转轴裂纹的故障机理与诊断

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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。
+ c* K5 g; u* Z. S4 x  z) a    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。
   一、故障机理
" W' e2 v* Q' m' H& }5 N    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。
: m6 ~  g. Y" N. i    (1)闭裂纹
! z$ R% w# @) h$ d( n4 j+ {  U    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。
6 {  A% _  W+ R. ]- t5 b% @    (2)开裂纹
    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。
2 Z+ i* O6 K! W! v( r    (3)开闭裂纹
/ x% d" d/ O8 _% [& j( n/ x    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。
2 F! [6 t( j) Z5 t+ L* {" E: x    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。
    二、故障特征
1 `5 |1 _& ?, f    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：

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图1  轴上有开裂纹时的振动响应

    (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。
' Y  h4 v8 b$ D5 o% W  I% {( N    (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。
    (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。
; t; f# a& ]: |" h    三、诊断方法
    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

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表2  转轴横向裂纹的振动敏感参数
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    四、故障原因及对策
    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

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    五、诊断实例
" A# `. D& f; Z6 q7 `/ W  V     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。
     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。
8 [( Q/ x( p1 t/ @2 j/ ^- D     (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。

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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。

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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。
     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。
. n2 i+ W# c' H+ J, L7 \     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。