XX版设备故障诊断旋转机械9课件

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1、PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTXX版设备故障诊断旋转版设备故障诊断旋转机械机械-92024/2/13XX版设备故障诊断旋转机械9XX版设备故障诊断旋转机械-92022/10/2XX版设备故PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机、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，这离心式压缩机、水泵、通风机以及电动机等，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，统称类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，统称为机器。旋转机械故障是指机器的功能失常，即为机器

2、。旋转机械故障是指机器的功能失常，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运行失稳，机器发生异常振动和噪声，机器的工运行失稳，机器发生异常振动和噪声，机器的工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、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。机器发生故障的原因不同，压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所产生的信息也不一样，根据机器特有的信息，所产生的信息也不一样，根据机器特有的信息，可以对机器故障进行诊断。但是，机器发生故障可以对机器故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，特别是对于机械系的原因往往不是单一

3、的因素，特别是对于机械系统中的旋转机械故障，往往是多种故障因素的耦统中的旋转机械故障，往往是多种故障因素的耦合结果，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进合结果，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面的综合分析研究。行全面的综合分析研究。一、概述一、概述XX版设备故障诊断旋转机械92 旋转机械的种类繁多，有发电机、汽轮机PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患者的治疗。医生基于病理需要向患者询问病情、病者的治疗。医生基于病理需要向患者询问病情、病史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、

4、测心电图史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机器大障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机器大 量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析。例如，对于汽轮机、故障特征，进行周密的分析。例如，对于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率

5、域和时间域为诊断机器故障提信号从幅值域、频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一部供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一部分；而流体机械的负荷变化，以及介质的温度、压分；而流体机械的负荷变化，以及介质的温度、压力和流量等，对机器的运行状态有重要的影响，往力和流量等，对机器的运行状态有重要的影响，往往是造成机器发生异常振动和运行失稳的重要因素。往是造成机器发生异常振动和运行失稳的重要因素。XX版设备故障诊断旋转机械93 对旋转机械的故障诊断过程，类似于医生对患者的PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 因此，对旋转机械的故障

6、诊断，应在获取机器的因此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参响运行工作状态等信稳态数据、瞬态数据以及过程参响运行工作状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器息的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。提出治理措施。二、转子振动的基本概念二、转子振动的基本概念 旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子是其最主要的

7、部件。旋转机械发生故障的重要特征是是其最主要的部件。旋转机械发生故障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、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，频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。因此，了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动机理，对于了解和掌握旋转机械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诊断故障的准确度具有重监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确度具有重要的理论意义和实际工程应用价值。要的理论意义和实际工程应用价值。XX版设备故障诊断旋转机械94 因此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳PPTPPT

8、文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1 1、转子振动的基本特性、转子振动的基本特性 转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算所得到的承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述概念和结

9、论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特性。不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特性。XX版设备故障诊断旋转机械951、转子振动的基本特性 转子的结构形式多种多样，但对PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一水平线上。设转子上的圆转子的两个支承点在同一水平线上。设转子上的圆盘位于转子两

10、支点的中央，当转子静止时，由于圆盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形，盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形，但由于静变形较小，对转子运动的影响不显著，可但由于静变形较小，对转子运动的影响不显著，可以忽略不计，即仍认为圆盘的几何中心以忽略不计，即仍认为圆盘的几何中心 O O 与轴与轴线线ABAB上上O O点相重合，如图点相重合，如图 5-1 5-1 所示。当转子开始转所示。当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度。动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度。此时，转子有两种运动：一种是转子的自身转动，此时，转子有两种运动：

11、一种是转子的自身转动，即圆盘绕其轴线即圆盘绕其轴线AOBAOB的转动；另一种是弓形转动的转动；另一种是弓形转动即弯曲的轴心线即弯曲的轴心线AOBAOB与轴承联线与轴承联线AOBAOB组成的平面组成的平面绕绕ABAB轴线转动。轴线转动。（1 1）、转子涡动）、转子涡动XX版设备故障诊断旋转机械96 一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 圆盘的质量以圆盘的质量以M M表示，它所受的力是转子的表示，它所受的力是转子的弹性力弹性力F F 式中式中k k为转子的刚度系数，为转子的刚度系数，“a=OO”“a=OO”，圆盘的，

12、圆盘的运动微分方程为运动微分方程为F=-ka式中式中X X、Y Y为振幅，为振幅，x x，y y为相位。为相位。XX版设备故障诊断旋转机械97 圆盘的质量以M表示，它所受的力是转子的弹性力F 式PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 由上式可知，圆盘或转子的中心由上式可知，圆盘或转子的中心OO，在互，在互相垂直的两个方向作频率为相垂直的两个方向作频率为 n n的简谐振动。在一的简谐振动。在一般情况下，振幅般情况下，振幅X X，Y Y不相等，不相等，OO点的轨迹为一点的轨迹为一椭圆。椭圆。O O的这种运动是一种的这种运动是一种“涡动涡动”或称或称“进进动动”。

