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东北大学硕士学位论文摘要 汽轮发电机组振动分析和故障诊断技术研究 摘要 “八五”以来，我国电力建设发展较快，全国电力供需紧张的状况有所改善。 但由于电力工业发展速度仍赶不上同期经济增长速度，国内三年限制电力基建投 资，当前我国电力供求矛盾仍然显著。 在影响电力生产的因素中，汽轮发电机组轴系振动仍是主要问题之一。振动 影响到新投运大机组不能按期并网、正常投运；在电力生产中，因机组振动过大。 被迫停运和降负荷的事故更是屡屡发生。梅山钢铁公司有大小9 台机组，时有故 障发生，其中有数起振动故障曾严重地影响到安全生产，给公司带来了一定的经 济损失。 造成这种状况的原因是多方面的，其中轴系振动设计和设备制造质量是这些 振动故障的重要因素，机组运行方式和检修工艺的落后也是另一个重要方面。 在广泛调研的基础上，论文分析了我国当今电力工业的发展形势以及机组振 动对电力生产的影响，研究了国内外发电机组振动监测、故障诊断与数据处理技 术发展现状。 论文对汽轮发电机组振动测试技术和产生的机理从三个方面进行了深入研 究。首先，着重研究了现场振动测试方法、振动数据处理与振动特征图表表示法， 并对汽轮发电机组现场各种常见振动故障及其故障特征进行了总结。然后，对转 子质量不平衡和现场动平衡方法进行了研究，分析了转子不平衡质量的来源、引 起转子振动的机理、动平衡试验方法、现场高速动平衡实施步骤及需要注意的问 题。并结合本人近年参与和主持的梅山钢铁公司1 2 m w 汽轮发电机轴流风机不稳 定质量不平衡振动事故和5 0 m w 汽轮发电机组轴系失稳事故处理，针对现场工作特 点，总结了汽轮发电机组不稳定质量不平衡振动分析与现场高速动平衡方法和轴 系失稳的振动测试、分析、诊断与现场处理技术。这对指导现场振动事故的处理 有实际意义。最后，从理论上分析了轴系产生失稳的原因，对单自由度系统自由 振动的稳定性、滑动轴承支承的对称刚性转子稳定性、对称单圆盘弹性转子一滑 动轴承系统的稳定性进行了深入的研究，着重分析了转子两类失稳机理油膜 振荡与汽流激振，分析了发电机组轴系失稳的影响因素，详细讨论了轴系失稳时 表现出来的各种故障特征以及现场对失稳的诊断方法和相应的处理措旄。 关键词汽轮发电机组轴系振动测试与数据分析转子质量不平衡 现场动平衡轴系失稳油膜振荡汽流激振 i i ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e i n v e s t i g a t i o nf o r v i b r a t i o n a n a l y s i s a n d d i a g n o s i s o ft u r b o g e n e r a t o r s a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fp o w e rc o n s t r u c t i o ni sr a p i df r o m “e i 曲曲一f i v ep r o g r a m s ”， w h i c hh a sr e d u c e dp a r t i a l l yt h el a c ko f s u p p l yo fp o w e nb e c a u s et h ed e v e l o p i n gs p e e d o fp o w e ri n d u s t r ye f t _ n _ n o tm a k eu pw i mt h eo n eo f e c o n o m y , a n dp o w e r c o n s t r u c t i o n i n v e s tw a sr e s t r i c t e df r o m1 9 9 8t o 2 0 0 0 ，t h ec u r r e n tp o w e rs u p p l yc a p a c i t y i s i n s u f f i c i e n td i s t i n c t l y i na l lt h ep r o b l e m st h a ta f f e c tp o w e r p r o d u c t i o n v i b r a t i o no f t u r b i n e g e n e r a t o r s e t s i so n eo f i m p o r t a n tf a c t o r s v i b r a t i o nf a u l t sc a r ld e l a y t h ec o m m e r c i a l p r o d u c t i o n ，r e s u l t i ns t o p p i n gr u n n i n g o rm a k et h em a c h i n er u n n i n gi nl o w e rl o a d t h e r ea r e9s e t so f t u r b i n e g e n e r a t o ru n i t si nm e i s h a ns t e e lc o m p a n y v i b r a t i o nf a u l t sh a p p e nn o