不对中故障机理与诊断

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1、不对中故障机理与诊断大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用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、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等，有可能会造成机器工作时各转子 轴线之间产生不对中。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 偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。一、转子不对中的类型如图1-1所示，转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。轴颈在轴承中偏斜称为轴承不对 中。轴承不对中本身不会产生振动，它主要影响到油膜性能和阻尼。在转子不平衡情况下，由于轴承不对 中

2、对不平衡力的反作用，会出现工频振动。机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称为轴系不对中。通常所讲的不对中多指 轴系不对中。造成轴系不对中的原因有安装误差、管道应变影响、温度变化热变形、基础沉降不均等。由 于不对中，将导致轴向、径向交变力，引起轴向振动和径向振动。由于不对中引起的振动会随不对中严重 程度的增加而增大。不对中是非常普遍的故障，即使采用自动调位轴承和可调节联轴器也难以使轴系及轴 承绝对对中。当对中超差过大时，会对设备造成一系列有害的影响，如联轴节咬死、轴承碰磨、油膜失稳、 轴挠曲变形增大等，严重时将造成灾难性事故。如图1-2所示，轴系不对中一般可分为以下三种情况:(1

3、) 轴线平行位移，称为平行不对中；(2) 轴线交叉成一角度，称为角度不对中;(3) 轴线位移且交叉，称为综合不对中。图1-2齿式联轴器转子不对中形式二、不对中振动的机理大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中小设备多用固定式刚性联轴器，不同类型联轴器及不同类型的 不对中情况，振动特征不尽相同，在此分别加以说明。1 .齿式联轴器连接不对中的振动机理齿式联轴器由两个具有外齿环的半联轴器和具有内齿环的中间齿套组成。两个半联轴器分别与主动轴 和被动轴连接。这种联轴器具有一定的对中调节能力，因此常在大型旋转设备上采用。在对中状态良好的 情况下，内外齿套之间只有传递转矩的周向力。当轴系对中超差时，齿式联轴器内外

4、齿面的接触情况发生 变化，从而使中间齿套发生相对倾斜，在传递运动和转矩时，将会产生附加的径向力和轴向力，引发相应 的振动，这就是不对中故障振动的原因。(1)平行不对中联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副，不能相对转动。当转子轴线之间存在径向位移时，中间齿 套与半联轴器间会产生滑动而作平面圆周运动，中间齿套的中心是沿着以径向位移y为直径作圆周运动。如图1-3所示。图1-3联轴器平形不对中图1-4联轴器齿套运动分析如图1-4所示，设A为主动转子的轴心投影，B为从动转子的轴心投影，K为中间齿套的轴心，AK 为中间齿套与主动轴的连线，BK为中间齿套与从动轴的连线，AK垂直BK，设AB长为D, K点坐标

5、为K (x，y)，取e为自变量，则有(1-2)(1-1)y =-专 JD = yDcxs2fl对e求导，得|dx = Dcos20dtfd_y= Dsin2 彻VK -/(d-r/dr)2 + (djr/df )?= Ddd/dtK点的线速度为(1-3)由于中间套平面运动的角速度(de/dt )等于转轴的角速度，即de/dt=，所以K点绕圆周中心运动的角速度3k为虹-2Vk/D(1-4)式中，VK为点K的线速度，由式(1-4)可知，K点的转动速度为转子角速度的两倍，因此当转子高速 转动时，就会产生很大的离心力，激励转子产生径向振动，其振动频率为转子工频的两倍。此外由于不对 中而引起的振动有时还

6、包含有大量的谐波分量，但最主要的还是2倍频分量。(2)偏角不对中当转子轴线之间存在偏角位移时，如图1-5所示，从动转子与主动转子的角速度是不同的。从动转子的角速度为(1-5)钏=wicosfl /(I- sin2acos2pj)式中，1,2分别为主动转子和从动转子的角速度；a为从动转子的偏斜角；同为主动转子的转角。从动转子每转动一周其转速变化两次，如图1-6所示，变化范围为(1-6)图1-5联轴器偏角不对中图1-6转速比的变化曲线偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，弯矩的作用是力图减小两轴中心线的偏角。转轴每旋转一周，弯 矩作用方向交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频

7、振动。(3)综合不对中在实际生产中，轴系转子之间的对中情况往往是既有平行位数不对中，又有角度不对中的综合移不对 中，因而转子振动的机理是两者的综合结果。当转子既有平行位移不对中又有角度不对中时，其动态特性 比较复杂。激振频率为角频率的2倍；激振力的大小随速度而变化，其大小和综合不对中量 yAa、安 装距离AL以及中间齿套质量m等有关。联轴器两侧同一方向的激振力之间的相位差在0180之间。其 他故障物理特性也介于轴线平行不对中和角度不对中之间。同时，齿式联轴器由于所产生的附加轴向力以及转子偏角的作用，从动转子以每回转一周为周期，在 轴向往复运动一次，因而转子轴向振动的频率与角频率相同，如图1-7

8、所示。图1-7转子不对中的轴向振动2.刚性联轴器连接转子不对中的故障机理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1-8所示。图1-8刚性联轴器连接不对中的情况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，从动转子的转速会产生周期性变动，每转动一 周变动

