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轴承知识
机械松动故障的诊断
2009-11-10作者：赵黎辉；岳万军；李振威；杨丽；李艳玲
（中国石油辽阳石化分公司生产监测部）
摘 要：本文论述了机械松动造成机组振动的故障原因和故障特征，通过对一台空压机机组的驱动电机松动故障的成功诊断实例介绍，论证了根据故障特征判断机械松动故障方法的有效性。该方法的使用能准确地得出诊断结论，对指导现场维修具有积极的作用。
关键词：故障征兆；机械松动；故障诊断
1 前言
机械松动类故障是旋转机械比较常见的一种故障现象，该类故障的许多特征经常与不平衡和不对中类似，易造成故障原因的误判断，给机组的有效维修带来困难。根据故障特征判断机械松动故障的方法能及时有效的识别和诊断出该类故障，对指导维修、节约维修费用和缩短检修时间具有较高的实用价值。
2 机械松动的故障诊断
2.1 机械松动的故障原因
机械松动主要是指转子支撑部件的联接松动，即系统结合面存在间隙或联接刚度不足，造成机械阻尼偏低、机组运行振动过大的一种故障。支撑系统结合面间隙过大，紧力不足，在外力或温升作用下产生间隙，固定螺栓强度不足导致断裂或缺乏防松措施造成部件松动，基础施工质量欠佳等都是造成松动的常见原因。由于存在松动，极小的不平衡或者不对中都会导致支撑系统产生很大的振动。机组的振动大小是由激振力和机械阻尼共同决定的，转子支撑部件一旦松动，会使联接刚度下降，机械阻尼降低，这是松动故障导致振动异常的原因[1]。
关键词：故障征兆；机械松动；故障诊断
1 前言
机械松动类故障是旋转机械比较常见的一种故障现象，该类故障的许多特征经常与不平衡和不对中类似，易造成故障原因的误判断，给机组的有效维修带来困难。根据故障特征判断机械松动故障的方法能及时有效的识别和诊断出该类故障，对指导维修、节约维修费用和缩短检修时间具有较高的实用价值。
2 机械松动的故障诊断
2.1 机械松动的故障原因
机械松动主要是指转子支撑部件的联接松动，即系统结合面存在间隙或联接刚度不足，造成机械阻尼偏低、机组运行振动过大的一种故障。支撑系统结合面间隙过大，紧力不足，在外力或温升作用下产生间隙，固定螺栓强度不足导致断裂或缺乏防松措施造成部件松动，基础施工质量欠佳等都是造成松动的常见原因。由于存在松动，极小的不平衡或者不对中都会导致支撑系统产生很大的振动。机组的振动大小是由激振力和机械阻尼共同决定的，转子支撑部件一旦松动，会使联接刚度下降，机械阻尼降低，这是松动故障导致振动异常的原因[1]。
如图1所示，当轴承套与壳体配合具有较大间隙时，轴承套受转子离心力的作用沿圆周方向发生周期性变形，从而改变了轴承的几何参数，影响油膜的稳定性；当轴承座螺栓紧固不牢时，由于结合面上有间隙，系统发生不连续的位移[2-3]。
2.2 机械松动的分类
机械松动的故障特征的表现形式很多，主要可以分为以下三类：
(1)结构框架或基础松动
其中包括的故障类型有：①结构松动或机器地脚、基础平板和混凝土基础弱（刚性差）；②变形或破碎的砂浆；③框架或基础变形（软底脚）；④地脚螺栓松动。
其故障征兆为：①振动频谱为工作转速频率占主导；②表现为单一转子的高振动；③振动的方向性非常固定；④每个轴承座的水平和垂直方向的相位差为0度或180度。
(2)由于摇动运动或裂纹的结构或轴承座引起的松动
包括的故障类型有：①结构裂纹或轴承座裂纹；②支撑脚高度不同引起的摇动运动；③轴承座固定螺栓松动；④轴承松动或零部件配合不当。
其故障征兆为：①典型的径向方向2倍工作转速频率的振动幅值超过1倍工作转速频率的振动幅值的50%；②振动相位不稳定；③不能用动平衡和调整对中的手段降低振动；④振动始终保持工作转速频率和2倍工作转速频率。
(3)轴承在轴承座中松动或两个部件之间的配合不良引起的松动
