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◉ 你好，我是佟掌柜，欢迎你来到掌柜读书，《旋转机械故障诊断实用技术》。今天是第 15 期，我们说一说松动，更准确地说，是转子支撑部件松动。因为在实际的工业实践中，松动有很多种，地脚螺栓松动是松动，转子叶轮和轴之间的配合松动是松动（就是咱们上周讲的转子热套配合过盈不足），转子支承部件的松动也叫松动——我们今天主要讲这部分内容。 转子支撑部件连接松动的底层原因，是因为系统结合面存在间隙或者连接的刚度不足，所以造成了机械阻尼偏低、机组运行过程中振动过大。在旋转机械振动基础知识那一章我们学过，振动的大小跟刚度、阻尼都有直接的关系。而且松动类故障跟摩擦类故障有个相像的地方，松动不仅本身是一种故障，会影响机组的正常运行，而且还会加剧别的故障。比如极小的不平衡或者不对中，本身对机组没有很大的影响，但是由于松动的存在，会导致支撑系统产生很大的振动。 1.故障机理 前面我们说过了，机组的振动大小是由激振力和机械阻尼共同决定的。转子支承部件一旦松动，就会导致连接刚度下降、机械阻尼降低，这是松动导致振动异常的根本原因。当轴承套跟壳体之间的配合有比较大的间隙的时候，轴承套受转子的离心力的作用，就会沿着圆周方向发生周期性的变形，这样就会影响油膜的稳定性。如果轴承座螺栓紧固不牢，造成结合面上有间隙，还会使整个转子系统都发生不连续的位移。 假设一个典型的转子支承系统，它的右端轴承松动，如图 8 - 2 所示。 那么，它的振动特征跟三个参数有关：转速比 λ 、转子偏心率 α 、间隙比 β 。转子支承部件松动有三种情况： （1）当 λ = 0.75 的时候，振动特征的计算结果如图 8 - 4 所示。转子系统是否会进入非线性状态，跟转子的偏心率 α 和转速比 λ 都有关系。当这两个参数都很小的时候，转子的振动响应小于静变形。这种情况下，松动对转子的运行影响很小。 （2）当 λ =0.792 的时候，假设 α = 0.7 ，β = 0.5 ，那么，转子支承系统是非线性系统，振动的频谱特征就会像图 8 - 5 所显示的这样，振动响应除了基频之外，还有 2 倍频、 3 倍频等高次谐波。 （3）当 λ = 0.75 ~ 2 的时候，如果 α = 0.7 ，β = 0.5 ，那么，转子支承系统是非线性系统，基频的振幅会随着转速比 λ 而变化。当 λ < 1 的时候，松动的振动比较大，稳定性比较差；当 λ > 1 的时候，松动的振幅反而比较小。 但是，这种情况下，有一件事儿要特别引起注意。那就是，在一定条件下，会发生 ½、¼ 等偶分数次谐波共振的现象。共振现象是否出现，跟转子的偏心率 α 和转速比 λ 有关。 2. 故障特征 通过前面的故障机理的分析，我们能够感受到，转子支承部件松动这类故障的振动，主要是跟三个参数有关：转速比 λ 、转子偏心率 α 、间隙比 β 。这三个参数将一直影响后面的故障特征、诊断依据和敏感参数。 转子支承部件松动的故障特征： （1）时域波形存在基频、分数谐波和高次谐波的叠加； （2）频率成分中同样存在基频、分频和倍频； （3）轴心轨迹紊乱； （4）存在壳体剧烈振动现象。 3. 诊断依据 转子支承部件松动的故障征兆主要有：时域波形和频率成分中都有基频、分数谐波和高次谐波（因为转子系统除了在转速比 λ 和转子偏心率 α 都很小的情况之外，基本都处于非线性的区域内）；振动不稳定，所以轴心轨迹是紊乱的，相位也不稳定；当工作转速到达某一个阈值的时候，振幅会突然增大或者减小（这个前面讲过，跟转速比 λ 有关）。 