1、第5章 旋转机械的振动监测与故障诊断,5.1 概述5.2 旋转机械振动监测参数与分析5.3 旋转机械典型故障的机理和特征5.4 旋转机械振动故障诊断示例,5.1 概述,5.1.1 振动的几种类型旋转机械的主要构成部件：转子、轴承、定子或壳体、连轴器等等。高速旋转机械：转速范围一般为几千r/min至几十万r/min；低速机组：转速100r/min。振动类型：横向振动、轴向振动和扭转振动三类。刚性转子：运行转速低于其一阶横向自振频率柔性转子：运行转速高于本身的一阶横向自振频率,5.1.2 转子的临界转速在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高于其横向
2、固有频率。强迫振动(同步振动)：振动频率为转子的回转频率及其倍频；振动的振幅，在转子的临界转速前，随着转速的增加而增大，超过临界转速，则随转速的增加而减小，在临界转速处，有一共振峰值。自激振动(亚同步振动)：振动频率低于转子的回转频率。常在某个转速下(大于临界转速)突然发生，具有极大的危害性。,5.1.3 旋转机械振动评定标准,(1) 轴承振动评定 接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器) 。 (2) 轴振动值评定 非接触式传感器(例如涡流式传感器) 。评定参数 振动位移峰-峰值和振动烈度(即均方根值) 。,1. 轴承振动评定标准-位移峰-峰值,表5-1 水电部1959
3、年颁发的电力工业技术管理法规中关于汽轮发电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。,表5-2为机械部关于离心鼓风机和压缩机技术条件中规定的轴承振动标准。,表5-3为国际电工委员会IEC推荐的汽轮机振动标准。,2轴承振动评定标准-振动烈度,假设：(1) 机组振动为单一频率的正弦波振动；(2) 轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，可利用轴承振动代表转子振动；(3) 轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等。ISO3945振动标准: 功率大于300kW，转速为60012000r/min,5.2 旋转机械振动监测参数与分析,1动态参数(1)振幅 位移、速度或加速度(2)振动烈度
4、(3)相位,5.2.1 监测参数,1动态参数(1)振幅 位移、速度或加速度(2)振动烈度 (3)相位,2静态参数,(1) 轴心位置 在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈中心的位置。(2) 轴向位置 机器转子上止推环相对于止推轴承的位置。(3) 差胀 旋转机械中转子与静子之间轴向间隙的变化值。(4) 对中度 轴系转子之间的连接对中程度。(5) 温度 轴瓦温度反映轴承运行情况。(6) 润滑油压 滑动轴承油膜的建立情况。,5.2.2 旋转机械故障振动分析,1.常态频域分析 (1)振动频率 线性系统中振动的频率等于激振力的频率；系统出现非线性刚度，振动频率中有激振频率的高次谐波。汽轮机由于不平衡引起的
5、振动,(2)多重频率,转速为800r/min的大型水泵的振动频谱。频率54.4Hz(413.6)是叶片与水撞击形成的,(3)脉冲激发,当机器受到冲击载荷时，机器就会按其固有频率进行振动，如果机器中零件的缺陷比较严重，则此固有频率还被缺陷的重复频率f1所调制而产生边频。 a)脉冲激发 b)振动谱图,(4)拍,当两种振动频率相近且幅值相等时，迭加起来就会产生拍：,(5)频率和差规律,时域信号形成拍并且单边削平时，功率谱图上各个谱峰的中心频率等于两个频率的和或差值。,例 转子安装偏心，定子输出波形削平,设y0(t)为转子的输入波形，y(t)为定子的输出波形， y1为干涉距离当转子轴颈与定子轴承接触并
6、一起振动时，相当于 y0(t) y1时 y(t) y0(t) 当转子与定子脱开后,即 y0(t) y1时 y(t) y1,1定子轴承；2转子轴颈；实线轴承与轴颈一起振动；虚线轴承与轴颈分开,频域分析和时域识别相结合,有些特征能够在时域信息中表现出来，却不能在频谱图中明显地反映出来。,a) , b) 汽轮发电机组中电机振动的时域曲线与频谱c), d) 轴弯曲或不对中产生的振动时域曲线与频谱,(6)轴心轨迹,转子在轴承中高速旋转时不只围绕自身中心旋转，因不平衡、对中不良、动静摩擦等，转子还环绕某一中心作涡动运动。,燃气轮机转子运转时的轴心轨迹Av振幅垂直分量(m)； AH振幅水平分量(m)；1垂直
7、分量； 2水平分量,2.暂态频域分析,暂态过程：机械系统的起停过程，对暂态过程进行频域分析常采用三种图形。（1）波德(Bode)图 机器振幅与频率、相位与频率的关系曲线；（2）极坐标图(Nyquist图) 幅频特性曲线和相频特性曲线综合在极坐标上； （3）瀑布图 在不同转速下振动的功率谱图的迭置，纵坐标是机器的转速和幅值，转速自零到额定转速，横坐标是频率。,波德(Bode)图,1) 各个转速下的振幅和相位； 2) 共振频率(或临界转速值) 由振幅峰值和相位偏移时的转速判断； 3) 慢滚动向量； 4) 阻尼系统的放大系数; 5) 系统的阻尼.,极坐标图(Nyquist图),瀑布图,5.3 旋转机
