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一、引言
转子和静子之间的碰摩是旋转机械运行中的常见故障。
随着旋转机械向高转速、高效率、大功率方向发展，转子系统动静间隙越来越小，特别是对于转子长、重量大、柔度比较大的大型机组，转子和静子碰摩的机会也越来越多。
当前大型机组的碰摩振动故障的发生率仅次于质量不平衡故障的发生率，成为大机组的第二大类振动故障。
因而，针对实际使用的旋转机械设备，研究其动静碰摩故障机理和振动特征，进行碰摩故障的状态监测和诊断分析，对确保机组的安全稳定运行、防止重大事故发生具有重要的理论和实际意义。
二、碰摩振动机理分析
在转子系统中，碰摩通常可分为三种情况：单点碰摩、局部碰摩和整圈碰摩。
单点碰摩是指转子在旋转过程中，每圈只与静子上的一点相接触的故障现象。
局部碰摩是指在旋转过程中，转子与静子上多个点、某一个或几个区域相接触的现象，这是最常见的碰摩形式，通常所说的静子偏摩就属于局部碰摩的一种形式。
整圈碰摩是指转子在旋转过程中始终与静子相接触且接触位置沿静子整圈运动的一种碰摩形式，严格来说整圈碰摩只有摩擦效应没有碰撞效应。在碰摩的早期一般是发生单点碰摩或局部碰摩。
通过分析转子振动信号的时域波形、频域结构、转子轴心运动轨迹，可以得到反映碰摩故障的基本状态信息。
动静碰摩时，转子振动时域波形一般会有削波现象；振动信号中出现亚谐波和高次谐波，是动静碰摩时重要的频谱特征；轴心运动轨迹的形状发生变化亦可作为动静碰摩的重要特征。
转子与静子发生碰摩时，尤其是早期的单点碰摩时，静子会受到一个持续时间极短的脉冲冲击力。
冲击力是一宽带信号，所以必然覆盖静子系统的高频固有振动频率，从而引起静子的谐振，这就是碰摩故障引起的静子振动信号的基本特点。
三、碰摩振动监测分析
本文运用多功能转子模拟实验台及丹麦B&K3560C型振动噪声分析装置进行碰摩故障实验和数据采集，实验平台结构、实物如图所示。
获取转速从1000d/min到2000d/min下碰摩静子振动信号故障数据进行分析研究。
1. 碰磨转子的振动分析
如下图所示的是在转速1620d/min、1500d/min时，正常状态、轻微局部碰摩和严重局部碰摩故障状态下的转子振动数据，及对其进行频谱分析的结果。
每幅图均由图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)组成，图(a)为转子轴心运行轨迹图，横坐标为水平方向位移移x，纵坐标为垂直方向位移y，单位均为mm；
图(b)、(c)分别为x、y，方向转子位移波形图，横坐标为时间t，单位为s，纵坐标为水平和垂直方向转子位移量x,y，单位为mm；
图(d)、(e)分别为水平和垂直方向转子位移频谱图，横坐标均为频率f单位为Hz，纵坐标分别为水平和垂直方向转子位移幅值谱X、Y，单位均为mm。
下图为1620r／min转速下正常状态的实测分析结果，可以看到转子运行轴心轨迹为一不规则椭圆，水平方向转子位移幅值谱除包含明显的转频分量外，还包含2、3倍频谐波分量
垂直方向转子位移幅值谱与水平方向基本相同，谐波分量相对弱些，说明转子系统可能存在不对中等其它故障。
下图为1500r／min转速下轻微局部碰摩故障状态的实测分析结果，与正常状态相比，轴心轨迹局部发生了轻微畸变。
振动频谱则没有明显变化，水平方向振动波形有轻微削波，但不明显。
下图为1500r／min转速下严重局部碰摩的实测分析结果，可以看出轴心轨迹的畸变程度大为加重，与正常状态有较明显区别.。
水平方向振动波形进一步削波加重，振动频谱图上高次谐波成分丰富，且频谱出现了较明显的连续谱成分。
2. 碰摩静子振动分析
如下图所示的是对应于转子相同工况下静子振动实测数据结果，同样包括正常状态、轻微局部碰摩和严重局部碰摩故障状态下的静子振动数据，并含有频谱分析结果。
每幅图由图(a)、(b)、(c)组成，图(a)为静子振动波形图，横坐标为时间t，单位为s，纵坐标为振动加速度y，单位为m·s2；
图(b)为静子振动频谱图，横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为振动幅值y，单位为m·s2；图(c)为静子振动频域局部图，横、纵坐标与图(b)相同。
下图为1620r／min转速下正常状态的静子振动实测分析结果，可以看到静子振动信号比较复杂，主要含有与转速有关的背景信号和其他噪声，振动频谱出现了若干处高频区域，幅值相对转频幅值很微弱。
下图为1500r／min转速下轻微局部碰摩故障状态的静子振动实测分析结果，振动信号与正常状态相比区别不大，只是转频分量相对减弱。
下图为1500r／min转速下严重局部碰摩的静子振动实测分析结果，振动时域波形可以明显看到具有调幅特征的碰摩冲击信号，振动频谱中高频振动分量成分更加丰富。
四、结论
通过分析转子系统在正常情况、轻微局部碰摩和严重局部碰摩三种情况下的动静件振动信号规律和特点，可得到如下结论：
（1）碰摩时转子振动的总体规律是转子轴心轨迹发生畸变，振动波形有削波现象，振动频谱的高倍频成分增加。
（2）静子振动信号对碰摩故障极为敏感，碰摩静子信号的故障特征表现为调制特征，这与机理分析一致。
（3）静子振动碰摩特征克服了碰摩转子振动信号的频谱变化特征不明显、很容易和不平衡等常见故障的特征相混淆等缺陷。
（4）对于实际工程中大型动力机械而言，静子振动信号的测量相对于转子要容易得多。
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编辑：吴祺
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