w a n d a g a i n s o m e h a v ea f f e c t e ds a f ep r o d u c t i o na n dh a v em a d e b i ge c o n o m i c a ll o s s m a n yp r o b l e m sc a nl e a dt h e s ea b n o r m a lc o n d i t i o n s ，t h es h a f ts y s t e md e s i g no f t u r b i n e g e n e r a t o ru n i t si so n eo fi m p o r t a n tr e a s o n s ，a n dt h eu n d e v e l o p e dr u n n i n ga n d r e p a i rt e c h n i q u e s a r eo t h e rr e a s o n s b a s e do ne x t e n s i v er e s e a r c h e s ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h e c u r r e n tp o w e ri n d u s t r y , m a d ead e e ps t u d yo nv i b r a t i o nc o n t r o l l i n g ，f a u l td i a g n o s i sa n d d a t a p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa th o m e a n da b o a r d t h et h e s i se x p l a i n e dv i b r a t i o nm e a s u r et e c h n o l o g ya n dm e c h a n i c so fv i b r a t i o n f a u l t ，d e a l e dw i t h t h r e e a s p e c t s o ft h e p r o b l e m f i r s t ，v i b r a t i o nm e a s u r em e t h o d s ， v i b r a t i o nd a t a p r o c e s s i n g w a ss t u d i e d , a n dt h ec o n l l n o nv i b r a t i o nf a u l t sa n dt h e i r c h a r a c t e r i s t i c sw a ss u r n n l a r i z e d t h e n c o m b i n i n g w i t l lm e i s h a ns t e e l c o m p a n y 1 2 m wt u r b o g e n e r a t o r - f a n v i b r a t i o nc o n t r o l l i n ga n d5 0 m w t u r b i n e - g e n e r a t o rs h a f ti n s t a b i l i t yd i s p o s a l t h a tt h e a u t h o re n g a g e di na n dt o o kc h a r g eo ft h e s ey e a r s ，a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f f i e l d w o r k ，t h et u r b i n e - g e n e r a t o rm a s su n b a l a n c ev i b r a t i o na n a l y s i sa n df i e l dh i 曲s p e e d d y n a m i cb a l a n c i n gm e t h o d s ，a n d t h es h a f t si n s t a b i l i t ym e a s u r e ，a n a l y s i s ，d i a g n o s i sa n d d i s p o s a lt e c h n o l o g i e sw a s s u m m a r i z e di nt h et h e s i s t h a th a sp r a c t i c es i g n i f i c a n c ef o r v i b r a t i o nf a u l t sd i s p o s a li nf i l e d t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h es o u r c eo fm a s su n b a l a n c e ， i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c so fv i b r a t i o nr e s u l t e df r o mm a s