旋转机械碰摩故障诊断案例分析综.docx

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旋转机械碰摩故障诊断案例分析综

旋转机械碰摩故障的诊断案例分析综述

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旋转机械碰摩故障的诊断案例分析综述

TheDiagnosisofRotatingMachineryRubbingFaultCaseAnalysisWereReviewed

摘要

研究了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。

首先分析了碰摩转子和静子振动机理,通过实验对旋转机械在正常情况、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进行分析。

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。

关键词:

旋转机械；碰摩；转子振动；

Abstract

Thecharacteristicofrotorandstatorvibrationsignalsunderrun-impactstatusisstudied.Firstly,thecharactersandrulesofrotorandstatorvibrationsignalsunderrub-impactstatusarestudied.Rotorandstatorvibrationfeaturewithdifferentrotorspeedisanalyzedthroughexperiment.Throughtheanalysisofstatorvibrationcharacteristic,thepulseforcefromrub-impactmayleadtostatorresonance,soitcanbebroughtouttodiagnoserub-impactfaults.Resultsrevealthatthestatorresonancesignalscanindicaterub-impactfaults.Theconclusionscangivebasisforthevibrationcharacterofthestatorandthedetectionofrub-impactsignalsfortherotorsystem. 

Keywords:

rotatingmachine；rub-impact；rotorvibration；statorvibration；

正文

一.前言

在汽轮发电机组、压缩机等旋转机械的运行中，转子与汽封、油档等静止部件的间隙消失，导致动静部分接触和摩擦.由此引起的振动称为摩擦振动，它是汽轮发电机组常见的振动故障之一.随着机组向大型方向发展，蒸汽参数越来越高，动静间隙设计的越来越小，而标高变化、跑偏、热变形等因素对动静间隙的影响越来越大，这就使得动静部件间发生摩擦的可能性越来越大。

摩擦故障不仅会发生在机组启停过程中，也会发生在空负荷和带负荷情况下。

摩擦引起的振动故障具有很强的不稳定性，振动可能长时间持续波动，也有可能突发。

当摩擦严重时，如果处理不及时，极有可能导致大轴弯曲事故。

据不完全统计，国内汽轮发电机发生的弯轴事故中，70%以上是由于摩擦引起的。

由此可见，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。

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，此外得到较多关注的还有轴颈与颈轴承之间的碰摩现象.

二.案例分析

1.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。

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（见图4）。

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.某厂4号机组为125Mw机组,汽轮机为上海汽轮机厂制造的中间再热凝汽式汽轮机,型号为N125-13．24／535/535;发电机为上海电机厂制造的双水内冷发电机，型号为QFS-125-2。

整个轴系支撑在7个径向轴承上，其中汽轮机转子为三支承结构。

l号到4号轴承为椭圆瓦，5号到7号轴承为圆筒瓦，各轴承均为落地式。

高中压转子与低压转子为刚性联轴器联接，低压转子与发电机转子为半挠性联轴器联接.

1.振动概况

4号机大修后于5月l7日14:

16首次冲转,19：

48机组转速至3000r／min，汽轮机侧l号至3号瓦振均低于l0um,发电机侧的5号,6号瓦振动严重超标.5号瓦轴向振动最为突出:

轴承座顶部为365um,中分面为253um,且5号瓦顶部发电机侧、励磁机侧的垂直振动存在很大的差异,发电机侧为l3um,励磁机侧为57um，机组3000r／min稳定期间励磁机侧振动在较大范围内变化。

6号瓦垂直振动为8lum，且存在周期性变化，变化范围为40～110um。

降速过程中6号、7号振动严重超标，机组转速在2640~2000r／min时振动多次突变，转速为2240r／min时7号瓦振动最大达427um，其工频分量仅为70um，绝大部分为高、低频成分。