13、转子的涡动方向与转子的转动角速度。转子的涡动方向与转子的转动角速度 同同向时，称为正进动；与向时，称为正进动；与 反方向时，称为反进动。反方向时，称为反进动。在某些旋转机械的开车或停机过程中，当经在某些旋转机械的开车或停机过程中，当经过某一转速附近时，会出现剧烈振动；这个转速过某一转速附近时，会出现剧烈振动；这个转速在数值上非常接近于转子横向自由振动的固有频在数值上非常接近于转子横向自由振动的固有频率，称为临界转速。但是，临界转速的值并不等率，称为临界转速。但是，临界转速的值并不等于转子的固有频率，而且在临界转速时发生的剧于转子的固有频率，而且在临界转速时发生的剧烈振动与共振是不同的物理现象。

14、烈振动与共振是不同的物理现象。（2 2）、临界转速）、临界转速XX版设备故障诊断旋转机械98 由上式可知，圆盘或转子的中心O，在互相垂直的两个方PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT转子临界转速转子临界转速 如果圆盘的重心如果圆盘的重心G G与转轴中心与转轴中心OO不重合，不重合，设设e e为圆盘的偏心距即为圆盘的偏心距即0G=e0G=e，如下图所示。，如下图所示。当圆盘以角速度当圆盘以角速度 转动时，重心转动时，重心G G的加速度在坐的加速度在坐标上的位置为标上的位置为 图图 圆盘重心位置圆盘重心位置在转轴的弹性力在转轴的弹性力F F作用作用下，由质心运动

15、定理知下，由质心运动定理知XX版设备故障诊断旋转机械99转子临界转速 如果圆盘的重心G与转轴中PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT则轴心则轴心OO的运动微分方程为的运动微分方程为 上式中右边是不平衡质量所产生的激振力将上式上式中右边是不平衡质量所产生的激振力将上式改写为复变量的形式改写为复变量的形式其特解为其特解为Z=AejXX版设备故障诊断旋转机械910则轴心O的运动微分方程为 上式中右边是不平衡质量所产生PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT代上式后，可求得振幅代上式后，可求得振幅 圆盘或转轴中心圆盘或转轴中心00对

16、于不平衡质量的响应为对于不平衡质量的响应为由复数式和上式可知，轴心由复数式和上式可知，轴心OO的响应频率和偏心质的响应频率和偏心质量产生的激振力频率相同，而位相也相同（量产生的激振力频率相同，而位相也相同（n n时时）或相差）或相差180(180(n n时时）XX版设备故障诊断旋转机械911代上式后，可求得振幅 圆盘或转轴中心0对于不平衡质量的PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 这表明，圆盘转动时，上图的这表明，圆盘转动时，上图的0 0，OO和和G G三点始三点始终在同一直线上。这直线绕过终在同一直线上。这直线绕过O O点而垂直于点而垂直于OXYOXY平

17、平面的轴以角速度面的轴以角速度 转动。转动。OO点和点和G G点作同步进动，点作同步进动，两者的轨迹是半径不相等的同心圆，这是正常运两者的轨迹是半径不相等的同心圆，这是正常运转的情况。如果在某瞬时，转轴受一横向冲击，转的情况。如果在某瞬时，转轴受一横向冲击，则圆盘中心则圆盘中心OO同时有自然振动和强迫振动。其同时有自然振动和强迫振动。其合成的运动是此较复杂的。合成的运动是此较复杂的。O O，OO和和G G三点不在三点不在同一直线上，而且涡动频率与转动角度不相等。同一直线上，而且涡动频率与转动角度不相等。实际上由于有外阻力作用，涡动是衰减的。经过实际上由于有外阻力作用，涡动是衰减的。经过一段时间

18、，转子将恢复其正常的同步进动。一段时间，转子将恢复其正常的同步进动。XX版设备故障诊断旋转机械912 这表明，圆盘转动时，上图的0，O和G三点始终在同一PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 在正常运转的情况下，由振幅公式可知：在正常运转的情况下，由振幅公式可知：（a a）n n时，时，A A0 0，OO点和点和G G点在点在O O点的同一侧，点的同一侧，如下图如下图 （a a）所示；）所示；（b b）n n时，时，A A0 0，但，但A Ae e，G G在在O O和和OO之间，之间，如下图如下图 （c c）所示；）所示；当当 n n时。且时。且A A e