在敏感参数方面，转子支承部件松动这类故障对于转速和负荷的变化很敏感（会影响转速比 λ 和系统刚度），会随着流量的变化有变化，但是对润滑油温、介质温度和压力变化不敏感。比较典型的特征，是振动具有非线性的特征，振动对偏心率和转速非常敏感。 4. 故障原因与治理措施 我们学习完了振动机理、故障特征、故障征兆和敏感参数，现在来挖一挖产生转子支承部件松动故障的原因，还是那个模型：设计 - 制造 - 安装检修 - 操作运行 - 状态劣化。 设计方面的原因，可能是设计的结构不合理，没有防松的措施，或者是紧固体的强度不够，运行的过程中发生了断裂；制造方面，有可能是配合尺寸加工误差大，导致瓦背没有紧力，或者紧固螺栓质量差，容易松动和断裂；安装检修方面，可能是支撑系统的配合间隙过大，或者紧固螺栓紧力不足，没有上紧，没有按照技术要求实施防松措施；操作运行方面超负荷运行了；状态劣化方面，支撑系统配合紧力消失，机壳或者基础变形，螺栓松动。 5. 故障案例 5.1 汽轮发电机组地脚螺栓松动案例 这套汽轮发电机组的结构如图 8 - 9 所示，由汽轮机、减速机、发电机和励磁机组成。 这套机组在汽轮机检修之后进行了振动测量，发现前后轴承的振动值里面，水平方向的振动值明显比别的方向大。如表 8 - 4 所示。 振动信号频谱分析，发现频率成分中的主要频率成分都是奇数倍转频，尤其是 3 倍频最突出。
另外，时域波形的振幅变化很不规则，含有高次谐波成分。
结合以上分析，判断汽轮机的前后轴承存在松动。把机组停下来检查，发现汽轮机后轴承的一侧，有两颗地脚螺栓没有上紧。原因在于，预留热膨胀间隙过大。后来按要求旋紧螺母，振幅就从85 μm 下降到了 27 μm ，其他各点的振动值也都有所下降，实现了平稳运行。 5.2 风机地脚螺栓松动案例 这台风机是由电动机驱动的，在试运行的时候发现振动超标了。
用测振仪对机组的各轴承和固定轴承箱、电机的各地脚的垂直方向进行了测试，发现风机侧轴承和地脚振动比较大。
又用频谱分析仪对轴承箱振动量最大的 B 点处的水平方向采集了振动信号，频率成分中以工频占主导，但是也有分数谐波和倍频成分。在同样转速下测量相位信号，发现相位有很大波动。
通过以上的征兆参数，判断引起机组振动的主要原因是：地脚螺栓松动，机组轴系不平衡。建议紧固 2、3、4 号地脚螺栓，并且对机组进行现场整机全速动平衡。 现场工作人员紧固了 2、3、4 号地脚螺栓，重新启机运转，在工作转速下，对各轴承和地脚螺栓的垂直方向进行振动测量，并且用频谱分析仪对轴承箱振动最大的 B 点水平方向重新采集了振动信号。振动频率中仍然是工频占主导，但是已经降到了 157 μm 。这个时候 3 号地脚螺栓的垂直方向振动值还是比较大，但是由于现场的限制，想再紧固比较困难。所以，对机组进行了现场整机全速动平衡，在叶轮上加了 220 g 的配重之后，工频降到了 9 μm ，轴承振动最大的 B 点水平方向降到 21 μm ，垂直方向 8 μm 。机组振动问题得到了解决，可以正常开车了。 ◉ 好了，今天我们一起学习了转子支承部件松动这类故障的振动机理、故障特征、故障征兆、敏感参数、故障原因和治理措施，还一起分析了两个案例。希望我的解读能够对你有所帮助。 设备管理看工课，咱们下周再见。 |
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