機械松動故障的診斷
2009-11-10作者：趙黎輝；岳萬軍；李振威；楊麗；李艷玲
（中國石油遼陽石化分公司生產監測部）
摘 要：本文論述了機械松動造成機組振動的故障原因和故障特征，通過對一臺空壓機機組的驅動電機松動故障的成功診斷實例介紹，論證了根據故障特征判斷機械松動故障方法的有效性。該方法的使用能準確地得出診斷結論，對指導現場維修具有積極的作用。
關鍵詞：故障征兆；機械松動；故障診斷
1 前言
機械松動類故障是旋轉機械比較常見的一種故障現象，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的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。
2 機械松動的故障診斷
2.1 機械松動的故障原因
機械松動主要是指轉子支撐部件的聯接松動，即系統結合面存在間隙或聯接剛度不足，造成機械阻尼偏低、機組運行振動過大的一種故障。支撐系統結合面間隙過大，緊力不足，在外力或溫升作用下產生間隙，固定螺栓強度不足導致斷裂或缺乏防松措施造成部件松動，基礎施工質量欠佳等都是造成松動的常見原因。由于存在松動，極小的不平衡或者不對中都會導致支撐系統產生很大的振動。機組的振動大小是由激振力和機械阻尼共同決定的，轉子支撐部件一旦松動，會使聯接剛度下降，機械阻尼降低，這是松動故障導致振動異常的原因[1]。
關鍵詞：故障征兆；機械松動；故障診斷
1 前言
機械松動類故障是旋轉機械比較常見的一種故障現象，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的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。
2 機械松動的故障診斷
2.1 機械松動的故障原因
機械松動主要是指轉子支撐部件的聯接松動，即系統結合面存在間隙或聯接剛度不足，造成機械阻尼偏低、機組運行振動過大的一種故障。支撐系統結合面間隙過大，緊力不足，在外力或溫升作用下產生間隙，固定螺栓強度不足導致斷裂或缺乏防松措施造成部件松動，基礎施工質量欠佳等都是造成松動的常見原因。由于存在松動，極小的不平衡或者不對中都會導致支撐系統產生很大的振動。機組的振動大小是由激振力和機械阻尼共同決定的，轉子支撐部件一旦松動，會使聯接剛度下降，機械阻尼降低，這是松動故障導致振動異常的原因[1]。
如圖1所示，當軸承套與殼體配合具有較大間隙時，軸承套受轉子離心力的作用沿圓周方向發生周期性變形，從而改變了軸承的幾何參數，影響油膜的穩定性；當軸承座螺栓緊固不牢時，由于結合面上有間隙，系統發生不連續的位移[2-3]。
2.2 機械松動的分類
機械松動的故障特征的表現形式很多，主要可以分為以下三類：
(1)結構框架或基礎松動
其中包括的故障類型有：①結構松動或機器地腳、基礎平板和混凝土基礎弱（剛性差）；②變形或破碎的砂漿；③框架或基礎變形（軟底腳）；④地腳螺栓松動。
其故障征兆為：①振動頻譜為工作轉速頻率占主導；②表現為單一轉子的高振動；③振動的方向性非常固定；④每個軸承座的水平和垂直方向的相位差為0度或180度。
(2)由于搖動運動或裂紋的結構或軸承座引起的松動
包括的故障類型有：①結構裂紋或軸承座裂紋；②支撐腳高度不同引起的搖動運動；③軸承座固定螺栓松動；④軸承松動或零部件配合不當。
其故障征兆為：①典型的徑向方向2倍工作轉速頻率的振動幅值超過1倍工作轉速頻率的振動幅值的50%；②振動相位不穩定；③不能用動平衡和調整對中的手段降低振動；④振動始終保持工作轉速頻率和2倍工作轉速頻率。
(3)軸承在軸承座中松動或兩個部件之間的配合不良引起的松動