su n b a l a n c e ，f i l e dd y n a m i cb a l a n c em e t h o d s a n ds o r l l ek e y p r o b l e m s t h a ta l ei m p o r t a n tf o rb a l a n c i n gs u c c e s s f u l l y a tl a s t ，t h ei n s t a b i l i t yo fs h a f ts y s t e m ，t h ee l a s t i cs h m - s l i d i n gb e a r i n gs y s t e mw i t h as i n g l ed i s kw e r es t u d i e dt h em e c h a n i c so ft h et w of a u l t s o i lf i l mw h i pa n ds t e a m o s c i l l a t ew a se x p l a i n e d t h ea f f e c t i n gf a c t o r so fi n s t a b i l i t y , t h ec h a r a c t e r so f t h e s et w o f a u l t sa n dt h e i rd i a g n o s i sd i s p o s a lm e t h o d sw e r ee x p a t i a t e d k e y w o r d s t u r b og e n e r a t o r s h a f ts y s t e mv i b r a t i o nd a t am e a s u r ea n da n a l y s i s s h a f t su n b a l a n c ef i e l dd y n a m i cb a l a n c e s h a f ts y s t e mi n s t a b i l i t y o i lw h i ps t e a mo s c i l l a t e i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表过 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期：肋弓- 7 矽 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究工作的背景 “七五”、“八五”期间，在国家计委、各有关部委领导下，经过国内有关 制造、运行部门的共同努力，包括“八五”相关科技攻关项目的完成，使我国大 型发电设备的安全可靠性和运行水平有了很大的提高，但与国民经济的发展需要， 及与西方先进国家的水平相比，还有一段差距。 “八五”以来，我国电力建设发展较快，全国电力供需紧张的状况有所改善。 但由于电力工业发展速度仍赶不上同期经济增长速度，加上燃料供应紧张，火电 机组设备制造和运行质量等问题，造成机组非计划停机或不能满负荷运行，加剧 了电力供应紧张。 国家“九五”计划和2 0 l o 年远景目标对电力发展给予了高度重视。“九五” 初期，电力工业增加投产容量，加大高新技术在电力工业中的应用，加大技改力 度，提高大机组运行现代化程度，挖掘现有设备潜力，如“以大代小”工程建设 等一系列措施，缓解缺电矛盾。 在这一技术领域中，我国几大主要汽轮机制造厂的轴系振动设计还处于中等 水平；与振动相关的轴系制造关键技术问题还有待进一步深入研究解决；大型机 组运行中的振动故障仍连续不断，成为影响新机组、老机组正常投运和生产的重 要因素。 近二十年来，以振动为主因造成的恶性事故相继发生，如1 9 8 4 年分宜电厂、 1 9 8 5 年大同电厂、1 9 8 8 年秦岭电厂、1 9 8 9 年新乡电厂、1 9 9 0 年海口电厂均发生毁 机事故，甚至出口机组也发生恶性事故。1 9 9 6 年三月，河南一台5 0 m w 机组再次发 生断轴毁机恶性事故。2 0 0 0 年，阜新电厂一台2 0 0 l i r 机组发生断轴事故，2 0 0 2 年哈 尔滨第三热电厂一台6 0 0 m w 机组发电机发生断轴事故o 4 ”。 振动问题目前仍是新投运大机组不能按期并网、正常投运的主要原因。不少 新投运机组需经几天、几十天、甚至数月的振动处理，才能正常带负荷。 1 9 9 5 年，哈尔滨集团公司设计制造的我国第一台优化设计6 0 0 m w 机组在哈尔滨 第三热电厂投运期间，因机组轴系振动过大，前后启动4 8 次，历经约五个月才初 步得以解决，其间耗费大量人力、物力，拖延了工期，造成极大的经济损失。该 机的振动问题至今未彻底解决。1 9 9 2 年平圩电厂2 号6 0 0 m w 机组新机调试过程中， 专项处理振动故障花费七十多天，推迟并网，少发电量1 0 亿度以上。 在全国各电厂的电力生产中，因机组振动过大，被迫停运和降负荷的事故更 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 是屡屡发生。1 9 9 4 年夏季，时逢电力供应十分紧张的状况下，华北网中有六台机 组同时出现振动问题，影响到当时北京市的正常供电。 