（电力系统及其自动化专业论文）汽轮发电机组振动在线监测和故障诊断方法研究.pdf

幽华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fr e a lt i m em o n i t o ra n df a u l t d i a g n o s i s o fs t e a mt u r b i n eg e n e r a t o r s e t s v i b r a t i o n s p e c i a l i t yo fe l e c t r i c i t ys y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n m a s t e r ： z h e n gg a o t u t o r ：d a iy u s o n gz h a n gb i d e a b s t r a c t t h er e a lt i m em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fs t e a mt u r b i n eg e n e r a t o r s e ti soneo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c t so fm o d e me l e c t r i c i t ys y s t e m ，s t a t i s t i c s s h o w st h a t8 0 o fi t sf a u l ti sv i b r a t i o nf a u l ta n dl o t so fc a s u a l t i e sa r ec o n n e c t e d w i t hs e t sh e a v yv i b r a t i o n t h er e s e a r c ho fr e a lt i m em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i so f s t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rs e t sv i b r a t i o ni sar e a la n dt h e o r e t i c a lw o r k i nt h i sp a p e r ，as y s t e mo fr e a lt i m em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i so fs t e a mt u r b i n e g e n e r a t o rs e t sv i b r a t i o ni sd e v e l o p e d ，am e t h o do fd a t aa c q u i s i t i o nt h r o u g he p p ( e x t e n d e dp a r a l l e lp o r t ) c o n t r o l l e db yc p l di sm e n t i o n e d ，i tc a na c q u i r et h es i g n a l o fv e l o c i t ya n dv i b r a t i o no ft h es t e a mt u r b i n eg e n e r a t o r ss e t sr o t o rr e a lt i m ea n d k e e p sr e l a t i v e l yh i g hs p e e d ，m o r e o v e r , i ti sv e r yc o n v e n i e n ti nf i x i n ga n du s i n g ，a n d i t a c c o m p l i s hah i g h e rs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n dm a k ei te a s yt od e s i g nt h e a p p l i c a t i o np r o g r a m t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h et h e o r e mo fv i b r a t i o nm o n i t o r a n df