19、e，或，或OO OO -OG-OG，圆盘的，圆盘的重心重心G G近似地落在固定点近似地落在固定点O O，振动很小，转动反而，振动很小，转动反而比较平稳。这种情况称为比较平稳。这种情况称为“自动时心自动时心”。（c c）当）当=n n时，时，A A，是共振情况，实际上由于，是共振情况，实际上由于存在阻尼，振幅存在阻尼，振幅A A不是无穷大而是较大的有限值，不是无穷大而是较大的有限值，转轴的振动仍然非常剧烈，以致有可能断裂。转轴的振动仍然非常剧烈，以致有可能断裂。n n称为转轴的称为转轴的“临界角速度临界角速度”；与其对应的每分钟；与其对应的每分钟的转数则称为的转数则称为“临界转速临界转速”，以，

20、以n nc c表示表示 ，即，即XX版设备故障诊断旋转机械913 在正常运转的情况下，由振幅公式可知：XX版设备PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT转子重心的相位变化转子重心的相位变化因因故故XX版设备故障诊断旋转机械914转子重心的相位变化因故XX版设备故障诊断旋转机械914PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 如果机器的工作转速小于临界转速，则转如果机器的工作转速小于临界转速，则转独称为刚性轴；如果工作转速高于临界转速，则独称为刚性轴；如果工作转速高于临界转速，则转轴称为柔性轴。由上面分析可知，具有柔性轴转轴称为柔

21、性轴。由上面分析可知，具有柔性轴的旋转机器运转时较为平稳。但在启动过程中，的旋转机器运转时较为平稳。但在启动过程中，要经过临界转速。如果缓慢启动，则经过临界转要经过临界转速。如果缓慢启动，则经过临界转速时，也会发生剧烈的振动。速时，也会发生剧烈的振动。研究不平衡响应时如果考虑外阻力的作用，研究不平衡响应时如果考虑外阻力的作用，则复变量式变为则复变量式变为其特解为其特解为 Z=|A|ej（t+）XX版设备故障诊断旋转机械915 如果机器的工作转速小于临界转速，则转独称为刚PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT由此解出由此解出A A及及 为为 振幅振幅|A|A|

22、与相位差与相位差 随转动角速度对固有频率的随转动角速度对固有频率的比值。比值。/n n改变的曲线，即幅频响应曲线与相改变的曲线，即幅频响应曲线与相频响应曲线，由下图所示。频响应曲线，由下图所示。从下图可知，由于外阻尼，转子中心从下图可知，由于外阻尼，转子中心OO对不对不平衡质量的响应在平衡质量的响应在=n n时不是无穷大而是有限值，时不是无穷大而是有限值，而且不是最大值。最大值发生在而且不是最大值。最大值发生在 n n的时候。的时候。XX版设备故障诊断旋转机械916由此解出A及为 振幅|A|与相位差 随转动角速度PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 幅

23、频响应与相频响应幅频响应与相频响应XX版设备故障诊断旋转机械917图 幅频响应与相频响应XX版设备故障诊断旋转机械917PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 对于实际的转子系统，把出现这最大值即峰对于实际的转子系统，把出现这最大值即峰值时的转速作为临界转速，在升速或降速过程中，值时的转速作为临界转速，在升速或降速过程中，用测量响应的办法来确定转子的临界转速。测量用测量响应的办法来确定转子的临界转速。测量所得的临界转速在升速时略大于前面所定义的临所得的临界转速在升速时略大于前面所定义的临界转速界转速 n n，而在降速时则略小于，而在降速时则略小于 n n。陀

24、螺力矩对转子临界转速的影响陀螺力矩对转子临界转速的影响 当圆盘不装在两支承的中点面偏于一边时，当圆盘不装在两支承的中点面偏于一边时，转轴变形后，团盘的轴线与两交点转轴变形后，团盘的轴线与两交点A A和和B B的连线有的连线有夹角夹角，如下图所示。设圆盘的自转角速度为，如下图所示。设圆盘的自转角速度为 ，极转动惯量为，极转动惯量为J Jp p，则圆盘对质心，则圆盘对质心OO的动量距的动量距为为XX版设备故障诊断旋转机械918 对于实际的转子系统，把出现这最大值即峰值时的PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT它与轴线它与轴线ABAB的夹角也应该是的夹角也应该是，

25、见下图所示。当转见下图所示。当转轴有自然振动时，设其频率为轴有自然振动时，设其频率为 n n ，由于进动圆盘，由于进动圆盘的动量矩的动量矩H H将不断改变方向。因此有惯性力矩将不断改变方向。因此有惯性力矩图图 陀螺力矩的影响陀螺力矩的影响XX版设备故障诊断旋转机械919它与轴线AB的夹角也应该是，见下图所示。当转轴有自然振动时PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT这一惯性力矩称为陀螺力矩或回转力矩。它是圆盘这一惯性力矩称为陀螺力矩或回转力矩。它是圆盘加于转轴的力矩。因夹角较小加于转轴的力矩。因夹角较小sinsin ，上式可，上式可写作写作 这一力矩与这一力矩

