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故障诊断读书报告
《机械故障诊断技术》读书报告
旋转机械碰摩故障的诊断案例分析综述
TheDiagnosisofRotatingMachineryRubbingFaultCaseAnalysisWereReviewed
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摘要
为了减少和降低转子与静子之间的碰磨故障，所以要研究旋转机械动静碰摩故障下转子与静子振动信号的变化规律。
我们首先应该分析碰摩转子和静子振动机理。
其次是需要通过对实例的分析，了解旋转机械的转子与静子碰磨在正常情况、轻微局部碰摩和严重局部碰摩三种情况下的动静件振动信号规律和特点.从而掌握如何控制转子的运行，使其不发生转子与静子碰磨。
以及如何调节参数，在转子运行中保持最大可能的稳定，为诊断碰磨故障提供新的方法。
关键词：
旋转机械，动静碰摩，转子与静子，故障诊断
Abstract
Inordertoreduceandlowerrub-impactfaultbetweenrotorandstator,sotoresearchcharacteristicofrvibrationsignalsunderrun-impactstatusisstudied.Weshouldfirstandstaticanalysisof rotorandstatorvibrationmechanism.Thesecondisneedthroughtheanalysisoftheinstancebetweenrotorandstatorvibrationfeaturewithdifferentrotorspeedisanalyzedthroughexperiment.Tomasterhowtocontroltheoperationoftherotor,sothattheydon'thappenrotorandstatorrub-impact.Andhowtoadjusttheparametersoftherotorintheoperationofthekeepthestabilityofthegreatestpossible.,whichprovidesnewmethodsforwithrub-impactfaultdiagnosis.
Keywords：
rotatingmachine，rub-impact，rotorandstator，faultdiagnosis
1引言
转子系统的动静部件碰摩故障是旋转机械中常见的故障，也是引起机械系统失效的主要原因之一。
在能源动力类旋转机械中，随着高转速高效率的要求，转子与静子的间隙越来越小，导致转子与静子之间的碰摩故障不断发生，特别是在封套装置转静件间以及叶片端部和机匣之间。
大多数转静子碰摩都是一种非正常的故障现象，碰摩能使转静子的间隙增大、轴承支撑磨损、叶片折断甚至整个机械破坏失效。
在碰摩过程中会产生很多物理现象，如摩擦、撞击、祸合效应、硬化效应等。
转静子碰摩除了能引起磨损和热效应外，更严重的是能引发与静子持续接触的转轴反进动;在这种不稳定的运动形态中，接触面上有很大的法向力和摩擦力，转子的反向涡动不收敛，反向涡动转速会迅速提高，几秒钟内就能引起旋转机械的严重损坏，引发一系列危及环境和生命的灾难性事故。
动静件之间的轻微摩擦，开始时故障症状可能并不十分明显，特别是滑动轴承的轻微碰磨，由于润滑油的缓冲作用，总振值得变化时很微弱的，主要靠油液分析发现这种早期隐患；有经验的诊断人员，由轴心轨迹也能作出较为准确的诊断。