a u l td i a g n o s i so fs t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rs e t ，t h ea n a l y s i sm e t h o d st ov i b r a t i o n s i g n a la r ea l s od e e p l yr e s e a r c h e d ，f u z z yt h e o r yc o n n e c t e dw i t hn e u r a ln e t w o r ki s u s e di nt h es y s t e m t h es o f t w a r ec o r r e s p o n d i n gt ot h eh a r d w a r ea n df a u l td i a g n o s i s h a sb e e nd e s i g n e d 西华大学硕士学位论文 k e y w o r d ：s t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rs e t ，f a u l td i a g n o s i s ，f u z z yt h e o r y , n e u r a l n e t w o r k i i i 西华大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 汽轮发电机组的振动故障诊断研究的意义 汽轮发电机组是电力工业中的关键设备，其结构复杂，各部件之间的联系 紧密，在生产过程中形成了一个整体。如果其中任何一台设备或一个零件发生 故障，就可能引起链式反应，导致整个设备甚至整个生产过程都不能正常运行。 近年来，因汽轮发电机组关键设备的故障而引起的灾难性事故时有发生，如 1 9 7 2 年日本关西电力公司海南电厂3 号6 0 0 m w 汽轮发电机组和1 9 8 8 年中国 秦岭电厂的2 0 0 m w 汽轮发电机组的断轴毁机事件等，造成了严重的人员伤亡 和巨大的经济损失。如果配置了故障诊断系统，则能减少事故与停机率，产生 巨大的经济与社会效益。美国一公司的统计资料表明，该公司在应用了故障诊 断技术以后，每年可节约维修费2 2 一3 0 ，与振动有关的故障减少6 2 ，主 设备的大修周期从3 年延长到了7 - 8 年：日本1 9 8 3 年采用故障监测系统后， 检修费用减少3 5 ；我国1 9 8 2 年的设备检修费为1 0 亿元，如果也能节省3 0 ， 则每年可节省3 亿元，再加上由此而提高的设备利用率，带来的经济效益就很 可观”。 据统计，在汽轮发电机组发生的故障之中，由振动引起的故障约占总故障 数的8 0 ，很多事故都与机组的强烈振动有直接关系1 2 】 3 1 。振动特征是设备 运行状态好坏的重要标志，振动信号蕴含了丰富的设备异常或故障的信息。因 此，振动测试是汽轮发电机组状态信号采集的基本测试手段。 1 2 汽轮发电机组故障诊断技术的发展历史及国内外现状 在五十年代以前，人们通常采用原始的检测手段，凭借经验处理汽轮发电 机组设备的故障问题。在五十年代后期，由于非接触传感器及其它传感技术的 发展，开始了各种检测方法及仪器的研究，并着手研究机组设备的故障机理、 诊断理论和方法。真正意义上的诊断技术产生于2 0 世纪6 0 年代，美国在汽 轮发电机组故障诊断研究方面取得了一系列有特色的成果。到了七十年代， 以美国为首的发达国家己开始采用各种固定安装的监视仪和便携式仪器对机 组运行状况进行监测和分析，并开始实现了对设备零部件的诊断。七卜年代后 期，多参量综合监测与故障诊断系统的研制已经达到了工程应用阶段，计算机 技术也开始直接应用在离线分析和长期连续监视及故障诊断中。8 0 年代初期， 西华大学硕士学位论文 随着计算机技术的发展，国外率先研制出各种便携式振动数据采集分析系统， 应用于无需在线做机组故障监测的场合。具有代表性的有美国西屋公司的“可 移动诊断中心”，德国s c h e n c h 公司的v s t 1 4 数据采集分析系统，日本的 r i o n s a - - 7 7 和英国d 1 ，p l 3 数据采集分析仪。在这一时期，一些先进的工业 国家还相继推出了汽轮发电机组在线状态监测系统。具有代表性有美国b e n t l y n e v a d a 公司的d d m 、t d m 和p d m 系统。这些系统广泛应用了多微机处理技 术，能独立承担各种大型机组的连续在线状态监测及故障诊断任务。