轉(zhuǎn)子裂紋的故障機理及診斷方法研究

鹿守杭 金穎 王航 惠靜妮

摘 ?要：轉(zhuǎn)子裂紋是大型旋轉(zhuǎn)機械中比較少見但卻非常嚴重的故障之一，由于轉(zhuǎn)子裂紋對振動的響應不敏感，產(chǎn)生原因復雜，具有很大的隱蔽性，再加上發(fā)生的概率比較低，常常會被忽視或者誤判，最終釀成惡性事故，危害極大。因此，盡早發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋的早期征兆，并即時采取應對措施具有非常重要的意義。該文對轉(zhuǎn)子裂紋的故障機理、產(chǎn)生原因、故障特征、診斷方法等多個方面進行了深入的研究，并結(jié)合具體案例進行了驗證。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子裂紋 ?故障診斷 ?交變應力

中圖分類號：TH133 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0065-02

相對于其他故障而言，轉(zhuǎn)子裂紋的發(fā)生概率比較低，其產(chǎn)生的原因非常復雜，如各種因素造成的應力集中、復雜的受力狀態(tài)、長期運轉(zhuǎn)導致的疲勞損傷、惡劣的工作條件和運行環(huán)境等。此外，轉(zhuǎn)子裂紋對振動響應非常不敏感，分析起來比較復雜[1]，一些機組在斷軸前一直運行平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)異常征兆。然而，轉(zhuǎn)子裂紋導致的后果卻非常嚴重，一旦發(fā)生斷軸，損失非常大，因此，開展轉(zhuǎn)子裂紋的故障機理和故障特征方面的研究具有重要的理論和工程應用價值。

1 ?裂紋產(chǎn)生的原因與類型

轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生多與疲勞損傷有關(guān)，大型轉(zhuǎn)子如果設(shè)計不當或者加工方法欠妥，會導致轉(zhuǎn)子一些部位出現(xiàn)高度應力集中，長時間運行的老舊機組由于腐蝕、疲勞、蠕變等，也會在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)一些高度應力集中，這些高度應力集中的地方往往就是轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的誘發(fā)點，這些誘發(fā)點的位置最初會產(chǎn)生微裂紋，在轉(zhuǎn)子扭矩和徑向載荷的持續(xù)作用下，這些微裂紋不斷擴展，最終發(fā)展成宏觀裂紋，如果出現(xiàn)宏觀裂紋后現(xiàn)場仍然沒有發(fā)現(xiàn)異常狀況，最終出現(xiàn)的后果就是斷軸事故。

由于轉(zhuǎn)子裂紋所處位置、裂紋深度、所受應力的不同，轉(zhuǎn)子裂紋會產(chǎn)生3種不同的狀態(tài)：開裂紋、閉裂紋、開閉裂紋。

2 ?轉(zhuǎn)子裂紋振動信號的監(jiān)測和診斷方法

雖然轉(zhuǎn)子裂紋會對轉(zhuǎn)子的振動特性帶來影響，但大多情況下并不敏感，即使轉(zhuǎn)子裂紋已經(jīng)很深，有時也很難發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動出現(xiàn)明顯變化，出現(xiàn)的一些細微變化也會很快淹沒在其他信號或者噪聲中，因此，在轉(zhuǎn)子正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下根據(jù)振動信號的變化來發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋是非常困難的。就目前的技術(shù)水平而言，測量分析啟停機過程中的振動信號變化是一種發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋會比較有效的辦法。

一般來說，當轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)開裂紋時，轉(zhuǎn)子的剛性會變得各向不同性。于是，使轉(zhuǎn)子的振動具有非線性性質(zhì)，頻譜中除了1倍頻外，還有2倍頻、3倍頻、5倍頻等高倍頻分量，隨著裂紋的擴展，轉(zhuǎn)子的剛性進一步降低，1倍頻、2倍頻、3倍頻、5倍頻等各階分倍頻的幅值也會隨之增大。

針對以上分析，可以總結(jié)出轉(zhuǎn)子裂紋的一些診斷方法。

（1）啟停機過程中振幅隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。啟停機過程中，轉(zhuǎn)速在經(jīng)過nk/5、nk/3、nk/2（nk為臨界轉(zhuǎn)速）時，由于其相應的高倍頻與nk相重合，出現(xiàn)了共振放大的所謂超諧波現(xiàn)象。利用這種超諧波現(xiàn)象來監(jiān)測轉(zhuǎn)子裂紋是目前比較有效的轉(zhuǎn)子裂紋診斷方法之一。

