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1、转子系统的故障机理及其诊断技术1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等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成。旋转机械故障是指机械的功能失常，即其动态性能恶化，不符合技术要求。例如机械运行失稳，机械发生异常振动和噪声，机械的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机械发生故障的原因不同，所产生的信息也不一样，根据机械特有的信息，可以对机械故障进行诊断。但是机械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，往往是多种故障耦合结果，所发对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。旋转机
2、械的主要功能是由旋转动作写成的，转子是最主要的部件。旋转机械发生故障诊断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、频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。因此，了解与掌握转子系统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故障诊断的准确度具有重要的理论意义和实际的工程价值。2转子系统的故障机理2.1转子不平衡故障机理转子不平衡包括转子的质量偏心及转子部件出现缺损。转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材质不均匀等原因造成的,称此为初始不平衡。转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用,使转子的零部件(如叶轮、叶片等)
3、局部损坏、脱落,碎块飞出等,造成的新的转子不平衡。设转子的质量为M,偏心质量为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零,具有挠度为a,如图2.1所示。由于偏心质量m和偏心距e的存在,当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转速度有关,即F=meω2。众所周知,交变的力(方向、大小均周期性变化)会引起振动,这就是不平衡引起振动的原因。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速相一致。实际工程中,由于轴的各个方向上刚度有差别,特别是由于支承刚度各向不同,因而转子对不平衡的响应在x,y方向不仅振幅不
4、同,而且相位也不是90度,因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆,表2.1是转子发生不平衡时的故障特征。表2.1转子不平衡的振动特征特征频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进给方向矢量区域1X稳定径向稳定椭圆正进动不变1.1转子不对中故障机理机组各转子之间由联轴器联接构成轴系,传递运动和转矩,由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等,造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差,统称为转子不对中,转子系统机械故障的60%是由不对中引起的"具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应,如引起机器联轴器
5、偏转、轴承机器发生异常振动,危害极大。刚性联轴器连接的转子对中不良时,由于强制连接所产生的力矩,不仅使转子发生弯曲变形,而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同,其变形和受力情况也不一样,如图2.2所示用刚性联轴器连接的转子不对中时,转子往往是既有轴线平行位移,又有轴线角度位移的综合状态,转子所受的力既有径向交变力,又有轴向交变力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之,间的摩擦而产生的相对滑动,使转子产生自激旋转振动,而且当主动转子按一定转速旋转时,从动转子的自激旋转转速会产生周期性变动,每转动一周变动两次,因而其振动频率为转子转动频率的两倍。由刚性
6、联轴器连接的转子不对中时,其故障特征如表2.2所示2.2.3转子与静止件摩擦的故障机理在高速旋转机械中,为了提高机器效率,往往把密封间隙、轴承间隙做得较小,以减少气体和润滑油的泄漏。但是,小间隙除了会引起流体动力激振之外,还会发生转子与静止部件的摩擦"例如,轴的挠曲、转子不平衡!转子与静止件热膨胀不一致、气体动力作用、密封激励力作用以及转子对中不良等原因引起的振动,轻者发生密封件摩擦损伤,重者发生转子与静止件的摩擦碰撞,引起严重的机器损伤事故。此外,轴承中也会发生干摩擦或半干摩擦,这种摩擦有时是不明显的,并不是明显故障,机器未停机拆检之前找不出异常振动原因。因此,必须了解转子与
7、静止件摩擦激振的故障特征,以便于及时作出诊断,防止重大事故发生。转子与静止件发生摩擦有两种情况:一种是转子在涡动过程中轴颈或转子外缘与静止件接触而引起的径向摩擦;另一种是转子在轴向与静止件接触而引起的轴向摩擦。当转子在涡动时与静止件发生接触瞬间,转子刚度增大;被静止件反弹后脱离接触,转子刚度减小,并且发生横向自由振动(大多数按一阶自振频率振动)。因此,转子刚度在接触与非接触两者之间变化,变化的频率就是转子的涡动频率。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起,就会产生一些特有的、复
