旋轉(zhuǎn)機(jī)械的莫頓效應(yīng)分析與處理

曲 佳 彭順喜

（通用電氣（中國）有限公司 沈陽）

一、前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的多種振動故障各自有不同的內(nèi)在機(jī)理，時至今日，人們對絕大多數(shù)故障的機(jī)理都已經(jīng)掌握，但仍有一部分異常振動無法找到已知的故障與之對應(yīng)，其中同步振動的失穩(wěn)和波動是典型的一類，在實(shí)際故障診斷應(yīng)用中能準(zhǔn)確判斷，研究得透徹的不多，容易形成誤判，帶來不必要的時間浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致同步失穩(wěn)的原因有多種，針對不同的原因，采取的措施迥異。

二、莫頓效應(yīng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)機(jī)理

軸頸溫度梯度理論在1944年由P.S.Keogh和P.G.Morton首次提出，隨后被稱為“莫頓效應(yīng)”。轉(zhuǎn)子運(yùn)動由自身轉(zhuǎn)動和繞靜態(tài)平衡點(diǎn)渦動兩部分組成，無論是正向還是反向同步渦動，轉(zhuǎn)速和工況不變的條件下，軸頸表面上的1點(diǎn)（高點(diǎn)）較之表面上的其他點(diǎn)會始終距離軸承內(nèi)表面最近，參看圖1，每轉(zhuǎn)1周，這個點(diǎn)會以最小高度略過油膜最薄處，也即黏性剪切力最大，油膜黏滯能量最大，該點(diǎn)的溫度較之其他點(diǎn)溫度高，簡稱為“熱點(diǎn)”。而熱點(diǎn)對應(yīng)直徑方向的另一端則始終距離軸承內(nèi)表面最遠(yuǎn)，溫度相對較低，因此軸頸產(chǎn)生了一個不是沿轉(zhuǎn)子圓周方向均勻分布的熱梯度，當(dāng)剪切應(yīng)力比較小時，轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生彎曲，然而當(dāng)剪切應(yīng)力足夠大時，轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生彎曲，最終導(dǎo)致1×振動幅值增加。

莫頓效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理與磨碰類似，都是由于轉(zhuǎn)軸單側(cè)受熱引起熱變形，熱變形產(chǎn)生的彎曲不平衡質(zhì)量和轉(zhuǎn)子上原始存在的不平衡質(zhì)量合成，使高點(diǎn)逆轉(zhuǎn)，引起振動幅值和相位的變化。同時熱點(diǎn)也會逆轉(zhuǎn)，形成新的彎曲點(diǎn)，并產(chǎn)生新的臨時性不平衡質(zhì)量，它與原始不平衡質(zhì)量再合成，又使高點(diǎn)進(jìn)一步逆轉(zhuǎn)，直至高點(diǎn)轉(zhuǎn)動1周，然后開始新的循環(huán)。

圖1 軸頸溫度梯度產(chǎn)生的原理

該現(xiàn)象與輕微摩擦十分相似，所以振動特征也十分相似。然而，因?yàn)槟D效應(yīng)是在軸瓦內(nèi)部發(fā)生的，有潤滑劑提供冷卻，熱梯度變化趨勢比摩擦環(huán)境下要更線性。振動圖形更有重復(fù)性，極坐標(biāo)圖有2種典型特征。

（1）轉(zhuǎn)速和工況不變呈現(xiàn)重復(fù)性好的圓環(huán)特征。假設(shè)機(jī)器轉(zhuǎn)速和工況不變，則轉(zhuǎn)子的方位角不變，因此轉(zhuǎn)子上的“熱點(diǎn)”位置不變。轉(zhuǎn)子的重復(fù)彎曲和伸直導(dǎo)致振動幅值和相位循環(huán)變化，在極坐標(biāo)圖上表現(xiàn)出重復(fù)性很好的圓環(huán)（圖2）。

