動設(shè)備轉(zhuǎn)子常見故障分析

旋轉(zhuǎn)機械的常見故障有很多，包括不平衡、不對中、軸彎曲和熱彎曲、油膜渦動和油膜振蕩、蒸汽激振、機械松動、轉(zhuǎn)子斷葉片與脫落、摩擦、軸裂紋、旋轉(zhuǎn)失速與喘振、機械偏差和電氣偏差等。

1　不平衡

不平衡是各種旋轉(zhuǎn)機械中普遍存在的故障。

引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因是多方面的，如轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、機械加工質(zhì)量偏差、裝配誤差、材質(zhì)不均勻、動平衡精度差；運行中聯(lián)軸器相對位置的改變；轉(zhuǎn)子部件缺損，如：運行中由于腐蝕、磨損、介質(zhì)不均勻結(jié)垢、脫落；轉(zhuǎn)子受疲勞應(yīng)力作用造成轉(zhuǎn)子的零部件（如葉輪、葉片、圍帶、拉筋等）局部損壞、脫落，產(chǎn)生碎塊飛出等。

2　不對中

轉(zhuǎn)子不對中通常是指相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。

轉(zhuǎn)子不對中可分為聯(lián)軸器不對中和軸承不對中。聯(lián)軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。平行不對中時振動頻率為轉(zhuǎn)子工頻的兩倍。偏角不對中使聯(lián)軸器附加一個彎矩，以力圖減小兩個軸中心線的偏角。

軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向就交變一次，因此，偏角不對中增加了轉(zhuǎn)子的軸向力，使轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生工頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向振動。軸承不對中實際上反映的是軸承座標(biāo)高和軸中心位置的偏差。

軸承不對中使軸系的載荷重新分配。負(fù)荷較大的軸承可能會出現(xiàn)高次諧波振動，負(fù)荷較輕的軸承容易失穩(wěn)，同時還會使軸系的臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。

3　軸彎曲和熱彎曲

軸彎曲是指轉(zhuǎn)子的中心線處于不直狀態(tài)。轉(zhuǎn)子彎曲分為永久性彎曲和臨時性彎曲兩種類型。

轉(zhuǎn)子永久性彎曲是指轉(zhuǎn)子的軸呈永久性的弓形，它是由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理、制造誤差大、材質(zhì)不均勻、轉(zhuǎn)子長期存放不當(dāng)而發(fā)生永久性的彎曲變形，或是熱態(tài)停車時未及時盤車或盤車不當(dāng)、轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定性差、長期運行后軸的自然彎曲加大等原因所造成。

轉(zhuǎn)子臨時性彎曲是指轉(zhuǎn)子上有較大預(yù)負(fù)荷、開機運行時的暖機操作不當(dāng)、升速過快、轉(zhuǎn)軸熱變形不均勻等原因造成。

轉(zhuǎn)子永久性彎曲與臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障的機理是相同的。轉(zhuǎn)子不論發(fā)生永久性彎曲還是臨時性彎曲，都會產(chǎn)生與質(zhì)量偏心情況相類似的旋轉(zhuǎn)矢量激振力。

4　油膜渦動和油膜振蕩

油膜渦動和油膜振蕩是滑動軸承中由于油膜的動力學(xué)特性而引起的一種自激振動。

油膜渦動一般是由于過大的軸承磨損或間隙、不合適的軸承設(shè)計、潤滑油參數(shù)的改變等因素引起的。根據(jù)振動頻譜很容易識別油膜渦動，其出現(xiàn)時的振動頻率接近轉(zhuǎn)速頻率的一半，隨著轉(zhuǎn)速的提高，油膜渦動的故障特征頻率與轉(zhuǎn)速頻率之比也保持在一個定值上始終不變，常稱為半速渦動。