故障类型包括：①轴承在轴承座中松动；②轴承内部间隙过大；③轴承衬套在其盖内松动；④轴承在轴上松动或转动。
其故障征兆为：①在振动频谱中存在多个转速频率的谐波频率，有时高达10Ⅹ和20Ⅹ；②趋向于在松动方向上的定向振动；③产生转速的二分之一倍间隔的频率（即0.5Ⅹ，1.5Ⅹ，2.5Ⅹ，转速频率等）或三分之一倍间隔的频率；④相位不稳定；⑤在径向和轴向的相位差接近0度或180度。
上述三类机械松动故障中，类属于基础松动类故障，第二类和第三类属于转子支撑部件松动类故障，其中第二类故障劣化严重时就会发展成为第三类故障，同时伴随着故障征兆的变化。
2.3 机械松动的故障征兆和诊断方法
根据机械松动的独特故障征兆可以方便的判断出机械松动的故障类型，但是在故障征兆不是很明显的情况下，一定要注意松动类故障与不平衡、不对中等故障类型的区别，针对机械松动的独有的故障征兆和振动敏感参数进行综合判断，从而准确判断松动类故障。该类故障的诊断依据见表1和表2所示。
2.4机械松动的故障原因及治理措施
机械松动的故障原因与治理措施见表3。
2.2 机械松动的分类
机械松动的故障特征的表现形式很多，主要可以分为以下三类：
(1)结构框架或基础松动
其中包括的故障类型有：①结构松动或机器地脚、基础平板和混凝土基础弱（刚性差）；②变形或破碎的砂浆；③框架或基础变形（软底脚）；④地脚螺栓松动。
其故障征兆为：①振动频谱为工作转速频率占主导；②表现为单一转子的高振动；③振动的方向性非常固定；④每个轴承座的水平和垂直方向的相位差为0度或180度。
(2)由于摇动运动或裂纹的结构或轴承座引起的松动
包括的故障类型有：①结构裂纹或轴承座裂纹；②支撑脚高度不同引起的摇动运动；③轴承座固定螺栓松动；④轴承松动或零部件配合不当。
其故障征兆为：①典型的径向方向2倍工作转速频率的振动幅值超过1倍工作转速频率的振动幅值的50%；②振动相位不稳定；③不能用动平衡和调整对中的手段降低振动；④振动始终保持工作转速频率和2倍工作转速频率。
(3)轴承在轴承座中松动或两个部件之间的配合不良引起的松动
故障类型包括：①轴承在轴承座中松动；②轴承内部间隙过大；③轴承衬套在其盖内松动；④轴承在轴上松动或转动。
其故障征兆为：①在振动频谱中存在多个转速频率的谐波频率，有时高达10Ⅹ和20Ⅹ；②趋向于在松动方向上的定向振动；③产生转速的二分之一倍间隔的频率（即0.5Ⅹ，1.5Ⅹ，2.5Ⅹ，转速频率等）或三分之一倍间隔的频率；④相位不稳定；⑤在径向和轴向的相位差接近0度或180度。
上述三类机械松动故障中，类属于基础松动类故障，第二类和第三类属于转子支撑部件松动类故障，其中第二类故障劣化严重时就会发展成为第三类故障，同时伴随着故障征兆的变化。
2.3 机械松动的故障征兆和诊断方法
根据机械松动的独特故障征兆可以方便的判断出机械松动的故障类型，但是在故障征兆不是很明显的情况下，一定要注意松动类故障与不平衡、不对中等故障类型的区别，针对机械松动的独有的故障征兆和振动敏感参数进行综合判断，从而准确判断松动类故障。该类故障的诊断依据见表1和表2所示。
2.4机械松动的故障原因及治理措施
机械松动的故障原因与治理措施见表3。
3 故障诊断实例
某石化公司动力厂一台电机驱动的空压机组，自试车以来电机的两端轴承垂直方向振动就超标，机组结构简图如图2所示。机组主要参数为：电机功率3000kW，转速为2995r/min，型号YKS6303-2,压缩机原动机功率：3000kW，主轴转速10887r/min，型号3MGL526变速箱传动功率3000kW，主轴转速2885
r/min，变速比3.649。在机组空载运转时测得电机各个测点的振动值如表4所示，站在电机自由端面向电机测其地脚振动值如表5所示。