故障類型包括：①軸承在軸承座中松動；②軸承內部間隙過大；③軸承襯套在其蓋內松動；④軸承在軸上松動或轉動。
其故障征兆為：①在振動頻譜中存在多個轉速頻率的諧波頻率，有時高達10Ⅹ和20Ⅹ；②趨向于在松動方向上的定向振動；③產生轉速的二分之一倍間隔的頻率（即0.5Ⅹ，1.5Ⅹ，2.5Ⅹ，轉速頻率等）或三分之一倍間隔的頻率；④相位不穩定；⑤在徑向和軸向的相位差接近0度或180度。
上述三類機械松動故障中，類屬于基礎松動類故障，第二類和第三類屬于轉子支撐部件松動類故障，其中第二類故障劣化嚴重時就會發展成為第三類故障，同時伴隨著故障征兆的變化。
2.3 機械松動的故障征兆和診斷方法
根據機械松動的獨特故障征兆可以方便的判斷出機械松動的故障類型，但是在故障征兆不是很明顯的情況下，一定要注意松動類故障與不平衡、不對中等故障類型的區別，針對機械松動的獨有的故障征兆和振動敏感參數進行綜合判斷，從而準確判斷松動類故障。該類故障的診斷依據見表1和表2所示。
2.4機械松動的故障原因及治理措施
機械松動的故障原因與治理措施見表3。
2.2 機械松動的分類
機械松動的故障特征的表現形式很多，主要可以分為以下三類：
(1)結構框架或基礎松動
其中包括的故障類型有：①結構松動或機器地腳、基礎平板和混凝土基礎弱（剛性差）；②變形或破碎的砂漿；③框架或基礎變形（軟底腳）；④地腳螺栓松動。
其故障征兆為：①振動頻譜為工作轉速頻率占主導；②表現為單一轉子的高振動；③振動的方向性非常固定；④每個軸承座的水平和垂直方向的相位差為0度或180度。
(2)由于搖動運動或裂紋的結構或軸承座引起的松動
包括的故障類型有：①結構裂紋或軸承座裂紋；②支撐腳高度不同引起的搖動運動；③軸承座固定螺栓松動；④軸承松動或零部件配合不當。
其故障征兆為：①典型的徑向方向2倍工作轉速頻率的振動幅值超過1倍工作轉速頻率的振動幅值的50%；②振動相位不穩定；③不能用動平衡和調整對中的手段降低振動；④振動始終保持工作轉速頻率和2倍工作轉速頻率。
(3)軸承在軸承座中松動或兩個部件之間的配合不良引起的松動
故障類型包括：①軸承在軸承座中松動；②軸承內部間隙過大；③軸承襯套在其蓋內松動；④軸承在軸上松動或轉動。
其故障征兆為：①在振動頻譜中存在多個轉速頻率的諧波頻率，有時高達10Ⅹ和20Ⅹ；②趨向于在松動方向上的定向振動；③產生轉速的二分之一倍間隔的頻率（即0.5Ⅹ，1.5Ⅹ，2.5Ⅹ，轉速頻率等）或三分之一倍間隔的頻率；④相位不穩定；⑤在徑向和軸向的相位差接近0度或180度。
上述三類機械松動故障中，類屬于基礎松動類故障，第二類和第三類屬于轉子支撐部件松動類故障，其中第二類故障劣化嚴重時就會發展成為第三類故障，同時伴隨著故障征兆的變化。
2.3 機械松動的故障征兆和診斷方法
根據機械松動的獨特故障征兆可以方便的判斷出機械松動的故障類型，但是在故障征兆不是很明顯的情況下，一定要注意松動類故障與不平衡、不對中等故障類型的區別，針對機械松動的獨有的故障征兆和振動敏感參數進行綜合判斷，從而準確判斷松動類故障。該類故障的診斷依據見表1和表2所示。
2.4機械松動的故障原因及治理措施
機械松動的故障原因與治理措施見表3。
3 故障診斷實例
某石化公司動力廠一臺電機驅動的空壓機組，自試車以來電機的兩端軸承垂直方向振動就超標，機組結構簡圖如圖2所示。機組主要參數為：電機功率3000kW，轉速為2995r/min，型號YKS6303-2,壓縮機原動機功率：3000kW，主軸轉速10887r/min，型號3MGL526變速箱傳動功率3000kW，主軸轉速2885