8、械典型故障的机理和特征,5.3.1 转子不平衡原因：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。转子不平衡故障：转子质量不平衡、转子初始弯曲、转子热态不平衡、转子部件脱落、转子部件结垢、联轴器不平衡等。,1.转子质量不平衡,转子的质量不平衡所产生的离心力作用在转子上，振动频率就是转子的转速频率(工频)。 (1)刚性转子 离心力：F=mr2 (r为偏心质量)振动随转速增大而增大，但不一定与转速平方成正比。,(2) 揉性转子,1）转子稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，转动频率的高次谐波幅值很低，在临界转速处达到最大值，转子不平衡故障
9、的突出表现为一倍频振动幅值大。,2)表示转子各横截面中心位移的复数向量相角不同，轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕oz轴转动。 3) 水平方向刚度较小，振动幅值较大，使轴心轨迹成为椭圆形，并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的枞树形。,转子轴线形状示意图 转子不平衡故障谱图,2.转子初始弯曲不平衡,转子弯曲：各横截面的几何中心连线与旋转轴线不重合；质量不平衡：各横截面的质心连线与其几何中心连线存在偏差；二者都会使转子产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。 初弯转子与质量不平衡转子的振动特征相似，初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于初弯值。,3.转子热态不平衡,机组启动、停机，热交换速度
10、差异，转子横截面产生不均匀的温度分布，发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡。热弯曲引起的振动与负荷有关；机组稳态运行，温度趋于均匀，振动会逐渐减小。,4.转子部件脱落,部件脱落引起转子不平衡部件脱落的主要特征是振动会突然发生变化而后趋于稳定，振动的幅值一般会有较明显的增大。,5.转子部件结垢,转子的动叶和静叶表面积累尘垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。结垢需要相当长的时间，振动是随着年月逐渐增大的。通流条件变差，轴向推力增加，轴向位移增大，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。,6.联轴器不平衡,由于制造、安装的偏差或者动平衡时未考虑联轴器的影响，可能使联轴器产生不平衡。联轴器不平衡具有与质量
11、不平衡相似的振动特征，通常是联轴器两端轴承的振动较大，相位基本相同。,5.3.2 转子不对中,转子不对中：相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。联轴器不对中平行不对中偏角不对中平行偏角不对中轴承不对中,1. 联轴器不对中,(1)平行不对中 当转子轴线之间存在径向位移时，联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副，不能相对转动，产生滑动而作平面圆周运动，即中间齿套的中心是沿着以径向位移y为直径作圆周运动。,平行不对中振动特征设 A为主动转子的轴心投影， B为从动转子的轴心投影 K为中间齿套的轴心 AK、BK为中间齿套与主动轴、 从动轴的连线， AK垂直BK设AB长为D，K点坐标为K(x,y)
12、，取为自变量，则有,对 求导，得 dxDcos(2 )d ， dy-Dsin(2) dK点的线速度为由于 中间齿套平面运动的角速度等于转轴的角速度，即 d/dt =， 所以 K点绕圆周中心运动的角速度 k=2Vk/D=2 当转子高速运转时，产生很大的离心力，激励转子产生径向振动，其振动频率为转子工频的两倍。,(2)偏角不对中,从动转子与主动转子的角速度的关系： 21 cos/(1sin2 cos21) 式中， 1 、 2分别为主、从动转子的角速度， 为从动转子的偏斜角，1为主动转子的转角。从动转子每转动一周其转速变化两次，变化范围为 1 cos 2 1 / cos偏角不对中使联轴器附加一个弯矩
