（机械工程专业论文）便携式汽轮发电机组监测诊断系统应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文针对汽轮机发电机组属大梨旋转机械的结构形式及不间断运行的 生产特点和本特利3 3 0 0 系统在攀钢发电厂中的应用现状和存在的问题， 研制一套汽轮机组离线监测和故障诊断系统。该系统在监测汽轮发电机 组运行状态的同时，实现实时数据采集与分析处理、组态参数设置、故 障诊断、在线打印。另外，该系统的精密诊断功能，包括历史数据回放、 趋势分析、频谱分析、通频全息谱分析及瞬态分析等，能对汽轮发电机 组的故障类型、部位、严重程度以及发展趋势进行分析和预测。 、( _ _ 盂系统的试运行期间，利用所研制的离线监测和故障诊断系统对汽 轮发电机组的测试结果用窄带法作了实例分析。尤其是针对吸风机的振 动问题，用间接诊断法之一的得分法诊断出了吸风机存在的不平衡和不 对中故障。2 0 0 0 年4 月1 日，该系统通过了攀钢( 集团) 公司组织的项 目验收，与会的专家对系统的实用性和先进性给予了较高的评价。 一 i 关键词：汽轮发电机组、离线监测、测试分析、故障诊断 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ed e v e l o p e das e to fw o r k i n gc o n d i t i o ni n s p e c t i n ga n db l o o e y d i a g n o s es y s t e mi n t e r l t lo ft h ec o n s t r u c t i o na n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f t u r b i n eg e n e r a t o ra n dt h ec u r r e n tc o n d i t i o na n dp r o b l e mo fb e n t l y3 3 0 0 s y s t e mi nt h e 洲g a n gp o w e rp l a n t t h i si st h es y s t e mc a ni n s p e c t i n gt h e w o r k i n gc o n d i t i o no ft u r b i n eg e n e r a t o ra n di m p l e m e n td a t ac o l l e c t i n g , d a t a a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g ，c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r ss e t t i n g , f a u l td i a g n o s i s ，o n l i n ep r i n t i n g ，t t e n da n a l y z i n g ，t i m ef i e l da n a l y z i n g ，f r e q u e n c yf i e l da n a l y z i n g ， h i s t o r i eb l o o e yd a t ar e t u r n i n ga n ds oo nt h i ss y s t e mc a na n a l y z ea n df o r e c a s t t h eb l o o e yt y p e 、p o s i t i o n 、s e v e r i t yd e g r e ea n d d e v e l o p i n g t r e n do f t h et u r b i n e g e n e r a t o r d u r i n gt h ep r e - r u n n i n gp e r i o d , t h es y s t e mw a su s e dt ot e s tt h et u r b i n e g e n e r a t o ra n dg a i nt h er e s u l tb yn a r r o w - b a n dm e a n s e s p e c i a lf o r t h ev i b r a t i o n o ft h ew h i f fa i rm a c h i n e ，w ea n a l y z e dt h eu n b a l a n c ea n dd i s a l i g n m e n tb vo n e o f t h ei n d i r e c tw a yc a l l e ds c o r i n gm e a n s i na p r i l2 0 0 0 ，r 蛆婚a n g f g r o u p ) c o r p c h e c ka n da c c e p tt h es y s t e m t h ee x p e r t sw h oa t t e n dt h e m e e t i n ga p p r a i s e t h e s y s t e mh i g h l y f o ri t s p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n t a g e k e y w o r d st u r b i n e g e n e r a t o r d i a g n o s i sa n da n a l y s i s o f f - l i n ei n s p e c t i n g f a u kd i a g n o s i s 3 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 i i 概述 1 1 1 设各状态监测 第一章绪论 机器设备是现代化的生产工具，雨生产工具又是人类改造自然的物质基 础。