圖2 工況不變條件下莫頓效應(yīng)產(chǎn)生的典型極坐標(biāo)圖

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷輕微波動呈現(xiàn)螺旋振動特征。當(dāng)機(jī)組在轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷輕微波動時，轉(zhuǎn)子的方位角輕微變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱點(diǎn)輕微移動。轉(zhuǎn)子的交替性拉伸和彎曲以及熱點(diǎn)的輕微移動導(dǎo)致極坐標(biāo)圖上產(chǎn)生螺旋圖形（圖3）。

三、莫頓效應(yīng)同步振動失穩(wěn)的診斷及處理方法

圖3 工況稍微變化條件下莫頓效應(yīng)產(chǎn)生的典型極坐標(biāo)圖

莫頓效應(yīng)的表現(xiàn)特點(diǎn)：①莫頓效應(yīng)造成同步振動失穩(wěn)與轉(zhuǎn)速關(guān)系密切，表現(xiàn)為周期性的有限的振動幅值和相位的變化。②莫頓效應(yīng)一般發(fā)生在滑動軸承支撐的外伸端轉(zhuǎn)子上，外伸端質(zhì)量對振動影響明顯，質(zhì)量加減可以造成莫頓效應(yīng)的惡化和減輕。③莫頓效應(yīng)同步振動表現(xiàn)在極坐標(biāo)圖上為1倍頻的振動環(huán)形曲線，幅值和相位均為周期性，周期從數(shù)分鐘到數(shù)小時不等。④對于波動性的非穩(wěn)定同步振動，通過改變油溫可以顯著改變振動波動周期和振幅。⑤莫頓效應(yīng)和動靜件磨碰故障機(jī)理類似，可以通過極坐標(biāo)圖區(qū)分。磨碰由于非線性，導(dǎo)致振動幅值相位重復(fù)性差，極坐標(biāo)圖上表現(xiàn)略微離散的圓環(huán)；莫頓效應(yīng)由于線性較好，極坐標(biāo)圖呈現(xiàn)重復(fù)性較好的圓環(huán)，如圖4所示。

莫頓效應(yīng)的處理措施：①改變軸承幾何參數(shù)，減小軸承長度，抑制軸頸表面形成大的溫差。②對軸頸材料進(jìn)行改良，提高軸頸導(dǎo)熱性能，減小溫度梯度。③適當(dāng)提高油溫，有助于莫頓效應(yīng)的改善。

四、莫頓效應(yīng)的一個實(shí)際案例

1臺 6萬等級的空分壓縮機(jī)組，在一次大修開車后，發(fā)現(xiàn)透平四級、五級振（30241X/Y，30242X/Y）明顯波動，波動最大達(dá)到60 μm，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，客戶邀請本特利故障診斷團(tuán)隊(duì)采集啟機(jī)振動數(shù)據(jù)，分析振動問題產(chǎn)生的原因，提出治理方案。

圖4 莫頓效應(yīng)（左）和輕摩擦（右）的同步極坐標(biāo)圖

本特利內(nèi)華達(dá)的故障診斷團(tuán)隊(duì)隨身攜帶 ADRE 408儀器采集了機(jī)組整個啟機(jī)數(shù)據(jù)，儀器是 GE新一代的高速動態(tài)信號在線采集、分析系統(tǒng)，由 ADRE Sxp軟件和 408 DSPi（Dynamic Signal Procession Instrument動態(tài)數(shù)據(jù)處理儀）多通道數(shù)據(jù) 采集、處理儀器組成。能同時完成在線采集、顯示和分析，集成了示波器、頻譜分析儀、濾波器、信號調(diào)制及數(shù)字信號記錄儀于同一平臺，也特別設(shè)計(jì)適于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可通過 LAN/WAN遠(yuǎn)程操作，還可以不依賴計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行和存儲數(shù)據(jù)。機(jī)組及傳感器布置、連線順序如圖 5所示。所有傳感器均為本特利的8 mm XL渦流傳感器，靈敏度系數(shù)均為 7.87 V/mm（200 mV/mil）。