13、，力图减小两轴中心线的偏角。轴旋转一周，弯矩作用方向交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。,(3)平行偏角不对中,各转子轴线之间既有径向位移又有偏角位移；当转子运转时，有一个2倍频的附加径向力作用于靠近联轴器的轴承上，还有一个同频的附加轴向力作用于止推轴承上；转子发生径向和轴向振动。,2. 轴承不对中,轴承座标高和左右位置的偏差不对中的存在加大了轴承在水平方向和垂直方向上刚度和阻尼的差别。不对中过大时，会使轴承的工作条件改变，使转子产生附加的力和力矩，甚至使转子失稳和产生碰摩。轴承不对中使轴颈中心的平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配。负荷大的轴承油膜呈现非
14、线性，在一定条件下出现高次谐波振动，负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡。支承负荷的变化还使轴系的临界转速和振型发生改变。,3不对中故障的特征,(1)转子径向振动出现2倍频，以1倍频和2倍频分量为主，不对中越严重，2倍频所占比例越大； (2)相邻两轴承的油膜压力反方向变化，一个油膜压力变大，另一个则变小； (3)典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动； (4)联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为1倍频，振动幅值和相位稳定； (5)轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定； (6)振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发生改变，振动值随负荷的增大而增高；由于温
15、度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化。,5.3.3 转子碰摩,径向碰摩：转子外缘与静止件接触而引起的摩擦；轴向碰摩：转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦；转子碰摩故障原因：间隙小，不平衡、不对中、热弯曲等的影响，,1摩擦振动对转子的影响,(1)直接影响 附加了一个力矩，使转子转速发生波动。 使正进动转化为反进动；全周摩擦产生干摩擦引起自激振动。(2)间接影响 摩擦抵触，增加了转子的支承条件，增大了系统的刚度，改变了转子的临界转速及振型。(3)冲击影响 局部碰摩是摩擦作用与瞬态激振力，激发转子以固有频率作自由振动。(4)热变形 摩擦引起的热变形 引起转子弯曲
16、，加大偏心量，使振动增大。,转子碰摩振动频谱,转子发生摩擦时，附加作用力是非线性的和时变的，产生非线性振动，在频谱图上不仅有工频，还有高次和低次谐波分量。转子径向碰摩影响转子的径向振动，对转子的轴向振动影响较小。轴向碰摩时，对径向振动产生影响，轴向力还使轴向位移和轴向振动增大，可能使级间压力发生变化。,a) 波形 b) 频谱 c)轴心轨迹,2转子碰摩故障的特征,(1)转子失稳前频谱丰富，波形畸变，轴心轨迹不规则变化，正进动； (2)转子失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散，反进动； (3)轻微摩擦时同频幅值波动，轴心轨迹带有小圆环； (4)碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大； (5)系统的刚
17、度增加，临界转速区展宽，各阶振动的相位发生变化； (6)工作转速下发生的轻微摩擦振动，其振幅随时间缓慢变化，相位逆转动方向旋转,5.3.4 油膜振荡,1.半速涡动分析油膜的承载力与外载荷平衡时，轴颈处于平衡位置；当转轴受到某种外来扰动时，轴颈中心就会在静平衡位置附近发生涡动，其振动频率约为转子回转频率的一半。,假设油在轴承中无端泄；AB、 CD处截面流入油楔的流量之差等于因轴心涡动引起收敛楔隙内流体容积的增加率，即 式中，r为轴颈半径；b为轴承宽度；c为轴承间隙；e为轴心偏心距；为轴颈转动角速度；s为轴颈涡动角速度。,2.油膜振荡现象,转速升高，半速涡动角速度将随之增加，总保持着约等于转动速度
18、之半的比例关系。当转轴转速升到稍高第一阶临界转速的2倍以后，半速涡动速度与转轴的第一阶临界转速相重合即产生共振，表现为强烈的振动现象。油膜振荡一旦发生之后，就将始终保持约等于转子一阶临界转速的涡动频率，而不再随转速的升高而升高，在图上出现一个“平台”。,图中均表明了随转速 变化的正常转动、半速涡动和油膜振荡的三个阶段。a)：失稳转速在一阶临界转速之前；b)：失稳转速在一阶临界转速之后；c)：失稳转速在2倍临界转速之后，降速时油膜振荡消失的转速要比升速时发生油膜振荡的转速低，表现出油膜振荡的一种“惯性”现象。,2油膜振荡故障的特征,(1)油膜振荡总是发生在转速高于转子系统一阶临界转速的2倍以上；