油膜渦動和油膜振蕩是兩個不同的概念，它們之間既有區(qū)別，又有著密切的聯(lián)系。

當(dāng)機器出現(xiàn)油膜渦動，而且油膜渦動頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時就會發(fā)生油膜振蕩。油膜振蕩只有在機器運行轉(zhuǎn)速大于二倍轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的情況下才可能發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至二倍臨界轉(zhuǎn)速時，渦動頻率非常接近轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，因此產(chǎn)生共振而引起很大的振動。通常一旦發(fā)生油膜振蕩，無論轉(zhuǎn)速繼續(xù)升至多少，渦動頻率將總保持為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率。

轉(zhuǎn)子發(fā)生油膜振蕩時一般具有以下特征：

①時間波形發(fā)生畸變，表現(xiàn)為不規(guī)則的周期信號，通常是在工頻的波形上面疊加了幅值很大的低頻信號；

②在頻譜圖中，轉(zhuǎn)子的固有頻率ω0處的頻率分量的幅值突出；

③油膜振蕩發(fā)生在工作轉(zhuǎn)速大于二倍一階臨界轉(zhuǎn)速的時候，在這之后，即使工作轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，其振蕩的特征頻率基本不變；

④油膜振蕩的發(fā)生和消失具有突然性，并帶有慣性效應(yīng)，也就是說，升速時產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速要高于降速時油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速；

⑤油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子的渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向相同，為正進(jìn)動；

⑥油膜振蕩劇烈時，隨著油膜的破壞，振蕩停止，油膜恢復(fù)后，振蕩又再次發(fā)生。如此持續(xù)下去，軸頸與軸承會不斷碰摩，產(chǎn)生撞擊聲，軸承內(nèi)的油膜壓力有較大的波動；

⑦油膜振蕩時，其軸心軌跡呈不規(guī)則的發(fā)散狀態(tài)，若發(fā)生碰摩，則軸心軌跡呈花瓣狀；

⑧軸承載荷越小或偏心率越小，就越容易發(fā)生油膜振蕩；

 ⑨油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子兩端軸承振動相位基本相同。

5　蒸汽激振

蒸汽激振產(chǎn)生的原因通常有兩個，一是由于調(diào)節(jié)閥開啟順序的原因，高壓蒸汽產(chǎn)生了一個向上抬起轉(zhuǎn)子的力，從而減少了軸承比壓，因而使軸承失穩(wěn)；二是由于葉頂徑向間隙不均勻，產(chǎn)生切向分力，以及端部軸封內(nèi)氣體流動時所產(chǎn)生的切向分力?使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了自激振動。

蒸汽激振一般發(fā)生在大功率汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子上，當(dāng)發(fā)生蒸汽振蕩時，振動的主要特點是振動對負(fù)荷非常敏感，而且振動的頻?與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率相吻合。在絕大多數(shù)情況下（蒸汽激振不太嚴(yán)重）振動頻率以半頻分量為主。

在發(fā)生蒸汽振蕩時，有時改變軸承設(shè)計是沒有用的，只有改進(jìn)汽封通流部分的設(shè)計、調(diào)整安裝間隙、較大幅度地降低負(fù)荷或改變主蒸汽進(jìn)汽調(diào)節(jié)汽閥的開啟順序等才能解決問題。

6　機械松動

通常有三種類型的機械松動。

第一種類型的松動是指機器的底座、臺板和基礎(chǔ)存在結(jié)構(gòu)松動，或水泥灌漿不實以及結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)的變形。

第二種類型的松動主要是由于機器底座固定螺栓的松動或軸承座出現(xiàn)裂紋引起。

第三種類型的松動是由于部件間不合適的配合引起的，這時的松動通常是軸承蓋里軸承瓦枕的松動、過大的軸承間隙或者轉(zhuǎn)軸上的葉輪存在松動。這種松動的振動相位很不穩(wěn)定，變化范圍很大。松動時的振動具有方向性，在松動方向上，由于約束力的下降，將引起振動幅度加大。