（2）裂紋深度對振幅的影響。一般情況下，1倍頻和2倍頻會隨著裂紋深度的增加而單調(diào)增長，同時其相應的相位則隨裂紋深度的增加而發(fā)生不規(guī)則的波動，這一點可以用來區(qū)分裂紋與普通不平衡所引起的振動。

（3）在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋的初期，其擴展的速度比較慢，徑向振動的幅值增長也比較小，但裂紋的擴展速度會隨著裂紋深度的加深而加速，相應地會出現(xiàn)振幅迅速增大的現(xiàn)象。尤其是二倍頻幅值的迅速上升和其相位的變化往往可以提供裂紋的診斷信息，因此可以利用二倍頻幅值和相位的變化趨勢來診斷轉(zhuǎn)子裂紋。

3 ?故障特征及診斷方法

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋后振動方面的故障特征。

⑴各階臨界轉(zhuǎn)速較正常時要小，尤其是當裂紋趨于嚴重時更明顯。

⑵由于裂紋造成轉(zhuǎn)子的剛度變化而且不對稱，使轉(zhuǎn)子形成多個共振轉(zhuǎn)速。

⑶在恒定轉(zhuǎn)速下，1X、2X、3X等各階倍頻分量的幅值及其相位不穩(wěn)定，尤其以二倍頻分量最為突出。

⑷由于裂紋轉(zhuǎn)子的剛度不對稱，使得對轉(zhuǎn)子進行動平衡變得非常困難。

診斷方法總結(jié)如表1所示。

4 ?案例分析

4.1 案例介紹

下面以某臺壓縮機組的振動為例進行分析。

2018年9月，該機組進氣側(cè)振動增大，達到70μm，主要是表現(xiàn)為工頻振動大，軸心軌跡為橢圓，因此對轉(zhuǎn)子進行了現(xiàn)場動平衡，振動降至30μm左右。

2018年12月，該轉(zhuǎn)子進氣側(cè)振動再次增大，這次不僅工頻增大至70μm，二倍頻也增大至30μm，相位與上次相比沒有很大變化，進行現(xiàn)場動平衡和對中校正，工頻降到50μm左右，但二倍頻效果不明顯。

2019年1月，該轉(zhuǎn)子振動又突然增大，工頻達到90μm，二倍頻增大至60μm，變化非常明顯，再次進行現(xiàn)場動平衡，但沒有效果。

歷次加重相位基本一致，說明該轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)始終朝著一個方向惡化。從以上3次處理結(jié)果上可以看出，對該轉(zhuǎn)子多次動平衡均沒有明顯效果，重新對中后的改善效果不明顯，從頻譜上看振動主要由工頻和二倍頻引起，尤其是二倍頻變化明顯，據(jù)此分析懷疑轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)了裂紋。

停機檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前端存在長度為930mm的周向裂紋，占圓周的51%，深度超過15mm。

4.2 故障分析

最初轉(zhuǎn)子裂紋剛剛出現(xiàn)，深度較淺，尚不足以影響到轉(zhuǎn)子的剛度及彎曲，因而振動較為穩(wěn)定，有的機組在運行過程中并沒有觀察到異常。隨后轉(zhuǎn)子的撓度不斷增大，裂紋不斷緩慢發(fā)展，彎曲不斷增大，隔一段時間就需要重新調(diào)整平衡。裂紋大致沿一個方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子朝一個方向彎曲，導致歷次動平衡加重的相位比較接近。這個階段裂紋發(fā)展相對比較緩慢，每次平衡后可以維持運行一段時間，振動隨負荷增大，有時表現(xiàn)為漸變的，有時表現(xiàn)為突變的。最后振動失去控制，無論如何平衡和對中都達不到理想效果。

5 ?結(jié)語

該文主要分析了轉(zhuǎn)子裂紋的故障機理、產(chǎn)生原因和由此產(chǎn)生的故障特征，給出了具體的判斷方法，并以實際壓縮機轉(zhuǎn)子的軸裂紋問題作為事例進行了分析驗證，這些總結(jié)會對類似問題的解決提供幫助。

參考文獻

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