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[案例分析] 转轴裂纹产生的原因、故障机理、特征及其诊断

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发表于 2018-5-16 16:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
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  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:
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  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。
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  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。
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  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。

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