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转子热套配合过盈不足的故障机理与诊断
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:536

 高速旋转机械转子的叶轮、轴套等旋转体通常是采用热压配合的方式安装在转轴上,其配合面要求为过盈配合。当过盈量不足而发生松动时,转子在高速运行中由于动挠度以及交变激振力的作用,转轴材料内部以及转轴与旋转体配合面之间会发生摩擦而影响转子的性。
        一、振动机理
        高速运行的转子,如果一旦、轴套等旋转体与配合面之间的配合过盈量不足,当转子由于质量不平衡或弯曲等原因挠度增大时,转轴与旋转体配合面之间将产生相对滑动,如图1所示。转轴凸面在纵向伸长,配合面就受到剪切力t的作用,圆盘对转轴的摩擦力的方向朝内;转轴凹面的摩擦力方向朝外,摩擦力形成两个力偶,力偶矩以m t表示。

                                                  图1  转轴配合面受力情况
        将力偶矩转化为作用于轴心的等效横向力fp,则

                                                   (1-1)
       fp的方向与转轴圆盘中心的位移方向相反。由于摩擦力的大小与配合面的正压力成正比,转轴曲率正比于挠度,因此相对滑动速度正比于该处的相对速度x。转子在频率为ω的简谐干扰力
                                           (1-2)
       作用下,速度为
                                           (1-3)
       摩擦力为非线性时,转子的运动方程为
      (1-4)
       式中f—摩擦力。
       由非线性振动的特点可知,转子系统受干扰力作用时,有低频谐波及高频谐波响应。
       另一方面,转轴受力时,对于理想材料,应力σ与应变ε之间呈线性关系。但是,由于真实材料分子间有内摩擦存在,在加载、卸载过程中,应变总是稍稍滞后于应力,形成迟滞曲线,如图2所示。如某点1经a1, b2点,卸载并逆向加载达a2点时,应力为零,但应变还有一定值,只有当反向加载到达b1点时,应变才等于零。

图2  转子配合表面受力情况

       假定一个转子的轴承中心为o,轴的中心为o′,当轴作稳态转动时,其轴心的o′涡动轨迹为一圆,设δ=oo′为其半径,ω为oo′的旋转角速度(即轴的进动角速度),ω为轴相对于oo′的角速度。
       当转子弯曲绕回转轴心线回转时的涡动频率ω与其转动频率ω不相等时,转轴由于内摩擦作用,应变滞后于应力的变化,其弹性力的分力pt=psinα,使转子的涡动速度加剧促使转子运动失稳,转子失稳的涡动频率ωt为

                                                         (1-5)
       式中ωn—转子的固有频率;
       cc—外阻尼系数;
       ci—内阻尼系数。
       由于ωt<0是不会出现的,所以转子失稳时只能是正进动。
       二、诊断方法
       转子热套配合过盈不足的诊断依据如表1和表2所示。
                                      表1   转子热套配合过盈不足振动症兆

表2  转子热套配合过盈不足的振动敏感参数

       三、故障原因与对策
       转子热套配合过盈不足的故障原因与治理措施见表3。
                              表3  转子热套配合过盈不足的故障原因与治理措施

       四、诊断实例
       例1:某压缩机年度大检修时,更换新转子后,在正常工作条件下运行时,各项工艺参数与检修前相同,但轴振动的振幅逐渐增大,最终达到设计值的三倍左右,机组处于临界状态运行。
       压缩机发生异常振动时,转子两端轴承处的径向振动较大,振动信号的时域波形及频谱如图3所示,其相位不稳定,轴心轨迹波动较大;若降低工作转速,异常振动明显减低。

图3  异常振动时的波形与频谱

       诊断意见:根据压缩机发生异常振动的现象和规律,初步怀疑是由于转子热套配合件过盈不足造成的。
       由于是新更换的转子,若真的发生了过盈不足故障,处理比较困难,为慎重期间,必须排除其他的因素的影响。首先排除不平衡的可能性,检查转子动平衡记录和合格证,对照频谱图,可以排除这个因素的影响。对照频谱图和振动特征,参考工艺参数变化情况,又逐项排除了其他原因,最终确认振动是由于转子的制造缺陷,叶轮与转轴配合面过盈不足造成的,需停机拆卸转子处理。
       生产验证:停机后检查转子动平衡,未发现问题。进一步拆卸转子,发现叶轮可以很容易地从转轴上拆卸下来,从而证实了转轴与叶轮配合面过盈量不足。更换合格的转子后,在原先的工艺条件下机组运行正常。

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