3.3 机械松动
3.3.1 故障原因
机械松动分为结构松动和转动部件松动。造成机械松动的原因是：安装不良、长期工作造成过渡磨损、基础或基座损坏或零部件破坏。
3.3.2 频谱和波形特征（图3-13） （1）径向（特别是垂直方向）振动大
①除基频分量外，还有很大的倍频分量，特别是3～10倍频。 ②振动可能具有高度的方向性。
③可能有1/2×RPM、3/2×RPM、5/2×RPM等分数谐频分量，这些分量随时间的增长而加大。
④时域波形可能较杂乱，有明显的不稳定的非周期信号。可能有大的冲击信号。 （2）轴向振动小或正常。 3.3.3 仪器设置
（1）最高分析频率：低转速：200Hz。高转速：1000Hz。 （2）波形，频谱，振动速度或加速度显示。 3.3.4 诊断 （1）频域
图3-13 机械松动时振动频谱和波形
a—机械松动时振动频谱
b—机械松动时振动波形
①确认径向振动有较大的倍频分量，特别是（3～10）×RPM分量。
②可能有1/2×RPM、3/2×RPM、5/2×RPM等分数谐频分量，它们随时间增大。 ③确认轴向振动小或正常。 （2）时域
①不稳定的非周期信号占优势，可能有大的冲击信号。
②比较垂直和水平方向的振动，可发现振动具有高度的方向性。 3.3.5 说明
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（1）若故障严重，还会出现1/3×RPM、1/4×RPM等分量。
（2）机械松动也可在达到工作温度且零部件已经热膨胀后才出现。
（3）水平固定的机器，若基座松动，则垂直方向会出现很大的一倍频振动，比水平方向振动还大。
实例1 电机不平衡及支承松动 （1）故障情况
某台BJO315M-2型电机，转速2950r/min，功率160kW，驱动一台油泵，满负荷状态。现场测量振动大（表3-4），严重超标。
表3-4 满负荷初始振动
设备名称 测振部位 测振方向 电动机 前轴承 后轴承 垂直 水平 垂直 水平 120 200 40 离心泵 前轴承 垂直 15 水平 20 后轴承 垂直 7 水平 6 振幅（μm） 180 （2）诊断
断开联轴节，使电机单独空转，振动情况见表3-5。 测振部位 测振方向 通频振幅（μm） 选频振幅（μm/Hz） 垂直 100 94/50 表3-5 电机单独空转初始振动 前轴承 后轴承 水平 72 62/50 垂直 130 119/50 水平 60 50/50 停机时对电机作了降速测试，发现转速降至电机转子临界转速附近时振幅突升，说明有较大的不平衡（参见3.1.5）。经低速动平衡后，振动情况见表3-6。
表3-6 转子动平衡后的振幅
测振部位 测振方向 电机单独空转振幅（μm） 连泵满负荷振幅（μm） 垂直 24 60 前轴承 水平 48 170 垂直 50 180 后轴承 水平 27 140 试车中发现，虽然电机单独空转时振幅由130μm降至50μm，但连泵满负荷后振幅突增至180μm，说明还有其他振动因素。
对动平衡后的电机单独空转和连泵满负荷状态分别作了频谱分析（图3-l4），谱图中1×RPM、3×RPM、5×RPM分量较大，尤其以3×RPM分量为最大。从谱图上测出，空转时3×RPM分量占合成振动的84.4%，连泵满负荷时占合成振动的73.9%。
据此，诊断为电机转子支承部件抗振强度不够。
（3）验证：
对电机支承部分检查发现地角垫铁不合适，更换改进后振动显著下降（表3-7）。但连泵满负荷后振幅仍高达78μm。为此又作了谱图（图3-15）。图中五倍频已很小，而三倍频仍较大。这表明某个部位还有松动。经仔细检查是斜垫铁脱离台板，已经不起支承作用。改进后再试，各点振动已降至l6μm以下。
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图3-14 后轴承垂直方向振动频谱 a—电机空转；b—连泵满负荷
图3-15 78μm振动频谱
