CIMES/CGMT2024
2024年第十六届中国国际机床工具展览会
2022年中国(广州)国际数控机床展览会
展会时间2024年6月暂定(北京)/2022年11月23日-25日(广州
展会地址:北京·中国国际展中心/广州·中国进出口商品交易会展馆

(24h在线:13020162130)

机床展--轴弯曲和热弯曲、轴裂纹等故障原因与解决方法

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轴弯曲和热弯曲、轴裂纹等故障原因与解决方法

旋转机械的常见故障有很多,包括不平衡、不对中、轴弯曲和热弯曲、油膜涡动和油膜振荡、蒸汽激振、机械松动、转子断叶片与脱落、摩擦、轴裂纹、旋转失速与喘振、机械偏差和电气偏差等。

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不平衡

不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。
引起转子不平衡的原因是多方面的,如转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差;运行中联轴器相对位置的改变;转子部件缺损,如:运行中由于腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落;转子受疲劳应力作用造成转子的零部件(如叶轮、叶片、围带、拉筋等)局部损坏、脱落,产生碎块飞出等。

不对中

转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。

转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不对中使联轴器附加一个弯矩,以力图减小两个轴中心线的偏角。

轴每旋转一周,弯矩作用方向就交变一次,因此,偏角不对中增加了转子的轴向力,使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对中是以上两种情况的综合,使转子发生径向和轴向振动。轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。

轴承不对中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波振动,负荷较轻的轴承容易失稳,同时还会使轴系的临界转速发生改变。

轴弯曲和热弯曲

轴弯曲是指转子的中心线处于不直状态。转子弯曲分为永久性弯曲和临时性弯曲两种类型。

转子永久性弯曲是指转子的轴呈永久性的弓形,它是由于转子结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当而发生永久性的弯曲变形,或是热态停车时未及时盘车或盘车不当、转子的热稳定性差、长期运行后轴的自然弯曲加大等原因所造成。

转子临时性弯曲是指转子上有较大预负荷、开机运行时的暖机操作不当、升速过快、转轴热变形不均匀等原因造成。

转子永久性弯曲与临时性弯曲是两种不同的故障,但其故障的机理是相同的。转子不论发生永久性弯曲还是临时性弯曲,都会产生与质量偏心情况相类似的旋转矢量激振力。


油膜涡动和油膜振荡

油膜涡动和油膜振荡是滑动轴承中由于油膜的动力学特性而引起的一种自激振动。

油膜涡动一般是由于过大的轴承磨损或间隙、不合适的轴承设计、润滑油参数的改变等因素引起的。根据振动频谱很容易识别油膜涡动,其出现时的振动频率接近转速频率的一半,随着转速的提高,油膜涡动的故障特征频率与转速频率之比也保持在一个定值上始终不变,常称为半速涡动。

油膜涡动和油膜振荡是两个不同的概念,它们之间既有区别,又有着密切的联系。

当机器出现油膜涡动,而且油膜涡动频率等于系统的固有频率时就会发生油膜振荡。油膜振荡只有在机器运行转速大于二倍转子临界转速的情况下才可能发生。当转速升至二倍临界转速时,涡动频率非常接近转子临界转速,因此产生共振而引起很大的振动。通常一旦发生油膜振荡,无论转速继续升至多少,涡动频率将总保持为转子一阶临界转速频率。

转子发生油膜振荡时一般具有以下特征:
①时间波形发生畸变,表现为不规则的周期信号,通常是在工频的波形上面叠加了幅值很大的低频信号;
②在频谱图中,转子的固有频率ω0处的频率分量的幅值最为突出;
③油膜振荡发生在工作转速大于二倍一阶临界转速的时候,在这之后,即使工作转速继续升高,其振荡的特征频率基本不变;
④油膜振荡的发生和消失具有突然性,并带有惯性效应,也就是说,升速时产生油膜振荡的转速要高于降速时油膜振荡消失的转速;
⑤油膜振荡时,转子的涡动方向与转子转动的方向相同,为正进动;
⑥油膜振荡剧烈时,随着油膜的破坏,振荡停止,油膜恢复后,振荡又再次发生。如此持续下去,轴颈与轴承会不断碰摩,产生撞击声,轴承内的油膜压力有较大的波动;
⑦油膜振荡时,其轴心轨迹呈不规则的发散状态,若发生碰摩,则轴心轨迹呈花瓣状;
⑧轴承载荷越小或偏心率越小,就越容易发生油膜振荡;
⑨油膜振荡时,转子两端轴承振动相位基本相同。

蒸汽激振

蒸汽激振产生的原因通常有两个,一是由于调节阀开启顺序的原因,高压蒸汽产生了一个向上抬起转子的力,从而减少了轴承比压,因而使轴承失稳;二是由于叶顶径向间隙不均匀,产生切向分力,以及端部轴封内气体流动时所产生的切向分力,使转子产生了自激振动。

蒸汽激振一般发生在大功率汽轮机的高压转子上,当发生蒸汽振荡时,振动的主要特点是振动对负荷非常敏感,而且振动的频率与转子一阶临界转速频率相吻合。在绝大多数情况下(蒸汽激振不太严重)振动频率以半频分量为主。

在发生蒸汽振荡时,有时改变轴承设计是没有用的,只有改进汽封通流部分的设计、调整安装间隙、较大幅度地降低负荷或改变主蒸汽进汽调节汽阀的开启顺序等才能解决问题。

机械松动

通常有三种类型的机械松动:

第一种类型的松动是指机器的底座、台板和基础存在结构松动,或水泥灌浆不实以及结构或基础的变形。

第二种类型的松动主要是由于机器底座固定螺栓的松动或轴承座出现裂纹引起。

第三种类型的松动是由于部件间不合适的配合引起的,这时的松动通常是轴承盖里轴承瓦枕的松动、过大的轴承间隙或者转轴上的叶轮存在松动。这种松动的振动相位很不稳定,变化范围很大。松动时的振动具有方向性,在松动方向上,由于约束力的下降,将引起振动幅度加大。

转子断叶片与脱落

转子断叶片、零部件或垢层脱落的故障机理与动平衡故障是相同的。其特征如下:
①振动的通频振幅在瞬间突然升高;

②振动的特征频率为转子的工作频率;
③工频振动的相位也会发生突变。
摩擦

当旋转机械的旋转部件和固定部件接触时,就会发生动、静部分的径向摩擦或轴向碰摩。这是一个严重的故障,它可能会导致机器整个损坏。在摩擦产生时通常分为两种情况:

第一种是部分摩擦,此时转子仅偶然接触静止部分,同时维持接触仅在转子进动整周期的一个分数部分,这通常对于机器的整体来说,它的破坏性和危险性相对比较小;

第二种,特别是对于机器的破坏性效果和危险性来说就是更为严重的情况了,这就是整周的环状摩擦,有时候也称为“全摩擦”或“干摩擦”,它们大都在密封中产生。在整周环状摩擦发生时,转子维持与密封的接触是连续的,产生在接触处的摩擦力能够导致转子进动方向的剧烈改变,从原本是向前的正进动变成向后的反进动。

摩擦的危害性很大,即使转轴和轴瓦短时间摩擦也会造成严重后果。



大会组织机构
主办单位:中国机械工业集团有限公司
中国机械国际合作股份有限公司
中国机床总公司

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