梅山钢铁公司有大小9 台机组，时有故障发生，其中有数起振动故障曾较大地 影响到安全生产，给公司带来了定的经济损失。 造成上述状况的原因是多方面的，其中轴系振动设计和设备制造质量是这些 振动故障的重要因素，机组运行方式和检修工艺的落后也是另一个重要方面。 1 2 国内外现状 国外火电机组制造、运行都达到了较高的水平，设备可用系数远高于我国。 机组轴系稳定性好，整机动力特性优良。轴承型式多样，性能稳定。 我国国产2 0 0 m w t i t 组、引进型3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组振动问题一直未彻底解决。上 海引进型3 0 0 i v i w 的石横、汉川、吴泾机组，国产双水内冷3 0 0 m w 秦山核电站机组均 发生过严重的振动问题；哈尔滨优化3 0 0 m w 株江、西柏坡机组，优化6 0 0 m w 平圩机 组调试阶段也都处理过振动问题。这些缺陷的存在，一方面说明了引进技术的大 容量机组轴系振动防治措施需要继续进行研究、改进和完善，另一方面说明对今 后我国设计、制造的超l 临界机组，必须做好有关轴系稳定性和安全运行的前期研 究，对整机引进的大容量机组，包括今后可能引进的百万千瓦机组，做好消化吸 收和运行技术的研究工作。 火电机组的稳定运行，是我国电力工业当前和今后相当长时问内要解决的一 个关键问题。1 9 9 3 年国内6 0 0 m 机组年平均等效可用系数仅达6 3 6 5 ，比北美低 2 0 ；3 0 0 m w 机组年平均等效可用系数为7 6 4 7 ，比北美低1 3 。设备质量和运行水 平是造成目前影响大机组运行的两个主要原因。开展提高大容量机组安全稳定运 行技术的研究，对保证己投运的和今后将投运的大机组的可靠性有重要意义。 根据我国电力工业发展规划，今后十五年，将完善、改进引进型3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮发电机组，广泛采用技术先进的各种形式大容量亚临界机组，开始设计审造 6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 级超临界大容量机组，并将开发研制单机容量百万千瓦的先进核电 机组。 必须承认，国产大型汽轮发电机组的设计制造质量与西方国家的产品相比还 有相当差距，运行水平也不理想。在目前新增汽轮发电机组中，国产机组将占比 较大的比例。以这样快的速度上国产大机组，必须对安全问题做好相应的技术措 施。 。 华北网内，近年机组振动问题连续不断，影响到正常生产。沙岭子电厂1 、2 号机组调试投运期间，都曾发生振动问题，其中2 号机组因振动拖延了工期；大港 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电厂3 、4 号意大利3 2 0 m w 机组的低压转子振动过大；刚投运的盘山电厂l 号机组5 瓦 振动接近5 0pm ，需做进一步处理；网内的2 0 0 m w 机组发电机转子多数做过动平衡 ( 如大同二厂、石热、京西、陡河、军粮城电厂等) 。近年夏季，一度出现过网 内六台机组同时发生振动问题的局面，影响到当时的电力供应。由于机组发生振 动，除常使机组被迫停机处理外，使机组减负荷和带病运行的情况，更是屡见不 鲜。 大容量机组轴系稳定性、轴系振动动力特性是关系到机组整体可靠性的一个 十分重要的方面。 一方面，随着机组容量的增大，轴系长度将增加，跨数增多；另一方面，热 力参数的提高将导致轴系受力的复杂化。这些都会使大容量火电机组的振动问题 更为突出。国产2 0 0 m w 机组由于轴系、轴承设计问题，七十年代初曾出现过油膜振 荡，八十年代，随投运台数的增多，问题又一次集中出现，日趋严重，以至发生 了秦岭电厂5 号机组重大断轴事故。 引进型和国内设计的3 0 0 m w 亚临界机组近几年振动问题不断，每年新投运的 3 0 0 m w 机组总有几台在调试期间需要处理振动问题。有些振动原因至今未查明。 振动故障机理是诊断的基础。这方面所进行的理论研究已很多，对转子裂纹、 动静碰摩、汽流激振等典型故障的研究，国内外发表的论文已有数百篇之多。这 些研究多偏重于学术，且由于理论、试验室研究和工程实际的差距，以致至今现 场对部分典型故障的诊断，仍缺乏准确的判据，经常出现模糊不清，无法定论， 甚至误判的情况，影响正常生产。 目前，国内机组基本都配置了引进的p h i l i p s 或b e n t l e y 监测保护装置4 1 ，对于 这些大型机组，出现报警后运行人员应如何处理? 继续观察、减负荷还是立即停 机? 现场表计记录出现振动不正常时应如何分析和评价? 机组能否一直运行至下 次维修? 停机过程需做那些临时性试验，怎样确定故障部位或能否短时间内重新 启动? 对运行人员来说，准确及时地回答这些问题是很困难的。运行人员可以判 断超限报警，厂级的汽机专工可判断一般故障，而对于异常振动信号的分析和疑 难故障的分析诊断，均需电力试研院所专业技术人员携带仪器到现场进行实地测 量、分析，或重新开机，测试后提出处理意见。这种工作方式费时费事，远不能 满足现代化生产的要求。特别是当同时有多台机组发生故障、有经验的高级专业 人员尚缺、交通条件不便时，更是常常因此延误生产。 因此，从机组和现场的实际状况出发，密切结合机组运行的相关因素，突出 常见的重要故障，进行机理和征兆的研究，对促进当前诊断技术提高具有十分重 要的意义。 