进入9 0 年代，随着计算机硬件、软件、网络技术以及虚拟仪器技术的发展，出现了计 算机网络化的机械设各在线状态监测系统，实现了远程实时监测。著名的有美 国西屋公司( w e s t h o u s e ) 研制的网络化汽轮发电机组智能化故障诊断专家系 统，英国巾心发电部的“汽轮机组监测设备( t s e ) ”和“试验设备监钡, u c r e s t e q u i p m e n tm o n i t o r i n g ，t e m ) ”，日本三菱公司的“旋转机械健康监视系统 ( m h m ) ”，荷兰菲利浦公司的r m s 7 0 0 系列t s i 等。 我国对汽轮发电机组故障诊断技术的研究和开发是从2 0 世纪7 0 年代末开 始的。国内许多高等院校、科研机构及工矿企业都致力于机组状态监测和诊断 系统的研究，取得了一些成果，特别是在理论、方法上的研究和探索有了较大 的进展。目前，在国内己形成了十多个水平较高，有一定规模的诊断技术研究 中心，如西安交通大学，哈尔滨工业大学，清华大学，浙江大学，上海交通大 学，华中理工大学，东南大学等单位的诊断技术研究机构。但实用的产品化系 统还发展不够，从仪器的功能和性能上看，国内产品的功能简单、价格低廉， 离多参量的综合监测、数据分析、信息管理、故障诊断集一体的高性能完善系 统尚有较大差距，大多适用于一些非重要设备的周期性监测上。目前，我国大 型汽轮发电机组的监测诊断系统都依赖进口，每年要花费大量外汇，发展我国 自己的一整套机组状态监测与故障诊断系统己刻不容缓。 1 3 汽轮机发电机组故障诊断的内容【5 1 i ，状态监测 汽轮发电机组状态监测的任务是了解和掌握机组的状态，采用各种检 测、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，评 估、判断并显示、记录机组运行状态，对异常状态做出报警，为机组的 2 西华大学硕士学位论文 故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 2 故障诊断 故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合己知的结构物 性、参数、环境条件以及机组运行历史，对机组的故障进行预报和分析、 判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展 的趋势及其后果，并提出对策措施加以实施，最终使机组复原到正常状态。 3 指导机组的管理和维修。 根据机组的当前状态和变化趋势，给用户提供机组的最优运行方式、 维修时间和维修方式等方面的维修策略，使机组复原到正常状态。机组的 管理和维修方式的发展经历了三个阶段： 1 ) 事后维修方式( r u n t o - b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ) 事后维修方式即机组一直运行到发生故障而无法继续使用时才 进行维修，它是在早期技术水平不高的情况下采用的被动检修方式。 目前，这种维护方式己基本淘汰。 2 )定期预防维修方式( t i m e b a s e d p r e v e n t i r em a i n t e n a n c e ) 工厂定期对机组进行拆卸检修，检查各关键部位，并按照规范更 换某些零部件。这种检修方法可以预防事故的发生，但可能出现过剩 维修或不足维修的弊病，而且会引起“初期故障”。 3 )视情维修( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 这是种预测维修方式，基于对机组运行状态的掌握，直到机器 状态表明必须进行维修时才停机检修。能对故障进行早期预防，避免 突发性事故造成的重大损失，比前两种方式更科学、更合理。要做到 视情维修，有赖于完善的状态监测和故障诊断技术的发展和实施。它 的主要功能有：对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故 障，对机组的运行进行必要的指导；保证机组发挥最大的设计能力， 制定合理的检测维修制度，延长设备的服役期限和使用寿命，降低机 组全寿命周期费用；通过检测监视、故障分析、性能评估等，为机组 结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。 1 4 汽轮发电机组故障诊断的关键技术吲7 1 3 西华大学硕士学位论文 1 4 1 信号采集与信号分析 1 传感器技术【8 】 在汽轮发电机组的故障诊断系统中，要求传感器能适应高温、高压、 高转速和高应力的工作环境。