了解旋转机械中的摩擦
擦 是机器中旋转部件与静止部件之间的摩擦接触和相对滑动运动。该术语强调的是持续摩擦的特性，即 转子与定子接触，以区别于可能发生的轻微间歇性接触或单次冲击。摩擦碰磨会产生摩擦力，通过摩擦做功释放大量热量，并产生特有的 振动 signature dominated by backward whirl, 次同步 部件损伤及热效应。这是旋转机械最危险的故障之一，因为它可能在数分钟内升级至失效。
“Rubbing”（碰磨）与“rotor rub”（转子碰磨）常可互换使用。在实际应用中，rubbing侧重于接触的摩擦与热效应，而rotor rub则是涵盖所有接触形式的广义术语——从轻微刮擦到剧烈冲击均包含在内。
1. 碰磨的摩擦力学
库仑摩擦模型
碰磨遵循干摩擦（库仑摩擦）原理：
- 摩擦力： F = μ × N，其中μ为摩擦系数，N为两接触面之间的法向压力。
- 方向： 摩擦力始终与接触面之间的相对运动方向相反。
- Typical coefficients: 钢对钢 μ ≈ 0.3–0.5；钢对密封材料 μ ≈ 0.2–0.4。
- 热量产生： 摩擦做功几乎全部在接触处转化为热量。
切向力和法向力
在接触期间，两个力分量作用于转子：
- 法向力： 在碰磨点处沿径向向内推压转子。
- 摩擦力： acts tangentially, opposing rotation.
- Resultant force: 这种组合力的综合效果是使转子减速，并沿与旋转方向相反的方向发生偏转。
- Torque increase: 摩擦耗散功率，增大了机器必须提供的驱动力矩。
2. Characteristic Vibration Patterns
向后旋转
摩擦碰磨最显著的特征是反向（逆向） 旋转:
- 摩擦力产生一个切向分量，驱使轨道运动反向旋转。
- The shaft 轨道 轨迹与轴旋转方向相反。
- 涡动频率通常为次同步——低于1倍转速频率。
- Common frequencies appear at fractional orders: 0.5×, 0.33×, 0.25×.
- 轨道形状通常不规则或有明显畸变。
光谱特征
- 亚同步峰值： multiple peaks below 1×, frequently at fractional harmonics.
- Synchronous component: the 1× 同步 峰值可能因碰磨力的叠加而升高。
- 更高次谐波： 2×, 3×, 4× 谐波 由间歇性摩擦的非线性特性所引起。
- 宽带噪声： 整个频段的噪声底噪 光谱 lifts.
- Unstable spectrum: 峰值时隐时现，或在相邻测量之间发生频率漂移。
时间波形特征
- 每次接触发生时产生的冲击事件或尖峰，在 时间波形.
- 在最大挠曲处出现削波或波形压平，此处定子在物理上限制了运动行程。
- An irregular, non-sinusoidal overall shape.
- Beat patterns produced by several frequencies coexisting.
3. 碰磨的热效应
热量产生
Friction converts mechanical energy directly into heat:
- 速度： 耗散功率等于摩擦力乘以滑动速度。
- 震级： a light rub may release 10–100 watts; a heavy rub, kilowatts.
- 专注： 该热量集中释放在极小的接触面积上。
- 温度上升： 在严重情况下，局部表面温度可超过500 °C。
热弓发展
碰磨的危险在于热-振动正反馈回路：
- 初始碰磨在轴的一侧沉积热量。
- 不对称加热使轴产生 热弓.
- 热弯曲增大了轴的挠曲量。
- Greater deflection drives more severe rubbing.
- More rubbing generates yet more heat.
- 这种正反馈会导致快速、失控的故障。
由于该循环的每一圈都会加剧下一圈，碰摩被视为一种 自激振动 以及导致彻底 转子不稳定性.
二次热效应
- 轴承过热： 热量沿轴传导至轴承。
- 油品劣化： 过高的温度会使润滑剂失效。
- Material changes: 热影响区的相变或冶金变化
- 热应力 可能在热应力区域引发裂纹。
4. 现场碰摩检测
振动监测
- Sub-synchronous alarms: 在0.3–0.5倍转速处的峰值发出警报。
- 轴心轨迹监测： 自动轴心轨迹分析标记反向涡动的出现。
- Spectral changes: 算法检测多次谐波的突然出现。
- 波形削波： 检测接触产生的非正弦失真。
识别这些模式正是便携式分析仪的用途所在。在机器自身轴承中以运行转速工作，双通道仪器（例如 平衡仪-1a ）可采集时域波形以及1倍频幅值和相位，使技术人员能够观察到碰摩特征性的冲击削波和分数阶能量，并在任何拆机操作前判断残余不平衡量或 错位 是否为根本原因。
温度监测
- 轴承 温度传感器 with rapid-rise alarms.
- 对裸露轴段进行红外温度监测
- 温差监测——轴承上部与下部之间的温差。
- 变化率报警，例如每分钟超过5 °C。
其他指标
- Torque increase: 随着摩擦负载驱动装置，功耗上升。
- Speed fluctuation: 来自变化摩擦力矩的轻微转速波动。
- 声发射： 接触产生的高频声音，可通过 声发射 sensors.
- 目视检查： 磨损碎屑、变色和可见划痕。
5. 应对碰摩故障
立即行动
- Reduce severity: 在安全条件允许的情况下，降低转速或负荷。
- Monitor closely: 持续监测振动和温度。
- 准备关机： have an emergency 关闭 ready.
- 紧急停止： 若振动或温度持续升高，应立即停机。
- 允许冷却： 在检修前运行盘车装置或进行自然冷却，以消除热弯曲。
调查
- 检查接触的物理痕迹。
- 测量疑似碰摩位置的间隙。
- 检查热弯曲或永久性 轴弓.
- 找出根本原因——振动过大、间隙不足等。
纠正措施
- Increase clearances: machine out damaged areas or replace components.
- 消除根本原因： 平衡转子，纠正对中偏差，修复导致接触的轴承问题。
- Replace damaged parts: 根据需要更换密封件、轴承部件和轴段。
- Verify clearances: confirm adequate clearance at every location before restart.
碰摩是旋转机械中最严重的振动相关故障之一。其通过热反馈迅速恶化的特性，要求操作人员立即识别、及时规范地响应并彻底整改——因为对于关键设备而言，否则将导致灾难性故障。
