高速旋转机械常见故障原因及频域分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

谱 共振 故障诊断 不平衡- 前言高速旋转机械转速从几千转/分到几十万转/分，应用在各种工业生产领域并成为企业的重点设备。如：煤 。

气鼓风机、高低压空压机组、大型泵及汽轮发电机等，其安全稳态运行与企业正常生产紧密相关。 ：高速旋转机械常见故障原因和频域特征的分析研究，可以有效确保该类设备的正常运行，及时发现、诊断设备的各类异常和故障，同时帮助生产操作人员和维修技术人员达到以下目标。

1)准确确定故障部位、原因和程度，采取有效防治措施，做到防患于未然的预知性维修。

2)为减少、抑制故障隐患，提供必要的理论基础 j和参考依据。

3)为进-步故障诊断专家知识系统中的故障模拟 j谱图表，建立标准、设定初始值。

二 高速旋转机械故障诊断理论与分析1965年FFT方法问世，数字信号处理、分析出现新分支，为高速旋转机械故障诊断分析研究、发展奠定了理论基磋助数学工具与计算机，应用各学科最新成 fGM 通用觚-vcww.etyjx.COLD 20138 第l期果，该门技术学科得到了发展和完善。至今，形成理论的分析方法有以下几种。

(1)波形分析法 观察振动波形特征，获取诊断信息，效果清晰。局限性在于振动频率成分含量多时，波形复杂，直接观察并获取诊断信息困难。

(2)频谱分析法 最广泛使用方法之-，又称做FFT频谱分析法，特点如下。

2)谱峰大猩判定故障程度，并由频率值诊断故障种类。成为故障诊断专家知识系统中成熟、可靠的-组规则。

3)由概率统计法 (3 准则)可建立设备标准谱，并作为衡量设备工况异常与否的准则。

(3)瞬态分析法 包括波德图、极坐标图、轴心轨迹、坎贝尔图及瀑布图分析等，将过程信号分析，处理作为整体是其特点。

(4)统计分析法 用统计法对振动信号中各频率分量的综合影响，进行量化处理。量化指标可从振动参数中直接得到，又可从曲线波形或频谱图中获得，是其特点。

(5)模糊数学分析法 在高速旋转机械故障诊断分析中，用模糊数学分析法处理诊断中的模糊问题。在模糊综合评判、模糊模式识别等方面，取得了进展。但难于对模糊隶属度函数的确定，阻碍了该方法技术的实用推广。

此外，还有灰色系统分析法、专家诊断知识系统及新发展起来的小波分析法和人工神经网络理论等。

三、高速旋转机械常见故障原因及频域 振幅分析图1 高速旋转机械各种故障主要原因及比例1.转子不平衡故障高速旋转机械主要构成部件转子轴质心与轴心线不同轴，转子轴心质量分布不均匀，产生附加惯性力、力偶并引发设备故障称为不平衡故障，原因是：制造转子材质不均匀；加工安装产生误差；工作过程中，输送介质带有-定量的附属物，逐渐黏附在叶轮表面造成不平衡的发生。实际不平衡量沿转子、叶轮轴向和径向任意随机分布，形成惯性离心力系，引起超出限值的振动，设备就发生了不平衡故障。又分为初始不平衡和突发不平衡。转子轴结构不对称、材质不均匀、加工装配误差等引起质量偏心而发生机器的强迫振动是初始不平衡故障的主要原因；运转中转子腐蚀、积垢或碰撞引起轴弯曲而产生较大质量偏正，造成机器突然增大的强迫振动，是突发不平衡故障的主要原因。基频 为主导地位，是高速旋转机械不平衡故障的重要频域特征。

2.转子不对中故障转子轴弯曲产生预负荷，不正确的轴承座安装及转子轴中心线偏置是不对中故障的主要原因，分为转子高度不对中、转子角度不对中和二者同时存在三种情况。不对中故障会产生转子附加弯矩及轴承中的附加负荷，导致轴承间负荷再次分配，损坏轴承，引发设备强烈振动。