目前对传感器的研究，主要是提高传感器性 能的可靠性，开发新型传感器以及如何诊断传感器故障，以减少误诊率和 漏诊率方面的问题。 2 信号分析与处理1 9 l 在汽轮机故障诊断的信号分析与处理领域中，最主要的是对振动信号 的分析与处理。大多采用快速傅立叶变换( f f t ) ，f f r 适用于平稳信号 的情况。但分析与处理非线形、非平稳信号的方法有变时基h 可、短时基 f f t 、时一频分析、w i n g e r 变换、小波变换、全息谱分析、延时嵌陷分析 和信号的分维数计算等。 1 4 2 故障机理 1 0 1 目前，对汽轮发电机组的故障机理的研究主要从故障规律、故障征兆和故 障模型等方面的研究。汽轮发电机组的故障机理研究是从振动信号中提取故障 征兆，从而建立起故障征兆与故障集合之间的映射关系。 1 4 3 诊断策略【1 1 1 如何根据检测到的故障特征来诊断出机组的故障是一个人们很关心的问 题，即诊断策略问题。常用的诊断策略有对比诊断、逻辑诊断、统计诊断、模 式识别和专家系统、人工神经网络、数据挖掘、遗传算法、模糊诊断和基于粗 糙集理论的诊断等人工智能诊断方法。 1 4 4 诊断方法【“l 在汽轮机故障诊断领域中，主要的诊断方法有振动诊断法、噪声诊断法、 热力学诊断法、红外诊断法、声发射诊断法和无损检测诊断法等。振动是汽轮 发电机组的主要特征信号，振动诊断法是汽轮发电机组故障诊断的常用方法。 4 西华大学硕士学位论文 1 5 本文研究的主要内容 本课题研究内容为汽轮发电机组振动监测和故障诊断方法，分为硬件与软 件两个部分内容。 硬件部分主要有振动传感器、数据采集卡等。数据采集卡为1 5 通道，在 线采集汽轮发电机组转子的转速与振动量，经过信号调理电路将之放大、滤波、 通过a d 转换器将模拟量转换为数字量，再将数据通过并1 ：3 送入计算机进行 故障诊断。 软件部分包括采样控制、信号分析、振动故障诊断、报警和事故追忆以及 数据管理软件5 部分，来实现实时在线采样、实时在线信号分析、振动故障诊 断和超限报警，事故追忆等功能。 本文开发了一套实用的汽轮发电机组振动在线监测和故障诊断系统，并对 模糊神经网络在汽轮发电机组振动在线监测和故障诊断系统中的应用做了深 入的研究。 5 西华大学硕士学位论文 第二章汽轮发电机组的振动及其测试方法 2 1 振动监测系统的监测对象简介 1 3 1 振动监测系统的监测对象是汽轮发电枫组，它是由汽轮机、发电机、 励磁机三大部份组成，如图2 - 1 所示。在运行过程中，由于转子质量不平衡、 转子动静部件碰磨、转子轴不对中、转子轴承松动、油膜涡动与油膜振荡和转 子裂纹等原因，会使转子轴产生剧烈振动，从而影响机组的正常运行。因此， 对转子轴的振动特性进行分析，就能对常见的机组故障做出判断。 监测系统所监测的轴瓦产生的相关信号有1 5 个。 1 振动信号1 2 个 在每个轴瓦处安装一个测点，每个测点有相互垂直的x 、y 两个径向 电涡流传感器( 图2 - 1 中的z l x ，z l y , z 2 x ，z 2 y , z 3 x ，z 3 y ，z 4 x ，z 4 y ，z 5 x ，z 5 y , z 6 x 和z 6 y ) ，即可测得转予六个轴瓦处轴径向的1 2 个振动位移信号。 2 键相位( 转速) 信号一个 汽轮发电机组的三部份同轴，中间用法兰盘相连接，无减速或增速装 置，因此机组只须设置一个键相位( 转速) 测点( 图2 - 1 中的p 1 ) ，该信号 作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基准。 3 轴向位移信号一个 该信号表示轴瓦在纵向的相对与支撑点的位移( 图2 - 1 中p 2 测点) 。 4 差胀信号一个 机组上己安装有监测传感器，差胀信号可直接得到( 图中未标出) 。 j 丙耐叫 脑司一 匮雅 ，2 ，凹l j 霸瑚l 弧。瑚l 鼍蚓 f i g u r e2 - 1 s t e a mt u r b i n ee l e c t r i c a lg e n e r a t o r s s t r u c t u r ea n dp l a c e m e n to f m o n i t o rs p o t 图2 - 1 汽轮发电机组的结构与测点布置 2 2 汽轮发电机组的振动方程【1 4 1 1 1 5 机器在运转中其零部件由于受到各种外力( 例如重力、离心力、配合力、 6 西华大学硕士学位论义 流体力、摩擦力、热应力等) 的作用而使机器产生运动响应，就出现机械振动。 发生振动的机器或其零部件在振动激励和响应之间有着一定的状态关系。 