高速氣體軸承轉子周期性碰摩故障試驗研究

邊技超，付忠廣，楊金福，王正威，于明濤

（1.華北電力大學　能源動力與機械工程學院，北京102206；2.中國科學院　工程熱物理研究所，北京100190）

高速氣體軸承轉子周期性碰摩故障試驗研究

邊技超1，付忠廣1，楊金福2，王正威1，于明濤1

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京100190）

針對高速氣體軸承轉子結構進行周期性碰摩試驗研究。對此結構的軸系進行升速試驗，試驗結果顯示軸系轉速在升高到一定程度時開始產生飛升，隨后在頻域內出現周期性碰摩現象。通過頻譜特性、軸心運動軌跡及時間—頻率—幅值三維譜圖等振動圖譜特征，分析轉子飛升與周期性碰摩現象的動力學過程及產生原因，并給出碰摩故障的典型特征。研究結果可以為此類碰摩故障的識別與相關碰摩故障診斷系統的建立提供試驗數據支撐。

振動與波；氣體軸承轉子；周期性碰摩；試驗研究；軸心軌跡

隨著國內外能源供應日益緊張及改善國內能源供應結構的迫切需要，國內的分布式供能系統正在快速發展［1］。而其中核心機的轉子穩定性問題也越來越成為設計中的重點和難點［2］。

關于高速旋轉機械中轉子碰摩故障的研究，國內外學者進行了大量研究。李錄平和鄒新元等人［3］從定性、定量兩方面對機組碰摩的各種典型特征進行研究，對研究動靜碰摩的特征提取具有重要意義。劉玉智和張志明［4］等人對現場運行的轉子在碰摩時產生的振動信號進行分析，研究引起周期性碰摩現象不同原因。吳敬東和劉長春［5］等人通過對理想轉子的運動分析及理論推導，得出單點剛性碰摩的存在條件，繼而導出判斷理想轉子周期性碰摩運動穩定性的方程，并通過數值模擬驗證理論結果。張國忠［6］對運行條件發生變化下，機組發生碰摩引起的周期性振動進行分析研究。以上研究主要集中在大型汽輪機組在額定轉速下，隨時間變化產生的周期性動靜碰摩及理論研究方面。

李宇飛等人［7］從位移振動信號中得到能量變化的信息，給出能量變化過程與碰摩特征的關系。單穎春等人［8］針對渦輪增壓器出現的轉靜子碰磨故障進行了大量實驗研究，得出其振動特點，并找出發生碰磨故障的主要原因。陳虹微［9］通過建立碰摩振動模型，并以實驗驗證，對離心壓縮機運行中的碰摩故障進行研究，并分析其影響因素及改進方法。

本文在上述研究的基礎上，通過開展高速氣體軸承轉子在頻域下的周期性碰摩研究，找出發生周期性碰摩的條件，周期性碰摩情況下轉子的運動規律與對應的典型特征圖譜。

1　高速氣體軸承—轉子系統試驗臺及測試系統

高速氣體軸承—轉子系統試驗臺及測試系統如圖1所示。試驗臺本體為渦輪和壓氣機同軸、單跨、四圓盤結構。空氣壓縮機能夠提供壓力為0.9 MPa以下、溫度為常溫的高壓氣源，供氣系統可提供0.3 MPa～0.85 MPa的干燥、純凈的軸承支路用氣及驅動氣，振動數據采集與分析系統實時監控試驗過程中的振動情況并提供給試驗數據分析平臺。

圖1　氣體軸承轉子系統試驗臺控制及測試系統

在壓氣機與渦輪端部分別布置兩個相互垂直的電渦流傳感器，測量X和Y方向的振動幅值，另外在壓氣機端部布置一個轉速測量傳感器。試驗采用的是純靜壓氣體軸承支承，3#與5#軸承氣的壓力均為0.64 MPa。

2　轉子周期性碰摩的機理分析

如圖2所示，以外側磁盤為研究對象，當軸系靜止或者在一定轉速下穩定運行時，外側磁盤受到的力有內側磁盤的磁力F、支持力F3以及零件對外側磁盤的壓力F4，此時磁盤總體受力平衡。當軸系處于加速升速階段時，外側磁盤受到的力除F、F3、F4外，還受到轉軸與磁盤之間的摩擦力f，此摩擦力的大小與轉軸和磁盤之間的過盈量有關，過盈量越大，摩擦力越大。

圖2　磁盤受力示意圖

隨著轉速的飛升，加速度逐漸變大，磁盤的離心力逐漸增大，在這種情況下，磁盤與轉軸之間的過盈減小，摩擦力f減小。當摩擦力f不足以提供轉軸轉動需要的扭矩時，磁盤之間就會產生相對運動，如圖3所示，導致整個軸系的產生動不平衡，工頻振幅增加，產生徑向碰摩。