每个生产企业都不开生产工具，都存在有机器设备，机器设备和装置 越先进，企业生产能力和技术水平也就越高，因此，从某种意义上说，设 备决定着企业的生产等级，质量水平、能力。 设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以 及设备运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。设备 状态的类型包括：正常、异常和故障三种。 设备状态监测就是通过测定设备的上述各种参数( 例如振动、温度 等) ，来检查其状态是正常或异常。当特征参数小于允许值时便认为是正 常，否则为异常。故障的严重程度可以用超过允许值的大小来表示。当然 达到某一设定极限傻时就应停机检修。若对设备进行定期或连续监测，便 可获得设备故障发展的趋势性规律，对剩余的寿命作出估计，借此便可进 行预测预报。 1 1 2 故障诊断 一台设备( 或装置) 的性能指标已低于正常时的最低极限值的设备状 态称之为故障。故障产生的原因有三大类：即实体损耗或变异、设计制造 和装置上的缺陷、操作失误等。 一般地说，设备故障的出现也可分为三个时期：初期故障期、偶发 故 瞳 率 图i i设备故障率变化情况图 i 一初期故障期 i i 一偶发故障期 i 一耗损故障期 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 故障期和损耗故障期。在不同的故障期中，设备的故障率是不同的。其变 化曲线如图1 1 所示。图中曲线称为失效曲线，又因其状似浴盆而称为 “浴盆曲线”。 故障诊断不仅要检查设备是否正常，而且还要对设备故障的原因、部 位以及严重程度进行深入细致的分析，然后作出判甑。这与状态监测有所 区别。状态监测相当于简易诊断，而故障诊断则相当乎精密诊断。在状态 监测判别出设备有异常时，可通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重 程度、故障类别、故障部位、故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来 的影响。为预报控制、调整、维修及事故分析提供依据。 l - 1 3 设备状态监测和故障诊断技术 设备状态监测和故障诊断技术( 下称监测诊断) 的主璺技术内容包括 文档建立和诊断实施两大部分。文档建立的目的是确定故障的基准模式， 而诊断实施则包括信号检测、特征提取、状态识别和预报决策四个部分。 1 信号检测：按不同诊断目的和对象选择最便于诊断的状态信号加 以监测，由此建立初始模式。 2 特征提取：将初始模式向量进行维数压缩，形式变换，除去噪声 干扰，提取故障特征，形成待检模式。 3 状态识别：将待检模式与基准模式对比，进行状态分类。为此要 建立判别函数，规定判别准则，并力争使误判率最小。 4 预报决策：根据识别结果采取相应对策，对设备及其工况进行必 要的干预。所谓预报就是能够对被诊断出来的故障，在不采取任何措施的 情况下，估计继续运行下去会产生什么样的后果，以及还可以继续运行多 长的时间作出估计”。 具体见图1 2 。 利用正常机器或结构的动态性( 如固有频率、振型、传递函数等) ， 与异常机器或结构的动态特性的不同，来判断机器是否存在故障的技术叫 做振动诊断技术。对于在生产中连续运转的机器设备，根据它在运转中产 生的代表其动态特性的振动信号，采用振动诊断技术可以在不停车的条件 下实现在线监测和故障诊断。振动诊断技术所采用的方法有很多，例如： 振动特征分析、振动频谱分析、倒频谱分析、全息谱分析、时域分析、功 率谱分析等，这些在设备故障诊断中应用十分广泛。 设备监测诊断技术是近十多年来发展最迅猛的新兴综合性应用学科之 一：它利用传感检测技术、信号处理、模式识别系统理论、预报决策、可 靠性分析、电子技术、计算机技术及相犬专业领域的研究成果，以设备及 群体为研究对象，根据设备在运行过程中的二次效应( 如热力参数、电 2 重庆大学硕士学位论文第章绪论 文档建立+ - ( 故障模拟) ( 异常模型向 ( 各种样板模 i 王塑一一一l 诊断决策1 盗篁受苎 ： 图1 2设备监测与诊断技术的技术内容 磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，对设备运行状 态进行监测，作出是否有故障、故障种类、部位、原因、严重程度及发展 变化趋势等方面的诊断结果，并制定出相应对策和处理结果。该技术是实 行设备科学管理、保障设备安全经济运行、推广设备预知维修制的技术基 础。 l - 2 故障诊断实施过程 大型旋转机械的状态监测与故障诊断具有其特殊性，这一特殊性表现 在测试的主要对象是一个转动部件，即转子或转轴以及转动体与静止体之 间的相对关系等。