转子裂纹的故障机理及诊断方法研究

鹿守杭 金颖 王航 惠静妮

摘  要：转子裂纹是大型旋转机械中比较少见但却非常严重的故障之一，由于转子裂纹对振动的响应不敏感，产生原因复杂，具有很大的隐蔽性，再加上发生的概率比较低，常常会被忽视或者误判，最终酿成恶性事故，危害极大。因此，尽早发现转子裂纹的早期征兆，并即时采取应对措施具有非常重要的意义。该文对转子裂纹的故障机理、产生原因、故障特征、诊断方法等多个方面进行了深入的研究，并结合具体案例进行了验证。

关键词：转子裂纹  故障诊断  交变应力

中图分类号：TH133                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0065-02

相对于其他故障而言，转子裂纹的发生概率比较低，其产生的原因非常复杂，如各种因素造成的应力集中、复杂的受力状态、长期运转导致的疲劳损伤、恶劣的工作条件和运行环境等。此外，转子裂纹对振动响应非常不敏感，分析起来比较复杂[1]，一些机组在断轴前一直运行平稳，没有发现异常征兆。然而，转子裂纹导致的后果却非常严重，一旦发生断轴，损失非常大，因此，开展转子裂纹的故障机理和故障特征方面的研究具有重要的理论和工程应用价值。

1  裂纹产生的原因与类型

转子裂纹的产生多与疲劳损伤有关，大型转子如果设计不当或者加工方法欠妥，会导致转子一些部位出现高度应力集中，长时间运行的老旧机组由于腐蚀、疲劳、蠕变等，也会在转子上出现一些高度应力集中，这些高度应力集中的地方往往就是转子裂纹产生的诱发点，这些诱发点的位置最初会产生微裂纹，在转子扭矩和径向载荷的持续作用下，这些微裂纹不断扩展，最终发展成宏观裂纹，如果出现宏观裂纹后现场仍然没有发现异常状况，最终出现的后果就是断轴事故。

由于转子裂纹所处位置、裂纹深度、所受应力的不同，转子裂纹会产生3种不同的状态：开裂纹、闭裂纹、开闭裂纹。

2  转子裂纹振动信号的监测和诊断方法

虽然转子裂纹会对转子的振动特性带来影响，但大多情况下并不敏感，即使转子裂纹已经很深，有时也很难发现转子振动出现明显变化，出现的一些细微变化也会很快淹没在其他信号或者噪声中，因此，在转子正常运转状态下根据振动信号的变化来发现转子裂纹是非常困难的。就目前的技术水平而言，测量分析启停机过程中的振动信号变化是一种发现转子裂纹会比较有效的办法。

一般来说，当转子上出现开裂纹时，转子的刚性会变得各向不同性。于是，使转子的振动具有非线性性质，频谱中除了1倍频外，还有2倍频、3倍频、5倍频等高倍频分量，随着裂纹的扩展，转子的刚性进一步降低，1倍频、2倍频、3倍频、5倍频等各阶分倍频的幅值也会随之增大。

针对以上分析，可以总结出转子裂纹的一些诊断方法。

（1）启停机过程中振幅随转速的变化规律。启停机过程中，转速在经过nk/5、nk/3、nk/2（nk为临界转速）时，由于其相应的高倍频与nk相重合，出现了共振放大的所谓超谐波现象。利用这种超谐波现象来监测转子裂纹是目前比较有效的转子裂纹诊断方法之一。

（2）裂纹深度对振幅的影响。一般情况下，1倍频和2倍频会随着裂纹深度的增加而单调增长，同时其相应的相位则随裂纹深度的增加而发生不规则的波动，这一点可以用来区分裂纹与普通不平衡所引起的振动。

（3）在转子出现裂纹的初期，其扩展的速度比较慢，径向振动的幅值增长也比较小，但裂纹的扩展速度会随着裂纹深度的加深而加速，相应地会出现振幅迅速增大的现象。尤其是二倍频幅值的迅速上升和其相位的变化往往可以提供裂纹的诊断信息，因此可以利用二倍频幅值和相位的变化趋势来诊断转子裂纹。

3  故障特征及诊断方法

转子出现裂纹后振动方面的故障特征。

⑴各阶临界转速较正常时要小，尤其是当裂纹趋于严重时更明显。

⑵由于裂纹造成转子的刚度变化而且不对称，使转子形成多个共振转速。

⑶在恒定转速下，1X、2X、3X等各阶倍频分量的幅值及其相位不稳定，尤其以二倍频分量最为突出。

⑷由于裂纹转子的刚度不对称，使得对转子进行动平衡变得非常困难。

诊断方法总结如表1所示。

4  案例分析

4.1 案例介绍

下面以某台压缩机组的振动为例进行分析。

2018年9月，该机组进气侧振动增大，达到70μm，主要是表现为工频振动大，轴心轨迹为椭圆，因此对转子进行了现场动平衡，振动降至30μm左右。

2018年12月，该转子进气侧振动再次增大，这次不仅工频增大至70μm，二倍频也增大至30μm，相位与上次相比没有很大变化，进行现场动平衡和对中校正，工频降到50μm左右，但二倍频效果不明显。

2019年1月，该转子振动又突然增大，工频达到90μm，二倍频增大至60μm，变化非常明显，再次进行现场动平衡，但没有效果。

历次加重相位基本一致，说明该转子平衡状态始终朝着一个方向恶化。从以上3次处理结果上可以看出，对该转子多次动平衡均没有明显效果，重新对中后的改善效果不明显，从频谱上看振动主要由工频和二倍频引起，尤其是二倍频变化明显，据此分析怀疑转子可能出现了裂纹。

停机检查发现转子前端存在长度为930mm的周向裂纹，占圆周的51%，深度超过15mm。

4.2 故障分析

最初转子裂纹刚刚出现，深度较浅，尚不足以影响到转子的刚度及弯曲，因而振动较为稳定，有的机组在运行过程中并没有观察到异常。随后转子的挠度不断增大，裂纹不断缓慢发展，弯曲不断增大，隔一段时间就需要重新调整平衡。裂纹大致沿一个方向发展，转子朝一个方向弯曲，导致历次动平衡加重的相位比较接近。这个阶段裂纹发展相对比较缓慢，每次平衡后可以维持运行一段时间，振动随负荷增大，有时表現为渐变的，有时表现为突变的。最后振动失去控制，无论如何平衡和对中都达不到理想效果。

5  结语

该文主要分析了转子裂纹的故障机理、产生原因和由此产生的故障特征，给出了具体的判断方法，并以实际压缩机转子的轴裂纹问题作为事例进行了分析验证，这些总结会对类似问题的解决提供帮助。

参考文献

[1] 李志农，丁启全，吴昭同，等.转子裂纹的高阶谱分析[J].振动与冲击，2002，21（1）：60-62.

[2] 王治国.汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施[J].河北电力技术，2005（1）：23，45.

[3] 杨建刚.旋转机械震动分析与工程应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 杨国安，机械设备故障诊断实用技术[M].北京：中国石化出版社，2007.