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究内容 根据作者的工作性质和工作需要，结合近年具体参与、主持两起本公司机组 典型振动故障的分析处理项目，本论文对下列内容进行了研究： ( 1 ) 汽轮发电机组振动测试技术； ( 2 ) 转子质量不平衡振动机理，现场动平衡方法； ( 3 ) 机组轴系稳定性机理，提高稳定性和消除轴系失稳的方法； ( 4 ) 一台1 2 m w 汽轮发电机轴流风机不稳定质量不平衡振动分析、诊断与现场 高速动平衡； ( 5 ) 一台5 0 m w 汽轮发电机组轴系失稳的振动分析、诊断与现场处理技术。 d 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 第二章机组振动测试、分析 与故障诊断技术 2 1 振动测量 振动是一种特殊的力学运动形式，它是指质点或机械动力系统在某一稳定平 衡位置附近所做的一种往复式运动，有四种振动形式： ( 1 ) 简谐振动：运动量随时间按谐和函数的形式变化 ( 2 ) 周期振动：运动量变化经过一个固定的时间间隔不断重复 ( 3 ) 非周期振动：振动量变化随时间不呈现重复性 ( 4 ) 随机振动：任一给定时刻的运动量不能预先确定 汽轮发电机组振动的激振力来自于周期旋转的轴，因而多数是周期振动。它 们一般可以被分解为若干个简谐振动之和。个别情况下，也会呈现为单一的简谐 振动的形式。 2 1 1 简谐振动与复合振动删 旋转机械最基本的振动形式是简谐振动，位移的数学表达式为： x = 爿s i n ( a t + 庐) 式中，彳一位移幅值：一园频率：毋一初始相位。 两个以上频率不相同的简谐振动合成在一起，便形成一个复合振动，反过来， 任何周期振动又都可以分解成若干个简谐振动。傅里叶变换是进行这种分解的有 效工具。 旋转机械的振动信号都是周期性连续信号，汽轮机组振动专业习惯称这种信 号为通频信号。用f f t 分解后得到的一系列简谐信号中，与转动频率相同的简谐振 动具有特殊的意义，它被称之为一倍频振动，也有称之为工频、基频、选频、同 频或1 x 等。 频率为转速二分之一和两倍的简谐振动在旋转机械的振动分析也是较常用到 的，它们分别被简称为半频( 1 2 x ) 和倍频( 两倍频，2 x ) 振动。 低于工作转速频率的扳动，被称为低频振动；高于工作转速频率的振动，被 称为高频振动。它们可能是转动频率的整分数倍或整数倍，也可能不是。 2 1 2 振动位移、速度和加速度振幅的量度 - 5 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 简谐振动可以用位移、速度和加速度三种形式表示。 简谐振动位移的大小，用振幅4 ，表示，即最大位移到平衡位置之间的距离， 也称作单峰值；振动的波峰与波谷之间的垂直距离称作为峰峰值，表示为爿。 电厂习惯用“丝”或“道”表示振幅，1 毫米是1 0 0 丝，1 丝等于1 0 微米。在描述振 幅的大小时，如果不做特别的注明，所指振幅都是峰峰值，这是目前振动测量仪 器对位移振幅习惯的输出值。 同样，速度和加速度的振幅也可以用峰值或峰峰值来表示。 对于速度振幅，因为振动能量与速度的平方成正比例，所以更多地是使用均 方根值或称有效值，又称作振动烈度，单位是哪s 。 根据测量得到的振动速度一时间曲线，速度均方根值。由下式计算： 式： 。= 对于复合振动，速度均方根值可以按下式计算： = 以i 万i i 面= ( 2 1 ) ( 2 2 ) 3 0 0 0 r m i n 机组工作转速下简谐振动的速度均方根值和位移峰峰值的换算公 恤砒) “蒯9 2 2 现场振动测试 2 2 1 测试对象与内容 ( 2 3 ) 常规振动测试包含如下几个方面： 1 各主要轴承的瓦振。在条件容许的情况下，测试所有轴承的瓦振。 2 各主要轴承处的轴振( 相对轴振或绝对轴振) 。轴振测试还进行下面两项 内容： ( 1 ) 盘车状态： ( 2 ) 低转速( 4 0 0 5 0 0 r m i n ) 时的轴振。 ( 3 ) 间隙电压。 2 2 2 测点的选择与布置 首次冲转的新机组，需要设置尽可能多的测点，应该保证每个主轴承上至少 6 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 有一个速度或涡流传感器。 大修后开机的机组，应该首先保证过去振动大的轴承安置有传感器，对于本 次大修检修过的相关轴承，也应有传感器。如果发电机转子拔过护环，转子换过 叶片，接长轴重新进行过调整，则应该在发电机轴承或汽轮机相邻轴承上安放传 感器。 需要进行动平衡的机组，除了在要处理振动的轴瓦处设置测点，还应在相邻 轴承处加装测点。 存在特殊振动故障的机组，为判断故障原因、寻找解决途径，要进行专项的 测试和试验。这时应根据测试目的和试验要求，重点部位加装测点，充分利用测 振仪已有的通道。测点数量多比少好，记录数据多比少好。因为事先很难估计整 个处理的难易程度，较多的相关数据对问题的分析都可能会有帮助。 2 2 3 测试工况、内容与步骤 测试前还应该确定测试工况：升速、降速、3 0 0 0 r m i n 、超速、低负荷、变负 荷过程以及满负荷等；对运行的特殊要求有：升速率、暖机时间、真空、排气缸 温度、氢压、油温等以及测试步骤、试验安排的次序。 