转轴裂纹产生的原因、故障机理、特征及其诊断

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　　一. 转轴裂纹诊断意义
　　1.旋转机械广泛地应用于工业生产的各部门,在其转轴发生灾难性断轴事故前发现裂纹,监测裂纹的扩展并实现合理维修,对于保证安全生产、发展国民经济具有特别重要的意义。

　　2.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。

　　二. 转轴裂纹产生的原因
　　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，例如：
　　  · 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
　　  · 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。

　　三. 转轴裂纹故障机理
　　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。

　　1. 闭裂纹
　　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。

　　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。

　　3. 开闭裂纹
　　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。

　　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。

　　四. 转轴裂纹的故障特征
　　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。

　　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。

　　轴上有开裂纹时的振动响应

　　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1x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。

　　五.转轴裂纹的诊断方法
　　转轴横向裂纹的主要诊断依据：

　　六.转轴裂纹诊断实例
　　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：
　　1. 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。

　　2. 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。

　　(1) 频谱图中振幅在2×、3×谐波处有共振峰 值，如图所示，为该测点当前信号谱图结构与6个月前的对照。

　　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，如图所示。

　　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。

　　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。

　　本文根据百度文库《转轴裂纹故障诊断与案例分析》一文整理而成。