第5章旋转机械的监测诊断10年.ppt
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1、,第五章 旋转机械的振动监测与故障诊断,内容,5.1 旋转机械的结构 5.2 转子振动的测量 5.3 转子振动评估标准 5.4 转子振动监测特征参数 5.5 旋转机械故障原因 5.6 转子的常见分析方法 5.7 转子典型故障机理与特征,5.1 旋转机械的结构,旋转机械-由转动部件和非转动部件构成的(汽轮机、发电机、压缩机组、电动机、水轮机、航空发动机等设备) 主要构成部件有转子、支承转子的轴承(滑动轴承)、定子或机器壳体、连轴器等 转速范围一般为几千r/min到几万r/min之间(水轮机组只在100r/min) 旋转机械的关键部件-运动部件(转子),轴流压缩机,多级汽轮机转子,转子是由合金钢锻
2、件整体精加工,并且在装配上叶片后,进行全速转动试验和精确动平衡,滑动轴承,主要由轴承座1(或壳体)和轴瓦2组成 滑动轴承结构,向心轴承,向心推力轴承,整体式向心轴承,剖分式向心推力轴承,1、轴承座 2、轴承盖 3、4轴瓦,常见的剖分式轴瓦结构有油孔、油槽;用于输送和分布润滑油,其中油槽不应开在油膜承载区,否则会破坏油膜的承载能力,造成滑动表面的严重磨损 为提高轴瓦的使用寿命,通常在一般材料制成的轴瓦内贴一层减摩材料(即轴衬) 轴瓦和轴衬的主要要求:具有良好的减摩、抗摩性;一定的强度;易于加工等。 常用的材料:青铜、轴承合金、粉末冶金(含油轴承)和非金属材料(塑料、尼龙)等,5.1.1 转子振动
3、的类型,由于旋转机械的结构、零部件加工、安装方面的缺陷,使得机器在运行时引起振动。 横向振动 过大的横向振动往往是机器损坏主要原因,所以成了振动监测的主要对象,也是机组状态判断的主要依据 刚性转子 运行转速低于一阶横向(固有)频率,如常见的电动机转子 柔性转子 运行转速高于一阶横向(固有)频率,如常见的燃气轮机转子、压缩机转子 轴向振动 扭转振动,5.1.1 转子振动的类型,强迫振动 凡在外力激励下强迫发生的振动,如不平衡、不对中、碰摩 其主要特征是振动频率等于简谐驱动力的频率 在诊断中,其振动频率为转子的回转频率及其倍频 强迫振动的长期行为与初始状态无关 振动幅值在临界转速以下时,随着转速的
4、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,有共振峰值。 其激励原因主要是由转子不平衡(转子的质心与回转轴线偏离)产生的离心力,其大小取决于不平衡程度,5.1.1 转子振动的类型,自激振动 由外部条件变化(如喘振、流体激励等)引发的自身振动,其振动频率为系统自身的固有振动频率 。 自激振动的形成却依赖于初始振动的存在,若没有初始振动,就没有可以反馈的信号,系统不能“起振” 这种振动常常在某个转速下突然发生,因此对旋转机械具有极大的危害性。 对环境条件的变化十分敏感,机器的微小差异,其稳定性可能具有极大的差异,油膜振荡,机床切削颤振,琴弦的振动(提琴、胡琴)摩擦引起,上满发条的
5、钟,5.1.2 转子的临界转速,旋转机械在起停车过程中,转子的振幅随转速增大而增大,到某一转速(或某几个)时振幅达到最大值(共振),超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减小,且稳定在某一范围内,这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。,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,因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等,对于实际转子来说,理论上有无穷多个临界转速,但由于转子的转速限制,往往只能遇到有限个临界转速。 在有阻尼的情况下 升速时,转子的临界转速略高于其横向固有频率; 在降速时,测量所得到的临界转速略小于横向固有频率; 根据转子的转速 n 与其第一阶临
6、界转速 ncr1间的关系,可划分 n0.5ncr1 刚性转子 0.5ncr1n0.7ncr1 准刚性转子 n0.7ncr1 柔性转子,动力学特性不同 动平衡时区别对待,5.2 转子振动的测量,1、 常 用 的 测 量 仪 器 频 谱 分 析 仪 数 据 采 集 器 振 动 传 感 器 示 波 器,2、 测 量 单 位 及 检 测 类 型 位移(Pk-Pk):适合于低频范围 速度(Rms, Pk):适合于中频段 加 速 度( Pk ):适合于高频段,5.2.1 测振传感器(一次仪表)分类,1.测振传感器的作用 把被测对象的机械振动量(d,v,a)在要求的范围内准确地接收下来,并把它们转变成电信号
7、输出。 2.测振传感器的分类(按所测参数形式分) 位移传感器 速度传感器 加速度传感器,5.2.2 测振传感器性能,3.三类传感器的频率特性与动态范围比较 (1)加速度传感器的频响特性与动态范围最宽(10-20KHz) (2)速度传感器一般在101000Hz (3) 位移传感器从理论上可到0.1 10000Hz,一般在2kHz以下,5.2.3 测振传感器位移传感器,4. 电涡流式位移传感器 1) 特点:非接触 2) 适用范围: 旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动) 3)优点: a. 线性度好、频率范围宽(DC-10000Hz); c. 线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变; d.
