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0 前言
船用旋转机械种类繁多,有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承、定子和机组壳体、联轴器等组成,转速从每分钟几十到几万、几十万转[1]。
故障是指机器的功能失效,即其动态性能劣化,不符合技术要求。如机械运行失稳,产生异常振动和噪声,工作转速、输出功率发生变化,介质的温度、压力、流量异常等。机械发生故障的原因不同导致反映出的信息也不一样,根据这些特有的信息可以对故障进行诊断。
由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因和运行操作方面的失误,使得机械在运行过程中会引起振动,其振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类,其中过大的径向振动往往是造成机械损坏的主要原因,也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。目前,旋转机械应用振动信号进行故障诊断的方法不仅简单可行,而且经过不断地实践、研究,积累的经验和技术相对比较成熟。
1 旋转机械故障诊断技术理论基础
旋转机械的主要功能是由旋转部件来完成的,转子是其最主要的部件。旋转机械发生故障的主要特征是机械伴有异常的振动和噪声,其振动信号从幅域、频域和时域反映了机器的故障信息。因此,了解旋转机械在故障状态下的振动机理对于监测机械的运行状态和提高诊断故障的准确率都非常重要。利用振动检测系统可及时发现和识别这些异常振动现象,通过振动发展趋势观察分析、控制或减少振动,避免发生重大事故。
旋转机械常见的故障原因分类如下。
1)设计原因:由于设计不当,运行时发生强迫振动或自激振动;结构不合理,导致应力集中;设计工作转速接近或落入临界转速区;热膨胀量计算不准,导致热态对中不良。
2)制造原因:零部件加工制造不佳,精度不够;零件材质不好,强度不够,导致制造缺陷;转子动平衡不符合技术要求。
3)安装、维修原因:由于机械安装不当,零部件错位,预负荷大;机械几何参数调整不当;未按规程检修,破坏了机械原有的配合性质和精度。
4)操作运行原因:参数(如介质的温度、压力、流量、负荷等)偏离设计值,机械运行工况不正常;运行点接近或落入临界转速区;润滑或冷却不佳[2]。
2 转子不平衡故障诊断技术
2. 1 转子不平衡概念
旋转机械的转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中众多因素的影响,其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距,使转子在工作时形成周期性的离心力干扰,在轴承上产生动载荷,从而引起机械振动的现象。因此把产生离心力的原因———旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布称作不平衡,由此引起的机械振动或运动中产生的问题称为不平衡故障[3-4]。
事实上一个平衡良好的转子也很难做到绝对平衡,总是存在微量的不平衡,因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分,但并不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后,离心力才会引起机械明显的振动。
2. 2 转子不平衡振动的故障特征
当发生不平衡振动时,其故障特征主要表现在如下方面。
1)不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动,在转子径向测点上得到的频谱图,转速频率成分具有突出的峰值。
2)单纯的不平衡振动,转速频率的高次谐波幅值很低,因此在时域上的波形是一个正弦波。
3)转子振幅对转速变化很敏感,转速下降,振幅将明显下降。
4)转子的轴心轨迹基本上为一个圆或椭圆,这意味着置于转轴同一截面上相互垂直的两个探头,其信号相位差接近90°。
图1为典型的不平衡振动频谱图,图中转速频率成分的幅值在总振动值中占有绝对优势,这是不平衡振动的一个显著特征。图中还出现一些幅值较小的高次谐波,主要是受非线性振动的影响。因为实际转子轴承并非是完全线性振动系统,非线性振动的特点是会产生激励频率的超谐波响应。
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3 旋转机械转子不平衡故障诊断实例分析
以某船用离心泵为例分析,该泵运行数月后发生叶轮松动,在泵侧的两个轴承上检测到振动信号,图2为离心泵叶轮松动振动频谱图。
1)图2中有多种旋转频率成分,预示着离心泵的转子零件存在着松动问题。
2)图2中显示频谱的噪声底线很高,谱线连续,表明松动零件对轴施加了一种不稳定的随机性冲击力。
4 结束语
由于旋转机械故障诊断技术具有提高设备的安全可靠性、提高设备可用率、降低维修费用、延长设备使用寿命等方面不可替代的优点,目前国际上一些发达国家已经广泛采用该技术。旋转机械故障诊断技术将在推广应用中得到更充分体现,同时在实践中也将不断完善。
参考文献
[1]袁周,黄志坚.工业泵常见故障及维修技巧[M].化学工业出版社, 2008.
[2]谢宝义.工程机械状态监测与故障诊断技术[J].中国设备工程, 2002 (3).
[3]王秉仁.旋转机械振动监测及故障诊断中的分频段控制[J].电站系统工程, 1997 (4) .
[4]戴红生,韩晓岗,姚玉传.分频段技术在旋转机械的频段振动分析中的应用[J].华东电力, 2002 (3).