7　轉(zhuǎn)子斷葉片與脫落

轉(zhuǎn)子斷葉片、零部件或垢層脫落的故障機理與動平衡故障是相同的。其特征如下：

①振動的通頻振幅在瞬間突然升高；

②振動的特征頻率為轉(zhuǎn)子的工作頻率；

③工頻振動的相位也會發(fā)生突變。

 8　摩擦

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件接觸時，就會發(fā)生動、靜部分的徑向摩擦或軸向碰摩。這是一個嚴(yán)重的故障，它可能會導(dǎo)致機器整個損壞。在摩擦產(chǎn)生時通常分為兩種情況：

第一種是部分摩擦，此時轉(zhuǎn)子僅偶然接觸靜止部分，同時維持接觸僅在轉(zhuǎn)子進(jìn)動整周期的一個分?jǐn)?shù)部分，這通常對于機器的整體來說，它的破壞性和危險性相對比較?。?/p>

第二種，特別是對于機器的破壞性效果和危險性來說就是更為嚴(yán)重的情況了，這就是整周的環(huán)狀摩擦，有時候也稱為“全摩擦”或“干摩擦”，它們大都在密封中產(chǎn)生。在整周環(huán)狀摩擦發(fā)生時，轉(zhuǎn)子維持與密封的接觸是連續(xù)的，產(chǎn)生在接觸處的摩擦力能夠?qū)е罗D(zhuǎn)子進(jìn)動方向的劇烈改變，從原本是向前的正進(jìn)動變成向后的反進(jìn)動。

摩擦的危害性很大，即使轉(zhuǎn)軸和軸瓦短時間摩擦也會造成嚴(yán)重后果。

9　軸裂紋

轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的原因多是疲勞損傷。旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子如果設(shè)計不當(dāng)（包括選材不當(dāng)或結(jié)構(gòu)不合理）或者加工方法不妥，或者是運行時間超長的老舊機組，由于應(yīng)力腐蝕、疲勞、蠕變等，會在轉(zhuǎn)子原本存在誘發(fā)點的位置產(chǎn)生微裂紋，再加上由于較大而且變化的扭矩和徑向載荷的持續(xù)作用，微裂紋逐漸擴展，發(fā)展成為宏觀裂紋。

原始的誘發(fā)點通常出現(xiàn)在應(yīng)力高而且材料有缺陷的地方，如軸上應(yīng)力集中點、加工時留下的刀痕、劃傷處、材質(zhì)存在微小缺陷（如夾渣等）的部位等。

在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋的初期，其擴展的速度比較慢，徑向振動的幅值增長也比較小。但裂紋的擴展速度會隨著裂紋深度的加深而加速，相應(yīng)的會出現(xiàn)振幅迅速增大的現(xiàn)象。尤其是二倍頻幅值的迅速上升和其相位的變化往往可以提供裂紋的診斷信息，因此可以利用二倍頻幅值和相位的變化趨勢來診斷轉(zhuǎn)子裂紋。

10　旋轉(zhuǎn)失速與喘振

旋轉(zhuǎn)失速是壓縮機中常見的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)壓縮機流量減少時，由于沖角增大，葉柵背面將發(fā)生邊界層分離，流道將部分或全部被堵塞。這樣失速區(qū)會以某速度向葉柵運動的反方向傳播。

實驗表明，失速區(qū)的相對速度低于葉柵轉(zhuǎn)動的絕對速度。因此，我們可以觀察到失速區(qū)沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向以低于工頻的速度移動，故稱分離區(qū)這種相對葉柵的旋轉(zhuǎn)運動為旋轉(zhuǎn)失速。

旋轉(zhuǎn)失速使壓縮機中的流動情況惡化，壓比下降，流量及壓力隨時間波動。在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)入口流量減少到某一值時，機組會產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)失速。強烈的旋轉(zhuǎn)失速會進(jìn)一步引起整個壓縮機組系統(tǒng)的一種危險性更大的不穩(wěn)定的氣動現(xiàn)象，即喘振。此外，旋轉(zhuǎn)失速時壓縮機葉片受到一種周期性的激振力，如旋轉(zhuǎn)失速的頻率與葉片的固有頻率相吻合，則將引起強烈振動，使葉片疲勞損壞造成事故。

