不对中转子系统振动特征分析与诊断

· 16· 压缩机技术 2003年第6期 (总第182期) 文章编号：1006．2971 l 2003)06．0016．04 不对中转子系统振动特征分析与诊断 陈 林 华 (扬子石化股份有限公司贮运厂，江苏 南京 210048) 摘 要：根据大型机组转子系统不对中的受力特点和运动特征，通过对故障信号图谱的实例分析。提 出了利用全息谱技术诊断转子系统不对中故障的过程和方法。 关键词：不对中；转子；诊断 中图分类号 ：TH455 文献标识码 ：A Analysis and diagnosis to the vibration characteristic of non。。concentric rotor system CHEN Lin-hua (Storage& Transport Plant of YPC，Nanjing 210048，China) Abstract：According to the acting force and motion characteristic in the large—type compressors，by analyz- ing the signal drawing s that the vibration forms，the fault diagnosis methods to the non—concentric rotor sys— tem by using RotEASY are putforword ． Key words：non—‘concentric；rotor；diagnosis 1 概述 由于机器的安装误差、机组沉降不均匀以及承 载后的各种变形等，使机器在工作状态时各转子轴 线之间产生轴线对中位移，这种对中变化的误差， 称为转子不对中。 机组转子不对中的空间位置，对于从动轴和主 动轴，无论在垂直面上，还是在水平面上，都有平 行不对中、角度不对中和综合不对中3种情况。转 子对中不良的轴系，改变了转子轴径与轴承的相互 位置和工作状态，影响了轴承良好油膜的形成，同 时也改变了轴系的固有频率。转子系统的机械故障 有很大一部分是由不对中引起的，具有不对中故障 的转子系统在其运转过程中将会产生一系列的有害 于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转，轴承 发生异常振动等，危害极大。 2 转子不对中的受力分析 联轴器的种类很多，在中、小设备中多用固定 式刚性联轴器，在大型高速旋转机械中常用齿式联 收稿 日期：2002—12—05 轴器，现仅以齿式联轴器为例说明转子不对中的故 障机理。 齿式联轴器是最具代性的允许综合位移的联 轴器，为一般大型旋转设备所采用。它由两个具有 外齿环的半联轴器和具有内齿环的中间齿套组成， 半联轴器分别与主动轴和从动轴联接。当机组轴系 转子之间的对中联接超标时，联轴器的内外齿面的 接触情况就发生了变化。 2．1 受力分析 图 1为齿式联轴器的受力情况。 由 X Z 圈中：d一联轴器齿环分度圆直径，mm；a一联轴器齿环的压力角，。 Mk一联轴器传递的转矩，Nmm；≯一中间齿套的惯角； b一外齿宽；L一联轴器中间齿套两端齿的中心跨距，眦 图 1 齿式联轴器的受力情况 琵鞲辑 程碍毽《 ． 甓 莨 《 0 。 ．。-。 ： 。。 。 ： 。 ．： 々 善 t专 善 皇 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 陈林华 ：不对中转子系统振动特征分析与诊断 从图中可计算出齿面的法向力为 FN= M K × = M K 若忽略其他因素仅考虑齿面啮合的摩擦力影 响，则由齿面啮合的摩擦力所产生的摩擦力矩为 M F=btFNd= 中间齿套由于不对中倾斜产生的力矩 M T=FN6= bM K cos 由这两个力矩所产生的径向分力为 FF=MF／L，FT=MT／L 轴承所受的附加径向力为 Fx=、／F斋+F2T=、／(M斋+M2T)／L 同样，由于摩擦力的影响，最大附加轴向力为 ， ， ， ， M K yrnax N 由上述分析可知，当机组轴系转子之间的连接 不对中超标时，联轴器在传递运动和转矩时产生了 附加径向力和附加轴向力，这二种力不但引起弯曲 方向振动，而且也引起扭转振动。 