19、振荡频率接近转子的一阶临界转速，即转速再升高，其频率基本不变；(2)油膜振荡时，转子的挠曲呈一阶振型。 (3)油膜振荡时，振动的波形发生畸变， 在工频的基波上叠加了低频成分，有 时低频分量占主导地位;(4)油膜振荡时，轴心轨迹轴心轨迹发 散呈花瓣形，正进动；,(5)油膜振荡的发生和消失具有突然性，并具有惯性性；(6) 油膜破坏，振荡停止；油膜恢复，振荡再发生；(8)油膜振荡对转速和油温的变化较敏感；(9)轴承载荷越小或偏心率越小，越易发生油膜振荡。,3. 防止油膜振荡的措施,（1）消除油膜振荡的诱发因素 1)改善转子的平衡状态，限制振幅放大因子； 2)消除转子不对中故障，限制低次谐波分量； 3
20、)消除动静间隙不均匀，限制非线性激振力。（2）改变轴承参数 1)提高轴承比压； 2)降低润滑油粘度；（3）选择合适的轴承形式各种轴承的稳定性从优到劣可按下列次序排列：可倾瓦、偏置三油叶、对称三油叶、椭圆、三油楔、圆柱轴承。（4）增加转子系统刚度，提高转子系统的临界转速。,5.3.5 其他常见典型故障,1转轴裂纹 (1)各阶临界转速较正常时要小；(2) 转子的共振转速扩展为一个区；(3) 一阶分量的分散度大；(4)转速超过临界转速后，各高阶谐波振幅较未超过时小；(5)恒定转速下，各阶谐波幅值1X，2X和3X及其相位不稳定；(6) 转子动平衡发生困难,2旋转失速,识别特征：(1)旋转失速发生在压气
21、机上；(2)振动幅值随出口压力的增加而增加；(3)振动发生在流量减小时；振动频率与工频之比为小于1；(4)转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；(5)一般排气端的振动较大；排气压力有波动现象；(6)机组的压比有所下降，严重时压比突降。,3. 喘振,识别特征：(1)诊断对象为压气机组或其它带长导管、容器的流体动力机械； (2)振动发生时，机组的入口流量小于相应转速下的最小流量；(3)振动的频率一般在010Hz之内；(4)机组及与之相连的管道都发生强烈振动；(5)有倒流现象；(6)出口压力大幅度的波动；(7)机组的功率周期性的变化；(8)振动前有失速现象；(9)振动时有周期性的吼叫声；(10)机组的
22、工作点在喘振区(或附近)。,4迷宫密封的气流激振,(1)涡动频率一般为0.60.9倍工频的亚同步振动； (2)轴心轨迹呈椭圆形，正进动； (3)强振时有可能激发转子的一阶自振频率，频带较宽； (4)转速存在一个“阈值”，在其值附近可导致强烈振动； (5)负荷也存在一个“阈值”，在其值附近可导致强烈振动； (6)一般在转子不平衡、不对中、偏心时易发生。,5不均匀气流涡动,(1)振动频率为0.60.9倍工频；(2)转子有偏心弯曲造成的间隙不均；(3)振动对气流压力、流量的改变非常敏感；(4)负荷存在一个“阈值”，在其值附近可导致剧烈振动；(5) 气流涡动常发生在气流压力高的转子上。,6. 转子内壁
23、吸附液体,失稳角速度t高于临界角速度c，但小于它的两倍，即c t 2 c ；涡动是正向的，其频率等于临界转速。,5.4 旋转机械振动故障诊断示例,5.4.1 H型离心压缩机转子-定子碰摩振动故障1.机组简况,2. 机组启动时振动故障 正常情况下LP3轴承处转子振动最大可达4145m，检修后再次启动机组时，振动达325m以上，居高不下。3. 振动数据采集及信号处理振动状态有突变，即有跳跃现象发生，转子振动呈现两种状态：(1)不稳定同频振动状态,(2)1/2分频振动状态 波形畸变，波峰时大时小。振动小时轨迹为双圆套在一起，随振动加大逐渐分开，呈8字形，轨迹明显变长，即一个方向振动大，另一方向较小。
24、,4. 故障诊断,突出征兆是分频振动。产生分频振动的候选故障集主要有4种可能的故障：支承系统、碰摩、流体动力和分频谐振；第3、4种可以排除；从相位特征看，振动从高振幅陡降时相位变化720，即从反进动变为正进动，说明高振幅时为反进动，所以工频振动应是碰摩，从而可初推论(1/2)分频振动也是碰摩产生的。,5.4.2 某船用汽轮机振动故障的诊断,1. 机组结构及故障概况高压汽轮机工作转速为6900r/min。当高压汽轮机转速在5200 r/min以下时，机组运行正常，高低压缸前、后轴承的振动幅值均小于10m；当转速升至6200 r/min左右时，高压缸后轴承突然起振，振幅(单峰值)达40m；当转速升
25、至6900 r/min时， 振幅达到60m，超过允 许振动值。,2. 现场测试及分析,(1)振动具有明显的突发性，起振前振动很小(3m)，起振后振动很大(40m)；(2)起振后随着转速升高振幅值也升高；(3)起振转速与进气方式有关，在部分进气时一般为58606180r/min，而在全周进气时，起振转速推迟，直到67806900 r/min左右才起振；(4)频谱分析，振动为低频 振动，振动主导频率约为 40Hz。,3. 故障诊断,进行转子临界转速及失稳转速的计算，排除多种故障原因后，分析该机组轴承的长径比为0.69，比压为5.91kgf/cm2，比压偏低。经理论计算，其失稳转速为2121 r/min，可见该轴承的稳定性较差。断定该机组的振动是由于油膜涡动而发展为油膜振荡。消除振动最有效的措施是采用减小长径比，提高轴承比压(改变间隙和油温都作过试验，效果不大)。,
