什么是轴裂纹？检测与诊断 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡 什么是轴裂纹？检测与诊断 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡

什么是轴裂纹？检测与诊断

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了解旋转机械中的轴裂纹

定义：什么是轴裂纹？

A 轴裂纹 轴裂纹是指旋转轴上因疲劳、应力集中或材料缺陷而产生的断裂或不连续性。裂纹通常从表面开始，并垂直于最大拉应力方向向内扩展。在旋转机械中，轴裂纹极其危险，因为它们可以在数小时或数天内从微小的、难以察觉的缺陷发展成轴的完全断裂，从而可能导致灾难性的设备故障。.

轴裂纹会产生独特的 振动 特征信号，特别是裂纹发展过程中出现的特征性 2×（每转两次）分量。早期检测可通过以下方式进行： 振动分析 防止轴完全失效及相关安全隐患至关重要。.

轴裂纹的常见原因

1. 循环应力引起的疲劳

最常见的原因，尤其是在旋转机械中：

  • 弯曲疲劳： 旋转轴若刚度或载荷不均匀，则会产生循环弯曲应力。
  • 扭转疲劳： 动力传输轴中的振荡扭矩
  • 高周疲劳： 多年的运行会累积数百万次应力循环。
  • 压力集中： 键槽、孔、圆角和几何不连续性会使应力集中。

2. 操作条件

  • 过多的 不平衡: 高离心力会产生弯曲应力
  • 错位: 错位引起的弯矩会加速疲劳
  • 共振操作： 在附近或附近运行 临界速度 产生高偏转
  • 超载： 超出设计限制运行
  • 热应力： 快速加热/冷却循环或热梯度

3. 材料和制造缺陷

  • 材料包含物： 轴材料中的炉渣、空隙或异物
  • 热处理不当： 淬火或回火不足
  • 加工缺陷： 工具痕迹、凹痕或划痕会造成应力集中
  • 腐蚀点蚀： 表面腐蚀会形成裂纹萌生点。
  • 摩擦： 在压入配合界面或键槽处

4. 运营事件

  • 超速事件： 紧急或意外超速造成高应力
  • 严重摩擦： 接触产生热量和局部应力集中
  • 冲击载荷： 工艺紊乱或机械冲击引起的突发负荷
  • 之前的维修记录： 焊接或机械加工引入残余应力

轴裂纹引起的振动症状

特征 2× 分量

轴裂的典型振动特征非常明显 2×（二次谐波） 成分：

为什么会产生2倍振动？

  • 随着轴的旋转，裂缝每旋转一周就会张开和闭合两次。
  • 当裂纹处于压缩状态（旋转底部）时，刚度较高。
  • 当裂纹处于拉伸状态（旋转顶点）时，裂纹张开，刚度降低
  • 这种每转两倍的刚度变化会产生2倍的力。
  • 随着裂纹扩展和刚度不对称性的增大，振幅增大2倍。

附加振动指示器

  • 1× 更改： 刚度变化和残余弯曲导致1倍振动逐渐增加
  • 高次谐波： 随着裂纹严重程度的增加，可能会出现 3 倍、4 倍的裂纹。
  • 相移: 启动/滑行过程中或不同速度下的相位角变化
  • 速度依赖型行为： 振动可能随速度呈非线性变化
  • 温度敏感性： 振动可能与热膨胀引起的裂缝张开/闭合有关。

启动/滑行特性

  • 2× 分量在瞬态过程中表现出异常行为
  • 可能出现两个峰值 波特图 （在各临界速度的一半处）
  • 1×成分的相位变化可能与正常的失衡反应不同

检测方法

振动监测

趋势分析

  • 监测 2X/1X 比率随时间的变化
  • 2倍振幅逐渐增大是一个警告信号
  • 2X/1X 比率 > 0.5 需要进行调查
  • 振动模式的突然变化令人怀疑

光谱分析

  • 常规的 快速傅里叶变换 分析显示谐波
  • 将当前光谱与历史基线光谱进行比较
  • 密切关注两倍峰值的出现或增长。

瞬态分析

  • 瀑布图 启动/滑行期间
  • 波特图显示振幅和相位与速度的关系
  • 在临界速度航段出现异常行为

非振动方法

1. 磁粉探伤（MPI）

  • 检测表面和近表面裂纹
  • 需要可进入的竖井表面
  • 裂纹检测可靠性高
  • 例行维护检查的一部分

2. 超声波检测（UT）

  • 检测内部和表面裂纹
  • 在裂缝产生振动症状之前就能发现它们。
  • 需要专用设备和训练有素的人员
  • 推荐用于关键轴

3. 渗透探伤

  • 表面裂纹检测的简易方法
  • 需要清洁和表面处理
  • 适用于停电期间可到达的区域

4. 涡流检测

  • 非接触式表面裂纹检测
  • 适用于自动化检测
  • 对非磁性材料和磁性材料均有效

应对措施和纠正措施

发现后立即采取行动

  1. 增加监测频率： 从每月到每周或每日
  2. 降低操作严重性： 如果可以，降低速度或负载。
  3. 计划关闭： 尽早安排维修或更换，并确保安全。
  4. 执行无损检测： 确认裂缝存在并评估其严重程度
  5. 风险评估： 确定继续运行是否安全

长期解决方案

  • 轴更换： 针对已确认裂缝的最可靠解决方案
  • 维修（有限案例）： 有些裂纹可以通过机械加工和焊接修复来消除（需要专家评估）。
  • 根本原因分析： 找出裂缝产生的原因以防止再次发生
  • 设计修改： 解决应力集中问题，改进材料选择，调整运行条件

预防策略

设计阶段

  • 消除尖角和应力集中区域
  • 在直径变化处使用较大的圆角半径。
  • 根据应力水平和环境选择合适的材料
  • 进行有限元应力分析
  • 采用表面处理（喷丸、渗氮）来提高抗疲劳性能

运行阶段

  • 保持良好 平衡质量 尽量减少循环弯曲应力
  • 确保精确对准
  • 避免在临界速度下运行
  • 防止超速事件
  • 通过适当的预热/冷却来控制热应激

维护阶段

  • 使用适当的无损检测方法进行定期检查
  • 振动趋势检测程序用于检测早期症状
  • 定期进行动平衡以最大限度减少疲劳应力
  • 腐蚀预防和涂层维护

轴裂纹是旋转机械中最严重的潜在故障之一。振动监测（用于检测特征性的2倍振动信号）与定期无损检测相结合，是早期发现裂纹的最佳策略，从而可以在灾难性故障发生之前进行计划性维护。.

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