2．2 不对中转子的运动特征 仅以轴线角度位移不对中为例说明其振动机 理 。 具有轴线角度位移不对中的齿式联轴器联接的 转子，两转子的轴心不在一条轴心线上，存在角度 偏差，设其角度不对中的量为 △a，主动轴和从动轴 的角频率分别为1"2】和1"22。由于轴线倾斜，半联轴器 的齿顶圆在沿外壳回转轴线方向的投影为一椭圆， 椭圆的长短半轴分别为 Ra= R，Rb= R —AR = Rc0s(zAa／2) 由于半联轴器和中间齿套啮合在一起，彼此不 能产生相对转动。要使系统运行，中间齿套需要有比 R大的齿根圆的直径，且中间齿套的中心 O 和两半 联轴器的中心 O】和 O2不重合，并具有相对的运 动。如图2a所示，只有这样，才能满足机构的运 动学条件。 otf＼ 、． 司 ．I ＼、 ( ／ 。 图 2 轴线角度位移不对中示意图 通过几何计算，可以得出中间齿套 R的轴线 轨迹方程为 xR： tan sin(2D 2 一180。) yR： tan c0s(2． ￡一2 一180。) 从上式轨迹方程中可以看出中间齿套的运动轨 迹频率为 2D，即具有 2倍频的特征。其相位是转 子转动相位的 2倍，但在两半联轴器同一方向上， 其相位差为 180。。事实上，由于中间齿套的轴线 是在两半联轴器的轴线之间不停地摆动和转动，其 运动轨迹为一回转双锥体，如图 2b所示。 同时可计算出中间齿套运动时，向转子系统施 加的附加力为 Fay = 1 reALtan n COs(2Ot一2 ) Fax = 1 mALtan n2sin(2Ot一29) 同理可以推得：轴线平行位移不对中时，轴心 线的运动轨迹轮廓为一圆柱体，并具有明显的2倍 频特征。 由上述分析可知，齿式联轴器联接不对中的转 子系统其主要运动特征为： (1)不对中故障的特征频率为角频率的2倍， 不对中越严重，2倍频的分量越大； (2)其轴心线的运动轨迹是介于圆柱体和双锥 体之间的半双锥体形状 (“8”字形)； (3)其振动的能量 (激振力幅)随转速升高而 加大； (4)转子轴向振动的频率与角频率相同，即为 1倍频。 维普资讯 http://www.cqvip.com · 18· 压缩机技术 第6期 在实际生产中，机组轴系往往既有平行位移不 对中又有角度位移不对中，这时其轴心线的运动轨 迹表现为 “8”字形或 “香蕉”形，但其激振频率 都为角频率的 2倍，同时，联轴器在传递运动和转 矩时所产生的附加径向力和附加轴向力，使得从动 转子每回转一周，就轴向往复运动一次，这也是转 子发生异常振动和轴承早期损坏的主要原因。 3 不对中故障的诊断 转动设备在运转过程中出现的故障很多，这些 故障引起转子振动的异常变化，我们检测到的信号 中包含着很多的故障信息，通过对振动信号的分 析，就可发现这些异常变化，进而推断出故障发生 的原因。 传统的信号分析方法是频谱分析法，它是通过 分析振动频率和幅值的关系来判断引起振动的原 因，是分析振动故障的一种重要手段。 现在比较先进的方法是全息谱分析法。在一个 完整的振动信号 X =Asin(rot+ )中系统地考虑 了振动频率 ∞、幅值 A和相位 三者之间的关系， 60 40 20 0 -20 —4o -60 图 3 时域波形 图 从图 3的时域波形图上可以看出，在一个完整 的波形信号中存在着较大的回波信号，说明有明显 的故障。 图 4的幅值谱图上除了工频 (1X)外，有一 个能量基本上是 1工频相当的二倍频 (2X)和其 他能量较小的高倍频及低倍频，二倍频为主要特征 信号。从上面理论分析可知，它具有二转子不对中 的特征，同时排除了工频故障的可能。但是，仅仅 依靠二倍频分量作为判定联轴器对中与否的特征还 不够充分，因为倍频并非为齿轮联轴器不对中所独 有，转子系统中的其他故障如转子的横向裂纹、径 向碰磨等都可能成为倍频或高次谐波分量的来源。 因此，必须通过其他手段来进行确认。 图 5是对应于该故障的轴心轨迹图。转子故障 并考虑了一个支撑截面内转子在垂直和水平两个方 向振动之间的相互关系和转子各个支撑截面之间的 相互关系，利用该技术对振动信号进行二维和三维 处理，能直观地显示出转子运动的轴心轨迹、二维 全息谱图和三维全息谱图，因而能比较准确地判断 出转子的运行状态和故障。 