测振部位 测振方向 电机单独空转振幅（μm） 连泵满负荷振幅（μm） 表3-7 更换垫铁后振幅 前轴承 垂直 6 44 水平 10 59 垂直 10 78 后轴承 水平 10 35 本机经过两次诊断，终于使初始的200μm剧烈振动降至l6μm的平稳运行。它证明，凡是1×RPM、3×RPM、5×RPM等奇数倍频分量大时（尤其3×RPM），常常与支承部件松动致使刚性下降有直接关系。
实例2 发电机组汽轮机支承松动
（1）故障情况
某电厂1号发电机组汽轮机检修后开机，发现后轴承水平方向振动位移达85μm（按IEC1968标准应小于50μm为合格），使机组不能并网发电（表3-8）。
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表3-8 汽轮机各部位振动值
测振部位 测振方向 振幅（μm） 垂直 6.5 前轴承 水平 30 轴向 12 垂直 15 后轴承 水平 85 轴向 28
（2）诊断
采集和分析后轴承水平方向振动信号（图3-16）。由谱图和频率结构可以看出，频谱由1×RPM、3×RPM、5×RPM等分量组成，以3×RPM为主，它占通频振动的80.5%。 据此，诊断为支承部件松动。
（3）验证
经检查，发现后轴承座一侧的两个地脚螺栓螺母与轴承座无紧力，且有间隙，原因是预留膨胀间隙过大。把两个螺母略带紧力后，振幅随即明显下降，由原来的85μm降为27μm，其余各点振幅也随着下降。此时，机组平稳运行，并网发电。
图3-16 汽轮机后轴承水平方向振动波形和频谱
3.4 转子或轴裂纹
大功率发电机组超寿命运行，有时转子或轴上会出现裂纹，及时确定裂纹的存在，可防止突然断裂的灾难性事故。
3.4.1 频谱和波形特征
（1）1×RPM、2×RPM分量随时间进展而逐渐增大，特别是2×RPM分量，它随裂纹深度的增加而明显增大。这是转子或轴存在裂纹的重要特征。
（2）在转速等于1/2倍或1/3倍一阶临界转速时，由于二次或三次谐波发生共振，频谱中2×RPM 或3×RPM分量的幅值急剧增大。这是转子或轴存在裂纹的又一特征。
3.4.2 仪器设置
（1）最高分析频率：低转速：200Hz。高转速：400Hz； （2）频谱，波形，速度或加速度显示。
3.4.3 诊断
（1）转子或轴裂纹日渐扩展和加深，使1×RPM、2×RPM分量的幅值随时间而稳定地增长，这是存在裂纹与其他产生1×RPM、2×RPM分量的故障之间最大的区别。应在对
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转子1×RPM、2×RPM分量进行长期状态监测的基础上进行趋势分析，当确认上述二分量的幅值随时间呈稳定增长趋势时，可能存在转子或轴裂纹。
（2）在升速或降速过程中，当转速通过1/2倍一阶临界转速时，2×RPM分量由于共振而对裂纹非常敏感，其幅值会发生显著变化。同理，转速通过1/3倍一阶临界转速时，3×RPM分量的幅值也会发生显著变化。因此，应当监测2×RPM和3×RPM分量随转速的变化。当确认转速等于1/2或1/3倍一阶临界转速而2×RPM和3×RPM分量显著改变时，可能存在转子或轴裂纹。
实验 裂纹转子的振动特性及诊断 （l）实验情况
实验装置如图3-17所示。为了消除非振动因素影响，在测点1和测点2分别相对地安装两个电涡流位移传感器。改变裂纹深度，测得1×RPM、2×RPM 分量的变化趋势如图3-18所示。由图可知，1×RPM和2×RPM分量均随裂纹深度的增大而稳步增长，尤以2×RPM分量变化为大。
改变裂纹深度和转速，使转速通过1/2倍一阶临界转速点，得到裂纹转子的三维谱图（图3-19）。由图可知，当转速等于1/2倍一阶临界转速时，裂纹使2×RPM分量出现共振，振幅在共振点增大。当裂纹加深时，2×RPM共振幅值显著增大，且与最大幅值对应的转速值下降。
图3-17 裂纹转子试验装置
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