转子系统的故障机理及诊断技术

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1、145第六章转子系统的故障机理及诊断技术第一节概述旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，统称为机器。旋转机械故障是指机器的功能失常，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运行失稳，机器发生异常振动和噪声，机器的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所生产的信息也不一样，根据机器特有的信息，可以对机器故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障因素耦合结果

2、，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患者的治疗。医生基于病理需要向患者询问病、病史。切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机器大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析。例如，对于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一部分；而流体机械的负

3、荷变化，以及介质的温度、压力和流量等，对机器的运行状态有重要的影响，往往是造成机器发生异常振动和运行失稳的重要因素。因此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。旋转机械的故障来源及其主要原因，见表6-1。表6-1旋转机械故障的来源及主要原因故障来源主要原因设计、制造1）设计不当，动态特征不良，运行时发生强迫振动或自激振动2）结构不合理，有应力集中3）工作

4、转速接近或落入临界转速区4）运行点接近或落入运行非稳定区5）零部件加工制造不良，精度不够6）零件材质不良，强度不够，有制造缺陷7）转子动平衡不符合技术要求安装、维修1）机器安装不当，零部件错位，预负荷大2）轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）3）机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当4）管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特征和安装精度5）转子长期放置不当，破坏了动平衡精度1451451）安装或维修过程破坏了机器原有的配合性质和精度运行操作1）机器在非设计状态下运行（如超速转、超负荷或低负荷运行），改变了机器工作特性2）润滑或冷却

5、不良3）旋转体局部损坏或结垢4）工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不当，机器运行失稳5）启动、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长故障来源主要原因机器劣化1）长期运行，转子挠度增大2）旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹3）零、部件磨损、点蚀或腐蚀等4）配合面受力劣化，生产过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度5）机器基础沉降不均匀，机器壳体变形第二节转子振动的基本概念旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子是其主要的部件。旋转机械发生故障的重要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从幅值域、；频率域和时间

6、域实时地反映了机器故障信息。因此，了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确度具有重要的理论意义和实际工程应用价值。一、转子振动的基本特征转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支撑。该模型称为刚性支撑的转子，对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然不够精确，担仍能明确、形象的说明转子振动的基本特性。

7、一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支撑点在同一水平线上。设转子上的圆盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形，但由于静变形较小，对于转子运动的影响不显著，可以忽略不计，即仍认为圆盘的几何中心O’与轴线AB上O点相重合，如图6-1（课本92页）。当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度，其向径为r。此时，转子有两种运动：一种是转子自身的转动，即圆盘绕其轴线AO’B的转动；另一种是弓形转动，即弯曲的轴心线AO’B与轴承联线AOB组成的平面绕AB轴线的转动。145145圆盘的

8、质量以m表示，他所受的力是转子的弹性恢复力F(6-1)式中k为转子刚度系数，r=OO’。圆盘的运动微分方程为（6-2）令则