机械故障诊断技术6旋转机械故障诊断

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1、第六章旋转机械故障诊断6．1旋转机械振动的动力学特征及信号特点6.1.1转子特性转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴及固定装上的各类盘状零件（如：叶轮、齿轮、联轴节、轴承等）所组成。从动力学角度分析，转子系统分为刚性转子和柔性转子。刚性转子：转动频率低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子，如电动机、中小型离心式风机等。柔性转子：转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为柔性转子，如燃气轮机转子。在工程上，我们也把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临界转速。当代的大型转动机械，为了提高单位体积的做功能力，一般均将转动部件做成高速运转的柔性转子

2、(工作转速高于其固有频率对应的转速)，采用滑动轴承支撑。由于滑动轴承具有弹性和阻尼，因此，它的作用远不止是作为转子的承载元件，而且已成为转子动力系统的一部分。在考虑到滑动轴承的作用后，转子——轴承系统的固有振动、强迫振动和稳定特性就和单个振动体不同了。柔性转子的临界转速由于柔性转子在高于其固有频率的转速下工作，所以在起、停车过程中，它必定要通过固有频率这个位置。此时机组将因共振而发生强烈的振动，而在低于或高于固有频率转速下运转时，机组的振动是一般的强迫振动，幅值都不会太大，共振点是一个临界点。故此，机组发生共振时的转速也被称之为临界转速。转子

3、的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有关。实际情况表明：带有一个转子的轴系，可简化成具有一个自由度的弹性系统，有一个临界转速；转轴上带有二个转子，可简化成二个自由度系统，对应有二个临界转速，依次类推。其中转速最小的那个临界转速称为一阶临界转速nc1，比之大的依次叫做二阶临界转速nc2、三阶临界转速nc3。工程上有实际意义的主要是前几阶，过高的临界转速已超出了转子可达的工作转速范围。临界转速的变动为了保证大机组能够安全平稳的运转，轴系转速应处于该轴系各临界转速的一定范围之外，一般要求：刚性转子n<0.75nc1柔性转子1.4nc1

4、0.7nc2式中，nc1、nc2分别为轴系的一阶、二阶临界转速。机组的临界转速可由产品样本查到或在起停车过程中由振动测试获取。需指出的是，样本提供的临界转速和机组实际的临界转速可能不同，因为系统的固有频率受到种种因素影响会发生改变。设备故障诊断人员应该了解影响临界转速改变的可能原因。一般地说，一台给定的设备，除非受到损坏，其结构不会有太大的变化，因而其质量分布、轴系刚度系数都是固定的，其固有频率也应是一定的。但实际上，现场设备结构变动的情况还是很多的，最常遇到的是换瓦，有时是更换转子，不可避免的是设备维修安装后未能准确复位等等，都会影响到临界

5、转速的改变。多数情况下，这种临界转速的改变量不大，处在规定必须避开的转速区域内，因而被忽略。6．1．2转子—轴承系统的稳定性转子系统的稳定与失稳：转子——轴承系统的稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定的。若响应随时问增加，则转子系统就失稳了。油膜涡动与油膜振荡：在瓦隙较大的情况下，转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致使油膜合力与载荷不能平衡，就会引起油膜涡动。油膜涡动是一种比较典型的失稳。机组的稳定性能在很大程度上取决于

6、滑动轴承的刚度和阻尼。当系统具有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。反之系统具有负阻尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡。油膜涡动与油膜振荡都是油膜承载压力波动的反映，表现为轴的振动。（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件①只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上。在半润滑轴承上不发生。②油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。（2）油膜涡动与油膜振荡的信号特征①油膜涡动的振动频率随转速变化，与转频保持f=（0.43～0.48）fn。②油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化。③两者的振动随油温变化明显。（3）油膜涡动与油膜振

7、荡的振动特点①油膜涡动的轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双椭圆，较稳定。②油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。（4）消除措施①设计时使转子避开油膜共振区；②增大轴承比压，减小承压面；③减小轴承间隙；④控制轴瓦预负荷，降低供油压力；⑤选用抗振性好的轴承结构；⑥适当调整润滑油温；⑦从多方面分析并消除产生的因素。6.1.3转子的不平衡振动机理旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致

8、使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。静不平衡：偏心距较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦阻力矩，表现为某一点始终恢复到水平放置的转子下部，其偏心力矩小于