8、 能长时间连续可靠的工作; e. 长距离传输抗干扰能力强; f. 能在油、气及某些化学成分介质中工作。 4)结构类型 a. 变间隙型电涡流传感器; b. 变面积型电涡流传感器。,5.2.3 测振传感器位移传感器,5)原理: 在传感器的端部有一线圈,线圈通以高频(一般12MHz)的交变电流。当线圈平面靠近一导体面时,穿过导体的磁通量随时间而变化,在导体表面感应出电涡流,涡流产生的磁通又穿过原线圈。 所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的线圈,互感的大小与线圈离导体表面的间隙有关。,5.2.3 测振传感器位移传感器,6)被测物体尺寸及材料对测量性能的影响 a尺寸的影响 当被测物体为圆柱,且
9、传感器中心线垂直于被测物体轴线,要求: D3d(d为探头头部直径)如果Dd,灵敏度会下降70左右。 b. 表面加工质量的影响 不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测表面的粗糙度Ra要求在0.40.8m之间(磨或抛光) c. 材料的影响 当被测物体为导磁材料(如普通钢)时,由于磁效应和涡流效应同时存在,且磁效应与涡流效应相反,会抵消一部分涡流效应,使灵敏度变低。,5.2.3 测振传感器位移传感器,7)涡流传感器的安装 a.探头间的距离 b.探头与安装面的距离,5.2.3 测振传感器位移传感器,5.2.3 测振传感器位移传感器,9)使用时的注意事项 安装时要注意平均间隙的选取,即平均间隙加
10、上振动间隙(总间隙)应处于传感器的线性范围内,否则会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性中点。 选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。,测 绝 对 振 动,测 相 对 振 动,振 动 的 测 试 方 式,测 点 位 置 的 选 取,三个方向 设测点,给测点位置作记号 设备表面的处理,尽量靠近轴承,测量部位应选在设备上对振动敏感的部分。一般都把轴承处选为主要测点,把机壳、箱体、基础的部位选作辅助测点,对于低频振动,一般应在水平、垂直和轴向三个方向测量;对于高频振动,只需在一个方向(径向)测量。其原因在于低频信号的方向性较强,而高频信号方向不敏感 数字序列从驱动器非驱动侧的轴承座开
11、始,赋予其数字001,朝着被驱动设备进行数字排列,直到第一根轴线的最后一个轴承,测 点 编号原则,武钢大型厂加热助燃风机机组,该机组由直流电机和风机两部分组成,其中风机为单轴悬臂结构,支撑部位采用滚动轴承,与电机采用直连方式,5.3、 旋转机械振动评定标准,目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态,根据所使用的传感器种类分为: 轴承振动评定:利用接触式传感器(如压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量 轴振动评定:利用非接触式(如涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值,它代表了振动能量的大小)来表示。,5.3、 旋转机
12、械振动评定标准,1、以轴承振动位移峰峰值作为评定标准 特点:转速低时,允许的振动值大,转速高时,允许的振动值小。 原因:同样的振动值,高速机组比低速机组更易出现故障,1959年水电部颁发的电力工业技术管理法规 关于汽轮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,5.3、 旋转机械振动评定标准,“轴承振动位移峰峰值评定标准”存在的问题: 在制定上述标准时,假设: 机组振动为单一频率的正弦波振动 轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值,因此,可用轴承振动来代表转子振动 轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本相等,即各向同性 实际与假设不尽相符,所测得的振动多数是由多种频率的振动合成的;