圖3　兩磁盤相對位移示意圖

碰摩后，由于轉速下降，轉軸轉動需要的扭矩減小；上磁盤同時受到磁力F在水平方向上的分力F1，以及過盈增大，摩擦力f增大，使得上磁盤復位，工頻振幅減小，轉子退出碰摩。

本文研究周期性碰摩是高速軸系在到達一定轉速后由于力的改變，產生的隨轉速變化而周期性出現碰摩，是一種頻域下周期性碰摩，與大型汽輪機組在額定轉速運行時，發生的時域下周期性碰摩不同。

3　周期性碰摩試驗結果及分析

圖4是試驗轉子運行過程中渦輪端水平測點的時間—轉速—幅值三維譜圖，其中橫坐標為頻率，縱坐標為時間，該譜圖顏色的深淺變化代表振幅值大小，顏色越亮表示振幅越大。兩測點的三維譜圖基本一致，以壓氣機端水平測點為例進行說明。由圖5可以看出，飛升前轉速為18 245 r/min，隨后開始飛升，最高轉速達到36 705 r/min后發生碰摩，完整碰摩周期有7個，然后停止試驗。

3.1飛升階段

如圖5與圖6為轉速飛升過程中渦輪端水平方向的典型頻譜圖和軸心軌跡圖。如圖所示，在該過程中，渦輪端水平方向工頻的幅值變化為：64.27 μm/ 18 172 r/min～17.42 μm/36 705 r/min，升速率為70.4 r/s2。由能量守恒可以推斷該過程中轉速飛升的主要原因是工頻幅值的急劇下降，導致幅值勢能轉化為工頻轉速動能，從而使得轉子轉速飛升。3.2周期性碰摩階段

圖4　渦輪端水平時間三維譜圖

圖5　渦輪端水平飛升過程時間三維譜圖

圖6飛升過程渦輪端水平典型軸心軌跡及頻譜結構

圖7與圖8為第一次碰摩時渦輪端水平方向與壓氣機端水平方向上的軸心軌跡與頻譜結構，時刻為以試驗開始為0 s的第354.316 s，轉速為34 819 r/ min。從圖中可以看出，此時刻渦輪端軸心軌跡在水平方向有明顯限位現象，且頻譜上波形振幅突然增大，是明顯的徑向碰摩特征；壓氣機端軸心軌跡有突變現象，時域波形振幅突然增大。另外，此時刻兩端都沒有低頻出現，有一個較窄的工頻頻帶。

圖7　 354.316 s/34 819 r/min時刻渦輪端水平軸心軌跡及頻譜（碰摩中）

圖8　 354.316 s/34 819 r/min時刻壓氣機端水平軸心軌跡及頻譜（碰摩中）

隨后，轉子退出碰摩，時刻為以試驗開始為0 s的第354.425 s，轉速為31 838 r/min。此時刻軸心軌跡及頻譜結構恢復正常，且兩端的軸心軌跡與頻譜結構與之類似。

圖9與圖10為354.671 s、轉速31 353 r/min時刻，渦輪端水平方向與壓氣機端水平方向上的軸心軌跡與頻譜結構。此時刻的轉速位于一個周期內的最低點。軸心軌跡出現突變現象，時域波形的振幅也突然變小，且基本無低頻存在。兩端工頻振幅分別為59.41 μm與44.17 μm，與第一次徑向碰摩時相比分別下降80.76 μm與3.7 μm。

圖9　 354.671 s/31 353 r/min渦輪端水平軸心軌跡及頻譜

圖10　 354.671 s/31 353 r/min壓氣機端水平軸心軌跡及頻譜

最后，轉子退出碰摩，時刻為354.780 s，轉速為31 731 r/min。此時兩端的軸心軌跡恢復正常，轉子進入下一個升速階段。

圖11是一個完整周期過程中軸心軌跡變化圖，由此圖可以看出，在一個周期中，轉子的運動軌跡為：正常運動軌跡—徑向碰摩—軸心突變—正常運動軌跡。

圖11　一個完整周期過程中軸心軌跡變化圖

3.3分析結果

結合前面的理論分析與試驗結果，可以初步分析得出如下周期性碰摩過程：

（1）在本次試驗中，升速過程中起扭矩作用的為磁盤與軸及其他零件之間的摩擦。

（2）隨著飛升的進行，轉軸加速度逐漸增大，磁盤與轉軸之間過盈減小導致兩者之間的摩擦力f減小，當摩擦力f不足以提供轉軸轉動需要的扭矩時，磁盤就會與軸產生相對運動，導致整個軸系產生動不平衡，工頻振幅突然增加，渦輪端動靜件（轉子與軸承及蝸殼）產生徑向碰摩，如圖7、圖8所示。這時兩磁盤之間產生相對位移。