对于线性系统，可用如下的微分方程来表示： m a + c v + k x = f ( of 2 - 1 ) 式中：m 是质量，m a 为惯性力； c 是阻尼，cv 为阻尼力： k 是刚度，k x 为弹性力： x = a s i n c o t ，是振动系统的位移： y = i d x = c o a s i n ( c o t + 詈) ，是振动系统速度： “二 2 ， = 兰要= 0 3 2 a s i n ( c o t + j r ) ，是振动系统加速度： a t 一 ，是作用力； 对于多自由度系统，以上各量均为矩阵形式。 线性系统的振动质量不随时间而变化，即惯性力与加速度成正比，阻尼 力与速度成正比，弹性力与位移成正比。在线性系统中，简谐振动的频率与激 振频率相同，与振i 幅大小无关；线性系统可用叠加原理( 即系统在多个激振力 作用下的响应可认为是各个激振力单独作用下系统响应的叠加) 来处理问题。 剥于非线性系统，可用如下的微分方程表示： m a + f ( v ，x ，f ) = 0( 2 - 2 ) 实际上振动系统的弹性力与阻尼力并不完全符合线性模型，但在振幅不大 的情况下，完全可以用线性化处理问题，不影响结果的准确性。干摩擦、材料 内部摩擦阻尼、油膜振荡以及大振幅等情况属于非线性振动问题，其固有频率 随振幅大小而变化；在简谐力作用下其受迫振动不一定是简谐振动，口向应波形 中有0 3 ( c o 为激振频率) 成分、n o ) 成分，还可能有w n 成分伍为正整数) 。 实际上机器的振动问题通常不完全采用数学方法来解决，人们还结合仪器 测量进行测试分析，可为机器故障诊断提供强有力的手段。 2 3 常用的汽轮发电机组振动信号的分析方法 2 3 1 动态信号分析的主要内容【“l i ”】 7 西华大学硕士学位论文 在工程实际应用中，信号处理是提取故障特征信息的主要手段，而故障特 征信息则是进一步诊断设备故障原因并采取防治对策的依据。动态信号中蕴含 着设备的状态变化和故障特征的丰富信息，动态信号往往是由很多幅值、频率、 相位关系各不想同的波形混合叠加而成，表现为简谐的、周期的、瞬态的、随 机的等多种形式。从时域波形上可以得到幅值、周期等一些信息，但往往十分 有限和不够。为了分解复合信号内各种频率成分有效量，需要对信号进行加工 处理，提取与设备运行状态有关的特征信息。 动态信号的处理方法有时间域分析、频率域分析、幅值域分析以及时差域 分析、转速域和倒频域分析等。这些处理是在不同域上对信号加以分析，并不 增加或减少信号中的任何成分a 从信号分析的基本方法及功能来看，可将信号 分析的主要内容概括如下。 1 时域分析 时域分析是针对信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序的。包括以 时间为变量的各种函数或图形，如瞬态记录、时域平均、轴心轨迹、自相 关函数、互相关函数等。 2 幅域分析 在幅值域分析中，各种幅域参数可用样本时间波形来计算，但忽略了 时间顺序的影响，所以数据的任意排列所计算的结果是一样的。包括概率 密度及概率分布函数、均值计算、方差和峭度计算等。 3 频域分析 频域分析是汽轮发电机组故障诊断中应用最广泛的信号处理方法之 一，频谱分析的目的足把复杂的信号经过傅立叶变换、小波变换等方式分 解成为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各个谐波 的幅值和相位信息。傅立叶分析方法物理意义明确，处理速度快，在诊断 系统中应用最广泛，而其它信号处理方法的应用仍处于实验研究阶段。傅 立叶变换包括幅值谱分析、相位谱分析和功率谱分析。它的描述方式有： 傅立叶正、逆变换，自功率谱和互功率谱，细化f f t 技术，窗函数加权， 三维坐标图和倍频程分析等。 4 传递特性分析 传递函数、相干函数、模拟分析等。 8 西华大学硕士学位论文 除此之外，信号分析单元还有很多运算功能，如时间函数的相加或相减、 谱函数的相减或相除、时域或频域的积分和微分等。 2 3 2 汽轮发电机组常用的信号处理图形 1 8 1 从电涡流式传感器中获得的振动信号经过波形分析、频谱分析、轴心轨迹 分析以及其它形式的信号处理等方法，可以提取反映设备状态的信息，对机器 进行状态监测和故障诊断。用于分析瞬态信号和稳态信号的信号处理图形有很 多，有波形图、轴心轨迹图、波德图、极坐标图以及三维谱阵图等。 1 波形图 振动波形图由振动传感器经信号放大后送入示波器即可观察。从波形 图上可测量到振动的幅值、频率、相位和波形变化；利用双踪示波器可测 得转子的进动方向。这些数据有利于振因分析、振动机理的研究。 2 波德! 