常新宇1，兴成宏2
摘要：本文以石化企业某烟机机组故障为实例，通过振动信号的时域、频谱以及转速三维谱图分析，对烟机机组的碰摩故障进行分析诊断。
关键词：故障诊断；碰摩
中图分类号：TH165.3文献标识码：B
随着机组精度的不断提高，动静间隙的不断缩小，并受到不平衡、不对中、热弯曲等的影响，经常发生转子碰摩故障。碰摩分两种情况，转子外缘与静止件接触引起的摩擦，称为径向碰摩；转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦，称为轴向碰摩。
转子碰摩是一个复杂的过程，从机理上分析，对转子有以下几方面影响。
1．直接影响。转子运动可分为自转和进动两种形式，摩擦对自转的影响在于附加了一个力矩，因此，在转子原有力矩不变的条件下有可能使转子转速发生波动；由于摩擦力的干预可能使正进动转化为反进动，特别是全摩擦，常常产生所谓“干摩擦”现象，从而引起自激振动，影响转子正常运行，甚至导致机组损坏。
2．间接影响。摩擦使静动部件相互接触，相当于增加了转子的支承条件，增大了系统刚度，改变了转子临界转速及振型。因这种附加支承是不稳定的，从而可能引起不稳定振动及非线性振动。
3．冲击影响。局部碰摩除了磨擦作用外还有冲击作用，其直观效应是给转子施了一个瞬态激振力，激发转子以有频率作自由振动，虽然是衰减型的，但由于碰摩在每个周期内都产生冲击激励作用，在一定条件下有可能使转子振动成为叠加自由的复杂振动。
4．热变形。摩擦引起的热变形可能造成转子弯曲，偏心量加大，因而使振动增大。
一、振动信号的分析方法
1．频域分析
频域分析能通过了解测试对象的动态特性，对设备状态作出评价，准确而有效地诊断设备故障并进行故障定位，为防止发生故障提供分析依据。
频谱分析可以解决以下问题：(1)求得振动参量中各个频率成分和频率分布的范围；(2)求出振动参量各个频率成分的幅值或能量，从而得到影响设备运行状态的主要频率值及其对应的幅值。
2．三维频谱图分析
三维频谱图对于分析振动故障是很有用的手段，特别是以转速作为第三维的三维频谱图，能较清晰地显示各倍频分量随转速的变化情况。图2清楚地显示出基频、二倍频、三倍频等诸分量随转速升高时的分布情况。
二、转子碰摩故障特征
高速叶轮机械发生转子磁摩故障时有许多明显的特征，如表1所示。
表1高速叶轮机械转子碰摩故障特征
三、故障实例
某烟气轮机组（结构简图如图1所示），在正常检修后开车时发现前端（402A）振值较大稳定，并呈持续缓慢上升状态，停机时振值已达93μm。
再次试运时进行了跟踪测试。机组转速在低于4400r/min时振值及相位均稳定且随转速变化不大，轴心轨迹稳定；转速达到4400r/min（电机投用）后轴心轨迹开始变得杂乱，且烟机前端水平向(402A)振动明显增大（从40μm增加到75μm）转速达到5888r/min时最大振值达100μm（图3、图4），相位变化达200°，频谱图上三倍频处一个振动频带（如图2所示），且随转速上升振动能量越来越大，时域波形有明显的削波现象。
频谱分析得出的结论是机组存在严重的碰摩故障。
解体检修发现，烟机叶轮上叶片根部锁紧销钉与隔板发生严重的整周碰摩，整周的销钉已磨损掉1/3左右。修复叶片根部锁紧销钉并重新调整了烟机叶轮的位置后开车，机组振动恢复正常。
四、结论
碰摩通常发生在不应接触的相对运动的表面，影响碰摩的因素比较复杂，在出现故障时，都会有故障特征，可通过振动信号分析对故障进行诊断。从上例看到，在频谱图上发现三倍频处出现一个振动频带（如图2所示），且该频带随着转速的上升振动能量越来越大；时域波形有明显的削波现象，符合碰摩故障的特征。转子碰摩定量分析比较困难，一般来说，转子与静止件发生摩擦时，受到的静止件附加作用力是非线形的和时变的，因此使转子产生非线性振动，在频谱图上表现出频谱成分丰富，不仅有工频，还有高次和低次谐波分量。碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大，转子失稳前频谱丰富、波形畸变、轴心轨迹不规则变化、正进动，转子失稳后波形严重畸变、轴心轨迹发散、反进动、时域波形有明显的削波现象。
参考文献：
李葆文等．机电设备诊断原理与技术．华南理工大学出版社，1996.
李方泽等．工程振动测试与分析．高等教育出版社，1992.
黄文虎，夏松波，刘瑞岩等．设备故障诊断原理、技术及应用．科学出版社，1996.