旋轉(zhuǎn)機(jī)械不對(duì)中故障的診斷技巧

徐俊輝

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452)

一、前言

在各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障中，不對(duì)中是最為常見的故障之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障中60%的故障與不對(duì)中有關(guān)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)中后，在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)引起一系列不良的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，如設(shè)備的振動(dòng)、聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn)、軸承的磨損和油膜失穩(wěn)、軸的撓曲變形等，危害極大。不對(duì)中故障振動(dòng)信號(hào)大都表現(xiàn)為非平穩(wěn)特征，為了提取非平穩(wěn)信號(hào)的故障特征，需要找到一種合理的信號(hào)處理方法。常用的時(shí)頻分析方法有時(shí)頻分布、短時(shí)傅里葉變換、小波變換等，但由于各自的缺陷，如時(shí)頻分布存在交叉項(xiàng)干擾，短時(shí)傅里葉變換的窗口沒有自適應(yīng)性以及小波變換中小波基難選擇等，對(duì)故障信息的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行處理都有一定的局限性。我們通過對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械不對(duì)中的故障進(jìn)行征兆機(jī)理分析，總結(jié)此類故障的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域和頻域內(nèi)的典型特征，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的對(duì)中技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊情況，熟練地運(yùn)用監(jiān)測(cè)儀器的特性，通過軟件應(yīng)用的直觀的頻譜分析，這樣能夠?qū)Σ粚?duì)中故障進(jìn)行特征提取和診斷，并可得到較理想的結(jié)果。

二、轉(zhuǎn)子不對(duì)中的類型

如圖1所示，轉(zhuǎn)子不對(duì)中包括軸承不對(duì)中和軸系不對(duì)中兩種情況。軸頸在軸承中偏斜稱為軸承不對(duì)中。軸承不對(duì)中本身不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，它主要影響到油膜性能和阻尼。在轉(zhuǎn)子不平衡情況下，由于軸承不對(duì)中對(duì)不平衡力的反作用，會(huì)出現(xiàn)工頻振動(dòng)。

圖1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中的受力情況

機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時(shí)，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對(duì)中。通常所講的不對(duì)中多指軸系不對(duì)中。造成軸系不對(duì)中的原因有安裝誤差、管道應(yīng)變影響、溫度變化熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。由于不對(duì)中，將導(dǎo)致軸向、徑向交變力，引起軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)。由于不對(duì)中引起的振動(dòng)會(huì)隨不對(duì)中嚴(yán)重程度的增加而增大。不對(duì)中是非常普遍的故障，即使采用自動(dòng)調(diào)位軸承和可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器也難以使軸系及軸承絕對(duì)對(duì)中。當(dāng)對(duì)中超差過大時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備造成一系列有害的影響，如聯(lián)軸節(jié)咬死、軸承碰磨、油膜失穩(wěn)、軸撓曲變形增大等，嚴(yán)重時(shí)將造成災(zāi)難性事故。

如圖2所示，軸系不對(duì)中一般可分為以下3種情況。

圖2 齒式聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子不對(duì)中形式

(1)軸線平行位移，稱為平行不對(duì)中。

(2)軸線交叉成一角度，稱為角度不對(duì)中。

(3)軸線位移且交叉，稱為綜合不對(duì)中。

三、造成轉(zhuǎn)子不對(duì)中的原因

1.制造誤差

聯(lián)軸器的加工質(zhì)量不良，造成端面與軸心線不垂直或端面螺栓孔的圓心與軸頸不同心。此時(shí)聯(lián)軸器處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，它的大小和方向不隨時(shí)間及運(yùn)行條件的變化而變化，只相當(dāng)于在聯(lián)軸器處施加了一個(gè)不平衡力，其結(jié)果是在聯(lián)軸器附近產(chǎn)生較大的Ⅰ階振動(dòng)，通過加平衡塊的方法容易消除。

2.安裝誤差及其他影響

在排除了加工誤差引起的不對(duì)中后，實(shí)際可以將不對(duì)中分為冷態(tài)不對(duì)中和熱態(tài)不對(duì)中兩種情況。其中冷態(tài)不對(duì)中主要是指在室溫下由于安裝誤差造成的對(duì)中不良；熱態(tài)不對(duì)中指機(jī)組在運(yùn)行過程中由于溫度等因素造成的不對(duì)中，其主要原因如下。

(1)基礎(chǔ)受熱不均。

(2)機(jī)組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形。

(3)機(jī)組熱膨脹時(shí)由于滑動(dòng)表面的摩擦力及導(dǎo)向鍵磨損引起軸承座傾斜和側(cè)移。

(4)由于轉(zhuǎn)子的撓性和重量分配不均勻，轉(zhuǎn)子在安裝之后產(chǎn)生原始彎曲，進(jìn)而影響對(duì)中。

(5)地基下沉不均。

上述熱變形的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸頸中心在軸承中的位置發(fā)生變化，一旦軸頸與軸承的相對(duì)位置發(fā)生改變，軸承油膜的動(dòng)特性會(huì)隨之發(fā)生改變，而且會(huì)在聯(lián)軸器處產(chǎn)生附加彎矩。

四、不對(duì)中的故障特征

角度不對(duì)中產(chǎn)生較大的軸向振動(dòng)，頻譜成分為1倍頻和2倍頻，還常見1倍頻、2倍頻和3倍頻都占優(yōu)勢(shì)的情況。平行不對(duì)中的振動(dòng)特性類似角不對(duì)中，但徑向振動(dòng)較大。頻譜中2倍頻較大，常常超過1倍頻，這與聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，詳見表1。

