旋轉設備的故障診斷——摩擦

來源：因聯(lián)智慧診斷微信公眾號　作者：因大師

機械摩擦有內(nèi)摩擦與干摩擦之分，今天，給大家分享的是由干摩擦引起的故障診斷。

干摩擦是指轉子與靜子之間的摩擦。這類摩擦大多數(shù)表現(xiàn)為徑向摩擦，也有少數(shù)情況下表現(xiàn)為端面摩擦，此外還有配合面之間的摩擦。徑向摩擦的例子很普遍，如轉子與密封件的摩擦，轉子與隔板的摩擦，電動機轉子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風扇與機殼或護罩的摩擦等，都屬于這一類問題。另外，滾動軸承外圈與軸承座孔，以及轉軸與軸承內(nèi)圈或轉軸與其他零件（如葉輪、聯(lián)軸器等）因配合松動而引發(fā)的摩擦，也與此類情況相似。在這種情況下，松動是原發(fā)性故障，摩擦是引發(fā)性故障，其頻率表現(xiàn)兩者兼而有之。

1　摩擦的振動特征

(1) 頻率特征

轉子和定子之間發(fā)生徑向摩擦，從表現(xiàn)程度上分析有兩種情況。一種是轉子在渦動過程中與定子發(fā)生偶然的或周期性的局部碰擦；另一種是轉子與定子的接觸弧度較大，甚至發(fā)生360°的接觸摩擦。不論何種摩擦形式，在頻率上都有比較明顯的特征。

摩擦振動屬于非線性振動，頻帶范圍較寬，除了1x基頻外，還有2x、3x等高次諧波，以及1/2x、1/3x等低次諧波成分，如圖1所示。

圖1 摩擦的典型頻譜

在某些特殊情況下，摩擦還可能激起系統(tǒng)的固有頻率振動。在現(xiàn)場診斷中，有時會碰到一個在不同轉速下都出現(xiàn)但又不知來歷的高頻分量，這個頻率很可能就是機器的固有頻率。

(2) 幅值變化

摩擦振動在幅值變化上呈現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)，局部碰擦時更為突出。隨著故障擴大，摩擦弧度增加，其時轉頻幅值反而有所下降， 2次、3次……高次諧波幅值卻有所增長，發(fā)展下去將導致轉子失穩(wěn)。

(3) 波形特征

轉子與定子之間的徑向摩擦，在時域波形上常常表現(xiàn)為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的波形常被視為摩擦故障特有的重要標志。

2　摩擦故障的診斷方法

診斷摩擦故障除了考察頻域特征外，還要觀察各個特殊頻率的幅值變化和振動波形特點，以便把它與其他故障區(qū)別開來。

3　實例分析

【實例1】 有一次，某科研單位在雙盤轉子試驗臺上作振動試驗。當轉速升到接近12000r/min時，轉子開始發(fā)生油膜振蕩，振動值突然升高。其在68-72Hz頻率處出現(xiàn)高幅值，并可以看到轉軸與保護架內(nèi)孔因發(fā)生強烈摩擦而迸發(fā)出強烈火花。這時振動信號的主要頻率成分及其位移幅值時域波形和頻譜如圖2所示，各頻率所對應的幅值見表1。

a) 振動波形；b) 振動頻譜

圖2 轉子強烈摩擦時的波形和頻譜

表1 各特征頻率幅值及其倍頻關系

從波形圖上可以看到，近似正弦波形在波峰處被“截斷”，呈典型的“截頭狀”。在復雜的頻率結構中，由于轉子強烈摩擦而激起的轉子多階自振頻率和轉速倍頻占據(jù)著主導作用。這是一個感官觀察（目視摩擦火花）與信號分析統(tǒng)一的典型的摩擦實例，對理解摩擦的本質特征很有參考價值。

【實例2】 某廠一臺3w—1BI型高壓水泵的電動機，轉速為1485r/min，泵軸轉速225r/min，水泵的軸承為滑動軸承，設備運行中發(fā)現(xiàn)水泵軸承的垂直方向 (V) 振動強烈。其振動信號的時域波形如圖3所示，頻譜如圖4所示。

圖3 水泵軸承垂直方向振動波形圖

圖4 水泵軸承垂直方向振動頻譜圖

水泵軸承垂直方向的振動波形成單邊“截頭”狀，頻譜結構主要是轉頻及其高次諧波，都呈典型的摩擦特征。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該軸承由于潤滑油路堵塞而形成干摩擦。

由此可見，頻率分析結合波形觀察，是診斷摩擦故障的有效方法。