2.振动分析

2.15号轴承座外特性试验

造成轴承轴向振动大的原因主要有以下几点：

轴颈承力中心沿轴向周期性变化；轴承座轴向两侧支承刚度不对称：

激振力投影点与轴承座几何中心不重合：

轴承座轴向偏转等。

3000r／min时5号轴承轴向振动达365um，且5号瓦发电机侧和励磁机侧的垂直振动相差较大，为了找出原因，对5号轴承座做了特性试验.从图l可以看出，5号轴承座底部励磁机侧的垂直振动与基础振动差异较大，20um，说明轴承座与基础的连接螺栓紧力太小，造成连接刚度较低。

另一方面，从基础的振动数据来看，汽轮机侧和励磁机侧的垂直振动差异也较大,达2lum。

这两方面的原因造成5号轴承座的轴向刚度较低，轴向振动偏大。

紧轴承座与基础的连接螺栓后，5号瓦的轴向振动：

轴承座顶部为l94um，中分面为137nm，轴向振动仍然偏大。

由于基础的缺陷在短时间内无法解决，可以采取现场高速动平衡来降低不平衡量，达到降低振动的目的。

2．2励磁机基础振动测量

从图2可以看出，励磁机基础6号瓦与7号瓦侧的振动差异较大最大达32um。

6号瓦侧的基础刚度相对较差，使得6瓦对不平衡的响应较为敏感，其振动的大小在很大程度上与5号瓦振动的大小有关。

基础刚度的降低可能使得励磁机转子的支承刚度降低，当工作转速趋近其临界转速时,瓦的振动可能超标.

2．35、6号瓦振的频谱分析

图3给出了5号瓦（励磁机侧）和6号瓦的频谱图。

从频谱分析可知，5、6号瓦的振动主要为工频分量，其它成分相对较少。

它属于强迫振动的范畴，在排除了机组中心不正，转子热不平衡、初始弯曲，不平衡电磁吸引力等因素之后，可以判断转子上存在一定的质量不平衡。

2.4碳刷对5、6号瓦振动的影响

机组在3000r／min稳定期间，5、6号垂直振动和5号轴向振动时大时小，存在周期性的变化。

首次冲转至3000r／min时，6号瓦垂直振动为8lum，振动偏大，振动在40～110um之间变化，紧5号轴承座与基础连接螺栓紧力后曾降至60um，做电气试验期间最大达l10um。

图4为在发电机第一次加重后机组3000r／min稳定期间6号瓦振的变化趋势图。

5月l9日l:

