旋轉機械松動故障分析

曲 佳 ，興成宏 ，李迎麗，李 犇

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧 遼 陽 1 11003）

機械松動類故障是旋轉機械常見故障，而且是很難診斷的一類故障，在基礎、支撐系統、部件、殼體等任何有連接件的部位都可能發生。該類故障的許多特征經常與不平衡和不對中類似，易造成故障原因的誤判斷，給機組的有效維修帶來困難。根據故障特征判斷機械松動故障的方法能及時有效地識別和診斷出該類故障，對指導維修、節約維修費用和縮短檢修時間具有較高的實用價值。

一、旋轉機械松動的故障診斷

1．機械松動的分類和故障征兆

（1） 基礎類松動故障

這類松動包括設備底腳、基礎平板和混凝土基礎強度剛度不夠，出現變形或開裂，地腳螺栓松動等。這類松動的振動頻譜中占優勢的是工頻 (或轉速頻率)，這與不平衡狀態相同，但振動幅值大的部位很確定，有局限性，這點與不平衡或不對中情況不同。另外，還要進一步比較各方向之間的相對幅值，觀察它們的相位特性。如軸承座水平與垂直方向振幅、相位差，這類松動的振動具有方向性，在松動方向振動較大，如垂直方向振動遠大于水平方向，水平和垂直方向相位差為0°或180°(而不平衡故障中水平和垂直方向相位差約為90°)。此時，測量應向下移到設備底腳、基礎平板和混凝土基礎上，比較不同位置振動在工頻（或轉速頻率）處的幅值、相位。如果兩個位置的振動幅值和相位差別大，說明有相對運動，這可幫助尋找松動源。

需要指出，機械松動導致非線性剛度改變，變化程度與激振力有關，因而松動振動具有非線性特征，其頻率成分除了基頻（等于轉速頻率）以外，還產生高次諧波 (2×、3×等)和偶次分頻（如1/2×、3/2×基頻） 振動，頻譜結構成梳狀；其振動幅值也與負荷有密切關系，將隨著負荷增加而增大；其振動狀態對轉速（即激振頻率） 的變化反映也很敏感，振動值隨轉速的增減而表現出無規律的變化，忽大忽小，呈跳躍式變化。

（2）轉子支撐部件松動類故障

這類松動包括結構裂紋或軸承座裂紋；支撐腳高度不同引起的搖動運動；軸承座固定螺栓松動；軸承松動或零部件配合不當；軸承在軸承座中松動，軸承內部間隙過大和軸承襯套在其蓋內松動以及軸承在軸上松動或轉動。

其故障征兆為在振動頻譜中存在多個轉速頻率的諧波頻率，有時高達10×和20×；趨向于在松動，方向上的定向振動；產生轉速的1/2×間隔的頻率（即0.5×、1.5×、2.5×轉速頻率等）或1/3×間隔的頻率；相位不穩定；在徑向和軸向的相位差接近0°或180°。

以上各種情況可歸納成表格形式，見表1、表2。

2．機械松動的故障原因及治理措施（表3）

二、故障診斷實例

遼陽石化分公司動力廠污水一車間94C543風機（機組結構簡圖見圖1），機組由電機驅動，電機型號FNC355L4 B3，額定功率230kW，設計正常轉速1 491r/min，電流26.6A，電壓6 000V。機組試運，發現振動超標。測試及分析過程如下。

應用全頻測振儀對機組各軸承及固定軸承箱和電機的各地腳垂直向進行了測試，測試結果表明，風機側軸承及地腳振動較大，其全頻位移值見表4、表5。

由全頻值來看，軸承箱A、B處振動較大，地腳螺栓2、3、4垂直向振動值超過了許可范圍。又用頻譜分析儀對軸承箱振動最大處（B處）水平向采集了振動信號（頻譜圖見圖2），取得了更加詳細的故障征兆參數。從頻譜圖上來看，振動頻率為機組的轉速頻率，振動以同頻占主導，有分頻帶和倍頻成分。在頻譜分析儀平衡功能中，工作轉速下原始全頻振動值為288μm，在該轉速下又測取了相位信號，相位為-55°，相位有較小的波動。通過以上測取的征兆參數，分析引起機組振動的主要原因是：地腳螺栓松動、機組軸系不平衡。提出解決方案：緊2、3、4號地腳螺栓、對機組進行現場整機全速動平衡。

現場緊固2、3、4號地腳螺栓后機組重新運轉，在工作轉速下，對各軸承及地腳螺栓垂直向測取了全頻值，結果見表4、表5。

表1 機械松動的故障征兆

表2 機械松動的振動敏感參數

表3 機械松動的故障原因及治理措施

圖1 機組結構簡圖

表4 緊地腳螺栓前、后各軸承的位移值（PK-PK） μm

表5 緊地腳螺栓前、后各地腳的垂直向位移值（PK-PK）μm

用頻譜分析儀對軸承箱振動最大處（B處）水平向重新采集了振動信號。從頻譜上來看，振動以同頻占主導，但振值已經減小到157μm，相位-33°。此時，3號地腳螺栓垂直向振值仍較大，但再緊地腳螺栓較難。故對機組進行了現場整機全速動平衡，在葉輪上加220g配重后，工頻值降為9μm，軸承振動最大處（B處） 全頻振值水平方向21μm，垂直方向8μm。機組振動問題解決，機組正常開車。