转动部件包括转子及连接转子的联轴器等：非转动部件 包括轴承、轴承座、机壳和基础等。转子是旋转机械的核心部件，整个旋 转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不 是孤立的，它通过轴承( 滑动轴承或滚动轴承) 支承在轴承座及机壳与基 础上，即构成了所谓的转子一支承系统。支承的动力学特性在一定程度 上影响转子的运动。但是，我们可以认为，旋转机械的大多数振动问题或 故障都是与转子直接有关，只有少数问题直接与支承箱体或基础有关。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，要求我们主要 是从转子运动中去监测和发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提 重庆大学硕士学位论文第章绪论 取信息更为直接和有效。当然，监测转予轴的振动比之测量非转动部件的 振动，在测试技术上难度更大一贱。随着传感器和其它电子测试仪器的发 展，对旋转机械的试验研究及运转监测，特别是对转子运动的测试技术都 有了发展，馒得我们有可能借助于试验和测量手段更深入地研究旋转机械 的振动问题。 图1 3 故障诊断实施过程 设备故障诊断技术根据不同的诊断对象、要求、设备人员、时间、地 点等具体情况，要采取不同的诊断策略和实施措施。图1 3 足故障诊断的 基本实施过程，其中实线表示的是计算机辅助设备故障诊断的实施路线。 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分为简易诊断和精密诊断。简 易诊断是设备运行状态的初级诊断，能够对设备的状态迅速作出概括的评 价。它主要由设备现场工作人员通过测定设备的某一较为单一的特征参 数，检查其状态是正常还是异常。当特征参数在允诈值范围以内时便认为 是正常，否则为异常。往往以超过允许值的大小来表示故障的严重程度， 当达到某一设定值时就停机检修。一般 来说，简易诊断对人员素质要求不高， 简单易学，常作为一种常规性的检查措 施。 精密诊断是在简易诊断基础上 所进行的更深层次的诊断，目的是 对设备故障的原因、部位以及严重 程度进行深入分析，作出判断，从 而为进一步的治理决策提供依据。 精密诊断需要专用的精密分析仪器， 价格昂贵，同时对使用者的素质要 求较高，往往应用于大型、关键设 图1 4 简易诊断与精密诊断的关系 4 重庆大学硕士学位论文第章绪论 备上。图1 4 所示为简易诊断与精密诊断的相互关系。 故障的分析和预测比一般性的监测具有较大的难度。为了进行故 障的分析和预测，不仅要求有较完整的数据监测和采集系统。而且要求对 转予一支承系统的备类振动问题的般规律以及机器表现出的现象有深 入的了解。只有两者的结合，才有可能判断出故障的原因及其在机器上的 可能部位。 自从旋转机械测试巾引入微处理机以后，对转予一支承系统的故障分 析和预测起到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存 大量有关振动的资料信息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和 预测提供了极为有力的工具。但是，故障预沏4 工作到目前为止不能说已形 成为一门完整的学科，因为它涉及到机器多方面的因素，比如机器的类型， 工作条件变化的影响，可能出现哪些故障，这些故障会有哪些征兆，属于 转子动力学哪一类问题，它的振动表现有何种特点。突出表现在哪些部位， 用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息等等。因此，完成一项大型旋 转机械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及被测对象有较为完整、 深入的整体理解，只有这样，监测系统才能担负起保障大型旋转设备安全、 经济运行的职责。 1 j 汽轮发电机组设备及监测系统概况 1 3 1 汽轮发电机组设备简介 攀钢发电厂是攀枝花钢铁( 集团) 公司的下属二级厂矿单位，是重要的 电力能源供应基地。该厂装机三台1 0 0 懈g 汽轮发电机组，它的安全、经济、 可靠运行对攀钢的连续生产有着十分重要的意义。 该厂汽轮机为n 1 0 0 8 8 3 5 3 5 型冲动凝汽式汽轮机，单轴双缸、 二排汽口，通过联轴器直接带动发电机工作，配套的发电机为q f s 1 0 0 一 2 型双水内冷式交流发电机。 汽轮机主要由前轴承箱、高压缸和低压缸二大部分组成，前轴承箱为 铸铁结构，在前轴承箱内除装有推力支持轴承、离心式主油泵外，调节保 安部套均装入其中。高压缸由高后两部分组成，前部是耐热合金钢 ( z g 2 0 g r m o ) ，后部是碳钢z g 2 5 浇铸而成。高压缸有四个蒸汽室，它与低 压缸之间用两根由9 1 5 6 连通管自上部连接，低压缸为双分流式，由一 铸铁浇成的r r l 部和两个铁板焊接的后部组成。汽轮机的转子分成高低压两 部分，共有2 5 级，高低压转子用半挠性联轴器连接。汽轮机轴承均为椭 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 圆式轴承。 发电机系统由主励磁机、付励磁机和发电机二部分组成，它们之间由 波形联轴器连接，发电机与汽轮机之间由半挠性联轴器连接。 整个发电机组系统如图1 5 所示。 