五、診斷技巧

表1

下面從2個(gè)方面來(lái)探討不對(duì)中故障在頻譜中的特征顯示。

1.頻域

(1)確認(rèn)軸向和徑向在1、2、3倍頻處有穩(wěn)定的高峰，特別注意2倍頻分量。

(2)徑向振動(dòng)信號(hào)以1倍頻和2倍頻分量為主，軸系不對(duì)中越嚴(yán)重，其2倍頻分量就越大，多數(shù)情況下會(huì)超過1倍頻。

(3)軸向振動(dòng)以1倍頻分量幅值較大，幅值和相位穩(wěn)定。

(4)聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)相臨軸承的油膜壓力反方向變化，一個(gè)油膜壓力變大，另一個(gè)則變小。相位基本上成180°。

2.時(shí)域

(1)確認(rèn)以穩(wěn)定的周期波形為主，每轉(zhuǎn)出現(xiàn)1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)峰，沒有大的加速度沖擊現(xiàn)象。如果軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)一樣大或者比徑向還大，則說明情況非常嚴(yán)重。

(2)振動(dòng)信號(hào)的原始波形是畸變的正弦波。

(3)振動(dòng)對(duì)負(fù)荷變化較為敏感，一般振動(dòng)幅值隨負(fù)荷的增大而升高。但是，不是所有的不對(duì)中故障都會(huì)以此明顯的特征顯示，在診斷分析的時(shí)候，也應(yīng)注意以下的特殊情況。

①如果出現(xiàn)軸向振動(dòng)小并且4倍頻分量較大時(shí)，則有可能是機(jī)械松動(dòng)。

②如果1倍頻分量比其他分量占優(yōu)勢(shì)，可能存在角不對(duì)中；2倍頻分量比其他分量占優(yōu)勢(shì)，可能存在平行不對(duì)中。

③如果時(shí)域波形不穩(wěn)定或出現(xiàn)較大的沖擊現(xiàn)象，可能是其他故障。

④對(duì)于電機(jī)，如果基頻及其他倍頻分量大的同時(shí)，其振動(dòng)時(shí)域波形有調(diào)制現(xiàn)象，或基頻處出現(xiàn)邊頻，可能存在機(jī)電故障，如轉(zhuǎn)子斷條或軸承傾斜導(dǎo)致的偏心。

六、診斷實(shí)例

1.設(shè)備信息：海洋石油某FPSO15T吊車

功率：245kW；泵轉(zhuǎn)速：1 475r/min；軸承型號(hào)：NDE 6319C3；DE 6316C3。

設(shè)備測(cè)量點(diǎn)如圖3所示。

圖3 設(shè)備測(cè)量點(diǎn)

2012年3月23日振動(dòng)數(shù)據(jù)采集如表2所示。

表2

加速度頻譜中能量值不高，但是伴有工頻的多次諧波(圖4、5)。

圖4 加速度頻譜圖

圖5 加速度頻譜圖

速度頻譜(圖6)中振動(dòng)值偏高，最高達(dá)到了80mm/s；時(shí)域波形(圖7)呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。

圖6 速度頻譜圖

圖7 時(shí)域圖

而且，近期監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)總值趨勢(shì)穩(wěn)定，本次監(jiān)測(cè)時(shí)才急劇上升。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，由于電機(jī)是垂直安裝，非驅(qū)動(dòng)端為自由端且沒有支撐，實(shí)際運(yùn)行中，很容易引起電機(jī)的振動(dòng)，從而造成聯(lián)軸器的對(duì)中不良。綜合以上分析診斷，該設(shè)備為聯(lián)軸器對(duì)中不良。根據(jù)我們提供的維修建議，及時(shí)更換了主電機(jī)聯(lián)軸器部件。維修之后，2012年4月20日再次對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)備各項(xiàng)振動(dòng)值已明顯下降并恢復(fù)到正常范圍，效果顯著。

2.設(shè)備信息：海洋石油某FPSO的熱介質(zhì)循環(huán)泵

電機(jī)：380/660v，51kW，2 970r/min；驅(qū)動(dòng)端軸承：6215C3；非驅(qū)動(dòng)端軸：6215C3；泵入口壓力：100kPa；出口壓力：860kPa；排量：270m3/h；揚(yáng)程：86m；單級(jí)臥式離心泵，驅(qū)動(dòng)端軸承：6308。

設(shè)備測(cè)量點(diǎn)如圖8所示。

圖8 設(shè)備測(cè)量點(diǎn)

2013年3月1日，采集了振動(dòng)頻譜，加速度包絡(luò)譜振動(dòng)總值不高，但是伴有工頻的多次諧波。速度頻譜圖中振動(dòng)總值稍高，最高達(dá)到了31.5mm/s；時(shí)域波形呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

本月監(jiān)測(cè)，整個(gè)機(jī)組振動(dòng)總值上升明顯，增幅較大。根據(jù)設(shè)備情況和現(xiàn)場(chǎng)條件分析得出：機(jī)組對(duì)中不良。采納維修建議后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了重新對(duì)中。2013年3月3日再次對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)幅值已明顯下降，恢復(fù)到正常范圍之內(nèi)。

七、結(jié)語(yǔ)

通過以上案例診斷分析，可以對(duì)不對(duì)中故障做出準(zhǔn)確判斷，并快速給出維修建議，制訂可靠的維修策略，保障了企業(yè)的切身利益。

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