旋转机械的莫顿效应分析与处理

曲 佳 彭顺喜

（通用电气（中国）有限公司 沈阳）

一、前言

旋转机械的多种振动故障各自有不同的内在机理，时至今日，人们对绝大多数故障的机理都已经掌握，但仍有一部分异常振动无法找到已知的故障与之对应，其中同步振动的失稳和波动是典型的一类，在实际故障诊断应用中能准确判断，研究得透彻的不多，容易形成误判，带来不必要的时间浪费和经济损失。导致同步失稳的原因有多种，针对不同的原因，采取的措施迥异。

二、莫顿效应的转子动力学机理

轴颈温度梯度理论在1944年由P.S.Keogh和P.G.Morton首次提出，随后被称为“莫顿效应”。转子运动由自身转动和绕静态平衡点涡动两部分组成，无论是正向还是反向同步涡动，转速和工况不变的条件下，轴颈表面上的1点（高点）较之表面上的其他点会始终距离轴承内表面最近，参看图1，每转1周，这个点会以最小高度略过油膜最薄处，也即黏性剪切力最大，油膜黏滞能量最大，该点的温度较之其他点温度高，简称为“热点”。而热点对应直径方向的另一端则始终距离轴承内表面最远，温度相对较低，因此轴颈产生了一个不是沿转子圆周方向均匀分布的热梯度，当剪切应力比较小时，转子不会产生弯曲，然而当剪切应力足够大时，转子就会产生弯曲，最终导致1×振动幅值增加。

莫顿效应的发生机理与磨碰类似，都是由于转轴单侧受热引起热变形，热变形产生的弯曲不平衡质量和转子上原始存在的不平衡质量合成，使高点逆转，引起振动幅值和相位的变化。同时热点也会逆转，形成新的弯曲点，并产生新的临时性不平衡质量，它与原始不平衡质量再合成，又使高点进一步逆转，直至高点转动1周，然后开始新的循环。

图1 轴颈温度梯度产生的原理

该现象与轻微摩擦十分相似，所以振动特征也十分相似。然而，因为莫顿效应是在轴瓦内部发生的，有润滑剂提供冷却，热梯度变化趋势比摩擦环境下要更线性。振动图形更有重复性，极坐标图有2种典型特征。

（1）转速和工况不变呈现重复性好的圆环特征。假设机器转速和工况不变，则转子的方位角不变，因此转子上的“热点”位置不变。转子的重复弯曲和伸直导致振动幅值和相位循环变化，在极坐标图上表现出重复性很好的圆环（图2）。

图2 工况不变条件下莫顿效应产生的典型极坐标图

（2）当转速或者负荷轻微波动呈现螺旋振动特征。当机组在转速或者负荷轻微波动时，转子的方位角轻微变化，导致转子热点轻微移动。转子的交替性拉伸和弯曲以及热点的轻微移动导致极坐标图上产生螺旋图形（图3）。

三、莫顿效应同步振动失稳的诊断及处理方法

图3 工况稍微变化条件下莫顿效应产生的典型极坐标图

莫顿效应的表现特点：①莫顿效应造成同步振动失稳与转速关系密切，表现为周期性的有限的振动幅值和相位的变化。②莫顿效应一般发生在滑动轴承支撑的外伸端转子上，外伸端质量对振动影响明显，质量加减可以造成莫顿效应的恶化和减轻。③莫顿效应同步振动表现在极坐标图上为1倍频的振动环形曲线，幅值和相位均为周期性，周期从数分钟到数小时不等。④对于波动性的非稳定同步振动，通过改变油温可以显著改变振动波动周期和振幅。⑤莫顿效应和动静件磨碰故障机理类似，可以通过极坐标图区分。磨碰由于非线性，导致振动幅值相位重复性差，极坐标图上表现略微离散的圆环；莫顿效应由于线性较好，极坐标图呈现重复性较好的圆环，如图4所示。

莫顿效应的处理措施：①改变轴承几何参数，减小轴承长度，抑制轴颈表面形成大的温差。②对轴颈材料进行改良，提高轴颈导热性能，减小温度梯度。③适当提高油温，有助于莫顿效应的改善。