当动静碰磨发展到一定程度后，机组将发生碰撞式大面积摩擦，碰磨特征就将转变为主要症状。
在生产中，转子的碰摩故障时有发生，给机组的安全稳定运行带来极大危害，因此研究大型旋转机械的动静碰摩机理和摩擦时的振动特性，对于充分利用振动信号诊断碰摩故障，防止转子的碰摩向中、晚期过渡，保证设备的安全稳定运行具有非常重要的现实意义。
转子与静子的碰摩故障通常为其它故障引起的间接结果，产生转静子碰摩的原因有很多，主要原因有转子不平衡、装配误差、不对中、定子机匣运动或有较大的椭圆度、流体扰动、支座松动轴承间隙不当和其它故障引发的异常振动等。
最常见的碰摩发生在转子与静子的封套间，最危险的碰摩发生在叶片与叶片或叶片与静子之间。
动静碰磨与部件松动具有类似特点。
动静碰磨是当间隙过小时发生动静件接触再弹开，改变构件的动态刚度；部件松动是连接件紧固不牢，受交变力作用，周期性地脱离再接触，同样是改变构件的动态刚度。
不同点是，前者还有一个切向的摩擦力，使转子产生涡动。
转子强迫振动，碰磨只有振动和摩擦涡动运动叠加到一起，产生出复杂的、特有的振动响应频率。
由于碰磨产生的摩擦力是不稳定的接触正压力，在时间上和空间位置上都是变化的，因而摩擦力具有明显的非线性特征。
因此，动静碰磨与部件松动相比，振动成分的周期性相对较弱，而非线性更为突出，经分析表明,静子振动信号对碰摩故障极为敏感,碰摩时静子振动信号的故障特征表现为调制特征,该特征可以较好地揭示碰摩故障的发生,为诊断碰摩故障提供了一种新思路。
2案例分析
为了能够更好的分析旋转机械碰磨在实际应用中会出现的问题，我们通过举出实例进行分析。
经过分析后，总结故障发生的原因并分析出可以改善其碰磨故障的方法。
2.1大型机组动静碰摩故障振动特征分析与现场处理
1）项目介绍
1号机2001年4月完成投产以来第一次检查性大修,初始开机两次进行高速动平衡消除了原始质量不平衡。
在其后准备并网带负荷的开机过程中,升速时各瓦振动正常,3000r/min振动值见表1,但升负荷至130MW后不久,发现3号、4号瓦振动逐渐上升,超过报警值125μm,4号瓦达到140μm,并继续保持上升趋势,于是立即打闸停机。
[]
图1 1号发电机组轴系简图
表1 3000r/min时转轴绝对振动值（μm）
序号1号2号3号4号5号6号7号
Y方向5020.728.330.784.846.664.5
分析此次开机的振动记录,发现有以下几个特征:
1.各瓦振动频率成分主要是工频,约占通频的85%～90%,有少量的2倍频。
2.振幅与相位之间没有明显的依赖关系,并网以后振动就在缓慢增加,直到负荷达到130MW时,振幅超过报警值125μm。
3.相位有连续的逆转现象,甚至有的瓦相位变成与原来反相。
4.相位变化的同时振幅也在相应地变化,并且都有波动现象。
5.轴颈中心位置发生明显变化。
2）碰摩故障机理
发生动静碰摩时,由于转动部件和静止部件的相互摩擦作用,会产生巨大的热量,碰摩点温度可达上千度,接触处局部的温升达到数XX（这些可以从转子碰摩后接触部位的颜色变兰,甚至发生塑性变形得到证实）。
这种温度场必然会使转子产生热变形,引起新的质量不平衡。
恒定转速没有发生碰摩条件下,振动高点滞后不平衡质量一个与机组转速相关的固定角度;碰摩发生时,转轴与静子的接触点必定在高点,由于高点侧局部加热使得转子要向高点方向弯曲,从而在反转向位置产生一个附加的不平衡质量,它与转子原有不平衡质量合成后的新的不平衡质量要逆转一个角度。
高点滞后于不平衡质量点的角度是固定不变的,不平衡质量的逆转使得高点也要同时逆转,这样就造成了碰摩过程中振动相位的连续变化。
图2是该机定速以后3号瓦的趋势图,从图中可以明显地看到相位连续增加了100°。
这就是碰摩造成的热弯曲导致振动高点与原不平衡质量点夹角连续增加的缘故。