26、与 成正比，相当于弹性力矩。在正进动成正比，相当于弹性力矩。在正进动（0 0 2)2)的情况下，它使转轴的变形减小，的情况下，它使转轴的变形减小，因而提高了转轴的弹性刚度，即提高了转子的临界因而提高了转轴的弹性刚度，即提高了转子的临界角速度。在反进动（角速度。在反进动（2 2 ）的情况下，的情况下，这力矩使转轴的变形增大，从而降低了转轴的刚度，这力矩使转轴的变形增大，从而降低了转轴的刚度，即降低了转子的临界角速度。故陀螺力矩对转于临即降低了转子的临界角速度。故陀螺力矩对转于临界转速的影响是正进动时，它提高了临界转速；反界转速的影响是正进动时，它提高了临界转速；反进动时，它降低了临界转速。进动时

27、，它降低了临界转速。XX版设备故障诊断旋转机械920这一惯性力矩称为陀螺力矩或回转力矩。它是圆盘加于转轴的力矩。PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT弹性交承对转子临界转速的影响弹性交承对转子临界转速的影响 只有在支架即轴承架完全不变形的条件下，只有在支架即轴承架完全不变形的条件下，支点才能在转子运动时保持不动。实际上，支支点才能在转子运动时保持不动。实际上，支架并不是绝对刚性不变形的，因而考虑支架的架并不是绝对刚性不变形的，因而考虑支架的弹性变形时，这支架就相当于弹簧与弹性转轴弹性变形时，这支架就相当于弹簧与弹性转轴相串联，如下图所示。相串联，如下图所示。

28、弹性支承弹性支承转子系统转子系统XX版设备故障诊断旋转机械921弹性交承对转子临界转速的影响 只有在支PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT支架与弹性转轴串连后，其总的刚度要低于转轴本支架与弹性转轴串连后，其总的刚度要低于转轴本身的弹性刚度。因此，弹性支承可使转子的进动角身的弹性刚度。因此，弹性支承可使转子的进动角速度或临界转速降低；减小支承刚度可以使临界角速度或临界转速降低；减小支承刚度可以使临界角速度显著降低。速度显著降低。三、转子不平衡的诊断 转子不平衡故障分为转子质量偏心及转子部件转子不平衡故障分为转子质量偏心及转子部件缺损缺损两种状态两种状态。转子

29、质量偏心是由于转子的制造误。转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材质不均勾等原因造成，称此为差、装配误差、材质不均勾等原因造成，称此为初初始不平衡始不平衡。转子部件缺损是指转子在运行中由于腐。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应力的作用；蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳应力的作用；使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏。脱使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏。脱落，碎块飞出等，造成落，碎块飞出等，造成新的转子不平衡新的转子不平衡，发生异常，发生异常振动。振动。XX版设备故障诊断旋转机械922支架与弹性转轴串连后，其总的刚度要低于转轴本身的弹性刚度。

30、因PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其故降机理却有共同之处。但其故降机理却有共同之处。1 1、故障机理、故障机理 设转子的质量为设转子的质量为M M，偏心质量为，偏心质量为m m，偏心距为，偏心距为e e，如果转子的质心到两轴承联心线垂直距离不，如果转子的质心到两轴承联心线垂直距离不为零，具有挠度为为零，具有挠度为a a，如下图所示。，如下图所示。具有偏心质量的转子设其偏心质量集中于具有偏心质量的转子设其偏心质量集中于G G点，由前面所述转子振动的基本特性知具有偏点

31、，由前面所述转子振动的基本特性知具有偏心质量的转子其轴心心质量的转子其轴心00的运动微分方程为的运动微分方程为XX版设备故障诊断旋转机械923转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其故降机理却有PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 转子力学模型转子力学模型XX版设备故障诊断旋转机械924图 转子力学模型XX版设备故障诊断旋转机械924PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 转子发生异常振动的不平衡响应，振幅转子发生异常振动的不平衡响应，振幅lAllAl及相位差及相位差 由式频率响应函数决定，而幅频特性由式频率

32、响应函数决定，而幅频特性和相频特性如前图所示。和相频特性如前图所示。2 2、诊断方法及治理措施、诊断方法及治理措施（1 1）故障的诊断）故障的诊断 对转子质量偏心及转子部件缺损的故障诊对转子质量偏心及转子部件缺损的故障诊断主要是根据上述振动机理，由以下断主要是根据上述振动机理，由以下8 8项内容项内容进行综合分析。如下图所示。进行综合分析。如下图所示。XX版设备故障诊断旋转机械925 转子发生异常振动的不平衡响应，振幅lAl及相位差由PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 转子振动响应的主要特征转子振动响应的主要特征XX版设备故障诊断旋转机械926图 转

