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[推荐] 转轴裂纹的故障机理与诊断

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发表于 2008-4-7 22:21:03 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国河北张家口

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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。9 M8 N8 ^) f' [% Q/ E9 Z9 x) t' C
    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。
- K' w; f7 u1 H+ j0 E  q* ^4 p    一、故障机理
5 r8 E, b' e; 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。8 ~% K( T, y* w( ?1 G! S
    (1)闭裂纹
# b! W5 V( _2 T2 n4 p7 I# k* H5 j    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 r) g& S8 h: M) F+ y
    (2)开裂纹/ W% U# I& ?7 |% n8 f
    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。
) v. Y* d  y8 l0 P; p0 ?8 r$ D    (3)开闭裂纹! a# n; x) \/ B- `4 ^. I0 ]
    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。
4 |0 _: X5 v+ w8 \    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。1 a9 T% p4 }4 X! p
    二、故障特征
" O( z7 f1 {5 c+ _
    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

' r; V( k5 |# q1 \6 R1 g: |    (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。; F$ z# [0 `6 Y, A( V4 T% b
    (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。9 G. \/ R9 ?5 x
    (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。& P. H- H3 x1 T. h
    三、诊断方法7 O: s8 E! H. v! }- y! h, c* y
    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
表2  转轴横向裂纹的振动敏感参数
: Q' ]8 J1 }, R+ d& _; yhttp://img.pmec.net/200601/1106203.gif
    四、故障原因及对策
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    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6 {: K" C, A* X1 I# Q: o0 K6 {! {
     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。' T/ o% X' o; m" d: @
     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。
  l. e6 y7 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。
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。" Y4 ~% }8 |  ^1 T# C  Y: ^5 @
     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。
/ F% [- s, Z9 `     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。

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