测试通常包括常规测试项目和特殊测试项目。 常规测试项目有以下内容： 1 升降速振动测试 升降速振动测试是机组在升降速过程对振动状况进行的测试和数据记录。它 可以确定轴系各阶临界转速，在某一特殊转速区段振动随转速的变化情况，确定 支撑系统和结构振动特性，共振等。对于可能存在动静碰摩的机组，升速试验往 往也是必需的。在逐渐升速过程观察振幅变化情况，特别是在临界转速之前。 有许多图形可以清楚显示振动如何随转速变化，如波特图、极坐标图、级联 图；轴心静态位置图可以显示轴心在轴承间隙圆内的位置是如何随转速变化的。 这些图形对分析转子振动状况、故障诊断和处理是非常有用的工具。 2 3 0 0 0 r m i n 定速时的测量 机组冲转升速到3 0 0 0 r m i n 时的振动状况是机组振动的基本而重要的数据，常 常以此作为平衡的基础数据。有一部分机组振动随温度变化显著，冷态启机刚到 3 0 0 0 r m i n 和数十分钟后的振动会不同。因此，需要注意3 0 0 0 r m i n , i 量值与定速 时间的关系。 机组在转速为3 0 0 0 r m i n 时一般测量记录较全的数据，包括各轴承垂直、水平 和轴向三个方向的振动，现有的全部轴振测点的数据。 3 满负荷和升负荷过程的振动测量 一7 东北大学硕士学住论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 满负荷时机组振动和3 0 0 0 r m i n 时的振动一样是重要的数据。机组绝大多数时 间是要在满负荷状态下运行的，相对来说，它比机组处于其它状态下的振动更为 重要，因此，保证这个状态下机组的振动是首要任务。如果几个重要工况点：过 临界转速、3 0 0 0 r m i n 、低负荷、满负荷的振动互有矛盾而无法全部顾及，则首先 要保证的还是满负荷时的振动，这是现场处理振动的一条基本原则。 多数机组满负荷时的振动基本是稳定的，可能会有些不显著的变化。通常用 最高值或平均值来衡定。如果随满负荷时间的延续振动持续不断增加以至超过允 许的标准或规定，则要进行振动处理。 3 0 0 0 r m i n 及其之后的升负荷过程、满负荷的振动测试，可以用趋势图来显示， 同时可以将发电机有功功率采集绘制在同一张图中，振动曲线清楚地表明振动随 时间和负荷的变化情况。 在对汽轮发电机组进行振动故障分析和诊断时，有时需要安排一些特殊的试 验项目，观察机组某些特定运行参数发生变化时振动是如何变化的，从中找出联 系，以便确定振动原因。 特殊试验项目有： 1 超速试验 现场例行考核危急保安器的超速试验最高转速是额定转速的1 1 0 1 1 2 ， 即3 3 0 0r m i n 3 3 6 0 r m i n ，有些机组的试验已经降到1 0 8 “0 ，对应转速 是3 2 4 0 r m i n 3 3 0 0r r a i n 。利用超速试验过程，可以对机组进行和转速相关的振 动测试和有关的诊断性试验，如判断机组是否存在结构共振或转动部件松动及有 无临界转速等。 2 变真空试验 真空影响到轴承座的标高，缸体的变形，通流部分径向间隙。真空度的提高 使得缸体在外界大气压的作用下要下沉，进而影响到以缸体为基础的轴承座的垂 直位置。改变真空的同时，测试缸体在垂直方向上的绝对位移和轴颈在轴承中的 静态位置，可以协助进行多项故障的分析与判断。 3 。变油温试验 变油温试验主要可以用来判断轴承油膜失稳。 油温提高后油粘度降低，轴颈的偏心率增大，如果因此使得转予原本存在的 失稳消失，可以判断这种失稳很可能是油膜失稳。现场运行中，运行人员还常常 利用改变油温的方法来控制振动的大小。从理论上讲，轴颈位置改变所造成的油 膜刚度和阻尼的变化也应该影响到轴颈的工频振动，但规律性不强，因此，一般 不能从变油温试验中得到更多的结论。 4 变调门开启次序试验 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 对于高压转子的失稳，在确定主要原因是来自轴承、汽封，还是由于进汽使 转子上浮所致，进行改变调门开启次序的试验是一项有效的判别方法。目前先进 的大型机组改变调门的开启次序已无须再变动结构，只需改变控制系统的设置即 可。 为判断是否是发电机一励磁机振动，常常需要进行如下一些试验： 1 变励磁电流试验； 2 变氢压试验； 3 变有功无功试验。 上述试验是在机组结构不做变动，仅改变运行参数下进行的。还有一些专项 试验，需要对机组局部结构略作变动，这应该算作处理方案实施过程中的试探性 试验。如： ( 1 ) 变轴承结构参数试验； ( 2 ) 变支撑刚度试验； ( 3 ) 支撑刚度激振试验； ( 4 ) 改变轴承标高试验。 2 3 振动数据分析方法 2 3 1 频谱分析 有限离散傅里叶变换可以计算信号的频谱、功率谱以及解决其它方面的问 题。但是，当离散的点数比较多时，计算的工作量太大，无法广泛应用。1 9 6 5 年， g o o l e y 和t u k e y 提出了快速傅里叶变换算法，即f f r ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ， 大大减少了计算量，使具体计算有限傅里叶变换成为可能。此后，f f t 成为信号 数字处理的十分有效的工具。3 。 2 。3 2 信号的幅值域分析 最基本的信号特征的分析是计算信号的幅值域参数 均值、均方根值等。