旋转设备的故障诊断——摩擦

发布时间：2022-12-19

来源：因联智慧诊断微信公众号　作者：因大师

机械摩擦有内摩擦与干摩擦之分，今天，给大家分享的是由干摩擦引起的故障诊断。

干摩擦是指转子与静子之间的摩擦。这类摩擦大多数表现为径向摩擦，也有少数情况下表现为端面摩擦，此外还有配合面之间的摩擦。径向摩擦的例子很普遍，如转子与密封件的摩擦，转子与隔板的摩擦，电动机转子与定子的摩擦，叶轮、齿轮、风扇与机壳或护罩的摩擦等，都属于这一类问题。另外，滚动轴承外圈与轴承座孔，以及转轴与轴承内圈或转轴与其他零件（如叶轮、联轴器等）因配合松动而引发的摩擦，也与此类情况相似。在这种情况下，松动是原发性故障，摩擦是引发性故障，其频率表现两者兼而有之。

1　摩擦的振动特征

(1) 频率特征

转子和定子之间发生径向摩擦，从表现程度上分析有两种情况。一种是转子在涡动过程中与定子发生偶然的或周期性的局部碰擦；另一种是转子与定子的接触弧度较大，甚至发生360°的接触摩擦。不论何种摩擦形式，在频率上都有比较明显的特征。

摩擦振动属于非线性振动，频带范围较宽，除了1x基频外，还有2x、3x等高次谐波，以及1/2x、1/3x等低次谐波成分，如图1所示。

图1 摩擦的典型频谱

在某些特殊情况下，摩擦还可能激起系统的固有频率振动。在现场诊断中，有时会碰到一个在不同转速下都出现但又不知来历的高频分量，这个频率很可能就是机器的固有频率。

(2) 幅值变化

摩擦振动在幅值变化上呈现非稳定状态，局部碰擦时更为突出。随着故障扩大，摩擦弧度增加，其时转频幅值反而有所下降， 2次、3次……高次谐波幅值却有所增长，发展下去将导致转子失稳。

(3) 波形特征

转子与定子之间的径向摩擦，在时域波形上常常表现为削波状态，“截头余弦”形状的波形常被视为摩擦故障特有的重要标志。

2　摩擦故障的诊断方法

诊断摩擦故障除了考察频域特征外，还要观察各个特殊频率的幅值变化和振动波形特点，以便把它与其他故障区别开来。

3　实例分析

【实例1】 有一次，某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速升到接近12000r/min时，转子开始发生油膜振荡，振动值突然升高。其在68-72Hz频率处出现高幅值，并可以看到转轴与保护架内孔因发生强烈摩擦而迸发出强烈火花。这时振动信号的主要频率成分及其位移幅值时域波形和频谱如图2所示，各频率所对应的幅值见表1。

a) 振动波形；b) 振动频谱

图2 转子强烈摩擦时的波形和频谱

表1 各特征频率幅值及其倍频关系

从波形图上可以看到，近似正弦波形在波峰处被“截断”，呈典型的“截头状”。在复杂的频率结构中，由于转子强烈摩擦而激起的转子多阶自振频率和转速倍频占据着主导作用。这是一个感官观察（目视摩擦火花）与信号分析统一的典型的摩擦实例，对理解摩擦的本质特征很有参考价值。

【实例2】 某厂一台3w—1BI型高压水泵的电动机，转速为1485r/min，泵轴转速225r/min，水泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵轴承的垂直方向 (V) 振动强烈。其振动信号的时域波形如图3所示，频谱如图4所示。

图3 水泵轴承垂直方向振动波形图

图4 水泵轴承垂直方向振动频谱图

水泵轴承垂直方向的振动波形成单边“截头”状，频谱结构主要是转频及其高次谐波，都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，该轴承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。

由此可见，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故障的有效方法。