卜前轴承箱2 一低压缸3 一轴承妒高压缸 5 一发电机6 一士励磁机7 一付励磁机 图1 5汽轮发电机系统结构示意图 1 3 2 本特立3 3 0 0 系统简介 攀钢发电厂发电机组设备状态监测系统采用的是美国本特立内华达 公司生产的3 3 0 0 监测系统，它可以连续测量和监视机器的运行状态参数。 它包括框架、电源、系统监测器3 3 0 0 0 3 和各种状态监测器等。这些状态 监测器包括有六个双通道振动监测器3 3 0 0 1 6 、三个双通道速度监测器 3 3 0 0 5 5 、一个双通道轴向位置监测器3 3 0 0 2 0 、一个偏心监测器3 3 0 0 4 0 、 一个双通道差胀监测器3 3 0 0 4 5 、三个转速表3 3 0 0 5 0 等。 标准监测器3 3 0 0 0 3 是每一个3 3 0 0 系统所特有的部件， 正如其名字 所表明的那样，它确实对监测系统进行监测。它可以接受4 个传感爨系统 的信号，并可为4 个传感器系统提供电源。双通道振动监测器3 3 0 0 1 6 为x y g a p ( 垂直与水平振动间隙) 监测器，它可连续测量并监测两个独 立通道的径向振动，它接受来自两个非接触式传感嚣系统的信号( 它与 3 3 0 0 系统框架、电源以及系统监测器一起工作) 。双通道轴向位置监测器 3 3 0 0 2 0 接收两个趋近式探头传感器系统来的输入信号，进行连续的测 量，并监视两个独立通道的情况。这两个通道是用在监测在机器内部、轴 在轴向相对于止推轴承的间隙的，它不同于轴向振动。因为轴向振动是指 趋近式探头与被测体沿轴向的表面之间距离的快速变动，这是一种轴的振 6 重庆大学硕士学位论文第章绪论 动，用峰一峰值表示，它与平均间隙无关。双通道速度监测器3 3 0 0 5 5 可以显示速度值，也可显示对速度进行积分后的位移，并可对测量值进行 滤波。它装在轴盖上连续监测机器的振动。偏心监测器3 3 0 0 4 0 可以提 供精确的、在线的对偏心的监测，有两种偏心指示，直接偏心和峰一峰 值偏心，它表示轴弯曲正方向的极值与负方向的极值之差。偏心的测量， 可以指示转子的偏心( 在低速时的弯曲) 是否足够小，是否可以启动，而不 致使机器遭到破坏。双通通差胀器测3 3 0 0 4 5 既可监测差胀的大小，又 可监测其方向。对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机对，差胀的测量 是非常重要的，它可以避免汽轮机旋转部件和静止部件的相互接触从而导 致的机器破坏。转速表3 3 0 0 5 0 可连续地测量轴转速、旋转加速度或提 供零转速( 盘车速度) 指示的输出。 本特立3 3 0 0 系统能连续地监测发电机组的状态情况，并在达到某一 确定危险极限值时报警，能给机组安全运行提供一定的状态信息。但它不 能进行完善的诊断分析，不能对故障原因、部位和趋势作出正确的分析判 断，为设备预知维修提供确切的技术支持。 1 4 课题的主要工作内容 1 4 1 问题的提出 目前，电厂的三台发电机组已经安装了美国本特利3 3 0 0 系列的监测 系统，该系统是在线监测系统，已经检测了机组各轴承座处主轴的振动信 号，传感器及检测系统的工作稳定可靠。但是该系统只对各测点振动大小 进行判别，没有充分利用这些振动信号进行动态诊断分析，从而也就不可 能诊断出各种故障。在一定程度上，仍然靠人工经验，凭手、耳、h 艮发现 故障，或者停机检查，这样既不及时又不准确。常造成：有故障时，未及 时发现，而发生事故，影响生产；无故障时，又例行停机检修。所以既造 成人力、物力和财力的巨大浪费又影响生产的正常进行。 根据振动理论分析和国内外大型发电厂的实践，通过对现已检测到的 振动信号进行动态诊断分析，是完全可以将这些故障诊断出来的。因此， 在本特利3 3 0 0 系统基础上，直接利用已经检测到的振动信号，配置一套 可靠、实用、先进的使携式发电机组故障诊断分析系统是非常急需的。这 样，可以做至无故障时放心运行，有故障时及时预报故障部位、严重程度 及其变化趋势，及时采取有关措施。同时利用便携式系统，也可以定期对 电厂其它的关键设叠进行监测，分析振动原因和故障的变化趋势。 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 本课题的项目内容、目标和所要达到的技术水平 根据电厂多年的使用经验，发电机组主要有以f 三个方面的故障。该 项目的主要内容就是在机组的运行过程中监测这二个方面的故障状态： 1 、叶片变形、掉叶，主轴热弯曲，联接部件或支撑件失效等故障。 2 、轴不对中、管道或基础结构共振、机壳或机座变形、部件配合不 紧等引起机组机械性能下降，产生非正常振动。 3 、转予轴向窜动、轴向碰磨、径向碰摩、密封件动静摩擦；转子叶 片碰磨；升降速过程的共振现象：电磁振动，电气激励振动；蒸汽动力激 振，压力脉动。 根据以上主要内容，该项目的主要目标是： l 、定期监测发电机组的振动大小，并与有关标准对比，判别机组状 态。 2 、实时监测升降速过程机组的动态特性。 3 、定期监测油膜振荡、叶片碰磨、轴向窜动、联接松动、轴不对中、 结构菇振等故障的大小及性质，并且进行系统分析。 4 、系统数据库分为四级：( 1 ) 原始数据管理：始终保存最近3 0 次测试 全部振动原始采样数据。( 2 ) 特征数据管理：始终保存最近1 8 0 次测试的各 测点分析计算的特征数据。( 3 ) 报警数据管理：当系统发生报警或存在故 障征兆时，永远保存报警前1 5 次测试和报警后1 5 次测试的原始数据，直 至人工删除为止。 