r/min，變速比3.649。在機組空載運轉時測得電機各個測點的振動值如表4所示，站在電機自由端面向電機測其地腳振動值如表5所示。
某石化公司動力廠一臺電機驅動的空壓機組，自試車以來電機的兩端軸承垂直方向振動就超標，機組結構簡圖如圖2所示。機組主要參數為：電機功率3000kW，轉速為2995r/min，型號YKS6303-2,壓縮機原動機功率：3000kW，主軸轉速10887r/min，型號3MGL526變速箱傳動功率3000kW，主軸轉速2885
r/min，變速比3.649。在機組空載運轉時測得電機各個測點的振動值如表4所示，站在電機自由端面向電機測其地腳振動值如表5所示。
從表4和表5測得的數據可以看出，電機的兩端軸承的垂直方向振動幅值遠高于水平方向振值，而且同側地腳的振動值高于軸承的同方向振值，高振動的方向固定在垂直方向，電機的左側地腳振值明顯高于右側，呈現一種電機基礎兩側剛性支撐不一致的狀態；從頻譜分析儀測得的頻譜圖可以看出電機兩端垂直方向和四個地腳的振動頻譜皆為1Ⅹ的工作轉速頻率占主導，表現為電機轉子的高振動；并且隨著機組負荷的增加和運行時間的延長各測點的振值呈上漲的趨勢。從相位的變化來看：負荷端的水平和垂直方向的振動相位在80～125度范圍內變化，基本呈現同相位，而且相位不穩定，變化差值在40度范圍內；頻譜圖見圖4～圖11所示。這些故障特征恰與結構框架或基礎松動的故障征兆吻合，而且由于垂直方向的振動值遠大于水平方向，可以初步確定為轉子支撐系統薄弱，并排除了不平衡故障原因；由于該機組安裝時采用了激光對中儀對機組軸系進行了精確對中，達到了“0-0”，也可以排除不對中故障導致機組高振動。根據GB10068旋轉電機振動限值中的規定：轉速在1800～3600 r/min范圍內剛性安裝的電機振動速度有效值不得超過2.8mm/s；電機的剛性安裝要求中還規定：在電機底腳上或座式軸承相鄰基座的底腳上測得的速度有效值應不超過相鄰軸承同方向測得值的50%，否則認為安裝不符合要求。由上述測得的電機的振動數據明顯已超過國標10068的規定限值，可以診斷出電機振動的故障原因為機械松動中的基礎平板和混凝土基礎弱（剛性差），即安裝不符合要求。檢修時將電機吊離機座后發現灌漿層與基礎鋼結構之間的縫隙Z大處達33mm,如圖3所示。經過重新灌漿填實縫隙后安裝，電機的振動值明顯下降至2.8mm/s以下，地腳振值也符合了要求。數值見表6和表7。
4 結論
本文通過對機械松動的故障原因，故障征兆，敏感參數，診斷方法和治理措施的理論和實踐應用的論述，證明了根據故障征兆判斷機械松動故障的方法的有效性。機械松動作為旋轉機械中比較常見的故障類型，對其進行準確及時有效的診斷對提高維修的效率，降低維修費用起到了積極的作用，具有較大的潛在經濟效益。
參考文獻
[1]徐敏.設備故障診斷手冊[M].西安，西安交通大學出版社，1998.
[2]沈慶根.化工機器故障診斷技術[M].杭州，浙江大學出版社，1994
[3]盛兆順，尹琦嶺.設備狀態監測與故障診斷技術及應用[M].北京，化學工業出版社，2008.
本文通過對機械松動的故障原因，故障征兆，敏感參數，診斷方法和治理措施的理論和實踐應用的論述，證明了根據故障征兆判斷機械松動故障的方法的有效性。機械松動作為旋轉機械中比較常見的故障類型，對其進行準確及時有效的診斷對提高維修的效率，降低維修費用起到了積極的作用，具有較大的潛在經濟效益。
參考文獻
[1]徐敏.設備故障診斷手冊[M].西安，西安交通大學出版社，1998.
[2]沈慶根.化工機器故障診斷技術[M].杭州，浙江大學出版社，1994
[3]盛兆順，尹琦嶺.設備狀態監測與故障診斷技術及應用[M].北京，化學工業出版社，2008.