33、子振动响应的主要特征XX版设备故障诊断旋转机械92PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(a)(a)振动的时域波形为正弦波。振动的时域波形为正弦波。(b)(b)频谱图中，谐波能量集中于基频。频谱图中，谐波能量集中于基频。(c)(c)当当 n n时，振幅随时，振幅随 增大而增大；增大而增大；当当 n n时，时，增大时振幅趋于一个较小的稳定值；增大时振幅趋于一个较小的稳定值；当当 接近于接近于 n n时，发生共振，振幅具有最大峰值。时，发生共振，振幅具有最大峰值。(d)(d)当工作转速一定时，相位稳定于矢量域内。当工作转速一定时，相位稳定于矢量域内。(e)(e)

34、转子的轴心轨迹为椭圆。转子的轴心轨迹为椭圆。(f)(f)转子的进动特征为同步正进动。转子的进动特征为同步正进动。(g)(g)振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。(h)(h)质量偏心的矢量域稳定于某一允许的范围内（下质量偏心的矢量域稳定于某一允许的范围内（下图图a a），而转子部件发生缺损故障时，其矢量域突然），而转子部件发生缺损故障时，其矢量域突然从从t t0 0点变到点变到t ti i点（下图点（下图b b）。）。XX版设备故障诊断旋转机械927(a)振动的时域波形为正弦波。(b)频谱图中，谐波能量集中PPTPPT文档演模板文档演模板 Office O

35、ffice PPTPPT图图 转子振动的矢量域转子振动的矢量域XX版设备故障诊断旋转机械928图 转子振动的矢量域XX版设备故障诊断旋转机械928PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT3、诊断实例 某大型离心式压缩机经检修更换转子后，某大型离心式压缩机经检修更换转子后，机组运行时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径机组运行时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅超过设计允许值向振幅超过设计允许值3 3倍，机器不能正常运行。倍，机器不能正常运行。主要振动特征如下图所示。主要振动特征如下图所示。（1 1）扳动的周期性与工作转速同频，其时域波）扳动的周期性与工作转速同

36、频，其时域波形如图（形如图（b b）所示。）所示。（2 2）频谱中能量集中于基频，具有突出的峰值，）频谱中能量集中于基频，具有突出的峰值，如图（如图（a a）所示。）所示。（3 3）轴心轨迹为椭圆，如图（）轴心轨迹为椭圆，如图（c c）所示。）所示。（4 4）转子相位稳定，为同步正进动。）转子相位稳定，为同步正进动。（5 5）改变工作转速，振幅有明显变化。）改变工作转速，振幅有明显变化。XX版设备故障诊断旋转机械9293、诊断实例 某大型离心式压缩机经检PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 压缩机振动特征压缩机振动特征XX版设备故障诊断旋转机械930图

37、 压缩机振动特征XX版设备故障诊断旋转机械930PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT诊断意见：诊断意见：根据转子不平衡的振动特征图和转子质量偏根据转子不平衡的振动特征图和转子质量偏心的心的8 8项内容可知，压缩机发生强烈振动的原因项内容可知，压缩机发生强烈振动的原因是由于转子质量偏心不平衡造成的；应停机检修是由于转子质量偏心不平衡造成的；应停机检修或更换转子。或更换转子。生产验证：生产验证：该转子的动平衡技术要求，不平衡误差应小该转子的动平衡技术要求，不平衡误差应小于于1.81.8 m ms s。经拆机检验转子的实际不平衡。经拆机检验转子的实际不平衡量一端

38、为量一端为6.89 6.89 m m s s，另一端为，另一端为7.24 7.24 m m s s，具有严重不平衡质量。将该转子在工作转速下，具有严重不平衡质量。将该转子在工作转速下经过认真高速动平衡，使其达到技术要求。该转经过认真高速动平衡，使其达到技术要求。该转子重新安装后，压缩机恢复正常，运行平稳。子重新安装后，压缩机恢复正常，运行平稳。XX版设备故障诊断旋转机械931诊断意见：根据转子不平衡的振动特征图和PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT四、转子不对中的诊断四、转子不对中的诊断 机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，机组各转子之间由联轴器联接构成轴

39、系，以传递运动和扭矩，转子之间的轴线由于机器以传递运动和扭矩，转子之间的轴线由于机器的安装误差、机械承载后的变形、机器工作状的安装误差、机械承载后的变形、机器工作状态的的对中变化；以及基础的下沉不均，造成态的的对中变化；以及基础的下沉不均，造成转子轴线之间的径向位移、偏角位移或综合位转子轴线之间的径向位移、偏角位移或综合位移等误差，统称为转子不对中。如下图所示。移等误差，统称为转子不对中。如下图所示。XX版设备故障诊断旋转机械932四、转子不对中的诊断 机组各转子之间由联轴PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 转子不对中型式转子不对中型式 1 1、转子

