轉(zhuǎn)子裂紋的故障機(jī)理及診斷方法研究

鹿守杭 金穎 王航 惠靜妮

摘 ?要：轉(zhuǎn)子裂紋是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中比較少見但卻非常嚴(yán)重的故障之一，由于轉(zhuǎn)子裂紋對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)不敏感，產(chǎn)生原因復(fù)雜，具有很大的隱蔽性，再加上發(fā)生的概率比較低，常常會(huì)被忽視或者誤判，最終釀成惡性事故，危害極大。因此，盡早發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋的早期征兆，并即時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施具有非常重要的意義。該文對(duì)轉(zhuǎn)子裂紋的故障機(jī)理、產(chǎn)生原因、故障特征、診斷方法等多個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究，并結(jié)合具體案例進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子裂紋 ?故障診斷 ?交變應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TH133 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0065-02

相對(duì)于其他故障而言，轉(zhuǎn)子裂紋的發(fā)生概率比較低，其產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，如各種因素造成的應(yīng)力集中、復(fù)雜的受力狀態(tài)、長期運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的疲勞損傷、惡劣的工作條件和運(yùn)行環(huán)境等。此外，轉(zhuǎn)子裂紋對(duì)振動(dòng)響應(yīng)非常不敏感，分析起來比較復(fù)雜[1]，一些機(jī)組在斷軸前一直運(yùn)行平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)異常征兆。然而，轉(zhuǎn)子裂紋導(dǎo)致的后果卻非常嚴(yán)重，一旦發(fā)生斷軸，損失非常大，因此，開展轉(zhuǎn)子裂紋的故障機(jī)理和故障特征方面的研究具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 ?裂紋產(chǎn)生的原因與類型

轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生多與疲勞損傷有關(guān)，大型轉(zhuǎn)子如果設(shè)計(jì)不當(dāng)或者加工方法欠妥，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一些部位出現(xiàn)高度應(yīng)力集中，長時(shí)間運(yùn)行的老舊機(jī)組由于腐蝕、疲勞、蠕變等，也會(huì)在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)一些高度應(yīng)力集中，這些高度應(yīng)力集中的地方往往就是轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的誘發(fā)點(diǎn)，這些誘發(fā)點(diǎn)的位置最初會(huì)產(chǎn)生微裂紋，在轉(zhuǎn)子扭矩和徑向載荷的持續(xù)作用下，這些微裂紋不斷擴(kuò)展，最終發(fā)展成宏觀裂紋，如果出現(xiàn)宏觀裂紋后現(xiàn)場(chǎng)仍然沒有發(fā)現(xiàn)異常狀況，最終出現(xiàn)的后果就是斷軸事故。

由于轉(zhuǎn)子裂紋所處位置、裂紋深度、所受應(yīng)力的不同，轉(zhuǎn)子裂紋會(huì)產(chǎn)生3種不同的狀態(tài)：開裂紋、閉裂紋、開閉裂紋。

2 ?轉(zhuǎn)子裂紋振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和診斷方法

雖然轉(zhuǎn)子裂紋會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性帶來影響，但大多情況下并不敏感，即使轉(zhuǎn)子裂紋已經(jīng)很深，有時(shí)也很難發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)出現(xiàn)明顯變化，出現(xiàn)的一些細(xì)微變化也會(huì)很快淹沒在其他信號(hào)或者噪聲中，因此，在轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的變化來發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋是非常困難的。就目前的技術(shù)水平而言，測(cè)量分析啟停機(jī)過程中的振動(dòng)信號(hào)變化是一種發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋會(huì)比較有效的辦法。

一般來說，當(dāng)轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)開裂紋時(shí)，轉(zhuǎn)子的剛性會(huì)變得各向不同性。于是，使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)具有非線性性質(zhì)，頻譜中除了1倍頻外，還有2倍頻、3倍頻、5倍頻等高倍頻分量，隨著裂紋的擴(kuò)展，轉(zhuǎn)子的剛性進(jìn)一步降低，1倍頻、2倍頻、3倍頻、5倍頻等各階分倍頻的幅值也會(huì)隨之增大。

針對(duì)以上分析，可以總結(jié)出轉(zhuǎn)子裂紋的一些診斷方法。

（1）啟停機(jī)過程中振幅隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。啟停機(jī)過程中，轉(zhuǎn)速在經(jīng)過nk/5、nk/3、nk/2（nk為臨界轉(zhuǎn)速）時(shí)，由于其相應(yīng)的高倍頻與nk相重合，出現(xiàn)了共振放大的所謂超諧波現(xiàn)象。利用這種超諧波現(xiàn)象來監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子裂紋是目前比較有效的轉(zhuǎn)子裂紋診斷方法之一。