40机组负荷25MW，6号瓦振动又升至105um，不得不停机处理。

6号瓦的变化趋势图表明，在3000r／min稳定期间6号瓦垂直振动开始逐渐变小，然后逐渐变大，呈现周期性变化的趋势。

一个周期大约为60min。

从测得的振动数据分析，5号瓦垂直和轴向振动也具有与6号瓦相同的变化趋势。

为了分析5、6号瓦异常变化的原因，做了碳刷试验。

在发电机第二次加重后冲转时取掉励磁碳刷，机组转速至3000r／min稳定一段时间后再装上励磁碳刷。

5月20日16：

40机组转速至3000r／min，17：

01装碳刷，17：

05碳刷加装完毕。

为了进一步观察碳刷对5、6号瓦振动的影响，机组保持3000r／min稳定运行，见表l。

在未装碳刷的情况下，3000r／min稳定20min时间内6号瓦振动变化较小，仅仅减小了3um。

17：

00开始装励磁碳刷而在l7：

01到17：

06仅5min的时间内6号瓦振动增大了l8um。

装完励磁碳刷后6号瓦振动变化明显增大，对5号瓦的影响规律也基本一致，这与机组大修后更换的励磁碳刷与转子的不均匀碰摩有关。

结论

（1）5、6号轴承座基础的先天性缺陷造成轴承座刚度降低，使得5、6号瓦振对不平衡的响应较为敏感。

5号轴承座基础两侧振动的差异导致了轴向振动严重超标。

（2）励磁碳刷与转子的接触不均匀使得碳刷与转子发生不均匀碰摩，5、6号瓦在3000r／min稳定及带负荷过程中时大时小，出现周期性的变化。

（3）相对于发电机转子而言，励磁机转子质量较小，它相当于发电机转子的外伸端，5号瓦振动的大小在一定程度上影响6号瓦的振动。

3.A电厂1号机2001年4月底完成第一次大修，初始开机两次进行动平衡。

两天后5月5日开机带负荷，升速各瓦振动正常，负荷至40MW低压缸3号、4号瓦轴振上升，分别达到97um和130um。

分析判断1号机低压发生动静碰磨，原因是低压缸左右温差造成缸体变形，通流径向间隙消失，转子暂时性热弯曲，振动增大。

1号机的碰磨部位在低压缸内，图4-20（a）为1号机组3号瓦Y向振动波形图，图4-20（b）是频谱图。

由图4-20（a）的时域波形可以看出，振动信号的波形在波峰处存在削波现象，而在波谷处具有毛刺，而且在原始波形中叠加了许多高频信号。

说明信号中存在波形突变现象。

由碰磨故障的典型时域特征可知，该时域波形完全符合系统碰磨故障发生时振动信号的典型波形。

由图4-20（b）频谱图中可以看出，振动信号的频谱成分是丰富的，频谱图中主要以工频成分为主，但还包含有低于旋转频率的低频成分，以及高于旋转频率的2倍频、3倍频、4倍频和5倍频分量，其中2倍频分量的能量较大。

由此可见，该振动信号无论是时域波形还是频谱图都完全符合碰磨故障典型特征的图谱。

可以初步认定系统发生了碰磨故障。

B电厂4号机组是引进的350MW机组，2001年5月10日大修后第一次冷态启机，过高压转子临界转速1619r/min时lYa振动94um，振动偏大，现场分析了1号瓦和2号瓦的频谱、相位、间隙电压和轴心轨迹，判断振动原因是动静碰磨，确定碰磨部位发生在高压转子，且偏向1号瓦。

图4-21（a）为4号机3000r/mina号瓦Y向振动信号波形图，图4-21（b）是信号的傅立叶变换频谱图。

B电厂4号机组的分析方法同A电厂1号机，只是4号机组的波形图和频谱图所表现出来的碰磨故障更严重，因为时域波形图完全没有了周期性，频谱图中4倍频和5倍频分量也较大，同样可以初步判定系统发生了较严重的碰磨故障。

4.5-7所某电厂1号机组是哈尔滨汽轮机厂生产的引进型优化设计制造的N350-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、双缸（高中压合缸）、双排汽式凝汽式汽轮机发电机组。

其机组轴系布置图如图示。

（1）故障发生时的振动特征

1号机组于2009年10月进行了B级检修，检修后机组在采用顺序阀运行中,出现一瓦轴振偏大，于是采用单阀运行，运行后各瓦的轴振、瓦振和瓦温均正常。

当机组运行至2010年4月29日时，3,4号轴瓦Y向轴振和瓦振有增大趋势（如图5-8所示），振动由75}m缓慢上升，之后3号瓦Y向轴振达到110}m,4号瓦达到1O5}.mo3,4号瓦的瓦振也分别由20}m,30}m上升到30}m和40}.m。

当机组负荷低于200MW时，3,4号瓦轴振明显增大，达到报警值（125}m）。

负荷在230MW以上时，振动维持在110}m左右直至停机检修时。

于是1号机组采取滑参数停机。

在停机过程中3,4号轴瓦的振动由原来的110}.m下降至80}.m，直至机组解列。

（2）轴瓦金属温度升高和油膜压力下降

机组在正常运行停机检修之前，出现了4号瓦Y方向金属温度由84℃逐渐升高到900C，同时4号瓦油膜压力由4.OMPa降至3.OMPa。

到停机检修时4号瓦金属温度升高至950C，油膜压力降至1.6MPa。

如图5-9所示。

在停机惰走过程中，·当190r/min转速时，3号瓦金属温度在十几秒内迅速由60℃上升至1000C，随后回落。

破坏真空，惰走40分钟，随后投入盘车装置，盘车装置投入困难，盘车电机电流高达45A（正常盘车电机电流为20A），且有8A的摆动，6小时后，盘车电流逐步回落至正常水平，但仍有4A的摆动。