从图3可以发现碰摩时振幅、相
位还产生了波动现象。
图2 3号瓦1倍频趋势图
图3 40MW负荷下振幅、相位的波动
如果碰摩发生在一阶临界转速以下,滞后角是小于90°的锐角,碰摩引起转子向振动高点方向弯曲,方位和重点（不平衡质量点）一致,转子不平衡质量增加,振动增大,增大的振幅加剧碰摩的力度使温度进一步升高,这就形成了恶性循环。
有人认为,通常运转在高于一阶临界转速而低于二阶临界转速的转子发生碰摩将使转子产生二阶质量不平衡才能使振动增大,此例证明这个观点是错误的。
此外,无论是在临界转速以下还是在工作转速,发生碰摩时,由于转子产生热弯曲,转子中心必然会偏离原来的中心线,引起转子轴颈的静态位置发生变化。
由3号瓦X方向的间隙电压图（图4、图5）,可以明显地看出转子中心已经发生了变化。
图4 发生碰摩时的间隙电压图
图5 没有碰摩时的间隙电压图
3）碰摩故障原因的分析和处理
通常,能引起机组动静碰摩的有以下一些原因:
1.转轴振动过大。
在大振动下转轴一旦大到机组的动静间隙值,都可能与静止部分发生碰摩。
2.由于不对中等原因使轴颈处于极端的位置,整个转子偏斜,或者是非转动部件的不对中。
3.动静间隙不足。
常常是由设计上的缺陷以及安装和检修缺陷造成的。
4.缸体跑偏、弯曲或变形。
考虑到1号机是大修后开机,根据经验,许多电厂大修时为了保证机组的效率,往往机组通流部分的间隙都做得偏小。
该机组最初估计可能是由于通流部分间隙过小,导致动静部分摩擦,从而使机组振动上升。
由这种原因引起的机组振动不重新调整通流间隙一般不易消除,只能在加强对振动的密切监视的情况下,让机组继续运行一段时间,将过小的间隙磨大,振动也就自然消除。
对1号机组,经过全面分析后决定重新开机。
转速升至低压转子一阶临界转速以下200r/min,停留一段较长时间,让动静部分充分摩擦,再升速至3000r/min。
但并网后带50MW负荷运行,振动依然缓慢增加,负荷升至130MW时振动又开始明显上升。
运行人员发现机组低压缸两侧外壁中间部位温度相差达20多度。
由于振动很快就超过了报警值,再次被迫停机检查。
根据此次冲转发现低压缸两侧存在温差确定碰摩原因是由于低压缸两侧受热膨胀不均,引起汽缸变形,最终导致碰摩。
进一步的工作是查找引起汽缸壁两侧存在温差的原因。
由于1号机低压缸采用双层缸结构,而从外缸膨胀值反映的是机组膨胀正常,所以估计问题可能出在低压内缸。
打开低压缸外缸上的人孔门检查内缸,发现内缸上用来紧固手孔门用的螺栓有松动现象,手孔垫圈也有蒸汽冲刷痕迹。
更换垫圈和螺栓（以前的螺栓材质不合要求,从而引起螺栓松动）,重新开机,升负荷后各瓦振动正常,振幅达到运规要求,相位保持稳定。
机组发生碰摩故障时,振幅缓慢变化,并有可能和相位一起发生周期性波动。
机组碰摩故障诊断的关键是看相位的变化,即看相位是否有连续的逆转。
通常还要用到频谱分析帮助确定故障性质。
另外,确定转子轴颈中心位置的间隙电压图或静态轴心轨迹图以及反映轴心运动的动态轴心轨迹图,对这类故障的诊断和分析也是非常有用的。
碰摩故障的处理可以采用避开敏感的临界转速,让动静部位长时间充分摩擦,扩大动静间隙,消除碰摩。
而对由汽缸变形、跑偏引起的动静碰摩,在消除了引起碰摩的根源以后,碰摩也就自然消失。
2.2汽轮机启停过程中动静碰磨故障的诊断与处理
1）设备概况
某热电厂12号汽轮机是哈尔滨汽轮机厂制造的一次中间再热、三缸两排气、双抽汽、单轴、凝汽式汽轮机，型号为CCl40／N200—12．7／535／535。
在2007年大修时进行了通流部分改造，功率由原来的200Mw变成220MW，将原来的铜齿式汽封更换为零间隙汽封，其中高中压的部分汽封、低压的前后汽封均换成此零间隙汽封。
