突发性(f xn)不平衡按机理可分为：静不平衡偶不平衡动不平衡旋转旋转(xunzhun)机械故机械故障诊断障诊断转子不平衡转子不平衡静静不平衡不平衡偶不平衡偶不平衡=静不平衡静不平衡(pnghng)(pnghng)+偶不平衡偶不平衡(pnghng)(pngh

17、ng)第三十五页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3636故障机理(j l)如下图所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产生不平衡交变的力(方向、大小周期性变化)会引起振动转子转动一周，离心力方向改变一次。因此，不平衡振动的频率与转频相一致。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡F（t）te c(a)转子系统MFsint y(t)ck(b)振动模型第三十六页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3737无阻尼时，O、O、G三点成一直线实际转子总存在阻尼工作介质、轴承油膜的黏性阻尼，滑动面之间的摩擦阻尼，轴材料不完全弹性的内摩擦阻尼，转子轴承系统因变形能耗(n

18、n ho)产生的结构阻尼阻尼力与速度成正比，力的方向与速度方向相反旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡第三十七页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断3838旋转机械旋转机械(jxi)故障诊断故障诊断转子不平衡转子不平衡设：偏心距设：偏心距e，转子质量，转子质量M，轴刚度，轴刚度k，阻尼系数，阻尼系数c，转速，转速(zhun s)n（r/min），角速度），角速度=2n/60，离心力，离心力F=Me2，分解为两方向的力为：，分解为两方向的力为：两力相差(xin ch)90，y方向的振动方程为：归一化后：其中：阻尼系数自振角频率 第三十八页，共50页。第六章 旋转机

19、械故障诊断3939故障(gzhng)机理旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡上式的通解(tngji)为：公式第一部分为瞬态解，是衰减的自由振动，很快消失；公式第二部分为稳态解，是强迫振动：第三十九页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4040故障(gzhng)机理旋转机械旋转机械(jxi)故障诊断故障诊断转子不平衡转子不平衡 H()-幅频响应函数，表示(biosh)振幅Y随频率比/n的变化而变化的放大系数，当/n 1时出现共振峰。()-相频响应函数其中：第四十页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4141阻尼对转子(zhun z)临界转速的影响旋转机械故障诊断旋

20、转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡不敏感不敏感(mngn)转子转子阻尼小阻尼小阻尼大阻尼大转速转速振幅振幅阻尼对临界转速无影阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的高响，但对共振峰的高低有较大影响低有较大影响第四十一页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4242转子(zhun z)不平衡故障的频谱特征振动幅值与转速平方成正比工频的1倍频能量较大同一平面x,y振动相位差90转子(zhun z)不平衡故障的时域特征呈现为类似简谐振动的波形由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的影响，实际的信号不会是标准的正弦波旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平

21、衡第四十二页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4343正向(zhn xin)进动：轴转向与轴心轨迹转向一致不平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等逆向进动：轴转向与轴心轨迹转向相反干摩擦等少数情况下发生旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡转子不平衡的轴心轨迹轴在各个方向上刚度有差别，所以转子轴心轨迹通常(tngchng)为椭圆从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动同步采集H方向V方向第四十三页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4444转子不平衡与转速的关系当n，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当工作转速一定时，相位稳定旋

22、转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡第四十四页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4545诊断实例1某大型离心式压缩机组蒸汽透平经检修更换转子后，机组启动时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅达到报警(bo jng)值，机器不能正常运行。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡压缩机振动(zhndng)特征第四十五页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4646诊断实例1振动特征分析时域波形为正弦波频域中能量集中于1频，有突出的峰值，高次谐波分量较小轴心轨迹为椭圆进动(jn dn)方向为同步正进动(jn dn)振动大小随转速升降变化明显

23、诊断意见：强烈振动的原因是振动不平衡处理措施：监护运行生产验证在加强监测的前提下维持运行，其振动趋势稳定，没有增大的趋势维持运行一个大修周期后，下次大修发现动平衡严重超标原因：转子库存时间较长，转子较重，未按规定周期盘转旋转旋转(xunzhun)机械故机械故障诊断障诊断转子不平衡转子不平衡第四十六页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4747诊断实例2某52万吨/年尿素装置CO2压缩机组低压缸转子，大修后开车振动值正常，但在线监测(jin c)系统发现其振动值有逐步增大的趋势。旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡CO2压缩机渐变不平衡振动(zhndng)特征第四

24、十七页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4848诊断实例2振动特征分析(fnx)时域波形为正弦波频谱图中，以1频为主分析(fnx)其矢量域图，相位有一缓慢变化诊断意见：故障原因为渐变不平衡，是由于转子流道结垢或局部腐蚀造成的处理措施：监护运行生产验证6个月后大修时检查到转子并不弯曲目测无结垢和腐蚀现象拆卸检查后发现一轴套内侧发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐增大旋转机械故障诊断旋转机械故障诊断转子转子(zhun z)不平衡不平衡第四十八页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断4949转子不平衡故障的特征小结时域为类似正弦波的振动波形振动能量主要集中在工频的1倍频轴心轨迹为椭圆，并为正进动方向主要表现为径向振动同一(tngy)平面X、Y方向振动相位差90振动幅值随转速升高而迅速增大振动幅值不随负荷的增大而增大旋转机械旋转机械(jxi)故障诊断故障诊断转子不平衡转子不平衡第四十九页，共50页。第六章 旋转机械故障诊断5050谢 谢！第五十页，共50页。