40、不对中的故障机理、转子不对中的故障机理 转子对中不良的轴系，不仅改变了转子轴颈转子对中不良的轴系，不仅改变了转子轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状态，同时也改与轴承的相互位置和轴承的工作状态，同时也改变了轴系的固有频率，如下图所示。轴系由于转变了轴系的固有频率，如下图所示。轴系由于转子不对中，而使转子受的力及支承所受的附加力子不对中，而使转子受的力及支承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。XX版设备故障诊断旋转机械933图 转子不对中型式 1、转子不对中的故障机理XX版设PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office

41、 PPTPPT图图转子转子不对不对中的中的受力受力情况情况 联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿轮联轴器，中、小设备多用固定式刚性联常用齿轮联轴器，中、小设备多用固定式刚性联铀器。现以这两种联轴器为例，说明转子不对中铀器。现以这两种联轴器为例，说明转子不对中的故障机理。的故障机理。XX版设备故障诊断旋转机械934图转子不对中的受力情况 联轴器的结PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（1 1）齿轮联轴器的联接转子不对中的故障机理）齿轮联轴器的联接转子不对中的故障机理 转子由齿轮联轴器联接时，不对中的情况转子由齿轮

42、联轴器联接时，不对中的情况如下图所示：如下图所示：图图 齿式联轴器转子不对中型式齿式联轴器转子不对中型式（a a）径向位移；）径向位移；（b b）偏角位移；）偏角位移；（c c）综合位移）综合位移XX版设备故障诊断旋转机械935（1）齿轮联轴器的联接转子不对中的故障机理 PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 轴系各转子之间的同轴度超差时（即不对中）轴系各转子之间的同轴度超差时（即不对中），齿轮联轴器内外齿面的接触及受力情况都发生，齿轮联轴器内外齿面的接触及受力情况都发生了变化，如下图所示。了变化，如下图所示。齿面的法向力为齿面的法向力为式中式中 d d 联

43、轴器齿分度圆直径，联轴器齿分度圆直径，mm mm；联轴器齿压力角，（联轴器齿压力角，（）；）；M MK K 联轴器所传递的扭矩，联轴器所传递的扭矩，NcmNcm。XX版设备故障诊断旋转机械936 轴系各转子之间的同轴度超差时（即不对中），齿轮联轴器内PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 齿轮联轴器的受力情况齿轮联轴器的受力情况 由齿面啮合的摩擦力所产生的摩擦力矩为由齿面啮合的摩擦力所产生的摩擦力矩为XX版设备故障诊断旋转机械937图 齿轮联轴器的受力情况 由齿面啮合的摩擦力所产生的摩PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTP

44、PT中间齿套倾斜的力矩为中间齿套倾斜的力矩为 式中式中 中间齿套的倾角；中间齿套的倾角；b b 外齿宽。外齿宽。若忽略其它因素的影响，设若忽略其它因素的影响，设M MF F 与与M MT T 在同一平在同一平面内并且相互垂直，由这两个力矩所产生的径向分面内并且相互垂直，由这两个力矩所产生的径向分力为力为 式中式中tt联轴器中间齿套两端齿的中心跨距，联轴器中间齿套两端齿的中心跨距，mmmm。XX版设备故障诊断旋转机械938中间齿套倾斜的力矩为 式中 中间齿套的倾角；式中PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT轴承所受的附加径向力为轴承所受的附加径向力为 同样，由

45、于摩擦力同样，由于摩擦力 的影响，最大附加轴向力为的影响，最大附加轴向力为 转子轴线之间有径向位移时，联轴器的中间齿转子轴线之间有径向位移时，联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副，不能相对转动，套与半联轴器组成移动副，不能相对转动，但是中但是中间齿套与半联轴器可以滑动而作平面圆周运动，中间齿套与半联轴器可以滑动而作平面圆周运动，中间齿套的质心便以轴线的径向位移量（间齿套的质心便以轴线的径向位移量（X X）为直径）为直径作圆周运动，如下图所示。作圆周运动，如下图所示。XX版设备故障诊断旋转机械939轴承所受的附加径向力为 同样，由于摩擦力的影响，最大附PPTPPT文档演模板文档演模板 Offic

46、e Office PPTPPT图图 转子径向位移振动转子径向位移振动 联轴器中间齿套的转动频率为转子旋转频率联轴器中间齿套的转动频率为转子旋转频率的的2 2倍，即转子转动一周时，中间齿会以转子径倍，即转子转动一周时，中间齿会以转子径向位移量为直径作两次平面圆周运动。向位移量为直径作两次平面圆周运动。当两转于的轴线有偏角位移时（如下图），当两转于的轴线有偏角位移时（如下图），转子回转角速度为转子回转角速度为XX版设备故障诊断旋转机械940图 转子径向位移振动 联轴器中间齿套PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 转子偏角位移振动转子偏角位移振动传动比传动比