对于长度为t 的连续信号j ( r ) ，有 均值 工= 手p c ，出 均方根值 j ，m 。= 对于信号x ( f ) 采样后得到的一组离散数据五，x 2 ， 9 包括最大值、最小值、 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 东北大学硕士学住论文g _ - 章机组振动测试、分析与故障诊断技术 均值 最大值 最小值 均方根值 ：上争五 ( 2 6 ) 智 x 一= m a x l x i ) ( i = 1 ，2 ，) x = m i n ix 1 ) ( i = 1 ，2 ，) k 隔1 2 j 2 3 3 信号的相关分析 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 相关分析是研究信号之间关联程度的分析，相关分析多用于对于随机信号的处理， 旋转机械振动信号大多数是确定性周期信号，相关分析较少采用。 2 3 4 频响函数分析及应用 对机组进行结构共振分析时，需要知道机组构件与转轴转动之间随转速变化 的关系，这种传递关系可以用频响函数来研究。常常采用锤击法测量结构的频响 函数日l ，_ ) 。 知道h ( 厂) 后，可以判断机组结构系统是否存在共振。这项判断的难点在于需 要有足够大的力的输入以激起足够大的响应。 频响函数还用在轴承油膜动特性试验测定中。 2 3 5 倒频谱分析 倒频谱分析的目的是寻找频谱中的周期成分。 利用倒频谱可以精确地量度功率谱中的谐振频率和边带频率，倒频谱用一个 量值即可以代表了谐振和边带的全部功率，这在分析滚动轴承的故障时是很有用 的。 2 3 6 小波分析 傅里叶变换适用于平稳信号，不适合于非平稳时变信号的处理。 加窗傅里叶变换一定的局限性。 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ) 发展了加窗傅里叶变换的时域局部化 思想，窗口宽随频率的增高而缩小，保持高频信号仍具有较高的分辨率。小波变 1 0 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 换适当离散化之后可构成标准的正交系。 小波变换是一种多分辨率的信号处理技术。它利用一系列不同尺度的基函数 对信号进行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段，通过母小波的伸缩与 平移而得到。 2 4 稳态数据和瞬态数据的特征图形 机组转速不变，运行参数不断变化时，振动测量得到的数据称为稳态数据。 启动升速或停机降速过程的振动的数据，称之为瞬态数据。 2 4 1 瞬态数据的特征图形 1 波特图 波特图是表示振动幅值、相位随转速变化的图形。图形的横坐标是转速，纵 坐标有两个，一个是振幅峰峰值，一个是相位。每个图上有两条曲线，分别表示 了该测点振幅、相位随转速是如何变化的，或称作幅频、相频特性。图2 1 是某 台机组升速过程从零到3 0 0 0 r m i n # 5 轴承垂直振动波特图。 2 7 ( 3 3 6 0 9 0 1 b 口 -；j i ；l i ；一卅i ， ? 叫 iil l i ! 瓣 ：；i 。；l ； 、 ； f ； 兰 ； 莹 ； ：；厂n ； ： ：i i ；k ；i ；i 圣h 呐 m 扣 i ； 文 _ 一 一 j ， 5 口010 0 01 5 u o2 0 0 02 5 0 03 0 0 0 转速s p e e d ( r m i n ) 图2 1 波特图 f i g 2 1b o d ef i g u r e 波特图用来确定： ( 1 ) 临界转速； ( 2 ) 共振放大因子a f ：两种计量法：半功率带宽法和幅值比率法 ( 3 ) 分析转子不平衡质量所处的轴向位置不平衡振型阶数： ( 4 ) 结构共振分析： 1 1 。里掣霉 言iil一山=掣馨一 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 ( 5 ) 动静碰摩分析。 2 轴心静态轨迹 当转子不转动时，它应该坐落在轴承内孔的底部，转子转动后，由于油楔的 动压作用，转子要上抬。随转速的升高，油膜产生的向上的作用力增加，轴心的 位置会画出一条向上的连续曲线来，这就是轴心静态轨迹，如图2 2 所示。 轴心静态轨迹图给出了轴颈在轴承中的位置，它是诊断的有用工具，用它可 以确定转子的下列情况： ( 1 ) 送高压项轴油后轴颈浮起量。可以用来确定项轴油泵、油路是否正常。 ( 2 ) 转速升高过程以及3 0 0 0 r m i n 定速后轴颈在轴承中的位置。将轴心轨迹和 正常情况下的进行比较，可以知道当前的转子是否受到不正常的约束力作用，判 断轴瓦是否异常。 ( 3 ) 支承状况变化时对轴颈静态位置的影响。支承状况变化较多是由于温度变 化引起的标高变化，进而引起轴颈相对轴承的静态位置的变化。 ( 4 ) 缸体左右位置变化引起轴承相对轴颈位置的变化。判断缸体跑偏，缸体受 到侧向推力，轴承座在台板上滑动不良等缺陷。 ( 5 ) 油膜状况的变化。发生油膜失稳时，轴颈在轴承中应该处于小偏心的位置。 根据轴心静态轨迹以及油温、油压等相应参数的比较，可以确定轴颈偏心率的变 化是否是油膜变化所致。 ( 6 ) 外部作用力，如汽流激振力等。