通过术项目的实施，使我厂发电机组的监测诊断水平达到围内领先水 平，使其满足我厂生产和安全的需要。通过该项目的研制与实施，主要的 经济效益和社会效益如下： l 、避免重大事故( 如爆炸、飞车) 造成的人身伤亡，锅炉停产，机组 损坏。避免由于这些重大事故造成的直接或间接经济损失，保证设备在规 定的期间内无故障安全可靠运行。 2 、利用监测诊断系统的分析结果及预报情况可及时准备备品备件， 及时处理有关故障，做到该修就修，无故障或故障轻微时就不修，放心大 胆的运行，达到预知维修( 或叫预测维修、恰当维修、视情维修、最佳维 修) 。这样，就以最少的代价发挥设备最佳的效益，做到最佳工况运行， 使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低。 3 、如果设备有故障，通过监测诊断系统可以迅速查明故障原因、部 位，预测故障影响，从而实施有针对性的按状态维修，那里坏修那里，而 不是大拆大卸，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量。减少备件 储备，提高设备的维修管理水平。 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 4 、监测诊断系统可实时动态显示各监测数据，向运行人员提供及时 的信息，有效地支援运行，提高设备使用的合理性、运行的安全性和经济 性，充分挖掘设备潜力，延长服役期限，以便尽量合理地使用设备。 9 重庆大学硕士学位论文笫二章汽轮发电机振动原理 第二章汽轮发电机振动原理 任何一部运转的机器，都伴随着振动信号的产生，它的变化常常隐含 着初期故障特征信号。机械振动诊断的基本思想就足要通过机器外部振动的 澳量来诊断其内部的故障和缺陷。但是，一部机械是非常复杂的，仅仅靠振 动信号判断它是否正常，显然不够，这就需要对多方面的参量进行测量。旋 转机械的基术诊断参量，按照类型可分为振动参量、位置参量和其它测量参 量。下面分别加以说明： 1 、对振动参量的测量包括振幅、频率、相角、振动形式和振型。 一般而言，振幅( 无论表示为位移、速度还是加速度) 是振动强度的 标志。从日前监测系统的应用情况看，绝大部分大型旋转机械。都采用非接 触式电涡流探头来直接 j 1 4 量轴相对于轴承的振动振幅，同时辅以对机壳的绝 对振动振幅的澳4 量。任何振幅大小的交化都反映或预示着机器状态的改变或 变化趋势。 振动频率通常表示为机器转速的倍数。对频率分析的重要性的认识来 自于机壳测量，因为有些机器故障通常在某些特定的频率下发生，这就有助 于区分这些故障的类型。但是必须认识到：频率和故障的关系并不是一一对 应的，不应该简单地将某特定的频率和某特殊机器故障赢接联系起来。 频率是重要的参量，它有助于对机器故障进行分类，但它仅足一种参量，要 得到正确的结果，还必须对其它所有参量进行分析。 相角测量可用来描述某一特定时刻机器转子的位置，在平衡机器的转 子或分析机器的某特殊故障时，相角测量往往非常重要。 振动形式也许是分析振动数据的最重要酶方法，振动形式可分为两种： 时域波形和轴心轨迹，通过观察时域波形可以确定基本的振幅、频率和相角， 通过观测轴心轨迹能够了解轴的实际运动情况。 振型测量是沿转轴的轴向每隔一定间距放置一组) o 吖( 互成9 0 。) 传感器，分别测得相应转轴截面的中心线振动情况。综合所测得的这些数据 便能得到转轴的振型。振型测量有助于估算转予与固定部件之间的内部间 隙，并能估算出转轴上“节点”的位置。 在分析一台机器的振动( 动态运行) 状态时，需要用到以上所有参量。 1 0 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 通过这些参量，我们能够在动力学的基础上了解“机器的运行状态”。同时， 在确定机器的全面运行状态时，机器转轴或转子振动与机器外壳振动之间的 l - i ：g e 也是一个重要的参量。实际应用证明，在解决某一具体的机器故障问题 时，比较机器外壳振动和转轴振动之间的振幅和频率关系是非常有用的。 2 、位置参量的测萋包括僻c l 啦置、轴向位置、偏心度峰一峰值、差胀、 机壳膨胀和对中性。 所谓偏心位置，是指转子在轴承巾的径向平均位置。这种偏心是测量轴 承磨损、预加负荷状态( 例如不对中) 的一种指示。定期测量偏心位置是绝 对必要的。因为在出现重大负荷情况下，偏心较大，振幅无法增加，在这种 情况下当振幅没有报警时，可能由于偏心太大而发生故障，因此必须即时地 检查偏心位置，才能对故障作出早期预报。偏心位置的测量是通过安装在轴 承处的监测径向振动的同一干睾感器进行的，其输出信号的直流成分即代表偏 心位置( 径向间隙) 。 轴向位置测量可用来描述止推环法兰和止推轴承之间的相对位置，其测 量目的就是为了保证消除机器转子和定予之间的轴向摩擦。轴向止推轴承故 障对于静0 压缩机或蒸汽涡轮机等机器而言，可能是最严重的故障，应该认 真地进行监测。利用一个，最好是两个电涡流探头( 二选一) 。就能够减少 误动作，提高可靠性，使机组在轴位移联锁保护下更加安全地运行。 偏心度峰一峰值是对转轴在静态时弯曲的测量。当转轴启动时，弯曲量 可咀用电涡流传感器测量的直流峰一峰值信号来表示。当峰一峰幅值处于 允许的低水平时，机器可以启动，而无须考虑因残余弯曲及相应的不平衡引 起的密封件与转轴之间的摩擦影响；对于发电用的大型蒸汽透平等机组，要 求启动时，机壳与转子必须以同样的比率受熟膨胀。