47、式中：式中：1 1主动转子的回转角速度主动转子的回转角速度 2 2从动转子的回转角速度从动转子的回转角速度 从动转子的偏斜角；从动转子的偏斜角；1 1 主动转子的转角。主动转子的转角。XX版设备故障诊断旋转机械941图 转子偏角位移振动传动比式中：XX版设备故障诊断旋转机械PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT当主动转子的回转角速度当主动转子的回转角速度 1 1为常数时，从动转为常数时，从动转子的回转角速度子的回转角速度 2 2并不是常数，而是偏角并不是常数，而是偏角 和和主动转子转角主动转子转角 的函数，当的函数，当=0=0 时或时或1801800 0时，

48、时，i iz z！=1=1coscos 为最大；当为最大；当=90=900 0时或时或2702700 0时，时，i iz z！=cos=cos 为最小，如下图所示。为最小，如下图所示。即即图图 速比速比i iz z！的变化曲线的变化曲线XX版设备故障诊断旋转机械942当主动转子的回转角速度1为常数时，从动转子的回转角速度2PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 由此可知：当机组的转子轴线发生偏角位移由此可知：当机组的转子轴线发生偏角位移时，其传动比不仅是转子每回转一周变动两次，时，其传动比不仅是转子每回转一周变动两次，而且其变动的强度随偏角而且其变动的强度随

49、偏角 的增大而发生振动，的增大而发生振动，其径向振动频率亦为转子旋转频率的其径向振动频率亦为转子旋转频率的2 2倍。倍。在实际生产中机组各转子之间的联接对中情在实际生产中机组各转子之间的联接对中情况，往往是既有径向位移又有偏角位移的综合位况，往往是既有径向位移又有偏角位移的综合位移，因而转子发生径向振动的机理是两者的综合移，因而转子发生径向振动的机理是两者的综合结果。结果。XX版设备故障诊断旋转机械943 由此可知：当机组的转子轴线发生偏角位移时，其传动比不PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 同时，齿轮联轴器由于所产生的附加轴向同时，齿轮联轴器由于所产生

50、的附加轴向力以及转子偏角位移的作用，从动转子以每回转力以及转子偏角位移的作用，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回转频率相同，如下图所示。向振动的频率与回转频率相同，如下图所示。图图 转子不对中的轴向振动转子不对中的轴向振动XX版设备故障诊断旋转机械944 同时，齿轮联轴器由于所产生的附加轴向力以及转子偏角位PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（2 2）刚性联轴器联接转子不对中的故障机理）刚性联轴器联接转子不对中的故障机理 刚性联铀器联接的转子对中不良时，由于刚性联铀器联接的转

51、子对中不良时，由于强制联接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲强制联接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子径向位移或偏角位移的状态变形，而且随转子径向位移或偏角位移的状态不同，其变形和受力情况也不一样，如下图所不同，其变形和受力情况也不一样，如下图所示。示。图图 刚性联轴器联接不对中的情况刚性联轴器联接不对中的情况 (a)(a)径向位移；径向位移；(b)(b)角度位移角度位移XX版设备故障诊断旋转机械945（2）刚性联轴器联接转子不对中的故障机理 PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 用刚性联轴器联接的转子不对中时，转子往用刚性联轴器联接的转子不对

52、中时，转子往往是既有径向位移又有偏角位移的综合状态，转往是既有径向位移又有偏角位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力、又有轴向交交力。子所受的力既有径向交变力、又有轴向交交力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转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；而且由转子回滑动，使转子产生自激旋转振动；而且由转子回转角速度公式可知，当主动转子按一定转速旋转转角速度公式可知，当主动转子按一定转速旋转时，被动转子的转速就产生周期性变动每转动时，被动转子的转速就产生周期性变动每转动一周变动两次，因

53、而其振动频率为转子转动频率一周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的的2 2倍。倍。XX版设备故障诊断旋转机械946 用刚性联轴器联接的转子不对中时，转子往往是既PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 转子所受的轴向交变力与前面所述的转子不转子所受的轴向交变力与前面所述的转子不对中的轴向振动的图相同，其振动特征频率为转对中的轴向振动的图相同，其振动特征频率为转子的转动频率。子的转动频率。（3 3）转子不对中的敏感参数）转子不对中的敏感参数 由前面分析的法向力、径向力和轴向力公由前面分析的法向力、径向力和轴向力公式可知，转子不对中时。转子受力及轴承所受式可知

54、，转子不对中时。转子受力及轴承所受的附加力，直接与联轴器所传递的扭矩成正比。的附加力，直接与联轴器所传递的扭矩成正比。即转子不对中所发生的异常振动随机器的即转子不对中所发生的异常振动随机器的负荷增加而增大。负荷增加而增大。XX版设备故障诊断旋转机械947 转子所受的轴向交变力与前面所述的转子不对中的轴向振动的PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 转子热态对中不良时，机器的基础变形、热转子热态对中不良时，机器的基础变形、热膨胀不均匀及环境温度的突然变化等，对转子的膨胀不均匀及环境温度的突然变化等，对转子的热态对中状态比较敏感，有较大的影响。热态对中状态比较敏