其轴系示意见图1[]。
2）振动过程及其特征
007年8月29日大修后首次启动，1100r／min暖机时，2号轴承y方向振动缓慢爬升，暖机40min后，2号轴承y方向振动由44μm爬升至63μm，当转速升至l600r／min时，2号轴承y方向振动开始快速增加，转速到1800r／min时2号轴承y方向振动增大到278μm。
由于振动增大速度太快，运行人员还没来得及打闸，机组振动保护动作，2号轴承y方向振动趋势见图2。
图2中05：
23：
00--06：
04：
00是1100r／min暖机期间，这段时间2号轴承y方向振动除了通频振动缓慢爬升之外，工频振动及相位也存在明显波动，这是典型的早期碰摩的振动特征；06：
06：
00时，2号轴承y方向振动不再缓慢爬升和波动，而是瞬间增大至278μm，根据振动的Bode图可知相同转速下，降速时2号轴承y方向振动较升速时大，说明转子已经产生了热弯量，这是典型的中期碰摩的振动特。
3）故障原因分析
鉴于以上振动特征，认为造成2号轴承y方向振动大的原因是2号轴承处转轴与汽封发生了碰摩，使转子产生了热弯量，带动相邻轴承的振动增大。
现场采取的措施是先将转速稳定在1100r／min，在1100r／min暖机90min后再冲车，2号轴承Y方向振动仍然大，无法通过高压转子临界，这样进行了2次，但都因2号轴承y方向振动而打闸。
之后将转速稳定在500r／min暖机60min，振动数值与刚升速到500r／min的数值一样时（说明由碰摩引起的热弯量已消失），再次冲车，这次顺利冲至3000r／min。
过高压转子临界2040r／min时，2号轴承y方向振动最大为235μm。
在汽轮机做汽门严密性试验时，2号轴承y方向振动再次异常。
详细过程如下：
汽轮机转速降至956r／min时升速，但当转速升至1600r／min时，2号轴承y方向振动增加至284μm，振动保护动作，机组跳闸。
又进行了一次升速，但因振动大而打闸停机，停机时振动最大增至352μm，降速到500r／min时2号轴承y方向振动为127μm。
根据以上振动特征，认为造成2号轴承y方向振动增大的原因是机组受热后有了新的动静间隙，过高压转子I临界时在2号轴承处转子与轴端汽封发生碰摩，并且此时轴系温度已很高，使得转子产生的热弯量较大。
为了尽快消除热弯，打闸后投上盘车，经过4h连续盘车，再次冲车，机组顺利冲至3000r／min。
该机在以后的热态启动时，都因2号轴承处转轴与轴端汽封的碰摩无法一次通过高压转子临界。
综上可知：
该机组高压转子的一阶不平衡量较大，使得过高压转子临界时振动较大，由于高压转子的后汽封部分是接触式汽封，所以在过高压转子临界时发生了转轴与轴端汽封的碰摩，使得2号轴承y方向振动异常，由于处理及时，碰摩只经历了早期和中期，没有发展到晚期。
2.3单轴联合循环机组动静摩擦故障分析及处理
1）设备概况
某电厂12号燃机为GE公司生产的9F级单轴联合循环机组，轴系布置图见图1。
机组在调试期间曾多次发生高压转子与轴封、汽封碰摩，几次轻微碰摩，通过调整轴封汽温度，上下缸温差，增加盘奎吐间等措施可使摩擦接触点脱离而冲转成功。
2007年6月12日机组进行超速试验，超速试验后停机降速过程中，回到3000r／min时振动较正常情况下3000r／min振动有上升转速低于1000r／min后，3Y、3X振动大幅上升，都高达120“m以上（见图2），4Y、4X也较平常停机过程的振动要大很多盘车1．5h后，机组冷拖至699r／rain，因3、4号轴振动急剧上升而停机，到盘车转速后，转子偏心100um[]。
2）机组运行异常现象
机组运行过程中，汽机高中压转子振动表现出以下特征：