如果转子与机壳受热膨 胀比率不同，就有可能发生轴向摩擦而使机器受到损害。 测量差账时要把电涡流传感器安装在机器末端与止推轴承相反的侧。 测量差账的传感器要求灵敏度较高，其线形范围一般为l 英寸；机壳膨胀测 鬓通常由安装在机壳外部，以地基为参考基准的线形可变差动变压器 ( i d t ) 进行的。如果机壳膨胀不正常，机壳的“滑脚”就会被卡住，这 当然就发生了问题。 不对中是在压缩机机组和燃气轮机驱动泵机组的安装过程中常常发生的 故障。通常机组安装图纸中有相应的对中性指标要求，然而处于热运行状态 下的机组，各机壳之间的对中性仍需要用传感器等仪器来监控。 3 、除了振动参量和位置参量以外，其它测量参量还包括转速、温度和相 关性溅量： 在对机械运行状态分析中找出振动和转速之间的关系是很重要的。在设 计离心类机器时，它的转速运行范围应避开机器的平衡共振，并且使其运行 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 转速也不会激发机器的这些特殊共振。机器启动时的数据在确定平衡共振时 很重要，这些数据可表示为振动幅度和相角与机器转速之间的芙系曲线，在 描绘这种曲线和寻找这些参量之间的关系时，可以很容易地确定机器的平衡 共振( 临界共振) 。 除此之外，温度也是最常用和最重要的参量之一，找出温度数据和振动 测量结果以及二者之间的关系将有助于我们发现机器可能存在的故障。 在对运行巾的机器进行全面系统分析时，掌握温度、压力、流量和其它 一些可能影响机器运行状态的外部参量之间的相互关系也是非常重要的。搞 清楚这些参数及其相互关系，就能最终确定“某一特定机器的正常运行状 态参数”，从而确定组与现场情况相符的振动故障类型的标准判据，为实 现预测维修打下可靠的基础酊c 2 邶1 2 2 振动的运动学概念 根据机组发生故障情况的统计，大多数故障现象都表现为轴和转子故 障。有夫机体的故障，如轴瓦的损坏、基础不牢靠、零件松动等都有发生。 因此人们在研究机器的状态和故障时，通常是以转子和轴的振动以及整个系 统作为研究对象。 机械设备出现的故障种类繁多，其诊断信息包括温度、声音、振动、应 力、流量等。但是，对于旋 广周期信号 转机械而言，没有任何种 r 确定性信号 信息能象振动那样对设备状i l 非周期信号 态具由更直接的反应，因此动态信黾 ， 雾碧坌孽苎型票车肇茎篓蟹l 随机信号一平稳8 铺信号 的故障诊断技术中占有极为 、一1 。 l 非平稳礴机信号 重要的地位。 在工程中，我们测最到 图2 1振动信号分类 的振动信号通常是幅值随时间变化的动态信号。动态信号可分为用确定的时 间函数来表达的确定性信号和不能用时间函数来描述的随机信号，具体分类 如图2 1 所示。 下面分别对各类动态信号的运动学特征进行分析。 一、周期信号 简谐振动是理解振动的最好起始点，它是可以用正弦函数来描述的最简 单的周期运动，其振动频率是初始力的函数。振动的叠加有以下二种情况： 1 、两个频率相同，相位不同的简谐振动的合成： 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 ：蠢撼o 。翘， 则：并：24 ：5 ”0 z ，) 。a 厶1 x = 肖l + x2 = a ，s m b r + ) + a 2s m o f + 口2 ) = a 1 ( s i no ) t c o s a l + c o s ts i n 口1 ) + a 2 ( s i n t c o s 3 t 2 + c o s # a ts i n 口2 ) = s i n 酬0 lc o s a l + a 2c o s a 2 ) + c o s 耐0 ls i n 窃1 + a 2s i n 口2 ) 令： ac o sa = a ，c o s 口1 + a ，c o s 口， a s i n 口= a i s i n8 l + a 2s i n “】 将( 式2 - 2 ) 两端平方再相加，可求得： a ：一i 牙2 j 2 瓦巧面；i 历 ( 式2 2 ) ( 式柏) 将( 式2 - 2 ) 两端相除，可求得： t g a ：生! 墅竺；! 生；! 堕1 2 1 。0 3 口1 + 4 2 。0 8a ( 式2 4 ) 将( 式2 2 嫩入( 式2 1 ) 式，可得： x = a c o s as i n a l t + a s i n a c o s c o t = a s i n g + 口) 式中，a 由( 式2 - 3 ) 表示，n 由( 式2 - 4 ) 式表示。 由此可知：两个频率相同的简谐振动，沿同一方向进行时，合成后仍是 一个相同频率运动的简谐振动。两个以上同频率的简谐振动也可用蹴法 进行合成，设有k 个简谐振动： x = a s i n 如f + 口t ) 其合成振动可表示为： 盖；as i n0 t + 口) 式中： 一= 扳：室爿。s i n a 。) 2 + ( 毫爿。c 。s a 。 