（2）裂紋深度對(duì)振幅的影響。一般情況下，1倍頻和2倍頻會(huì)隨著裂紋深度的增加而單調(diào)增長，同時(shí)其相應(yīng)的相位則隨裂紋深度的增加而發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)，這一點(diǎn)可以用來區(qū)分裂紋與普通不平衡所引起的振動(dòng)。

（3）在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋的初期，其擴(kuò)展的速度比較慢，徑向振動(dòng)的幅值增長也比較小，但裂紋的擴(kuò)展速度會(huì)隨著裂紋深度的加深而加速，相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)振幅迅速增大的現(xiàn)象。尤其是二倍頻幅值的迅速上升和其相位的變化往往可以提供裂紋的診斷信息，因此可以利用二倍頻幅值和相位的變化趨勢(shì)來診斷轉(zhuǎn)子裂紋。

3 ?故障特征及診斷方法

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋后振動(dòng)方面的故障特征。

⑴各階臨界轉(zhuǎn)速較正常時(shí)要小，尤其是當(dāng)裂紋趨于嚴(yán)重時(shí)更明顯。

⑵由于裂紋造成轉(zhuǎn)子的剛度變化而且不對(duì)稱，使轉(zhuǎn)子形成多個(gè)共振轉(zhuǎn)速。

⑶在恒定轉(zhuǎn)速下，1X、2X、3X等各階倍頻分量的幅值及其相位不穩(wěn)定，尤其以二倍頻分量最為突出。

⑷由于裂紋轉(zhuǎn)子的剛度不對(duì)稱，使得對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡變得非常困難。

診斷方法總結(jié)如表1所示。

4 ?案例分析

4.1 案例介紹

下面以某臺(tái)壓縮機(jī)組的振動(dòng)為例進(jìn)行分析。

2018年9月，該機(jī)組進(jìn)氣側(cè)振動(dòng)增大，達(dá)到70μm，主要是表現(xiàn)為工頻振動(dòng)大，軸心軌跡為橢圓，因此對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，振動(dòng)降至30μm左右。

2018年12月，該轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)振動(dòng)再次增大，這次不僅工頻增大至70μm，二倍頻也增大至30μm，相位與上次相比沒有很大變化，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡和對(duì)中校正，工頻降到50μm左右，但二倍頻效果不明顯。

2019年1月，該轉(zhuǎn)子振動(dòng)又突然增大，工頻達(dá)到90μm，二倍頻增大至60μm，變化非常明顯，再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，但沒有效果。

歷次加重相位基本一致，說明該轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)始終朝著一個(gè)方向惡化。從以上3次處理結(jié)果上可以看出，對(duì)該轉(zhuǎn)子多次動(dòng)平衡均沒有明顯效果，重新對(duì)中后的改善效果不明顯，從頻譜上看振動(dòng)主要由工頻和二倍頻引起，尤其是二倍頻變化明顯，據(jù)此分析懷疑轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)了裂紋。

停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前端存在長度為930mm的周向裂紋，占圓周的51%，深度超過15mm。

4.2 故障分析

最初轉(zhuǎn)子裂紋剛剛出現(xiàn)，深度較淺，尚不足以影響到轉(zhuǎn)子的剛度及彎曲，因而振動(dòng)較為穩(wěn)定，有的機(jī)組在運(yùn)行過程中并沒有觀察到異常。隨后轉(zhuǎn)子的撓度不斷增大，裂紋不斷緩慢發(fā)展，彎曲不斷增大，隔一段時(shí)間就需要重新調(diào)整平衡。裂紋大致沿一個(gè)方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向彎曲，導(dǎo)致歷次動(dòng)平衡加重的相位比較接近。這個(gè)階段裂紋發(fā)展相對(duì)比較緩慢，每次平衡后可以維持運(yùn)行一段時(shí)間，振動(dòng)隨負(fù)荷增大，有時(shí)表現(xiàn)為漸變的，有時(shí)表現(xiàn)為突變的。最后振動(dòng)失去控制，無論如何平衡和對(duì)中都達(dá)不到理想效果。

5 ?結(jié)語

該文主要分析了轉(zhuǎn)子裂紋的故障機(jī)理、產(chǎn)生原因和由此產(chǎn)生的故障特征，給出了具體的判斷方法，并以實(shí)際壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸裂紋問題作為事例進(jìn)行了分析驗(yàn)證，這些總結(jié)會(huì)對(duì)類似問題的解決提供幫助。

參考文獻(xiàn)

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