酮( b o d e l 波德图是描述某一频带下振幅和相位随频率的变化而变化的两组曲 线，以频率为横坐标，以幅值和相位为纵坐标，幅值和相位一般用f f t 法计算，也可用滤波法得到。从波德图上可以得到： l 、转子系统的临界转速。 2 ) 转子系统在各种转速下的振幅和相位。 3 、系统的阻尼大小。 4 ) 转子振型。 5 ) 转子系统的共振放大系数。 由这些数据可获得有关转子平衡状况和振动体刚度阻尼特性的动态 数据。 3 轴心轨迹图 也称李莎茹图形，转子轴颈在高速旋转时由于受到外力作用，不能稳 定地围绕自身巾心旋转，而是环绕某一中心作涡动运动。跟踪轴心轨迹是 在一组瞬态信号中，相隔一定的时间间隔，对转子的轴心轨迹进行测量的 一种方法。 4 极坐标图 极坐标图实质上就是振动向量图，也称为奈奎斯特图，但严格来说二 q 西华大学硕士学位论文 者有差别，前者是按实际响应的幅值相位来绘制的，而后者是按机械导纳 来绘制的。 + 1 ) 利用极坐标图上每一种转速所对应的矢量位置( 幅值和相位) ，可 以找到转子上不平衡质量的方位，对转子动平衡提供了很多方便。 2 ) 转子以外的元件的振动会对转子产生谐振作用，随着转速变化， 在极坐标图上将出现一个个干扰小圆圈，而在波德图上就难辨别出这些干 扰信号。 3 ) 机器在任何转速下都存在轴的弯曲，在极坐标图上能很清楚的区 分振动信号所包含的弯曲轴转动时的振动幅值和转轴本身的振动幅值。 4 ) 同一转速时，在转予轴向的几个截面上用极坐标图同时观察，可 以看到转予工作时的空间振型。同样，各个转速下转子的振型也就看得很 清楚。 5 三维谱阵图 三维转速谱阵图又称为级连图、瀑布图，其水平轴为频率，( 或n ) ， 垂直轴为转速，铅直轴为谱值。表现了振动体在各种转速下的频谱变化， 显示出在某转速下发生了某个频率成分的幅值升高、降低或有突变过程， 常用来表达机器振动的骤变过程或启动停车过程中各频率成分的幅值变 化，可以判断机器的临界转速、振动原因以及系统的阻尼情况。可由频谱 分析仪或信号处理装置直接显示出来。 2 4 汽轮发电机组振动故障及征兆【1 9 】1 2 0 l 2 1 1 2 2 l 常见的汽轮发电机组振动故障有：转子质量不平衡故障、动静碰磨故障、 转子轴不对中故障、轴瓦松动故障、油膜涡动与油膜振荡故障和转子裂纹故障 等【2 3 l 。 1 转子质量不平衡故障及征兆 由转子原始质量不平衡、转予热不平衡、转子初始弯曲、旋转部件脱 落以及转子部件结垢等原因引起的转子质量不平衡是汽轮发电机组最为 常见的故障。 1 1 转予原始质量不平衡故障的征兆 振动方向为径向，振动稳定。 】0 西华大学硕士学位论文 时域征兆 a 时域波形近似为正弦波。 b 在一定转速下，振动的振幅和相位变化很小。 频谱征兆 a 一倍频振动大。 b 有振幅较小且呈递减的高次谐波。 轴心运动轨迹征兆 a 转子正向迸动。 b 轴心轨迹为圆形或椭圆形。 2 1 转予初始弯曲故障及征兆 振动方向为径向，初始弯曲的转子在启动时振动较明显。 时域征兆 a 波形为正弦波。 b 在一定转速下，振动的振幅和相位变化很小。 c 相位稳定。 频谱征兆 a 一倍频振动大。 b 有振幅较小且呈递减的高次谐波，整个频谱呈“枞树形”。 轴心运动轨迹征兆： a 转子正向进动。 b 轴心轨迹为圆形或椭圆形。 3 ) 转子热不平衡故障及征兆 振动方向为径向，振动逐渐增大。 时域征兆 a 时波形近似为正弦波。 b 振动的幅值和相位随负荷发生变化。 c 在一定负荷下，振动的幅值和相位随时间发生变化。 频谱征兆 a 一倍频振动大。 b 有振幅较小且呈递减的高次谐波，整个频谱呈“枞树形”。 1 1 两华大学硕士学位论文 轴心运动轨迹征兆 a 转子正向进动。 b 轴心轨迹为圆形或椭圆形。 4 ) 旋转部什脱落故障及征兆 振动方向为径向，振动突发性增大后稳定。 时域征兆 a 时波形近似为正弦波。 b 转子部件在脱落瞬间，振动的幅值和相位突然发生变化。 c 转子部件脱落一段时间后，振动的幅值和相位趋于稳定。 频谱征兆 部件脱落后： a 倍频振动大。 b 。有振幅较小且呈递减的高次谐波，整个频谱呈“枞树形”。 轴心运动轨迹征兆 a 转子正向进动。 b 轴心轨迹为圆形或椭圆形。 5 ) 转子部件结垢故障及征兆 振动方向为径向，振动逐渐增大。 时域征兆 a 时波形近似为正弦波。 b 振动的振幅和相位随时问发生的变化极为缓慢。 频谱征兆 a 倍频振动大。 b 有振幅较小且呈递减的高次谐波。 轴心运动轨迹征兆 a 转子正向进动。 b 轴心轨迹为圆形或椭圆形。 2 动静碰磨故障及征兆 汽轮机在运行过程中，由于装配不良、转子不平衡量过大、机械松动、 轴弯曲或零部件缺损等原因可能导致动静部件之间发生磨擦。