旋轉機械的莫頓效應分析與處理

曲 佳 彭順喜

（通用電氣（中國）有限公司 沈陽）

一、前言

旋轉機械的多種振動故障各自有不同的內在機理，時至今日，人們對絕大多數故障的機理都已經掌握，但仍有一部分異常振動無法找到已知的故障與之對應，其中同步振動的失穩和波動是典型的一類，在實際故障診斷應用中能準確判斷，研究得透徹的不多，容易形成誤判，帶來不必要的時間浪費和經濟損失。導致同步失穩的原因有多種，針對不同的原因，采取的措施迥異。

二、莫頓效應的轉子動力學機理

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”。轉子運動由自身轉動和繞靜態平衡點渦動兩部分組成，無論是正向還是反向同步渦動，轉速和工況不變的條件下，軸頸表面上的1點（高點）較之表面上的其他點會始終距離軸承內表面最近，參看圖1，每轉1周，這個點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，該點的溫度較之其他點溫度高，簡稱為“熱點”。而熱點對應直徑方向的另一端則始終距離軸承內表面最遠，溫度相對較低，因此軸頸產生了一個不是沿轉子圓周方向均勻分布的熱梯度，當剪切應力比較小時，轉子不會產生彎曲，然而當剪切應力足夠大時，轉子就會產生彎曲，最終導致1×振動幅值增加。

莫頓效應的發生機理與磨碰類似，都是由于轉軸單側受熱引起熱變形，熱變形產生的彎曲不平衡質量和轉子上原始存在的不平衡質量合成，使高點逆轉，引起振動幅值和相位的變化。同時熱點也會逆轉，形成新的彎曲點，并產生新的臨時性不平衡質量，它與原始不平衡質量再合成，又使高點進一步逆轉，直至高點轉動1周，然后開始新的循環。

圖1 軸頸溫度梯度產生的原理

該現象與輕微摩擦十分相似，所以振動特征也十分相似。然而，因為莫頓效應是在軸瓦內部發生的，有潤滑劑提供冷卻，熱梯度變化趨勢比摩擦環境下要更線性。振動圖形更有重復性，極坐標圖有2種典型特征。

（1）轉速和工況不變呈現重復性好的圓環特征。假設機器轉速和工況不變，則轉子的方位角不變，因此轉子上的“熱點”位置不變。轉子的重復彎曲和伸直導致振動幅值和相位循環變化，在極坐標圖上表現出重復性很好的圓環（圖2）。

圖2 工況不變條件下莫頓效應產生的典型極坐標圖

（2）當轉速或者負荷輕微波動呈現螺旋振動特征。當機組在轉速或者負荷輕微波動時，轉子的方位角輕微變化，導致轉子熱點輕微移動。轉子的交替性拉伸和彎曲以及熱點的輕微移動導致極坐標圖上產生螺旋圖形（圖3）。

三、莫頓效應同步振動失穩的診斷及處理方法

圖3 工況稍微變化條件下莫頓效應產生的典型極坐標圖

莫頓效應的表現特點：①莫頓效應造成同步振動失穩與轉速關系密切，表現為周期性的有限的振動幅值和相位的變化。②莫頓效應一般發生在滑動軸承支撐的外伸端轉子上，外伸端質量對振動影響明顯，質量加減可以造成莫頓效應的惡化和減輕。③莫頓效應同步振動表現在極坐標圖上為1倍頻的振動環形曲線，幅值和相位均為周期性，周期從數分鐘到數小時不等。④對于波動性的非穩定同步振動，通過改變油溫可以顯著改變振動波動周期和振幅。⑤莫頓效應和動靜件磨碰故障機理類似，可以通過極坐標圖區分。磨碰由于非線性，導致振動幅值相位重復性差，極坐標圖上表現略微離散的圓環；莫頓效應由于線性較好，極坐標圖呈現重復性較好的圓環，如圖4所示。

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

四、莫頓效應的一個實際案例

1臺 6萬等級的空分壓縮機組，在一次大修開車后，發現透平四級、五級振（30241X/Y，30242X/Y）明顯波動，波動最大達到60 μm，嚴重威脅到機組的安全運行，客戶邀請本特利故障診斷團隊采集啟機振動數據，分析振動問題產生的原因，提出治理方案。

圖4 莫頓效應（左）和輕摩擦（右）的同步極坐標圖

本特利內華達的故障診斷團隊隨身攜帶 ADRE 408儀器采集了機組整個啟機數據，儀器是 GE新一代的高速動態信號在線采集、分析系統，由 ADRE Sxp軟件和 408 DSPi（Dynamic Signal Procession Instrument動態數據處理儀）多通道數據 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、信號調制及數字信號記錄儀于同一平臺，也特別設計適于網絡環境，可通過 LAN/WAN遠程操作，還可以不依賴計算機獨立運行和存儲數據。機組及傳感器布置、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，靈敏度系數均為 7.87 V/mm（200 mV/mil）。

圖6是測試期間空壓機4、5級測點的振動趨勢。可以看出，兩次振動波動間隔大約4 min，期間運行的工藝參數包括轉速沒有改變，機組在穩態下運行，圖7的極坐標圖中明顯看到重復性很好的圓環。

該機組故障特征故障表現為突發性1倍頻振動的幅值或者相位隨時間波動，導致這種同步失穩的原因大致有4種：拍振、輕摩擦、平衡塊滑動和莫頓效應。

圖6 空壓機4、5級測點的振動趨勢

圖7 空壓機四級五級測點的振動趨勢

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電機拖動的機器相互影響產生，處理措施是隔斷兩個機組的振動傳遞；另一種情況是螺桿離心機，因為轉筒和螺桿的轉速不同，在不平衡過大等因素的條件下，發生拍振，處理措施是減小轉動部件的不平衡量。本案例是精確地1倍頻振動，也不具備拍振條件，這里不詳細討論。

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

平衡塊滑動也會產生振動的波動，經確認，機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。

莫頓效應是近幾年認識并驗證的故障原因，是在特定條件下，因為滑動軸承內部的 油膜黏性剪切力作用產生熱點并連續變化，導致轉子熱彎曲形成的。特點是單純的同步失穩波動，但趨勢和相位變化平緩、連續。莫頓效應同步振動表現在極坐標圖上為1倍頻的振動環形曲線，幅值和相位均為周期性，周期從數分鐘到數小時不等。本例中具備莫頓效應的典型特征。

經由現場確認，大修期間機組由于其他原因更換了壓縮機四級、五級轉子的滑動軸承，該型號軸承在該類機組上首次應用，客戶最終根據診斷建議，將軸承更換為原來同型號軸承，波動問題解決。

五、結束語

通過以上對旋轉機械莫頓效應故障機理及診斷實例的分析，可確定莫頓效應的某些征兆，如振動幅值和相位周期性波動，極坐標圖呈現重復性較好的圓環等等。以上實例也充分證明了該診斷方法在實際工作中是行之有效的。該方法能指導現場監測診斷人員及時找到故障原因，少走彎路，節省檢維修時間，縮短停工周期，以保證裝置的安穩。