圖6是測試期間空壓機(jī)4、5級測點(diǎn)的振動趨勢。可以看出，兩次振動波動間隔大約4 min，期間運(yùn)行的工藝參數(shù)包括轉(zhuǎn)速沒有改變，機(jī)組在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行，圖7的極坐標(biāo)圖中明顯看到重復(fù)性很好的圓環(huán)。

該機(jī)組故障特征故障表現(xiàn)為突發(fā)性1倍頻振動的幅值或者相位隨時間波動，導(dǎo)致這種同步失穩(wěn)的原因大致有4種：拍振、輕摩擦、平衡塊滑動和莫頓效應(yīng)。

圖6 空壓機(jī)4、5級測點(diǎn)的振動趨勢

圖7 空壓機(jī)四級五級測點(diǎn)的振動趨勢

拍振可以通過高分辨率的頻譜圖和窄帶跟蹤頻率采樣識別出來。常見于兩個相鄰的感應(yīng)電機(jī)拖動的機(jī)器相互影響產(chǎn)生，處理措施是隔斷兩個機(jī)組的振動傳遞；另一種情況是螺桿離心機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)筒和螺桿的轉(zhuǎn)速不同，在不平衡過大等因素的條件下，發(fā)生拍振，處理措施是減小轉(zhuǎn)動部件的不平衡量。本案例是精確地1倍頻振動，也不具備拍振條件，這里不詳細(xì)討論。

輕摩擦特點(diǎn)是可以發(fā)生在機(jī)組的任何位置，有直接的動靜摩擦，摩擦產(chǎn)生熱彎曲，振動趨勢和相位也都出現(xiàn)周期性波動，頻率也是精確地1倍頻，即同步失穩(wěn)。摩擦條件消失時振動降低，甚至到達(dá)正常值并維持較長時間。由于摩擦是個非線性的響應(yīng)過程，注意到相位和幅值的變化不是重復(fù)的，導(dǎo)致振動幅值相位重復(fù)性差，極坐標(biāo)圖上表現(xiàn)略微離散的圓環(huán)與本案極坐標(biāo)圖不符合。

平衡塊滑動也會產(chǎn)生振動的波動，經(jīng)確認(rèn)，機(jī)組不存在平衡塊松動可能，另外平衡塊松動的周期性不會很好。

莫頓效應(yīng)是近幾年認(rèn)識并驗(yàn)證的故障原因，是在特定條件下，因?yàn)榛瑒虞S承內(nèi)部的 油膜黏性剪切力作用產(chǎn)生熱點(diǎn)并連續(xù)變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲形成的。特點(diǎn)是單純的同步失穩(wěn)波動，但趨勢和相位變化平緩、連續(xù)。莫頓效應(yīng)同步振動表現(xiàn)在極坐標(biāo)圖上為1倍頻的振動環(huán)形曲線，幅值和相位均為周期性，周期從數(shù)分鐘到數(shù)小時不等。本例中具備莫頓效應(yīng)的典型特征。

經(jīng)由現(xiàn)場確認(rèn)，大修期間機(jī)組由于其他原因更換了壓縮機(jī)四級、五級轉(zhuǎn)子的滑動軸承，該型號軸承在該類機(jī)組上首次應(yīng)用，客戶最終根據(jù)診斷建議，將軸承更換為原來同型號軸承，波動問題解決。

五、結(jié)束語

通過以上對旋轉(zhuǎn)機(jī)械莫頓效應(yīng)故障機(jī)理及診斷實(shí)例的分析，可確定莫頓效應(yīng)的某些征兆，如振動幅值和相位周期性波動，極坐標(biāo)圖呈現(xiàn)重復(fù)性較好的圓環(huán)等等。以上實(shí)例也充分證明了該診斷方法在實(shí)際工作中是行之有效的。該方法能指導(dǎo)現(xiàn)場監(jiān)測診斷人員及時找到故障原因，少走彎路，節(jié)省檢維修時間，縮短停工周期，以保證裝置的安穩(wěn)。