（1）机组超速试验和解列前，带负荷阶段3、4号轴振动已出现一倍频分量慢慢爬升、相位也同步在变化，而低压转子的5号轴振动和燃机转子的1号轴振动的一倍频分量基本未变化。
（2）超速试验到3300r／min跳机后，降速过程中，3Y、3X、4Y、4X轴振动不降反升，比3300r／rain振动大很多，回到3000r／min时，3Y、3X、4Y、4X轴振动比超速试验前3000r／min振动明显增大，相位也同步增大不少，增长的振动以一倍频分量为主。
（3）比较这次异常振动降速过程的BODE图（图2）和正常情况下BODE图（图3）可知，异常振动降速过程，高中压转子过临界振动明显增大，低转速振动（晃度）也偏大。
（图示仅为3Y，其它方向振动效应同3Y）。
（4）再次冷拖至699r／min，定速后振动开始爬升且爬升的速率非常快，仅10min，3Y、3X振动就由24um、23um爬升至118um、114um，轴振动爬升也以一倍频分量为主，相位在爬升之初有急剧变化，之后振动爬升，相位变化较小；拍机后降速，振动仍然上升，回到低转速100r／min振动仍然非常大
3）故障处理
从振动特征来看，振动的主要频率成份为一倍频分量，振动为强迫振动，仅在低转速情况下，引起振动的可能原因：
（1）联轴器对中不良或联轴器螺栓松动；
（2）轴承座螺栓松动；（3）动静碰摩。
联轴器对中不良或联轴器螺栓松动引起的振动应有突变过程，突变后振动稳定，对联轴器两端的振动影响较大，而该机为3、4号瓦振动大，振动始终爬升不稳定，可以排除。
轴承座螺栓松动导致刚度不足引起的振动会发散爬升，但爬升过程相位基本不变，低转速振动也不会变大，再检查3、4号轴承所能影响接触刚度的螺栓紧力都正常，可以排除轴承座螺栓松动。
振幅增加、振幅和相位变化均以一倍频分量为主、相位增大筹振动特征完全符合动静碰摩故障的特征[3]。
不管定速还是升降速状态下，1、5号轴振动没有明显的变化,说明碰摩接触部分就在高中压转子跨度内。
从3号瓦轴振动增幅最大、变化最剧烈的情况，可以判断碰摩部分应是靠3号瓦侧的高压缸内。
超速试验时，机组仍处于局部轻微碰摩状态，振动未发散；再次启机冷拖至699r／rain时，机组发生了全周摩擦振动，振动爬升迅速且发散不可控制。
振动爬升速率快，定速仅在699r／rain这相对较低转速情况下，振动就非常大，碰摩应为严重轴向碰摩。
盘车2天后，仍然不见转子偏心下降，其它控制轴封汽温度，上下缸温度偏差已无效果，高中压转子碰摩情况非常严重。
必须开缸处理。
2.4DL电厂#4机组升速和定转速的碰磨振动
1）故障概况和振动特征
#4机2001年5月10日大修后开机。
第一次冷态启机，过高压转子临界转速1619r/min时1Ya振动94微米，略偏大（图1）[]。
阀切换在2900r/min定速约40分钟，其间#1瓦、#2瓦振动明显增加。
3000r/min定速时，高压缸两轴承测点1Ya、2Ya振幅分别为88微米和83微米。
做严密性试验，并网，带低负荷，其间1Ya、2Ya振幅曾最小减到25微米和55微米，但在低负荷5小时后，又缓慢增加，相位发生大的变化（图2，表2），#1瓦振幅从50微米增加到120微米，相位从150°增加到170°（图2），#2瓦轴振振幅增加了20微米，相位减小了8°。
[表2]定速和带负荷过程#1、#2瓦轴振
（1X,微米，峰峰值/相位，度）
时间工况1Ya2Ya
5月10日21:
353000r/min88/17283/13
22:
023000r/min25/15957/9
23:
193000r/min30/16464/29
23:
34并网
5月11日2:
5335MW38/11966/32
4:
2437MW51/15968/51
5:
0137MW77/16678/42