（3）根據能量守恒定律，碰摩發生必然導致轉速下降。隨著轉速降低，隨著磁盤與轉軸之間的過盈量重新增加，兩者之間的摩擦力f增加，則當f與兩磁盤磁力在水平方向上的分力F1之和滿足轉軸轉動需要的扭矩時，磁盤復位，軸系的動不平衡消失，工頻振幅下降，轉子退出碰摩。此時刻軸心軌跡及頻譜結構恢復正常，這時轉速到達一個周期的最低點。圖9與圖10表示的是轉速由下降到上升的過渡階段，此時，工頻振幅突然減小，轉子輸入能量再次用于轉速飛升過程。

（4）由于主氣路供氣始終保持，未切斷外來能量供應，開始下一升速過程。

3.4碰摩示意圖

圖12是渦輪端產生的徑向碰摩示意圖，由圖可以看出在渦輪端，軸承內側有劃痕，轉子表面有黑色印記；蝸殼表面有明顯刮痕，可以判斷在運轉過程中，軸承與轉子、葉輪與蝸殼之間均產生了徑向碰摩。

3.5第二次試驗結果

在與第一次試驗相同的工況條件下，將過盈間隙繼續減小，然后再次進行升速試驗。圖18是試驗過程的時間三維譜圖，可以看出此次試驗最高轉速達40 889 r/min，最高轉速時刻存在131.01 Hz的低頻，其對應的軸心軌跡如圖所示。可以看出本次試驗并沒有再次出現周期性碰摩現象。

圖12　渦輪端徑向碰摩示意圖

圖13　第二次試驗時間三維譜圖

4　結語

（1）從時間三維譜圖、軸心軌跡及頻譜結構等方面呈現了轉子周期性碰摩的特征；

（2）轉子在18 172 r/min開始飛升，飛升結束轉速為36 705 r/min，飛升率為70.4 r/s2。飛升前工頻振幅逐漸增大，最高為64.27 μm，飛升結束時工頻振幅為17.42 μm；由能量守恒可以判斷該過程中轉速飛升的主要原因是工頻幅值的急劇下降，導致了幅值勢能轉化為工頻轉速動能，從而使得轉子轉速飛升；

（3）由于飛升導致磁盤與轉子過盈量減小，兩者產生相對運動，引起軸系動不平衡，進而工頻振動幅值增加，產生徑向碰摩。隨著轉速下降，磁盤復位，動不平衡消失，轉子退出碰摩。

［1］王振銘.中國熱電聯產與分布式能源的新發展［J］.沈陽工程學院學報（自然科學版），2006，2（1）：1-5.

［2］陳策，楊金福，聶超群.氣體軸承-轉子系統非線性動力學特征的實驗［J］.航空動力學報，2008，23（8）：1413-1419.

［3］李錄平，鄒新元，陳薦，等.汽輪發電機組碰磨故障的典型特征研究［J］.振動、測試與診斷，2001，21（4）：281-285，+296.

［4］劉玉智，張志明，謝衛兵，等.汽輪機轉子碰磨振動特征實測分析［J］.現代電力，2005，22（2）：42-45.

［5］吳敬東，劉長春，聞邦椿.理想轉子的碰摩周期運動分析［J］.振動與沖擊，2006，25（3）：73-76.

［6］張國忠.大機組運行中的摩擦振動分析［J］.湖南電力，1999，19（1）：11-14.

［7］李宇飛，李軍，楊金福，等.氣體潤滑軸承—轉子系統碰摩信號能量特征辨識［J］.機械科學與技術，2008，27（7）：927-931.

［8］單穎春，劉獻棟，張洪婷.渦輪增壓器轉子的振動分析及故障診斷［J］.噪聲與振動控制，2006，26（1）：73-76.

［9］陳虹微.離心壓縮機碰摩振動建模及改進方法［J］.噪聲與振動控制，2013，33（2）：205-210.

Experimental Study on Periodic Rubbing Faults of Gas Lubrication Bearings and High Speed Rotors

BIAN Ji-chao1，FU Zhong-guang1，YANG Jin-fu2，WANG Zheng-wei1，YU Ming-tao1
（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Institute of Engineering Thermo Physics，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100190，China）

The periodic rubbing faults of gas lubrication bearings and high speed rotors were studied experimentally. The speed boost experiment of the shaft system of the structure was carried out.The result shows that when the speed reaches a certain level，the speed boost happens and the periodic rubbing occurs.Through the analysis of the frequency spectrum characteristics，shaft orbit，bifurcation diagram and time-frequency-amplitude waterfall diagrams，the dynamic process and the reason of the speed boost and the periodic rubbing were described，and the typical features of all kinds of rubbing faults were found.This experimental study provides a database for rubbing fault identification and diagnosis system establishment.

vibration and wave；mechanics；gas lubrication bearings and rotors；periodic rubbing fault；experimental study；shaft orbit

TH113.1；TH113.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.027

1006-1355（2015）03-0130-04+138

2014－03－13

國家科技支撐計劃項目（基金編號：2012BAA11B02）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（13XS10）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（2014ZZD04）

邊技超（1987－），男，河北任丘人，博士生，主要研究方向：非線性振動、旋轉機械故障診斷。

E-mail:bianjichao111@163.com