旋转机械的松动故障诊断

发布时间:2021-03-01

机械松动是旋转机械比较常见的故障。松动有两种情况:

 

一种是,地脚螺栓连接松动,会是引起整个机器的振动;另一种是,零件之间正常的配合关系被破坏,造成配合间隙超差而引起的松动,比如滚动轴承的内圈与转轴的配合或外圈与轴承座孔之间的配合,这是由于丧失了配合精度而造成的松动。

 

今天,我们从基本出发,了解下旋转机械松动原因及故障诊断。

 

一、 由松动引起的振动特征及诊断要点

 

1、由松动引起的振动特征

 

(1)频率结构

 

由松动引起的振动具有一定的非线性,其振动信号的频率成分相当复杂,除了基频(等于转频)以外,还产生高次谐波和分频振动,频谱结构成梳状。有时还表现出一些看起来很特殊的频率成分,如当机器地脚螺栓松动时,其频率成分中基频的奇数倍谱峰突出。

 

某厂有一台160kW的BJO315M—2型电动机,因地脚垫铁松动,其振动信号的频谱结构如下图所示:

 


其主要频率幅值关系为:3倍频幅值>1倍频幅值>5倍频幅值。由于配合部位的松动,还往往引发出各种相关的故障,如滚动轴承内外圈配合松动时,除了引起不对中、摩擦等故障外,还会加大不平衡振动量,使频率结构显得更加复杂。

 

(2)振动方向

 

因地脚螺栓松动而引起的振动,方向特征很明显,表现在垂直方向的振动很强烈。上述BJO315M—2型电动机,在地脚松动问题未得到解决时,其振动值如下表所示:



其时垂直方向 (V) 的振动值远大于水平方向 (H) 的振动值。至于产生这种方向特征的机理,我们可以通过下图了解地脚松动引起振动的方向特征。

 


滑动轴承的轴瓦如果松动,也会引起垂直方向的振动增大。

 

由于零件配合(例如叶轮与转轴的配合)松动引起的振动,其方向特征不很明显,但这时机器对其他干扰的反应却很敏感,例如当转子存在轻度不平衡或不对中时,就会使振动显著增大。

 

(3)振幅的变化

 

机械松动引起的振动,振动幅值与负荷有密切关系,幅值将随着负荷的增加而增大。下表是一台电动机在地脚联接松动时,轴承部位的振动在不同负荷下的变化情况。



振动位移 (Dp-p) 值 (单位: μm)

 

由表可见,当电动机在正常状态时,即使处于满负荷运行其振动值也很小。而当电动机地脚存在松动时,电动机空车运行振动值很小,但在满负荷运行时振动值增大了2-6倍不等。

 

当设备处于松动的情况下,其运行状态对转速的变化反映也很敏感,振动值随转速的增减而表现出无规律的变化,忽大忽小,呈跳跃式变化。

 

(4)振动相位

 

机器存在松动时,相位与转频一致。

 

2、诊断要点

 

对松动故障的诊断要区分两种情况,一种是地脚松动,一种是配合松动。但是,不论哪种松动,在振动频率、振动方向和振动幅值的变化方面都有一些规律可循。想要做出较为准确地判断,还是要综合分析各种信息才行。

 

二、案例说明

 

案例1:某水泥厂水泥磨

 

水泥磨结构简图

①水泥磨 ②减速器 ③电动机 ①~⑧轴承测点

 

在一次设备巡检中,测点①~④的振动速度有效值 (Vrms) 在3-12mm/s范围内变动,在现场做简易频率分析时,这4个测点的主要频率都是60Hz,约为转频的5倍(转频fr=735÷60=12.25Hz)。当时判断电动机和减速器地脚可能存在松动。

 

几日后停机修理,发现减速器底部在安装时加上的调整垫铁在点焊处已经炸裂松脱,经处理后问题得到了解决。这个松动故障主要表现为频率奇数倍特征。

 

案例2:某发电厂 发电机组

 

汽轮发电机组结构简图

1·汽轮机;2·减速器;3·发电机;4·励碎机;①后轴承;②前轴承

 

该机组在汽轮机检修后进行了振动测量,前后轴承的振动值见下表,其中轴承①水平方向振动较大,对其振动信号作频谱分析,可看到频率结构(汽轮机后轴承水平方向振动频谱)。

 

汽轮机前后轴承振动值(单位:μm)



汽轮机后轴承水平方向振动频谱

 

由上图可知,振动信号所包含的主要频率成分都是奇数倍转频,尤以3倍频最为突出。

 

另外,观察其振动波形(见下图),振幅变化很不规则,含有高次谐波成分。根据所获得的信息,可判断汽轮机后轴承存在松动。

 

汽轮机后轴承水平方向振动波形

 

停机检查时发现汽轮机后轴承的一侧有两颗地脚螺栓没有上紧,原因在于预留热膨胀间隙过大。后来按要求旋紧螺母,振幅则从85μm下降至27μm,其余各点的振动值也有所下降,实现了平稳运行。

 

三、 小结

 

判断松动故障,频率特征仍是最重要的信息。就像例子中,因为轴承一侧的螺栓没有上紧,却表现出水平振动大的现象,这再一次证明,振动的方向特征是有条件的,只能作为判断时的参考,应用时必须小心。


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