2瓜j l 善以血吼j + l 荟以螂一j 2 、两个频率不同，相位不同的筒谐振动的合成： 令：x 】= “】s i n0 ，r + 口1 ) 膏2 = a 2 s i n g2 t + 口2 ) 、， )： 吼岱+ + 妇矗d 爿 | i i i 置r 一 蛐 缸f 留 州 重庆大学硕士学位论文 第二章汽轮发电机振动原理 买合成运动为： x = z 1 + x 2 = a 1s i n 扣l t + 饼1 ) + a 2s i n 2 t 十盯2 ) = a ls m ( c o l r + 口1 ) + a 2s i n ( 棚l t + 口1 ) + 白2 一珊i ，+ 0 2 一a 1 ) 】 = a 1s i n 1 t + a 1 ) + a 2s i n 白l t + 嘶) - c o s 晒2 一甜i ) f + 如2 一吼) 】 + a 2c n s 如l f + 拉1 ) s i n 妊”2 一聊j ) f + 如2 一盯l m = s i i l 如i t + 口1 ) 臼l + 爿2c o s k 甜2 一哪! + 缸2 一口1 m + c o $ 白1 t + a 1 ) - a 2s i n 【( 2 一口1 + 白2 一9 1 ) 】 = s 血白i t + a 。) 缸i + 彳2c o s 晒：一印，+ 0 2 一a ，) b + s i n i ( o l t + o r ，+ 詈1 a ：s i i i 晒：一q + 缸：一吼) 】 由上式可以看出，两个不同频率的谐振动合成，可以看作是由幅值为 a l + a 2c o s h 掰2 一甜1 ) t + 国2 一口i ) 】和 彳2s i n 【( 甜2 一脚1 ) f 十缸2 一口l 以及相位为口。和a + ；的两个同频率振动合成。 。? 合成结果为：x = o o ) s i n 瞄，r + g 。+ 口o ) 】 且o ) = 爿1 2 + a 22 + 2 a l a 2c o s 盼2 一棚1 ) t + q2 口1 ) 】 留圳= 采景朱锚 由上两式可以看出，其合成振动的振幅和相位都随时间变化，已经不是 谐振动。而且当两谐振动的频率都是不大的整数时，其合成振动是周期性运 动，其周期为两个分振动周期的最小分倍数。 3 、两个振动频率比较接近，即其差5 忙= 峨一q 虹小于t 和嘶0 情况： 这时： 】= a ls i n0 】f + 盯】) x 2 。a2 s i nb 2 t + 口2 ) 而：2 = 国1 + 则：x2=a2s i n 瞄1r + g r + c t 2 ) 】 即把置看作和互具有相同的频率，相位0 f + a ：) 随时间进行缓 圉拘变化运动，其合成运动为： z 2 j ，+ 2 = 彳l s m0 l t + 口1 ) + 彳2s i nb l t + o f + 口2 ) 】 、x = 爿o ) s i l l 瞄。t + 口( f ) 】 利用同频率的两个简谐振动合成的公式n j 得： o ) ：扣五百石焉i 了i i 币 留川= 禾冀 麓恻 c 式 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 由此可以看出，这种合成振动近似于正弦振动，但其振幅随时间发生变 化。 由( 式2 - 5 ) 可知：当c o s 忙+ 口2 一口1 ) = 1 时， 即6 t + 口2 一口l = 2 n l r ( n = o 、1 、2 ) 或，= 【2 月f q ：一a ，w 振幅达到最大值，其值为：4 。= a ，+ a 。 当c o s 忙，+ 口2 一口l ，= 一1 时 即t = l 【2 n 石+ z ) 一 ：一0 , 1 ) 1 s 振幅达至最小值，其值为：一。= a ，一也 这种振幅在最大值缸。和最小值爿。之间作周期变化的现象叫做“拍 振”。 4 、互相垂直的两个谐振动的合成 令：j j = s i n9 ，+ a ，? 【y 2bs i n 如2 t + 口2 】 ( 式2 - 6 ) 其合成结果与频率国l 、吐和t 2 l 、t 2 2 相位有关，合成得到的图形称为李 萨育图形。当，= 卯，时，由( 式2 - 6 ) 有； f x ：s i nn ，c o s 口l + c o s fs i n 口l r a 一一( 式2 - 7 ) i 。 2 s i n 。g o f i 。z + c o sm s i n “： 消去f 式2 - 7 ) 中时间参量t 得到： ( 等卜一：署c o s 如。吨) = s i n 2 0 ，吨) 一般来说，上述方程是一个椭圆，因为质点的位移x 、y 在有限范围内 变动，则椭圆不会超出2 a 和2 b 为边的矩形。同时，椭圆长短轴的大小和 方向由相位差一吼) 决定。 5 、谐波分析 简谐振动是周期性振动最简单的形式，在实际问题中更多的是非简谐的 周期性振动。周期振动只要满足以下条件，也可以分解为简谐振动，条件是： 1 ) 函数在一个周期内连续或只有有限个简短点，而且间断点上函数的左右 极限都存在：2 ) 在一个周期内只有有限个极大和极小值。把一个满足上述 条件的周期函数展开成傅立叶级数，亦即展开成一系列简谐函数之和，称为 谐波分析。谐波分析是频谱分析的基础。 设有一周期性函数x o ) 它的周期为t 可以展开成傅立叶级数： 重庆大学硕士学位论文第二：章汽轮发电机振动原理 式中m ：簪称为基频，疗缈( 舻l ，2 , 3 ) 称为倍频，、纯均为待定常数， 口。为静态分量，由下式确定： n 。= 争f ：xo ) c o s n m t a r t o = 0 、1 、2 、) j ” b 。= 争f ：xo ) s i n n 。t d t o = 0 、1 、2 、) 二、非周期信号 非周期信号包括准周期信号和瞬变非周期信号。 前面的分析说明：周期信号可以分解为一系列频率成正比的正弦波信 号，反之，几个频率成正比的信号也可以合成为一个周期信号。