图2带负荷过程测点1Ya时间趋势图（dal407）
解列后3000r/min，#1瓦振动持续上升。
5:
17开始做超速试验。
最高转速到3220r/min，1Ya振动230微米。
惰走过程，1580r/min时1Ya振动266微米，2Ya振动183微米，（图3）。
7:
32机组全停，投盘车正常，但发现#1瓦前轴颈径向跳动达到15丝，远高于初始值。
2）原因分析和处理
振动记录显示了以下现象：
1）#1、#2瓦轴振大；无论是3000r/min、带负荷和临界转速，#1瓦轴振均过高，主频是一倍频，有少量的2倍频分量。
2）不同的升降速过程，高压转子振动振幅与相位相差很大。
3）2900r/min、3000r/min定速和带负荷时，#1瓦轴振振幅、相位均呈增大趋势，#2、#3、#4瓦同时也在稳定地变化，变化量值较#1瓦小，规律性没有#1瓦明显。
进一步分析得到下列结论：
碰磨部位发生在高压转子，且偏向#1瓦；降速过程临界转速的大振动说明高压转子已经发生暂时性热弯曲；同时，这次降速的大振动有可能已经使碰磨接触点材料部分磨损。
决定盘车数小时直轴，然后再次冲转。
盘车四小时后，#1瓦径向跳动值恢复。
11:
32冲转，升速过程#1、#2瓦轴振临界转速振动仍偏高，但小于上次降速。
3000r/min定速的振动同样有所降低（表3）。
这说明高压转子的暂时性热弯曲还没有完全恢复；碰磨虽减轻，但仍存在。
[表3]3000r/min定速#1、#2瓦轴振
（1X,微米，峰峰值/相位，度）
1Xr1Yr1Ya2Xr2Yr2Ya
5月10日21:
3556/26883/17688/17260/9384/16
5月11日11:
5741/27360/18569/9979/2083/13
根据分析，决定机组按常规提升负荷。
升负荷过程，#1、#2瓦轴振逐渐减小（表4），机组振动渐趋于正常。
[表4]定速和带负荷过程#1、#2瓦轴振
（1X,微米，峰峰值/相位，度）
时间工况1Xr1Yr1Ya
5月11日11:
573000r/min41/27360/185
12:
043000r/min43/29865/207
12:
1623MW63/29485/207
12:
416/~16.5/191
16:
38197MW6/971/~3/~
2.5汽轮机转子径向碰磨故障的诊断和处理综述
1）振动现象
某电厂一台50MW汽轮发电机组高压缸振动偏大,机组只能低负荷运行,严重影响生产。
通过分析图1负荷调节试验时机组的振动信号发现,频谱中出现了明显的1/2倍频,从而成功诊断出了一起汽轮机转子径向碰摩故障。
在负荷调节试验中,随着进汽量和负荷的改变,高压缸1瓦、2瓦的振动变化明显。
尤其是当进汽量从224t/h增加到254t/h时高压缸的所有测点振动突变,其中2瓦振动峰峰值从23.9μm跃到83.7μm。
当进汽量提高为270t/h时,2瓦垂直方向振动达到101.2μm。
[]
2）故障分析
图2进汽量270t/h时2瓦垂直方向振动信号观察振动频谱发现,进汽量在224t/h时,振动频率以工频50.78Hz及其倍频谐波为主,虽然频谱中出现高次谐波,但振动峰峰值小于40um,基本属于正常状况。
进汽量从224t/h开始增加时,频谱中开始出现25.39Hz频率分量.图2为进汽量270t/h时2瓦垂直
方向的振动波形和频谱。
振动波存在时间间隔为2倍回转周期的冲击，其幅值也
明显大于工频振动。
频谱中存在25.39Hz的频率分量,它严格等于工频50.78Hz的一半。
可见,该频谱非常符合动静碰摩故障的特征。
图2高压缸2瓦碰摩前后提纯轴利用提纯轴心轨迹可以形
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