13、轴承座水平刚度明显低于垂直刚度; 转子振动和轴承座振动的比值在250倍,它和轴承类型、间隙、油膜特性等有关。 因此,为了全面反映机组的振动情况,必须制定其他的振动标准。,5.3、 旋转机械振动评定标准,2、以轴承振动烈度作为评定标准 国际标准化组织ISO3945给出了用振动烈度评定功率大于300KW,转速为600-12000 转的大型原动机和其他具有旋转质量的大型机器振动特性的国际标准。 如电动机和发电机、蒸气轮机和燃气轮机、涡轮压缩机等,刚性支承是指机器支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率,5.3、 旋转机械振动评定标准,振动烈度是振动速度的均方根值(有效值) ; 振动烈度值与信号所含的能
14、量关系密切,受频率变化的影响较小,对机组常发生的非表面损伤类故障或渐进性故障比较敏感。 计算:振动由几个不同频率的简谐振动所合成,由频谱分析可知,加速度、速度或位移幅值(aj、vj、Aj,j=1,2,n)是角速度j的函数。根据加速度幅值aj 、位移幅值Aj或速度幅值vj ,可计算出振动速度的均方根值:,5.3、 旋转机械振动评定标准,3、以轴振动的位移峰峰值作为评定标准 在轴承座上测量机组的振动较为方便,然而机组转子的振动要通过油膜传到轴承座,所测得的振动幅值受油膜刚度和轴承刚度的影响,因此,直接测量转轴的振动值以判断转子的振动特性将能更确切地反映振动的实质。 以上振动标准不能机械套用,还应结
15、合机组的振动趋势综合考虑,如长期振动较小的机组或测点,当其振动值增加但还未超过振动标准时,这也是故障征兆,应给予足够的重视。,国际电工委员会IEC推荐的汽轮机振动标准,5.4 旋转机械振动监测特征参数,对于设备来说,有许多物理量可以测量,由于机器的振动情况直接反映了机器运行状态的优劣,机器的许多故障都以振动形式反映出来,振动为故障诊断提供了重要信息,因此振动是故障诊断必须监测的参数之一。此外,与之相关的过程参数,工艺参数也是故障诊断的有用参数。,监测参数 1)动态参数:振幅、振动烈度、相位 2)静态参数:轴心位置、轴向位置、差胀、对中度、 温度、润滑油压,5.4 旋转机械振动监测特征参数,1.
16、振幅 位移振幅常用:峰峰值(PP值)表示; 速度振幅常用:有效值(振动烈度)Vrms来表示; 加速度振幅常用:峰值表示。 振幅(A)一般用振动的位移、速度或加速度表示。位移一般用微米(m)表示,现场也有用丝为单位,1丝=10m;速度一般用mm/s表示,加速度一般用m/s2或重力加速度g表示。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,2. 频 率 频率(f)是具有周期性变化规律的物理量在单位时间内的循环次数。 由于振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍,通常表示为机器转速的倍数,如: 1X=1rpm 表示振动频率和机器的转速相同 0.43X=0.43rpm 表示振动频率是机器转速的43 频率是用来分析
17、设备故障的主要参数。有些故障通常表现为特定的频率,但振动频率和故障之间并不存在简单的一一对应关系。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,3.相 位 相位()是用角度来表示的两个信号之间的计时关系。振动相位指从键相器信号触发到振动信号第一个正峰值之间的角度。 相位的测量对于确定转子上的高点、转子的临界转速以及诊断故障和进行动平衡等都是非常重要的。 许多设备故障从幅值谱上不易区分时,需对相位作进一步的分析。 由于转子各类故障带来的直接后果是破坏了转子的对称性,使转子同一截面水平和垂直方向的振动信号的相位差不再是90度。 4.转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有非常密切的关系。当设备发生故障时,
18、转速也会相应地变化。 离心式压缩机中:喘振 转速波动;动静碰磨 转速波动。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,5.轴位移(轴向位置) 轴向位置是止推盘和止推轴承之间的相对位移。 例如:转子动静部件之间的轴向摩擦是旋转机械常见的故障之一,同时也是最严重的故障 喘振等都会引起轴向位置的变化。 为判断设备的负载状态和冲击状态提供必要的信息 6.轴心位置 轴心位置是描述安装在轴承中的转轴平均位置的特征参量。 例如:轴承座磨损 轴颈偏心。(机器转轴在油压阻尼的作用下,在设计确定的位置浮动,但当轴瓦磨损或转轴受到内部或外部的预加负载时、导致偏心) 而涡流传感器的直流分量变化反映轴心位置的变化。,5.4 旋