频域上，二倍频 ( )分量、大的轴向振动分量为主导，是不对中故障的主要特征 (见图2)。常用工频冶金/矿山通用机械伽 GMin Metallurgical＆MineIndustry图2 转子不对中模拟频谱分量与二倍频 ( )分量比例，判断不对中故障的严重程度，并作为标志：Z 分量占 分量的30%～75%，是轻微不对中； 振幅占 分量80%以上，是明显不对中；当 振幅超过 振幅14%以上时，是严重不对中故障现象。

3.摩擦故障与轴裂纹高速旋转机械摩擦性故障主要类型包括内摩擦、外摩擦和动静摩擦，同时分为气封、轴向碰磨等。频域上呈现出伴有活动高频分量的广谱宽带特点，激振力频率丰富，存在与转速相关的低频成分，又存在和固有频率有关的高次谐波。

轴产生横向裂纹时，在相互垂直的两个方向上刚度不对称，引起非线性参数激振。具有明显的基频 、2倍频 (2fr)、3倍频 ( )甚至4倍频 ( )，分量是其频域上的显著特征。

1)内摩擦♂构在负载作用下变形时，能量就储存在结构内。设均质材料单元件上施加的单位面积力为(见图3)，单元件变形量为 。，若弹性材料则有 l/E，单元体内储存能量 ， · ld l 1/2(见图4)。单元体卸载时，某些晶粒需重新排列，这种不可逆分子改组需消耗能量，因此，不可能所有输入能量都释放出来。材料卸载时，释放能量 为-个封闭的滞后环 (见图5)，环面积表明材料内摩擦特性，滞后环A1A 左边部分相当于加载过程，右边部分相当于卸载过程，任意-点 (环中)应力必滞后于应变。同样变形条件下，金属材料加载比卸载过程中经受更大的应力。

2013钏59 第1期 .1 冶金/矿由通用机械Gilin Metalurgieal＆MineIndusto'图4 内摩擦单元体的变形能。 M//D s2 iA- (a)能量释放 b)精后环图5 内摩擦单元体中能量释放及滞后环子弯曲变形时，叶轮与转子轴配合面相对运动而产生摩擦力。当套装叶轮发生图6所示弯曲时，凸面纵向纤维伸长，而叶轮刚性大，不会变形，转子轴在和叶轮圆盘接触面处向二边滑动，产生向内摩擦力，在凹处则产生向外摩擦力，形成二对力偶。作用在轴心上的横向力Pt4M t/b式中 - 轴承间距；- - 轴上产生的弯矩。

p 方向与叶轮中心位移方向相反，摩擦力大小与装配处正压力成比例，转子轴弯曲时，正压力随挠度y增大而增大。 周期性改变时， 随 变化关系如图7所示，其中：p 为'，oN装配面预紧力产生的摩擦力，a为振幅。振动-周时，摩擦力消耗功 ：4p 。

/o./ 。 ，a图7 套装叶轮正压力P 随 变化关系(3)转子动静接触引起的摩擦 动静摩擦原因包括滚动轴承润滑不良、密封间隙过孝转子质量不平衡、热弯曲或静止零件不对中等。摩擦造成转子热不稳定，进而加剧转子热弯曲，同时加剧摩擦。局部摩擦多6O ： 年籼发生在金属摩擦前，引起机器不规则振动；振动加剧，摩擦性质随之变化，局部摩擦向全径向摩擦过渡。多数情况下，经历全径向摩擦状态后，高速旋转机械将立即严重损坏，转子动静接触摩擦还进-步引起转子失稳，此时，其频率必大干它的临界转速。

4.轴承异常故障常使用滚动轴承支承中小型高速旋转机械的刚性转子，故障激励和转速同步，由此产生的振动为同步振动。流体动压润滑滑动轴承则广泛应用在大型高速旋转机械中支承柔性转子，以便工作寿命相对延长并得到良好的抗振性，其故障和轴承密封装置的流体动压失稳、工作介质工况失稳有关，因此产生的振动为自激振动，即振动过程中系统内部能量不断输入而产生共振。