盘车装置投入后，4号瓦的顶轴油压为7MPa低于正常值（C9MPa）。

低压缸人孔解体后可在人孔处听到低压缸内有明显的周期性金属碰撞声

（2）故障原因分析

由于机组轴瓦与轴颈发生了碰摩故障必定会导致故障处轴瓦振动过大和轴瓦温度升高的现象，又因为有摩擦力的存在盘车电流会出现异常。

另外根据机组的具体情况认为出现上述故障的整个原因与后果可用下图表示（见图5-15）

5.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。

5.1振动现象

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。

5.2故障分析

图4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4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5高压缸2瓦碰摩前后提纯轴利用提纯轴心轨迹可以形象地再现了碰摩发生的过程。

图5（a）、（b）分别为碰摩前后高压缸2瓦0～70Hz频带的提纯轴心轨迹。

图5（a）轴心轨迹基本上是椭圆,说明正常转子以工频振动为主。

而图5（b）发生碰摩时轴心轨迹呈弯月形。

设转子起始位置在A点,由实际合成的轴心轨迹走向可知,它以逆时针方向经B点进动到P点时发生碰摩,使转子进动方向反转,以顺时针进动经C点后返回A点。

这样,转子经过两圈才回到起始位A,从非线性理论讲,图5（b）说明转子运动状态为周期2分岔,体现在振动频谱则出现严格的半频25.39Hz。

诊断结论及故障原因剖析

通过上述分析,可以肯定高压缸的振动现象为动静碰摩。

厂方停机检修时,发现高压缸2号轴瓦已经破裂,且上瓦有明显亮点,进一步说明轴和瓦确实发查阅机组大修记录,发现该机组已超龄服役,高压缸转子存在较大的永久弯曲。

但该机组由前苏联设计制造,更换转子困难很大,而且,50MW机组目前属于淘汰机型,从经济角度讲,也没有必要更换,所以,该机组一直“带病运行”至今。

永久弯曲必然使转子偏心而引发过大的振动,同时,弯曲也导致转子与静子部件偏斜,使得蒸汽驱动转子时产生与转子轴线垂直的激振力,有可能激起转子横向固有频率振动,使振动进一步恶化。

总之,过大的振动是动静碰摩的直接诱因.

结论

（1）由于摩擦的出现,转子系统的振动表现出明显的非线性。

建立合理的非线性振动模型是对动静碰摩特征完备而精确认识的前提。

（2）在较高的转速下出现严格的1/2、1/3等分数倍频是转子碰摩故障的典型特征。

（3）利用频谱分析和提纯轴心轨迹等方法,成功诊断出汽轮机转子碰摩故障,为今后同类故障的确诊提供了可靠的依据。

（4）时域波形存在“削顶现象”,或振动远离平衡位置时出现高频小幅震荡。

（5）轴瓦磨损时,还伴有轴瓦温度升高,油温升高等特征。

幽默故障的机理与部件松动故障类似,不易区分,部件松动以高次谐波为特征,振动随转速变化明显;而碰摩以分谐波为特征,受间隙大小控制,与太转速关系不太密切。

机器应该加强定期维修检查,注意维修检查中出现的各种数据些微变化,不宜使用超过使用年限的机器。

碰摩故障不可避免,但更需要机械零件生产精度提高。

通过本次作业,我从中学会在图书馆中如何查找并下载资料,如何将CAJ模式转换成word模式,如何使用PDF。

也明白机械故障的诊断对于各个行业的重要性。

参考文献

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