转子发生汽流激振时，一个可能的原因是 汽门的开启次序使得转子受到额外的向上的作用力，轴颈在轴承中向小偏心方向 移动，抑制失稳的能力降低，进而发生失稳。在判断失稳是否出自这一原因时， 轴心静态轨迹是有用的。 ( 7 ) 判断瓦温升高的原因。通常情况，瓦温的升高意昧着轴颈距离轴瓦面的接 近，这种变化在轴心静态轨迹图中也很容易看到。 轴心静态轨迹的测试是利用涡流传感器的间隙电压，且必须用两个涡流传感 器才能得到。如果受条件限制，一个平面只有一个传感器，虽然不能得到两维轨 迹图，但可以得到轨迹在传感器方向的位移变化，这个单一量在许多情况下也是 有用的。例如，利用垂直安装的涡流传感器可以测得轴颈在轴承中垂直方向上的 变化，同样可以用来判断轴承标高、外部激振力、顶轴油压等造成的轴颈位置的 变化。 3 轴心动态轨迹 对应一定的转速，转轴在支承轴承中的工作点位置，即静态工作点是一定的。 由于振动，转轴中心会围绕着这个工作点做周期运动形成动态运动轨迹，如图2 5 所示。图中的大圆弧是轴颈的静态轨迹，转速为零时，轴颈中心在a l ，随转速的 1 2 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 增加，轴颈向左上方浮起，转速越高，上浮量越大。对应一定的转速，轴颈中心 的平均位置是固定的，同时轴颈中心还要围绕着这个平均位置作涡动，涡动轨迹 就是动态轨迹。如果这个涡动是转子不平衡质量造成的同步涡动，轨迹即如图2 2 中所示的椭圆形。 轴心动态轨迹图形可以提供下列信息： ( 1 ) 振幅( 垂直、水平方向) ： ( 2 ) 绝对相位( 垂直、水平方向) ； ( 3 ) 相对相位； ( 4 ) 相对( 于工频的) 振动频率比； ( 5 ) 进动方向； ( 6 ) 振型。 i ) 。o 了 图2 2 轴心轨迹图 f i g 2 2s h a f tc e n t e r l i n ep l o t 不同的振动故障会呈现不同的动态轨迹。因而，轴心轨迹可以用来进行故障 诊断。 测量轴心轨迹必须在一个平面内互相垂直安装两个涡流传感器。 2 4 2 稳态数据的特征图形 1 频谱图 对时域波形进行频谱分析可以得到信号中所含各谐振分量的频率和幅值。以 频率为横坐标，以振幅为纵坐标，将分析结果绘制在图上即可得到频谱图。频谱 图是目前进行故障分析和诊断的最普遍使用的图形，从中可以得到有关信号所含 频率成分的重要信息。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 言 三 吕 昌 j 善 靼 馨 b 0 4 0 2 0 05 010 015 02 口a 频率f r e q u e n c y ( h z ) 图2 3 频谱图 f i g 2 3s p e c t r u mp l o t 还有三种连续的三维频谱图：瀑布图、级联图和全频谱级联图。 2 瀑布图 用某一测点在一段时间内连续测得的一组频谱图顺序组成的三维谱图是瀑布 q5 01 1 2 q 口 频率f r e q e n c y ( h z ) 图2 4 瀑布图 p i g 2 4w a t e r f a l lp l o t 名 言 1 一 苫 咎 嘲 啦 图，一般情况是在相同转速下测得的。图的z 轴是时间轴，相同频率的谱线和z 轴 应该是平行的，从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间如何变化的，对分 析定转速下出现的动静碰摩、热弯曲、电磁激振、汽流激振等故障是很有用的。 3 级联图 级联图是转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图。 它的z 轴是转速，工频和各个倍频及分频的轴线在图中应该是倾斜的直线。 在分析振幅与转速有关的故障时用级联图是很直观的。这类最典型的故障是 1 4 东北大学硕士学位论文第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 油膜涡动和油膜振荡，图2 5 显示的是发生这种故障时的的级联图。 级联图在进行扭振固有频率测试的数据分析中要用到。 5 0i i5 n 频率f r e q u e n c y ( h z ) 图2 5 级联图 f i g 2 5c a s c a d ep l o t 2 0 0 4 趋势图 趋势图用来记录、显示振动或其它过程参数是如何随时间变化的，这种图形以 时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。图2 6 给出了某测点振动通频、 一倍频振幅随时间变化情况。 1 5 ：4 515 ：5 51 8 ：0 5 ： ： ： ：l= !；：_= j ； ：_= ； ：i = !j ： ： ： = ：-_= ： ：，： _ 二j ；一；， ：_= o 时、t 。中- _ = 一疆一 ：i ：i = ：l= 己 ；建 l 蟪燃 b 扎 歉山龇 肭甜舳蝴圳灿w “蛾 。 。 。_ 。 j - _ 十- - ，j 15 ：4 515 ：5 51 6 ：0 5 图2 6 趋势图 f ig 2 6t r e n dp l o t 1 5 - 口0 0 0 0 0 口0 0 d 0 g伯玎拍5 4 3 2 ， 一。一o一岫们vi富掣罂 言=基，旨一山=捌罂 东北大学硕士学位论文 第二章机组振动测试、分