滚动轴承缺陷引起的振动频率计算公式见表1。滚动轴承故障原因是设计不当，加工安装工艺不良或突加载荷作用，承载运转-段时间后产生缺陷，持续运行引发缺陷扩大，轴承形态恶化最终完全失效，如滚圈、滚子、保持架、轴承座孔或轴颈失效现象。故障机理是：机械因素引起表面磨损；润滑油含水分使元件表面发生化学腐蚀；润滑油中含金属磨粒使轴承元件表面形成压坑；承受反复载荷而产生疲劳点蚀、剥落或裂纹，甚至轴承破断。运转中轴承缺陷产生低频脉动，引起渐减的无穷简谐级数振动，脉动频率即为基频 。通过故障，滚子激发的周期性冲击不是单-简谐振动，而是渐减的无穷简谐级数，频域上呈现出-定形式的离散谱线族。

表1 轴承振动频率计算表缺陷起因 频率计算公式缺陷来自外滚道 o.sf，(1 Bdcos/Pd)缺陷来自内滚道 0. (1-Bdcos/Pd)滚动体缺陷 o.sf·Bd/P，(1～B，cos/P，)基础系统频率 0.5f；(1-BdcosO/Pd)注：表中， 为接触角；Pd为节径；B 为滚动体直径； 为基频。

油膜振荡和油膜涡动是滑动轴承的主要故障。频谱图上表现为低频分量的自激振动，是因滑动轴承油膜力学特性所引起的失稳性自激振动导致。油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步失稳现象，其频率是转子旋转频率的-半，又称为半速涡动。转子旋转频率增大，油膜涡动频率随之增大；但当转子旋转频率增大至约等于-阶临界频率的2倍时，涡动频率将与转子旋转频率无关，且等于转子-阶临界频率并发生强烈振动，振幅将突然增大并稳定在大于基频振幅的数值上，在稳态频域中，亚同步频率是振动的主要频率，即发生油膜振荡现象。在配合不适当情况下，旋转部件圆周不均匀间隙导致金属接触，产生摩擦、滞后，使转子以约半旋转频率旋进，即干涡动故障。频域上油膜振荡还呈现出振动主导峰值频率等于转子的-阶临界频率 。

5.松动故障包括机座、轴承座、螺栓等松动及叶轮、转子轴和轴承装配过盈不充分引起的故障，是激振频率 (0.3～ O.5).厂r、.厂r和高次谐波激振力引起的振动，即松动件对转子动态输入非纷陛响应引起的振动。该类故障频域上具有-定的低频分量且低频宽带，集中在半工频0。

6.气压脉动故障因不均匀进气、进气阀松动、存在抽气口、弯管、流道面积急剧变化引起， 多发生在透平机械中。

高速旋转机械其他故障：喘振、旋转失速属于亚谐共振，频域特征为半频0.5fr。

四、模拟故障谱通过各种传感器、仪器测得的高速旋转机械振动信号中，包含有大量机器运转状况的信息，表现在振动功率谱的各频率分量中。频域特征分析可以辨别其中各种振动频率的幅值大型引发振动的主要频率成分，因此推断出故障类型、振动原因以及设备机组结构上的弱点，是解析诊断高速旋转机械设备故障的重要手段。根- 函 -厂---- 磊丽 ---- 转子不平衡l - - 转子不对中 i 。 l 。

冶金/矿山通用机械僦 6M Metalurgical&MineIndustry(续)球过外环频率(BPFo)F滚动轴承故障 (a)早期阶段轴承特征频率 更高阶段 / -嗣ir-7蜘l- ， F(b)后期阶段轴承座松动 -L1 r-----] 0I 3厂r F。

百 4 2壳体支座松动 S- -n l ， -五 ，r 骈4 2气压脉动 n 。 -1--1 n厶 厂r4 2亚谐共振 l -1 - Oft 2 F注 ：表 中，S代表振幅 ，单位为 ； 代表频翠 ，单位 为Hz。

五.结语对高速旋转机械常见故障原因、频域特征的分析，和模拟故障谱的研究，目的在于：为建立该类设备状态监测及故障诊断专家知识系统，提供必要的先验知识，并做好坚实的理论基础工作；同时，也作为该类设备检修过程中的理论指导和评判设备运行状况正常与否的标准；对企业重点设备的维护保养工作，具有现实指导意义。