我厂的火炬气回收装置是国内最大的一套火炬 气回收装置，用于全公司火炬气的回收，其核心设 备压缩机是一套由高压电机、偶合器、增速机和离 心压缩机组成的压缩机组，正常工作转速为 12 000 r／min。运行一段时间后由于来料气成分复杂造成 压缩机气路堵塞，使得压缩机无法正常运转，决定 对压缩机解体清污，检修完成后即进行开车，在升 速阶段发现转子振动普遍比原来高 15～20 tzm，还 没有达到额定工作转速，振动已达 65 tzm左右， 逼近 报 警 值 75肛m，随 即用 全 息谱 检 测 系统 (RotEASY2000)对该机组进行运行状态检测。 图3～6是我们检测到的一组信号图谱，现依 次对各个图谱进行分析，以找出其故障特征。 3O 25 20 15 10 5 0 图 4 幅值谱 图 的不同，反映出来的轴心轨迹有很大的差异。横向 裂纹反映出来的轴心轨迹是近似圆形，而其他高频 故障的轴心轨迹则是有突变的复杂轨迹，而图 2中 所反映的是近似香蕉形轨迹，从上面的机理分析中 可以判断，该轴心轨迹具有不对中特征。 图6是一张二维全息谱图，从图中可以看出， 二倍频椭圆大，偏心率小，四倍频 (4X)偏心率 小，同时其长轴与二倍频的长轴接近垂直，也具有 不对中的特征。 根据开车过程中的信号变化和振动发展趋势， 综合上面的信号图谱分析。再对照不对中的故障机 理，则基本可以判断出该压缩机转子具有明显的不 对中故障。 ．， ． ．．．． 。 。 ， 。 《 豁 b哥 群 辱 羞 F‘ 鞋靠妊 黩嚣甓蕾l_重星-i一|薯 l重重量i- iii重量曩量啊_曩_ __棚∞， 、} 。。，c t 维普资讯 http://www.cqvip.com 2003年第6期 (总第182期) 压缩机技术 · 19· DQ型变压吸附制氮装置设计及其应用 李 健 文 (广东省肇庆化工机械厂，广东 肇庆 526020) 摘 要：从 PSA制氮的结构设计及其应用等几方面，阐述 了DQ型变压吸附制氮装置的特点。 关键词：空气分离；变压吸附；制氮 中图分类号 ：TQ051．8 6 文献标识码：B 1 前言 氮从空气中分离采用深冷蒸馏和变压吸附 (简 称 PSA)两种技术。而大规模生产工业用高纯氮 仍采用深冷蒸馏的方法。 PSA作为非低温的气体分离方法，是一种新 型气体吸附分离技术，在常温和较低的压力下生 产，简单、操作方便、自动化程度高、运 行成本低，氮气纯度可在 99％～99．9995％，常压 露点在≤ 一60"(3选用，用户可根据用氮要求，自设 氮气站。 2 吸附装置设计 DQ型变压吸附装置是由压缩空气净化，PSA 收稿日期：2003—08—22 制氮 (普氮)及纯化 3部分组成。考虑到不同用户 的需要，又能便于制作、安装与使用，因此作单元 组合设计：压缩空气净化与 PSA制氮为一单元组 合一 DQ99型制氮装置；纯化又为一单元组合 — — DQ99999型纯化装置。详见图 1。 2．1 DQ99型制氮装置 DQ99型制氮装置是 DQ型变压吸附装置的单 元组合。它由高效除油器、超精过滤器、变压吸附 制氮、排气消声器、粉尘过滤器、自动控制系统、 贮气罐组成。 2．1．1 性能参数 额定产氮量 ：30～1 000 Nm ／h 氮纯度：>98％～99．8％ 供氮压力：0．65 MPa(可调) 图5 轴心轨迹图 图6 二维全息谱图 经停车复测，发现压缩机和增速机的对中连接 数据大大超出原设计值，根据设计数据重新找正， 开车后振动回到原来正常数值，机组运行平稳。 上面是对具有典型不对中故障的实例分析。在 实际分析中，可以利用上面不同的分析方法同时进 行分析，或利用三维全息谱图辅助分析，每一种分 析又可以作为另一种分析的参考。这样通过交叉分 析，就可正确判断出引起压缩机异常振动的故障及 原因。 参考文献 ： [1】 韩捷，等．旋转机械故障机理及诊断技术 [M】．北京：机 械工业出版社，1997． 作者简介：陈林华 (1963一)，男，工程师，毕业于南京理工大学， 现从事设备管理工作。 瑚 挪 ～用～ ～应一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com