旋轉(zhuǎn)失速嚴(yán)重時可以導(dǎo)致喘振，但二者并不是一回事。喘振除了與壓縮機內(nèi)部的氣體流動情況有關(guān)之外，還同與之相連的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作特性有密切的聯(lián)系。

壓縮機總是和管網(wǎng)聯(lián)合工作的，為了保證一定的流量通過管網(wǎng)，必須維持一定壓力，用來克服管網(wǎng)的阻力。機組正常工作時的出口壓力是與管網(wǎng)阻力相平衡的。但當(dāng)壓縮機的流量減少到某一值時，出口壓力會很快下降，然而由于管網(wǎng)的容量較大，管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，于是，管網(wǎng)中的氣體壓力反而大于壓縮機的出口壓力，因此，管網(wǎng)中的氣體就倒流回壓縮機，一直到管網(wǎng)中的壓力下降到低于壓縮機出口壓力為止。

這時，壓縮機又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機的流量增大，恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力又回到原來的壓力時，壓縮機的流量又減少，系統(tǒng)中的流體?倒流。如此周而復(fù)始產(chǎn)生了氣體強烈的低頻脈動現(xiàn)象——喘振。

喘振故障的識別特征：

①產(chǎn)生喘振故障的對象為氣體壓縮機組或其它帶長管道、容器的氣體動力機械；

②喘振發(fā)生時，機組的入口流量小于相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的流量；

③喘振時，振動的幅值會大幅度波動；

④喘振?，振動的特征頻率一般在1～15Hz之內(nèi)；與壓縮機后面相聯(lián)的管網(wǎng)及容器的容積大小成反比；

⑤機組及與之相連的管道等附著物及地面都發(fā)生強烈振動；

⑥出口壓力呈大幅度的波動；

⑦壓縮機的流量呈大幅度的波動；

⑧電機驅(qū)動的壓縮機組的電機電流呈周期性的變化；

⑨喘振時伴有周期性的吼叫聲，吼叫聲的大小與所壓縮氣體的分子量和壓縮比成正比。

11　機械偏差和電氣偏差

在振動信號中，之所以會出現(xiàn)機械偏差和電氣偏差的問題，這是由非接觸式電渦流傳感器的工作原理所決定的。

切削加工不完善的軸表面（橢圓形或不同軸）會產(chǎn)生一種正弦動態(tài)運動的指示，其頻率與旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)頻率相一致。不完善的切削表面的原因通常是由于臨末加工的機床的軸承磨損、刀具變鈍、進(jìn)給太快或機床其它缺陷產(chǎn)生的，或者是車床頂針的磨損造成的。軸頸表面上的不光滑或其它缺陷，如劃痕、凹坑、毛刺、銹疤等也將會產(chǎn)生偏差輸出。

檢驗這種誤差狀態(tài)的簡單的方法是用百分表檢查軸頸的跳動值。百分表的波動值將確認(rèn)非接觸式電渦流傳感器所觀察到被測表面的誤差存在的情況。

軸頸的被測表面應(yīng)該像滑動軸承的軸頸表面那樣精心地保護，在吊裝時，所采用的纜繩要避開傳感器測量的表面區(qū)域，存放轉(zhuǎn)子的支撐架應(yīng)保證不會引起軸頸表面的劃痕、凹陷等。

一般來說，只要磁場是均勻的或?qū)ΨQ的，電渦流傳感器在所存在的磁場中都能令人滿意地工作。如果軸上某一表面區(qū)域有很高的磁性，而其余的表面是非磁性的或者只有很低的磁性，這就可能會出現(xiàn)電氣偏差。這是由于來自電渦流傳感器的磁場作用到這種軸頸表面上時，引起了傳感器靈敏度的改變。

另外，鍍層的不均勻、轉(zhuǎn)子材料的不均勻等也會引起電氣偏差，而電氣偏差是無法用百分表來測量和確認(rèn)的。

（來源：互聯(lián)網(wǎng)）