振动方向为 1 2 西华大学硕士学位论文 径向。 1 ) 时域征兆 有削波现象。 振动有时会随时间发生缓慢变化。 2 ) 频谱征兆 既有i r 、2 ，r 、3 i t 、4 ，r 成分，又有大于5 ，r 的高频成分( a 为基频率) 。 有( o - o 3 9 ) ，r 、( 0 4 0 4 9 ) i r 、0 s i r 和( o 5 1 , 4 3 9 9 ) f r 的低频 成分。 ( o 加3 9 ) f r 、( o 4 0 4 9 ) f r 、o s rn ( o 5 1 - 0 9 9 ) f r 的低频成 分的幅值与工频成分的幅值之比在o 0 5 一o 1 0 之间。 4 ，r 、5 ，r 及以上的高频成分的幅值与工频成分的幅值之比小 于0 0 l 。 2 ，r 、3 ，r 成分的幅值与工频成分的幅值之比在0 2 0 o 5 0 之 间。 3 ) 轴心运动轨迹征兆 发生整周碰磨故障时转子进动方向为反方向，发生局部碰磨 故障时转子进动方向为正方向。 发生整周碰磨故障时轴心运动轨迹为圆形或椭圆形且紊乱。 发生单点局部碰磨故障时轴心轨迹呈“8 ”字形。 发生多点局部碰磨故障时轴心轨迹呈花瓣状。 3 转子轴不对中故障及征兆 振动方向为轴、径向，振动稳定。 1 1 时域征兆 时域波形为基频、高次谐波的叠加波形。 相位较稳定。 频谱征兆有 振动信号中含有工频的高次成分，如2 i t 和3 i t 。 2 ，r 振动非常明显。 3 1 轴心运动轨迹征兆 】3 西华大学硕士学位论文 转子正向进动。 故障较轻微，轴心轨迹呈椭圆形。 故障中等程度，轴心轨迹呈椭圆形。 故障较严重，轴心轨迹呈外“8 ”字形。 4 轴承松动故障的频谱征兆 松动的方向振动大，而且振动不稳定，当工作转速达到某一阈值时振 幅突然增大或减小。 1 ) 时域征兆 振动波形为基频、分数谐波、高次谐波的叠加波形。 相位不稳定。 2 1 频谱征兆 有基频成分，还有高频成分，如2 f r 、3 等。 发生，r 2 和a ，3 等分数级谐振动。 在运转频率的一系列谐波分量上出现异常大的振幅。 3 1 轴心运动轨迹征兆 转子正向进动。 轴心运动轨迹紊乱。 5 油膜涡动与油膜振荡故障及征兆 当轴颈在轴瓦中转动时，在轴颈与轴瓦之间的问隙形成油膜，油膜的 流体动压力使轴颈具有承载能力。当转子稳定运行时，轴颈在轴瓦内仅绕 其中心高速旋转。但失稳后，轴承油膜产生一个垂直于偏移方向的切向失 稳分力，轴颈不仅绕轴颈中心高速旋转，而且轴颈中心本身将绕平衡点甩 动或涡动，称为油膜涡动。油膜振荡是油颈带动润滑油高速流动时，高速 油流反过来激励油颈，使其发生强烈振荡的一种自激振动现象。振动方向 为径向，油膜涡动时振动较稳定，油膜振荡时振动不稳定。 1 1 时域征兆 振动波形发生畸变，在工频的基波上叠加了低频成分。 有时低频成分站主要地位。 2 1 频谱征兆 当出现油膜涡动时： 1 4 西华大学硕士学位论文 振动频率中0 5 y r 振动很大。 o 5 f r 下振幅与 下振幅之比随转速的变化而变化。 当出现油膜振荡( 0 5 疗下振幅与a 下振幅之比值超过o 2 ) 时： 振动的主要频率成分近似的等于，c ，c 表示转子系统的第 一临界转速频率。 3 ) 轴心运动轨迹征兆 转子正向涡动。 轴心轨迹呈花瓣状。 6 转子裂纹故障及征兆 振动方向为轴、径向，振动不稳定。 1 ) 时域征兆 振动波形呈振动波形为基频、高次谐波的叠加波形。 桐位不规则变化。 频谱征兆 响应除，r 外，还有2 r 、3 1 r 等高频分量。 有时低频成分占主要地位。 3 )轴心运动轨迹征兆 转子正向进动。 轴心轨迹呈双椭圆或不规则。 汽轮发电机组是一个复杂的机电系统，子系统之间相互耦合、相互作用， 决定了汽轮发电机组的故障与故障征兆之间的映射关系是错综复杂的【2 3 l 。 西华大学硕士学位论文 第三章汽轮发电机组的振动监测系统设计的总体方案 3 1 监测系统设计的总体方案 一个能性能优良的在线系统，一应具有适用于工业现场的硬件设备和能长 期连续运行的高可靠性；二要具有高的采样实时性与快速性，在机组处于任何 运行状态下都要能采集和保存事故现场的全部信息：还应具有符合生产实际状 况和需要的工程实用分析与诊断功能1 。系统的实现包括要设计系统的硬件 电路与系统的软件、系统的安装与调试以及对测试结果进行分析。本课题充分 考虑了以上的要求，设计了一套完整的汽轮发电机组振动的在线监测与故障诊 断系统，本系统分为硬件与软件两个部分。 