转子摩擦故障诊断

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3. 4. 1干靡擦故障的机理和特征

转子与静子之间发生的干摩擦有轻重之分。 轻摩擦，如转子与迷宫密封齿之间的摩擦、轴颈与轴承表面巴氏合金之 间的轻微摩擦属于表面擦伤，由于摩擦力不大，并不影响转子的运动特 性，也不会产生很大的转子振动，机器未停车拆检之前往往没有发现问 题。 重摩擦，是指转子与静止部件之间发生碰撞摩擦，产生较大的摩擦力， 有时甚至发生360的整周接触摩擦，显然这种摩擦就会引起转子很大振 动，并且对机器零部件带来严重损伤。 在摩擦故障的诊断中，局部碰擦和整周接触摩擦的故障特征是不同的， 利用振动信号进行诊断是常用的方法:
转子发生摩擦故障，从机理上分析有两类情况

①转子与静子零部件发生干摩擦，这是最常见的摩擦故障。

例如:高速旋转的转子与迷宫密封件之间的摩擦，叶轮口环与密封环之间的 摩擦，叶轮与隔板之间的摩擦，轴颈与轴承之间的摩擦，轴与浮动环之间 的摩擦等。
这类摩擦故障的起因，可能是转子与静子之间的安装间隙太小、轴承间隙 太大或太小、轴存在挠曲变形、轴位移量过大或轴有蹿动、转子与静子部 件热膨胀量不一致、润滑系统故障以及其他原因引起的转子大振动(如:过 大的不平衡、不对中、油膜振荡、流体激振、转子和轴承系统的共振等)。 机器在工作中如果发生摩擦，不仅会产生转子或大或小的振动，同时也会 带来零部件的损伤甚至引发重大的破坏性事故。 对于摩擦故障，需要查找出发生转子摩擦的直接或间接原因。只有找到并 消除第一故障源，才能从根本上解决摩擦故障问题。


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（2）摩擦接触弧增大时的故障特征 当离心压缩机发生喘振、轴承油膜振荡等大振动时，转子处于完全失稳 状态，转子在轴承、密封等处表面作大面积摩擦，甚至发生整周摩擦， 产生很大的摩擦力。在整周摩擦时。高的摩擦力可使转子由正向涡动变 为反向涡动。 转子发生重摩擦，且摩擦接触弧较大时，在波形图上就会产生单边波峰 “削波”现象，这时将在频谱上出现涡动频率与转速频率的和差频率成 分，即产生 n m 的频率成分 另外，由于转子振动进入了非线性区，因而在频谱上还会出现幅值升高 了的高次谐波。 从实验研究中得到如下几点结论。



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②转子内部发生的内摩擦故障。内摩擦又可分为两种类型:


一类是转轴材料弹性滞后产生的内摩擦力激发转子涡动; 另一类是轴上配合零件与轴在弯曲时产生的摩擦以及齿式联轴节的齿套与 齿壳之间的轴向滑动摩擦，这种摩擦同样也会激励转子涡动。 内摩擦力对于具有足够大阻尼的转子并不会产生问题，但是对于柔性较好 的高速转子，在某些情况下可能会引起转子的自激振动局部碰摩是指转子在进动过程中与静止部件发生问歇性的、局部性的碰 撞摩擦。 反向进动模型：当转子与静子在A点发生旋转摩擦时，转子给静子壁面 一个摩擦力Fa，而静子以反作用力Fa’作用于转子上。如果把力Fa’平移 至转子旋转中心O’,即在O’点上加相等相反的力F’和F,则F’的作用是促使 转子以旋转的相反方向进动(反进动)，而F与Fa’组成了一个力偶，阻止 转子旋转，因而多消耗了转子的驱动功率。
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发生局部碰摩时，接触力和转子运动之间为非线性关系，使转子产生次 谐波和高次谐波振动响应。 在次谐波响应中，对称型的非线性振动产生奇次谐波响应，不对称型的 非线性振动产生偶次谐波响应。局部碰摩一般是不对称的非线性振动， 因此多数情况下是产生转速频率的1/2次谐波响应。 当转速高于转子一阶自振频率的二倍时，就会激起1/2次谐波共振。但 是，转子实际碰摩情况比较复杂，既有对称型又有不对称型的非线性振 动，因此在转子的振动响应中，既有转速频率成分ω和2ω，3ω ….. 一些高次谐波成分，又有的低次谐波成分ω/i (i=2,3,4, …)。 在低次谐波中，重摩擦时，i=2;轻摩擦时，随着转速升高，出现i=2或3， 4，5，…各个低次谐波。某一转速下i值的大小，取决于转速频率与转 子在碰摩状态下的一阶自振频率比值，当转速频率为一阶自振频率的i 倍时，就将激起ω/i的次谐波共振。 次谐波共振的幅值大小取决于转子的不平衡力、阻尼、外载荷大小、摩 擦副的几何形状以及材料特性等因素，在阻尼足够高的转子系统中，也 可能完全不出现次谐波振动。
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事实上，转子与静子发生碰撞摩擦的振动特性还要复杂，已有不少学者 进行了研究。从机理上分析，转子发生碰摩时存在如图所示的几种力: N—正压力.此力决定摩擦力的大小; P—反弹力，由于静子的弹性变形而施加于转子上的反作用力， K—附加弹性力，由于碰摩时转子刚度变化而作用于转子上的力; F—摩擦力，F=uN,u为摩擦因数。
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图 (a), (b)分别表示轻摩擦转子与重摩擦转子的三坐标图和轴心轨迹。 图(a)为轻摩擦转子，频谱中除了出现工频ω和2ω，3ω的高次谐波成 分之外，在不同转速下出现ω/2或ω/3，ω/4，ω/5的低次谐波成分。 随着转速的升高，次谐波的阶次由高变低，某一转速下出现的次谐波在 图中横坐标上对应的频率，实际上就是转子在该状态下的一阶自振频率。 图(b)为重摩擦转子，随着转速升高，频谱中明显地显示出ω/2谐波成 分，以及ω/2和ω的高次谐波成分。另外，从轴心轨迹上观察，所有次 谐波成分的轨迹图都是向左上方倾斜的:对次谐波进行相位分析，垂直 和水平方向上的相位差为180
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如果转子不旋转.仅由涡动角速度Ω引起转子与静子直接接触的力是不 大的。但是当转子高速旋转时发生碰摩，作用于转子上的反弹力和摩擦 力均很大。 碰摩后的瞬间，转子表现为横向自由振动，振动频率为一阶或多阶转子 自振频率。横向自由振动响应与转子旋转运动、强迫进动运动叠加在一 起，形成一种复杂的转子振动形态。 转子与静子碰摩时，大部分情况下转子作前向进动。反弹力P和切向摩 擦力F的大小，主要受转子不平衡质量的影响。这些力在转子涡动周期 内，按其接触圆弧大小发生变化，因而转子振动情况也在变化。 转子碰摩后发生转速波动，波动幅度大小取决于摩擦转矩的大小，碰摩 瞬时转矩增大，转速瞬间下降，摩擦转矩消失阶段，又会发生短暂时间 的转子扭转振动 转子发生碰摩时相当于在碰摩点处增加了一个支承，改变了转子的刚度。 转子与静子不断发生局部摩擦，刚度在接触(刚度变大)与非接触(刚度 变小)两种情况之间发生变化，刚度变化的频率就是转子的进动频率， 这种周期性变化的刚度使得转子自由振动变为不稳定。