9、两次，因而其振动频率为转子转动频率的两倍。转子所受的轴向交变力与图1-7相同，其振动特征频率为转子的转动频率。3.轴承不对中的故障机理轴承不对中实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差。由于结构上的原因，轴承在水平方向和垂 直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。虽然油膜既有弹性又有阻尼，能够在一 定程度上弥补不对中的影响，但不对中过大时，会使轴承的工作条件改变，在转子上产生附加的力和力矩， 甚至使转子失稳或产生碰磨。轴承不对中同时又使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配，负荷大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导

10、致油膜振荡。支承负荷 的变化还会使轴系的临界转速和振型发三、转子不对中的故障特征实际工程中遇到的转子不对中故障大多数为齿式联轴器不对中，在此以齿式联轴器不对中为例介绍其 故障特征。由上述分析知，齿式联轴器连接不对中的转子系统，其振动主要特征如下。(1) 故障的特征频率为角频率的2倍。(2 )由不对中故障产生的对转子的激励力随转速的升高而加大，因此，高速旋转机械应更加注重转子 的对中要求。(3)激励力与不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力呈线性增大。(4) 联轴器同一侧相互垂直的两个方向，2倍频的相位差是基频的2倍；联轴器两侧同一方向的相位 在平行位移不对中时为0，在角位移不对中时为180，

11、综合位移不对中时为0180。(5) 轴系转子在不对中情况下，中间齿套的轴心线相对于联轴器的轴心线产生相对运动，在平行位移 不对中时的回转轮廓为一圆柱体，角位移不对中时为一双锥体，综合位移不对中时是介于二者之间的形状。 回转体的回转范围由不对中量决定。(6) 轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径 向力和附加轴向力，使转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的破坏性。四、转子不对中的故障诊断转子不对中的故障诊断依据主要见表1-1和表1-2。it障待征WflEVK乎祈不村叩阳度不计中壕骨不时电|IK株专EK腰加渡市2特征师掌7无触明埴较商3

12、1TVL寓炭UttIX#奇找膺波4果黝It佬性Mg5撮动方向桂同、辑间均松大粒由,速向约蒙大6校埴定g定7心轨盗8遇动方向KMQ关机&不班不变表1-2转子不对中故障振动敏感参数1k n陶峨慕#变化懦配情&1&*2策而摘堡此r书暗7共格阴刷*威辱娜卓荷*村麻面5煤功井顼漏度眼化atm大4睡境厦度堡化计所5劫 F：%H 3 仆.五、故障原因与治理措施转子不对中故障原因与治理措施见表1-3。表1-3转子不对中故障原因与治理措施序号赦障原髀停粪起障用网_ _拓璋AT搪 _1讲计风国(D时工并械苦下热廉猷此滑算不准耕针质居力、直至度簧化对机者菌影响计舞不准Q i&出的整喜希申呸枚的设计蜡rfj曲廊态叶

13、中败捍由敦拐木唯束校在篇卷的 承计中Ifi彦热志部酷埠吾堂福保31股疗宛鼾费董胃整感的抗峰i材质本均，密成霸犁J本此勾安莪雄嫌Q冷是对中敷崔正柯曾要求输弥获跋旗成格塞膝篇尝幽机哓幌皿不&.It膝不均匀4罹作活什 格坑有泻行 卉成理庶偏胄设讨西S状套券化CD机推慕械或蚤鹿孜降不均用 *81滑椎域蚀，烟胀业总槐就登照六、诊断实例某厂一台透平压缩机组整体布置如图1-9所示。机组年度检修时，除正常检查、调整工作外，还更换 了连接压缩机高压缸和低压缸之间的联轴器的连接螺栓，对轴系的转子对中情况进行了调整等。图1-9机组布置示意图检修后启动机组时，透平和压缩机低压缸运行正常，而压缩机高压缸振动较大(在允许

14、范围内)；机 组运行一周后压缩机高压缸振动突然加剧，测点4、5的径向振动增大，其中测点5振动值增加两倍，测点 6的轴向振动加大，透平和压缩机低压缸的振动无明显变化；机组运行两周后，高压缸测点5的振动值又 突然增加一倍，超过设计允许值，振动剧烈，危及生产。如图1-10所示。O伊)据幼苔拷粗)鞘括耽连图1-10异常振动特征压缩机高压缸主要振动特征如下：(1) 连接压缩机高、低压缸之间的联轴器两端振动较大；(2) 测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2频谐波具有较大峰值;(3) 轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；(4) 轴向振动较大。诊断意见：压缩机高压缸与低压缸之间转子对中不良，联轴器发生故障，必须紧急停机检修。生产验证：检修人员做好准备工作后，操作人员按正常停机处理。根据诊断结论，重点对机组联轴器 局部解体检查发现，连接压缩机高压缸与低压缸之间的联轴器（半刚性联轴器）固定法兰与内齿套的连接 螺栓巳断掉三只。复查转子对中情况，发现对中严重超差，不对中量大于设计要求16倍。同时发现连接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求，螺纹根部应力集中，且热处理后未进行正火 处理，金相组织为淬火马氏体，螺栓在拉应力作用下脆性断裂。根据诊断意见及分析检查结果，重新对中找正高压缸转子，并更换上符合技术要求的连接螺栓，重新 启动后，机组运行正常，避免了一次恶性事故。/P