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石油化工行业的旋转机械一般转速都非常高,载荷也较大,长期运转后,转轴上易出现横向疲动裂纹,导致断轴的严重事故。- H0 h+ Y/ B+ G5 H" S V2 h
相对而言,转轴裂纹的故障概率比其他故障少得多,但因能产生轴裂纹的潜在原因很多,如各种因素造成的应力集中、复杂的受力状态、恶劣的工作条件和环境等,加之裂纹对振动响应不够敏感(深度达1/4直径的裂纹,轴刚度变化仅为10%左右,临界转速的变化也只有5%左右),有可能发展为断轴事故,危害极大。因此,对轴裂纹诊断知识的学习很有必要。; W7 c" F) P. J' y2 B- H# V2 k$ T
一、故障机理
- z/ h- v. a9 e# O& r( @ 转轴裂纹对振动的响应与裂纹所处的轴向位置、裂纹深度及受力情况有关。视裂纹所处部位应力状态的不同,裂纹会呈现出三种不同的形态。
P9 v& [/ t6 b, |$ @# n2 J (1)闭裂纹 L8 f* B( H" B
转轴在压应力情况下旋转时,裂纹始终处于闭合状态。例如,转子重量不大、不平衡离心力较小或不平衡力正好处于裂纹的对侧时就是这种情况。闭裂纹对转轴振动影响不大,难以察觉。# T' \9 R1 p" w- f. L7 q [. Q2 W
(2)开裂纹
6 W3 e& O7 _; M5 N$ x. U5 C 当裂纹区处于拉应力状态时,轴裂纹始终处于张开状态。开裂纹会造成轴刚度不对称,使振动带有非线性性质,伴有2×、3×、…等高频成分,随着裂纹的扩展,l×、2×、等频率的幅值也随之增大。
( J: [, V( u, b! t (3)开闭裂纹
6 d: p* Y. a7 w; {1 t 当裂纹区的应力是由自重或其他径向载荷产生时,轴每旋转一周,裂纹就会开闭一次,对振动的影响比较复杂。理论分析表明,带有裂纹的转子的振动响应可分别按偏心及重力两种影响因素考虑,再作线性叠加。由于偏心因素的影响,振动峰值会出现在与两个不对称刚度相应的临界转速之间;而重力因素的影响结果,是在转速约为无裂纹转轴的临界转速处时,会出现较大峰值。
5 S$ {9 t" Q8 k' d+ }0 S4 P 裂纹的张开或闭合与裂纹的初始状态、偏心、重力的大小及涡动的速度有关,同时也与裂纹的深度有关。若转子是同步涡动,裂纹会只保持一种状态,即张开或闭合,这与其初始态有关。在非同步涡动时,裂纹在一定条件下也可能会一直保持张开或闭合状态,但通常情况下,转轴每旋转一周,裂纹都会有开有闭。在这种情况下,裂纹越深,其在一周内张开的时间会越长,会超过一半周期长度,同时裂纹张开的时间也会越晚。这可以作为判断裂纹深度的一个定性标准。
- S% r5 W) G N+ s% J 二、故障特征
! r# i0 s- Q1 w: Q0 s9 q, { 由上述分析知,转轴裂纹的出现及其对转子振动的影响比较复杂,其主要特征是: 图1 轴上有开裂纹时的振动响应
8 t2 k2 J2 F9 l/ z! P% I (1)转轴上一旦存在开裂纹,转轴的刚度就不再具有各向同性,振动带有非线性性质,出现旋转频率的2×、3×、…等高倍频分量。裂纹扩展时,刚度进一步降低,1×、2×、…等频率的幅值也随之增大。以上特征与不平衡故障有相似之处,但相位角会发生不规则波动,这一点与不平衡故障时相角稳定有差别。
$ x6 y! C7 f1 P! H (2)开、停机过程中,会出现分频共振,即转子在经过1/2、1/3、…临界转速时,由于相应的高倍频(2×、3×)正好与临界转速重合,振动响应会出现峰值,如图1所示。
- t$ |8 d, ~5 Y" S5 N (3)轴上出现裂纹时,初期扩展速度很慢,径向振动值的增长也很慢,但裂纹的扩展速度会随着裂纹深度的增大而加剧,相应地也会出现lx及2x振幅迅速增加的现象,同时1x及2x的相位角也会出现异常的波动。4 A2 t5 ]$ Y- F7 w. _+ K
三、诊断方法5 b) t* Y8 }( V$ q& s8 L0 [+ n$ P
转轴横向裂纹的主要诊断依据见表1和表2。
表1 转轴横向裂纹的振动特征 四、故障原因及对策
/ f. \* z/ b1 U& U9 c 转轴横向裂纹的故障原因及治理措施见表3。 表3 转轴横向裂纹的故障原因及治理措施 五、诊断实例
m2 k$ a3 j2 e' n9 Z' V; W 例1:某大型高速泵在运行过程中轴振动逐渐增大,同时出现2倍频及3倍频等高倍频谐波分量,且相位变化。6 C* E# X, z4 T0 Y, r5 I( [
分析诊断:根据该泵的振动特征,查阅其结构图纸,初步怀疑异常振动的原因可能是由于转轴裂纹造成的。为了进一步确认异常振动的原因,在操作人员配合下对该泵进行了降速和升速试验,观察转子通过半临界转速时的频谱特征和相位变化。其主要特征如下。" q" s0 {$ h3 d, S
(1)频谱图中振幅在2×、3×谐波处有共振峰值,如图2所示,为该测点当前信号谱图结构与6个月前的对照。 图2 当前信号谱结构与历史信号谱比较 (2)转速通过1/2临界转速时有共振峰值出现,如图3所示。 图3 升速过程振动趋势图 诊断意见:根据上述特征,特别是转子在降速和升速通过半临界转速时的振动特征可以确认,高速泵转子产生了裂纹,必须立即停机进行检查,更换转子。0 n& j+ y* S4 L5 `
生产验证:根据诊断意见,有计划地对高速泵进行了停机检修,检查发现转轴裂纹深度已达2/5。; w+ W* Z9 S9 h! R
更换合格的转子后再次开车,高速泵轴振动趋于正常,避免了一次断轴的重大事故。 & n5 w6 ?0 v+ U8 d9 [
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