某石化公司动力厂一台电机驱动的空压机组，自试车以来电机的两端轴承垂直方向振动就超标，机组结构简图如图2所示。机组主要参数为：电机功率3000kW，转速为2995r/min，型号YKS6303-2,压缩机原动机功率：3000kW，主轴转速10887r/min，型号3MGL526变速箱传动功率3000kW，主轴转速2885
r/min，变速比3.649。在机组空载运转时测得电机各个测点的振动值如表4所示，站在电机自由端面向电机测其地脚振动值如表5所示。
从表4和表5测得的数据可以看出，电机的两端轴承的垂直方向振动幅值远高于水平方向振值，而且同侧地脚的振动值高于轴承的同方向振值，高振动的方向固定在垂直方向，电机的左侧地脚振值明显高于右侧，呈现一种电机基础两侧刚性支撑不一致的状态；从频谱分析仪测得的频谱图可以看出电机两端垂直方向和四个地脚的振动频谱皆为1Ⅹ的工作转速频率占主导，表现为电机转子的高振动；并且随着机组负荷的增加和运行时间的延长各测点的振值呈上涨的趋势。从相位的变化来看：负荷端的水平和垂直方向的振动相位在80～125度范围内变化，基本呈现同相位，而且相位不稳定，变化差值在40度范围内；频谱图见图4～图11所示。这些故障特征恰与结构框架或基础松动的故障征兆吻合，而且由于垂直方向的振动值远大于水平方向，可以初步确定为转子支撑系统薄弱，并排除了不平衡故障原因；由于该机组安装时采用了激光对中仪对机组轴系进行了精确对中，达到了“0-0”，也可以排除不对中故障导致机组高振动。根据GB10068旋转电机振动限值中的规定：转速在1800～3600 r/min范围内刚性安装的电机振动速度有效值不得超过2.8mm/s；电机的刚性安装要求中还规定：在电机底脚上或座式轴承相邻基座的底脚上测得的速度有效值应不超过相邻轴承同方向测得值的50%，否则认为安装不符合要求。由上述测得的电机的振动数据明显已超过国标10068的规定限值，可以诊断出电机振动的故障原因为机械松动中的基础平板和混凝土基础弱（刚性差），即安装不符合要求。检修时将电机吊离机座后发现灌浆层与基础钢结构之间的缝隙Z大处达33mm,如图3所示。经过重新灌浆填实缝隙后安装，电机的振动值明显下降至2.8mm/s以下，地脚振值也符合了要求。数值见表6和表7。
4 结论
本文通过对机械松动的故障原因，故障征兆，敏感参数，诊断方法和治理措施的理论和实践应用的论述，证明了根据故障征兆判断机械松动故障的方法的有效性。机械松动作为旋转机械中比较常见的故障类型，对其进行准确及时有效的诊断对提高维修的效率，降低维修费用起到了积极的作用，具有较大的潜在经济效益。
参考文献
[1]徐敏.设备故障诊断手册[M].西安，西安交通大学出版社，1998.
[2]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].杭州，浙江大学出版社，1994
[3]盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M].北京，化学工业出版社，2008.
本文通过对机械松动的故障原因，故障征兆，敏感参数，诊断方法和治理措施的理论和实践应用的论述，证明了根据故障征兆判断机械松动故障的方法的有效性。机械松动作为旋转机械中比较常见的故障类型，对其进行准确及时有效的诊断对提高维修的效率，降低维修费用起到了积极的作用，具有较大的潜在经济效益。
参考文献
[1]徐敏.设备故障诊断手册[M].西安，西安交通大学出版社，1998.
[2]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].杭州，浙江大学出版社，1994
[3]盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M].北京，化学工业出版社，2008.
