旋轉機械不對中故障的診斷技巧

徐俊輝

(中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452)

一、前言

在各類旋轉機械故障中，不對中是最為常見的故障之一。旋轉機械故障中60%的故障與不對中有關。轉子系統出現不對中后，在旋轉過程中會引起一系列不良的動態效應，如設備的振動、聯軸器的偏轉、軸承的磨損和油膜失穩、軸的撓曲變形等，危害極大。不對中故障振動信號大都表現為非平穩特征，為了提取非平穩信號的故障特征，需要找到一種合理的信號處理方法。常用的時頻分析方法有時頻分布、短時傅里葉變換、小波變換等，但由于各自的缺陷，如時頻分布存在交叉項干擾，短時傅里葉變換的窗口沒有自適應性以及小波變換中小波基難選擇等，對故障信息的非平穩信號進行處理都有一定的局限性。我們通過對旋轉機械不對中的故障進行征兆機理分析，總結此類故障的振動信號在時域和頻域內的典型特征，根據實際應用中的對中技術，結合現場環境的特殊情況，熟練地運用監測儀器的特性，通過軟件應用的直觀的頻譜分析，這樣能夠對不對中故障進行特征提取和診斷，并可得到較理想的結果。

二、轉子不對中的類型

如圖1所示，轉子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。軸頸在軸承中偏斜稱為軸承不對中。軸承不對中本身不會產生振動，它主要影響到油膜性能和阻尼。在轉子不平衡情況下，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現工頻振動。

圖1 轉子不對中的受力情況

機組各轉子之間用聯軸節連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。通常所講的不對中多指軸系不對中。造成軸系不對中的原因有安裝誤差、管道應變影響、溫度變化熱變形、基礎沉降不均等。由于不對中，將導致軸向、徑向交變力，引起軸向振動和徑向振動。由于不對中引起的振動會隨不對中嚴重程度的增加而增大。不對中是非常普遍的故障，即使采用自動調位軸承和可調節聯軸器也難以使軸系及軸承絕對對中。當對中超差過大時，會對設備造成一系列有害的影響，如聯軸節咬死、軸承碰磨、油膜失穩、軸撓曲變形增大等，嚴重時將造成災難性事故。

如圖2所示，軸系不對中一般可分為以下3種情況。

圖2 齒式聯軸器轉子不對中形式

(1)軸線平行位移，稱為平行不對中。

(2)軸線交叉成一角度，稱為角度不對中。

(3)軸線位移且交叉，稱為綜合不對中。

三、造成轉子不對中的原因

1.制造誤差

聯軸器的加工質量不良，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。此時聯軸器處會產生一個附加彎矩，它的大小和方向不隨時間及運行條件的變化而變化，只相當于在聯軸器處施加了一個不平衡力，其結果是在聯軸器附近產生較大的Ⅰ階振動，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中后，實際可以將不對中分為冷態不對中和熱態不對中兩種情況。其中冷態不對中主要是指在室溫下由于安裝誤差造成的對中不良；熱態不對中指機組在運行過程中由于溫度等因素造成的不對中，其主要原因如下。

(1)基礎受熱不均。

(2)機組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形。

(3)機組熱膨脹時由于滑動表面的摩擦力及導向鍵磨損引起軸承座傾斜和側移。

(4)由于轉子的撓性和重量分配不均勻，轉子在安裝之后產生原始彎曲，進而影響對中。

(5)地基下沉不均。

上述熱變形的影響，導致轉子軸頸中心在軸承中的位置發生變化，一旦軸頸與軸承的相對位置發生改變，軸承油膜的動特性會隨之發生改變，而且會在聯軸器處產生附加彎矩。

四、不對中的故障特征

角度不對中產生較大的軸向振動，頻譜成分為1倍頻和2倍頻，還常見1倍頻、2倍頻和3倍頻都占優勢的情況。平行不對中的振動特性類似角不對中，但徑向振動較大。頻譜中2倍頻較大，常常超過1倍頻，這與聯軸節結構類型有關，詳見表1。