然而，任意 的两个或几个正弦波之和，般不会组成周期信号，只有每一对频率之比都 是有理数时，才能合成周期性信号，因为只有这样，其基本周期才存在。当 分解信号的频率之比不全为有理数时，这样的信号称为准周期信号，可用如 下形式来描述：。 x ( o = x ，s i n ( w 。t + 吼) = l 式中w n w m 一般不等于有理数。如果在准周期信号中忽略相角，则上式 可用图2 - 2 所示的离散谱表征，其频谱和周期信号频谱的差别只在于各个频 率不再是有理数的笑系。 图2 2准周期数据的频谱图2 3 瞬变非周期信号的频谱 瞬变非周期信号指除准周期信号以外的非周期信号，一般持续时间较 短，有明显的开端和结束，可用某时变函数进行描述。瞬变非周期信号不能 象周期信号那样用离散谱表示，其谱结构为傅立叶积分所表示的连续谱，如 图2 3 所示。 傅立叶变换是进行频牢结构分析的重要工具，它可以辨别或区分组成任 1 6 孙+引 ! | 引 一 h 耐 一 艘 一 口 n 一 一 q ? “ + + 一2一2 | f l | 、：v z 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 意波形的一些不同频率的正弦波和它们各自的振幅。对傅立叶正变换( f r t ) ， 丽 ，( 。) ：) p m 葫 对傅立叶逆变换( f t ) ，有 坪) 5 去互f ( w ) m 式中，x 是被分解的正弦波之和的波形，f ( w ) 为x ( t ) 的傅立叶变换， i ：i 。 根据欧拉公式：p “= c o s w t 士j s i n w t ，也可以用实谱砥”和虚谱i ( w ) 的形式表示f f t 结果： f ( w ) = 尉w ) 一i i ( w ) 其中： ： r ( w ) = ix ( t ) c o s w t d t 一 薯 ，( w ) = ix ( t ) s i n w t d t 一 由此可见，傅立叶变换是从时域到频域，或从频域到时域的信号转换， 并无信息损失，所不同的只是表达方法。 三、随机信号 随机信号不能用确定的时间函数来表示。对同一事物的变化过程独立地 重复进行多次观测，所得的信号是不同的波形在无限长时间内不会重复。 尽管随机信号每次都不同，但可对其总体规律进行研究，取其平均性质，这 就需要用概率统计的方法进行分析。 随机过程可分为平稳随机过程和非平稳随机过程。如果信号的样本均值 以( ，i ) 和自相关函数足( ，1 + f ) 不随时间，1 的改变而变化，此时随机过程x ( t ) 称为广义平稳的随机过程，反之为非平稳随机过程。 多数设备在正常运转时的信号可以看作时平稳的。对于广义平稳过程， 均值是常数，自相关函数仅与时问位移有关，即 鸬( ) = 以，r ( f l ， + f ) = r ( f ) 这样，我们就可以用任意一条样本曲线按时间平均的均值和自相关函数 来表示总体均值和总体自相关函数。实际上，许多情形下的工程信号部可以 重庆大学硕士学位论文第二章汽轮发电机振动原理 认为是各态历经的平稳随机信号。 随机信号的分析，主要采用概率和统计的方法，通过幅值统计平均计算 概率密度，通过相关分析和频谱分析( 谱密度分析) ，在幅域、时域和频域 里进行统计分析。设备故障诊断中常用的统计分析函数包括： l 、幅域分析的统计函数 均值e 【x 】指集合平均值或数学期望值，可定义为： 鼬) = n l i m 。l 。f 。r x ( t ) d t 均方值e ( x 2 ) 是2 ( f ) 的平均值，可定义为： e ( 工2 卜一l i m l j r x 2 ( f ) 出 方差d 2 定义为：d 2 = 艇 一e 【工】) 2 】；方差的正平方根j 称均方差，也 叫标准差。易证关系式扩= 目耳2 卜( q z 】) 2 成立； 概率密度函数p ( x ) 为随机变量的瞬时幅值落在增量缸范围内可能出现 的概率和增量缸之比，即： 芦( j ) 。l i m p ( x ) - p ( x + a x ) 血 2 、时域分析的统计函数 自相关函数r ，( f ) 表示波形与自己相差一个时间r 值时的相似程度，定 义为随机信号在时间为t 时的值与时间为o + f ) 时的值的乘积的平均值，即： r x ( 咖蹦州m ) 】_ 嬲专卜) 坤+ r ) 出 互相关函数尺。( r ) 表示两个信号波形相差f 时的相似程度，定义为信号 x ( t ) 在时f n qt 时的值与另一信号y ( t ) 在时间为( “- f ) 时的值的乘积的平均值， 即： 尺，i 加删啪例= 魁亭) 加+ f ) 西 重庆大学硕士学位论文 第二章汽轮发电机振动原理 3 、频域分析的统计函数 自功率谱密度函数g ，( 厂) 对平稳随机过程而言就是自相关函数b ( r ) 的 傅立叶变换，其单边谱为： g ，( ，) = 2 也( f 弦。2 斫d f 互功率谱密度函数g ，( 厂) 对平稳随机过程而言就是互相关函数氏，( r ) 的傅立叶变换，可定义为： o w ( f ) = 2 ；。r , v ( r ) e - 2 析d f 传递函数h ( p ) 定义为系统脉冲响应函数 ( f ) 的拉音拉斯变换： 日( p ) = f 矗 e - o r d r 式中p = 口+ 西。 令口= 0 ，b = 2 矿，则得到频率响应函数 = f ( 咖4 竹卉 对于物理上可实现和稳定的系统，频率响应函数可阻代替传递函数而不 会损失有用的信息。 大型旋转机械的状态监测