19、转机械振动监测特征参数,7.差胀、机壳膨胀 对大型旋转机械,由于转子较长,在起动过程中转子受热快,沿轴向膨胀量比汽缸大,两者的热膨胀差称为“差胀”。 转子的热膨胀汽缸的热膨胀,称为“正差胀”; 转子的热膨胀汽缸的热膨胀,称为“负差胀”。 正差胀多出现在开机过程,负差胀多出现在停机过程。 差胀变化大的影响因素: 暖机不当,如升速过快或暖机时转子与汽缸温度相差悬殊。 增减负荷速度过快。 空负荷或低负荷运行时间过长(尤其由满负荷降至空负荷时,差胀向负方向显著增大)。 汽温、真空短时突变,如真空突然下降,引起低压缸部分膨胀造成负压差胀,水冲击造成汽温突然下降。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,8.慢
20、转偏心距 慢转偏心距指的是机器静止时的弯曲量,如果在允许的范围内,机器可以起动。 测量方法:起动时用涡流传感器测得的信号中的交流信号峰峰值表示。 9. 姿态角: 转子中心与轴瓦中心连线与y轴(垂直方向)的夹角。 10. 温度 轴瓦温度反映轴承运行情况 11. 润滑油压 反映滑动轴承油膜的建立情况 12.电流、电压等,静止,工作,5.5 旋转机械故障的原因,设计、制造方面 设计不当,动态性能不良,运行时发生强迫振动或自激振动; 结构不合理,应力集中; 工作转速接近或落入临界转速区; 零部件加工、制造不良,精度不够; 零部件材质不良,制造缺陷; 转子动平衡不符合技术要求。,5.5 旋转机械故障的原
21、因,安装维修方面 安装不当,零部件错位,预负荷大; 轴系对中不良; 机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当; 管道应力大,机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度; 转子长期放置不当,改变了动平衡精度; 安装或维修过程中破坏了机器原有的配合精度。,5.5 旋转机械故障的原因,运行操作方面 机器在非设计状态下运行(如超转速、超负荷等)改变机器工作特性; 润滑或冷却不良; 旋转体局部损坏或结垢; 工艺参数(温度、压力、流量、负荷等)操作不当,机器运行失稳; 启、停车过程中操作不当,暖机不够,热膨胀不均匀或临界区停留时间长。,5.5 旋转机械故障的原因,机器劣化方面 长期运行转子挠度增
22、大; 旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹; 零部件磨损、点蚀或腐蚀等; 配合面受力劣化,产生过盈不足或松动等,破坏了配合性质; 机器沉降不均匀,机器壳体变形。,强迫振动 不平衡(叶片脱落、结垢、质量不平衡、弯曲等) 不对中(平行、角度、平行角度不对中等) 碰摩 裂纹 管道激振 自激振动 油膜涡动、振荡 旋转脱离 喘振 轴承座松动 流体激励 密封磨损,5.6 旋转机械振动分析方法,转子常见典型故障,5.6 旋转机械振动分析方法,旋转机械常见分析方法 稳态频域分析 振动频率、多重频率、脉冲激发、拍、频率和差、轴心轨迹、涡动 暂态(起停车)频域分析 波徳图、极坐标图和瀑布图 趋势分析 基于频谱插值技术的
23、全息谱分析,5.6 旋转机械振动分析方法,1、稳态频域分析 振动频率: 线性系统中振动的频率应等于激振力的频率,而激振力又是零部件故障产生的,因此,测量了转轴组件的振动频率,就可以找到激励源。 当转轴组件对中不良、松动或过载时,系统出现非线性刚度,振动频率中会包含有激振频率的高次谐波。 一台在管道共振区附近运行的汽轮机,由于内部质量不平衡造成过载,从而迫使轴承在非线性区域工作,出现了激振频率的高次谐波。,5.6 旋转机械振动分析方法,多重频率: 如果振动传感器测量的信号是两个信号的迭加,则此两个信号的频率可以在谱图上区分取来。 转速为800转的大型水泵振动频谱。由于水泵的叶轮上有四个叶片,每个
24、叶片上的水量不等(不平稳)而产生基频信号,频率54.4Hz(413.6)是叶片与水撞击形成的。,5.6 旋转机械振动分析方法,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 图中所示的功率谱中有一谱峰位于机器的固有频率处。若机器中零件的缺陷比较严重,则此固有频率还将被缺陷的频率 f1所调制而产生边频,这方面典型的例子是齿轮传动系统,激发脉冲,振动谱图,5.6 旋转机械振动分析方法,拍: 拍的现象在旋转机械振动中经常出现,当两种振动频率相近且幅值相等时,叠加起来就会产生拍 时域信号的包络相当于频率等于(w1-w2)/2的缓慢波动。在功率谱上,可以分辩处两个频率十分接近,高度又接近
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