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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。
' K4 p) c" n+ r$ X- y1 G* {! K4 E0 ` 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。
; g# i q4 n; J% ?: l' t 一、故障机理# d" r U* _0 {/ F% ~8 _
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。+ D! _4 L4 t0 {! o' I
(1)闭裂纹, B3 Z" o* f: D: ?( D1 M0 z+ Q
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。
) @/ x' H! p5 F7 a) G8 {. k (2)开裂纹
, y- N0 @2 w6 M8 H 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。; m: g7 |( y/ k" n* X
(3)开闭裂纹! f0 e% A+ S5 {$ W" m+ 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。+ B) v9 s+ l' d- w
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。
# \; ]8 R) i6 D 二、故障特征* R8 u. P1 A- x& M' C+ p. t/ t
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 - V$ I) Y& S; H- z% m& j
(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。, n O" ]' a! P+ u* N; p/ l6 l- Y# r& Z
(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。2 S5 Z! s3 R9 p7 N, R0 B
(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。
O- U3 q; a+ W8 d/ r- x9 ` 三、诊断方法
, H W; i6 V% e# \. F8 w 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
5 b- [( d" l9 Z# C4 p3 K- y5 S1 H" H: p 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
) f- D( A6 B4 \ 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。" I$ Y' G! r4 T/ i5 h
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。9 f+ H0 ?: s7 I* d+ p! G( M( ?
(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。/ c9 f( b8 ]# \% k
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。% G- U+ l" v3 D$ _/ g" x% k% Z% y
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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