四、莫顿效应的一个实际案例

1台 6万等级的空分压缩机组，在一次大修开车后，发现透平四级、五级振（30241X/Y，30242X/Y）明显波动，波动最大达到60 μm，严重威胁到机组的安全运行，客户邀请本特利故障诊断团队采集启机振动数据，分析振动问题产生的原因，提出治理方案。

图4 莫顿效应（左）和轻摩擦（右）的同步极坐标图

本特利内华达的故障诊断团队随身携带 ADRE 408仪器采集了机组整个启机数据，仪器是 GE新一代的高速动态信号在线采集、分析系统，由 ADRE Sxp软件和 408 DSPi（Dynamic Signal Procession Instrument动态数据处理仪）多通道数据 采集、处理仪器组成。能同时完成在线采集、显示和分析，集成了示波器、频谱分析仪、滤波器、信号调制及数字信号记录仪于同一平台，也特别设计适于网络环境，可通过 LAN/WAN远程操作，还可以不依赖计算机独立运行和存储数据。机组及传感器布置、连线顺序如图 5所示。所有传感器均为本特利的8 mm XL涡流传感器，灵敏度系数均为 7.87 V/mm（200 mV/mil）。

图6是测试期间空压机4、5级测点的振动趋势。可以看出，两次振动波动间隔大约4 min，期间运行的工艺参数包括转速没有改变，机组在稳态下运行，图7的极坐标图中明显看到重复性很好的圆环。

该机组故障特征故障表现为突发性1倍频振动的幅值或者相位随时间波动，导致这种同步失稳的原因大致有4种：拍振、轻摩擦、平衡块滑动和莫顿效应。

图6 空压机4、5级测点的振动趋势

图7 空压机四级五级测点的振动趋势

拍振可以通过高分辨率的频谱图和窄带跟踪频率采样识别出来。常见于两个相邻的感应电机拖动的机器相互影响产生，处理措施是隔断两个机组的振动传递；另一种情况是螺杆离心机，因为转筒和螺杆的转速不同，在不平衡过大等因素的条件下，发生拍振，处理措施是减小转动部件的不平衡量。本案例是精确地1倍频振动，也不具备拍振条件，这里不详细讨论。

轻摩擦特点是可以发生在机组的任何位置，有直接的动静摩擦，摩擦产生热弯曲，振动趋势和相位也都出现周期性波动，频率也是精确地1倍频，即同步失稳。摩擦条件消失时振动降低，甚至到达正常值并维持较长时间。由于摩擦是个非线性的响应过程，注意到相位和幅值的变化不是重复的，导致振动幅值相位重复性差，极坐标图上表现略微离散的圆环与本案极坐标图不符合。

平衡块滑动也会产生振动的波动，经确认，机组不存在平衡块松动可能，另外平衡块松动的周期性不会很好。

莫顿效应是近几年认识并验证的故障原因，是在特定条件下，因为滑动轴承内部的 油膜黏性剪切力作用产生热点并连续变化，导致转子热弯曲形成的。特点是单纯的同步失稳波动，但趋势和相位变化平缓、连续。莫顿效应同步振动表现在极坐标图上为1倍频的振动环形曲线，幅值和相位均为周期性，周期从数分钟到数小时不等。本例中具备莫顿效应的典型特征。

经由现场确认，大修期间机组由于其他原因更换了压缩机四级、五级转子的滑动轴承，该型号轴承在该类机组上首次应用，客户最终根据诊断建议，将轴承更换为原来同型号轴承，波动问题解决。

五、结束语

通过以上对旋转机械莫顿效应故障机理及诊断实例的分析，可确定莫顿效应的某些征兆，如振动幅值和相位周期性波动，极坐标图呈现重复性较好的圆环等等。以上实例也充分证明了该诊断方法在实际工作中是行之有效的。该方法能指导现场监测诊断人员及时找到故障原因，少走弯路，节省检维修时间，缩短停工周期，以保证装置的安稳。