五、診斷技巧

表1

下面從2個方面來探討不對中故障在頻譜中的特征顯示。

1.頻域

(1)確認軸向和徑向在1、2、3倍頻處有穩定的高峰，特別注意2倍頻分量。

(2)徑向振動信號以1倍頻和2倍頻分量為主，軸系不對中越嚴重，其2倍頻分量就越大，多數情況下會超過1倍頻。

(3)軸向振動以1倍頻分量幅值較大，幅值和相位穩定。

(4)聯軸節兩側相臨軸承的油膜壓力反方向變化，一個油膜壓力變大，另一個則變小。相位基本上成180°。

2.時域

(1)確認以穩定的周期波形為主，每轉出現1個、2個或3個峰，沒有大的加速度沖擊現象。如果軸向振動和徑向振動一樣大或者比徑向還大，則說明情況非常嚴重。

(2)振動信號的原始波形是畸變的正弦波。

(3)振動對負荷變化較為敏感，一般振動幅值隨負荷的增大而升高。但是，不是所有的不對中故障都會以此明顯的特征顯示，在診斷分析的時候，也應注意以下的特殊情況。

①如果出現軸向振動小并且4倍頻分量較大時，則有可能是機械松動。

②如果1倍頻分量比其他分量占優勢，可能存在角不對中；2倍頻分量比其他分量占優勢，可能存在平行不對中。

③如果時域波形不穩定或出現較大的沖擊現象，可能是其他故障。

④對于電機，如果基頻及其他倍頻分量大的同時，其振動時域波形有調制現象，或基頻處出現邊頻，可能存在機電故障，如轉子斷條或軸承傾斜導致的偏心。

六、診斷實例

1.設備信息：海洋石油某FPSO15T吊車

功率：245kW；泵轉速：1 475r/min；軸承型號：NDE 6319C3；DE 6316C3。

設備測量點如圖3所示。

圖3 設備測量點

2012年3月23日振動數據采集如表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)中振動值偏高，最高達到了80mm/s；時域波形(圖7)呈標準的正弦波形。

圖6 速度頻譜圖

圖7 時域圖

而且，近期監測設備振動總值趨勢穩定，本次監測時才急劇上升。根據現場實際情況分析，由于電機是垂直安裝，非驅動端為自由端且沒有支撐，實際運行中，很容易引起電機的振動，從而造成聯軸器的對中不良。綜合以上分析診斷，該設備為聯軸器對中不良。根據我們提供的維修建議，及時更換了主電機聯軸器部件。維修之后，2012年4月20日再次對設備進行監測，設備各項振動值已明顯下降并恢復到正常范圍，效果顯著。

2.設備信息：海洋石油某FPSO的熱介質循環泵

電機：380/660v，51kW，2 970r/min；驅動端軸承：6215C3；非驅動端軸：6215C3；泵入口壓力：100kPa；出口壓力：860kPa；排量：270m3/h；揚程：86m；單級臥式離心泵，驅動端軸承：6308。

設備測量點如圖8所示。

圖8 設備測量點

2013年3月1日，采集了振動頻譜，加速度包絡譜振動總值不高，但是伴有工頻的多次諧波。速度頻譜圖中振動總值稍高，最高達到了31.5mm/s；時域波形呈標準的正弦波。

本月監測，整個機組振動總值上升明顯，增幅較大。根據設備情況和現場條件分析得出：機組對中不良。采納維修建議后，對機組進行了重新對中。2013年3月3日再次對設備進行監測，發現設備振動幅值已明顯下降，恢復到正常范圍之內。

七、結語

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

[1]黃文虎，夏松波．設備故障診斷原理、技術及應用[M]．北京：科學出版社，1997.

[2]廖傳華，朱廷風，柴本銀．設備檢修與維護[M]．北京：中國石化出版社，2008.

[3]趙淳生．振動、測試與診斷[M]．南京：南京航空航天大學出版社，2005.