55、感，有较大的影响。2 2、诊断实例、诊断实例 背景背景 某厂的透平压缩机如下图所示，机组检修某厂的透平压缩机如下图所示，机组检修时，除常规工作外还对联接低压缸的联轴器更换时，除常规工作外还对联接低压缸的联轴器更换了部分零件；对轴系的同轴度进行了调整等。了部分零件；对轴系的同轴度进行了调整等。XX版设备故障诊断旋转机械948 转子热态对中不良时，机器的基础变形、热膨胀不均匀及环PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT图图 透平压缩机组透平压缩机组图图 异常振动特征异常振动特征XX版设备故障诊断旋转机械949图 透平压缩机组图 异常振动特征XX版设备故障诊断旋转P

56、PTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 机组检修后运行时，透平和压缩机低压缸运机组检修后运行时，透平和压缩机低压缸运行正常而压缩机高压缸测点行正常而压缩机高压缸测点5 5振动较大（在振值允振动较大（在振值允许范围内）。机组运行一周后高压缸突然振动加许范围内）。机组运行一周后高压缸突然振动加剧，测点剧，测点4 4，5 5的径向振幅增大，测点的径向振幅增大，测点5 5增加增加2 2倍，倍，测点测点6 6的轴向振幅加大。而透平和压缩机的振幅无的轴向振幅加大。而透平和压缩机的振幅无明显变化；机组运行两周之后，高压缸测点明显变化；机组运行两周之后，高压缸测点5 5的振的

57、振幅又突然增加幅又突然增加l l倍，超过设计允许值，振动强烈，倍，超过设计允许值，振动强烈，危及生产。压缩机高压缸振动特征主要为：危及生产。压缩机高压缸振动特征主要为：高、低压缸联轴器两端振动较大，测点高、低压缸联轴器两端振动较大，测点5 5的波的波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2 2倍频谐波倍频谐波具有较大峰值；轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；轴具有较大峰值；轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；轴向振动较大等如上图所示。向振动较大等如上图所示。XX版设备故障诊断旋转机械950 机组检修后运行时，透平和压缩机低压缸PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Offic

58、e PPTPPT诊断意见诊断意见 高压缸与低压缸由于热态对中不良，联轴器高压缸与低压缸由于热态对中不良，联轴器发生故障，必须紧急停车检修。发生故障，必须紧急停车检修。生产验证生产验证 机组在有准备的情况下，紧急停车处理。该机机组在有准备的情况下，紧急停车处理。该机组经局部解体检查发现，联接高压缸与低压缸的联组经局部解体检查发现，联接高压缸与低压缸的联轴器（半刚性联轴器），如下图所示，固定法兰与轴器（半刚性联轴器），如下图所示，固定法兰与内齿套的联接螺栓已断掉三只，其位置如下图所示。内齿套的联接螺栓已断掉三只，其位置如下图所示。螺栓断面的电镜断口分析为沿晶断裂，并有准螺栓断面的电镜断口分析为沿晶

59、断裂，并有准解理及局部韧窝组织。解理及局部韧窝组织。XX版设备故障诊断旋转机械951诊断意见 高压缸与低压缸由于热态对中不良，联轴器发PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 联轴器结构联轴器结构 螺栓损坏位置螺栓损坏位置XX版设备故障诊断旋转机械952 联轴器结构 螺栓损坏位PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 发生故障的主要原因是：发生故障的主要原因是：a a）转于对中超差，实际不对中量大于设计要）转于对中超差，实际不对中量大于设计要求求1616倍；倍；b b）联接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合）联接螺栓的机械加工和

60、热处理工艺不符合要求，螺纹根部产生应力集中，而且热处理未进要求，螺纹根部产生应力集中，而且热处理未进行正火处理，金相为淬火马氏体组织螺栓在拉行正火处理，金相为淬火马氏体组织螺栓在拉应力作用下脆性断裂。应力作用下脆性断裂。根据诊断意见及提出的治理措施，高压缸转根据诊断意见及提出的治理措施，高压缸转子按同轴度要求重新找正对中，并更换了符合技子按同轴度要求重新找正对中，并更换了符合技术要求的联接螺栓。采取了这些措施后机组运行术要求的联接螺栓。采取了这些措施后机组运行正常，从而避免了恶性事故。正常，从而避免了恶性事故。XX版设备故障诊断旋转机械953 发生故障的主要原因是：a）转于对中超差，实PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again2024/2/13XX版设备故障诊断旋转机械9演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again2022