浅谈旋转机械故障机理及诊断技术

浅谈旋转机械故障机理及诊断技术

作者：张斌权

来源：《中国科技博览》2017年第32期

[摘 要]旋转机械是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及军事部门的关键设备。在现代生产系统中各设备之间的联系越来越紧密，由某个设备引发的故障可能引起连锁反应，导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作，造成巨大的经济损失。因此采集旋转机械信号，并通过各种分析方法及早地发现故障，以减小损失。基于此，本文针对旋转机械故障及诊断技术进行了简单的探讨。

[关键词]旋转机械；故障机理；诊断技术

中图分类号：TH103 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01 引言

旋转机械故障诊断是近年来国内外发展较快的一门新兴技术。大型旋转机械振动监测与诊断系统的研究与应用对于避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生有着重要意义。在故障诊断的发展过程中，人们发现最重要、最关键而且也最困难的问题就是故障特征信息提取。这是故障诊断中的瓶颈问题，直接关系到故障诊断的准确率和故障早期预报的可靠性。 1 不平衡故障及其诊断 1.1 故障机理

质量不平衡是大型旋转机械最为常见的故障。众所周知，旋转机械的转子由于受材料质量和加工技术等各方面的影响，转子上的质量分布相对于旋转中心线不可能做到“绝对平衡”，这就使得转子旋转时形成周期性的离心力的干扰，在轴承上产生动载荷，使机器发生振动。机组不平衡按发生过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。其中原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差及材质不均匀等原因造成的；渐发性不平衡是由于不均匀积灰造成的；突发性不平衡是由于转子上零件脱落造成的，机组振幅突然增大后稳定在一定水平上。

1.2 故障诊断

采用903数据采集器对SH811隧道烘梗丝机热风系统风机轴承进行定期测试，电机为37kW，转速为2950r/min，转频为49.1Hz。2016年1月16日测试中，发现风机轴承振动数据超标。水平方向振动值为25.4min/s，频谱显示在50Hz，频率出现异常峰值，其频率正好与风机轴转频相一致，诊断为风机转子不平衡。当时因生产忙，旧设备拆卸较困难，没有及时检查。2016年1月29日，突然该风机出现严重抖动，如同火车的轰隆声，情况紧急，立即用采

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集器采集频谱，水平方向振动值达到95mm/s，停机检查，发现风机扇叶上不均匀积垢厚达1cm，用铲子铲去积垢后再测试，水平振动值降为7.54mm/s。在诊断不平衡故障时，首先必须分析信号和频率成分，是否有突出的转频，其次看振动的方向特征，必要时再分析振幅随转速的变化情况或测量相位。 2 转子不对中故障及其诊断 2.1 故障机理

不对中是旋转机械最常见的故障之一。是由于设备安装或运转过程中多种原因引起的，联轴节的三种非标准连接状态是不对中故障的主要表现形式。不对中故障表现出的结果为机器的振动、联轴节的偏转、轴承的摩擦损伤、油膜失稳和轴的挠曲变形等故障问题。美国石油化工公司统计得到：机械故障的60%是由转子的不对中引起，因此需要重视这方面的故障分析。其主要原因有以下几点：一是设计对中考虑不够，及计算偏差；二是安装找正误差和对热态转子不对中量考虑欠佳；三是运行操作上超负荷运行和机组保温不良，轴系各转子热变形不一；四是机器基础、底座沉降不均使对中超差和软地脚造成对中不良；五是环境温度变化大，机器热变形不同。 2.2 故障诊断

某薄片生产线压辊电机是滑差电机，使用时转速为1200r/min，转频为20Hz，功率为7.5kW。在一次测试中，发现电相L轴承轴向振动超标为18.56mm/s，水平方向仅为2.9mm/s。采集轴向振动频谱图，发现一倍频、二倍频均出现异常峰值，时域波形显示明显的不对，判断为联轴器故障。检修联轴器，发现牙嵌式联轴器凸牙磨损严重，橡胶垫损坏。更换新件后，振动下降，一倍频、二倍频峰值已消失。但时域波形仍然存在问题，频谱成截头状，后经检查发现，电机端轴承外圈与轴承座因配合松动而引发摩擦所致。更换轴承后，频谱正常。

3 窝动故障机理及其诊断 3.1 故障机理

涡动是轴旋转时发生的一种自激振动，它既不具有自由振动的特征也不属于受迫振动的类型，它的特征是轴在轴承间表面为回转运动，这种振动并不是在转轴达到临界转速时发生，而是在较大范围内发生，并且与转轴本身的转速关系较少。

以圆柱滑动轴承为例，由于交叉刚度系数不等于零，油膜弹性力有使轴颈失稳的因素。在不同的工作转速下，其位置还随载荷大小而变，轨迹近似为一个半圆弧，称为平衡半圆，即轴承中轴颈中心的位置并不是沿着载荷作用方向移动，其位置与工作转速及载荷大小有关。对于受载条件一定的滑动轴承，当轴颈转速不太高时，即使受到一个偶然的外部干扰力的作用，轴颈仍回到平衡位置；轴颈转速升高达到一定数值后，一旦受到外部干扰力作用，轴颈便不能回

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到初始位置，而沿一近似椭圆的封闭轨迹涡动，或者沿某一极不规则的扩散曲线振荡，这就形成了轴承的失稳状态。 3.2 故障诊断

诊断涡动故障，一般是从振动频率是否接近转速之半来判别。振动频率接近转速频率之半的亚异步振动，不一定是油膜振荡引起的，另外一些故障也会引起类似的半频振动，如转子与静子间的局部摩擦、浮环密封被卡及叶轮中的气体激振。这就需要进行分析判断，以区别类似的半频振动：

第一，观察振动频率是否发生在转子的一阶自振频率上；其次，判别是否存在油膜的半速涡动，可在机器升降速过程中，测定各种转速下的涡动频率与转速频率之比，若为0.35-0.5，说明存在半速涡动，转子己处于失稳状态，一旦转速达到2倍临界转速，就会发生油膜振荡。随着转速升高，振动幅值不断增大，振动频率在1/2旋转频率以下，并且这个频率成分不随转速而变化，这是半速涡动的特征；第三，注意与转子过临界转速时振动的区别。由于油膜振荡是一种自激振动，其振动频率始终为转子的一阶自振频率，与升高后的转速无关，发生和消失是突然的，而转子过临界转速振动是逐渐增大的；第四，油膜涡动的频率与转子临界转速没有共振，振幅一般在40-100μm，油膜没有破坏，轴与瓦没有接触；第五，油膜振荡时的涡动频率f=n/l60（此时n等于转子第一临界转速），f与转子临界转速发生共振，振幅>1OOμm。有时高达700μm，油膜破坏，导致轴径与瓦撞击接触，轴心轨迹无规则。 结语

在进行旋转机械的故障诊断时，往往故障与征兆之间不完全是一一对应的关系，有时各种故障同时发生，使频谱图更加复杂。随着状态监测技术不断的发展，识别频谱图，已成为一种新的工程技术。正确掌握振动标准也是一项重要的工作，除了采用绝对的国际标准外，企业还应根据不同设备的情况建立一套相对标准，即将测量值与初始值相比较作出判断。总之，正确判断故障，识别频谱图，不仅需要掌握相关振动学方面的知识，还要对所测的设备非常了解，认真听取现场操作人员、修理技术人员的意见后，才能得到符合实际情况的诊断结果。 参考文献

[1] 曹梅.浅谈旋转机械的故障诊断[J].设备管理与维修，2006，01：39-41. [2] 胡秀琴.旋转机械故障诊断技术研究[D].电子科技大学，2011.