硬件部分主要由振动传感器和一块由c p l d 控制的e p p ( 增强型并口) 数 据采集 组成，数据采集卡为1 5 通道，能在线采集汽轮发电机组转子的转速 信号及振动信号的数据，并把数据送入计算机由软件进行处理分析并作故障诊 断，有较高的数据聚集速度，安装与使用灵活，在硬件上确保了系统的稳定性， 为应用程序的稳定运行提供了可靠的基础。 本文深入的研究和探讨了汽轮发电机组转子振动监测和故障诊断的原理 以及对信号的分析方法，开发了与硬件相应的故障诊断软件。软件部分包括采 样控制、信号分析、振动故障诊断、报警和事故追忆以及数据管理软件5 部分， 用c 语言和v b 语言编制，来实现实时数据在线采样、实时在线信号分析、振 动故障诊断和超限报警，事故追忆等功能。 故障诊断采用较新的模糊神经网络诊断法，完成了对汽轮发电机组振动的 在线监测与故障诊断方法的研究。 3 2 监测系统的硬件设计【“1 系统的硬件设计主要指数据采集系统的设计。 3 2 1 数据采集系统 1 信号采集系统的组成部分 早期的信号处理主要通过模拟设备来进行，现代信号分析基本上都采 用数字分析方法。数据采集系统是信号分析系统几个环节之一，数据采集 系统的基本任务是采集现实世界的物理信号，在几乎所有涉及到数字信息 1 6 西华大学硕士学位论文 处理的领域中都要用到它。所采用的分析仪器，一种是以计算机( 单片机、 d s p 等) 为核心的专用数字式信号分析仪器；另一种是采用通用计算机， 以软件方式进行信号分析。两种方式形式不同，但分析的基本手段和方法 是致的。图3 - 1 所示为一个典型的数据采集系统的组成框图。 f i g u r e3 - 1 t h es c h e m a t i co fat y p i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 图3 - 1 一个典型的数据采集系统的组成 1 ) 传感器 传感器的作用是把非电的物理量转转变为模拟量电压、电流或频 率，是实现自动检测与自动控制的首要环节。 2 ) 多路模拟开关( m u x ) 大多数数据采集系统支持多个模拟输入通道，这些通道分时使用 a d 转换器。在一个特定的时间间隔里只允许一个模拟通道通过，完 成这一功能的部件称为多路模拟开关( m u x l 。一般的m u x 器件有 2 “个模拟输入瑞，n 个通道选择，有规律的改变n 个选通信号，即 可按固定的序列周期性的闭合各个开关，输出周期性分组的时分复用 信号，再由d 转换器对各信号进行周期性转换。m u x 可位于信号 调理电路之前或之后。 3 1 信号调理电路 信号调理是指在进行数字处理之前，对传感器输出的信号进行衰 减、放大、隔离、滤波等处理，以满足传感器的输入转换器的要求。 大信号必须经过适当的衰减，以免因信号幅度过大损坏电路中的元器 件或引起信号的失真。一般传感器输出的信号较小，用放大器可以将 1 7 西华大学硕士学位论文 其放大以满足a d c 的输入要求。隔离是把传感器信号同计算机隔离 开以防止被监测系统可能产生的瞬时高电压：还可使数据不受地电位 和输入模式的影响。滤波可消除噪声和干扰。 4 ) 采样，保持器( s h a ) a 巾转换器完成一次转换需要一定时间，在这段时间里希望a d 的输入端电压保持不变，这个功能可以由s h a 完成。s h a 有两种稳 态操作方式，在采样或跟踪方式下，s h a 的输出将尽量跟随输入信 号的变化，直到保持命令传送至控制输入端口。在保持方式时，s h a 的输出锁定在输入信号在保持命令下达前的瞬时值。 5 1 模，数转换器( a d c ) a d c 把传感器输出的模拟量转化为数字量供计算机处理。它决 定了前向通道的主要参数，其位数决定了前向通道的精度。一个n 位的a d c 能够提供的分辨层次是2 ”层。设该器件允许的模拟输入 跨度是v ，每个层次的电压值是l s b =v t 2 “，即可区分的电压 值为h v 2 ”，般要求输入误差小于1 2 l s b 。位数n 越大，分辨率 就越高，l s b 就越小。 早期的m u x 、s h a 和a d c 需要设计人员自行设计，目前普遍 采用单片集成a d c ，集成了m u x 、s h a 、基准电源和接口电路等部 分，方便了系统设计。 6 1 信号分析单元 这是信号处理的核心环节，通常由计算机来完成。信号的分析处 理足在幅值域、时间域和频率域等进行的。 7 1 数据缓冲与接口电路 a d c 变换完成的结果通过数据缓冲( 一般指存储器) 或锁存以后， 由接口电路控制将数据传入内存；或者将内存中己产生的数字序列， 通过接口电路送入数字缓冲或锁存单元，再传给d t a 转换器进行模 拟量输出。 8 】数模转换器( d a c ) 数模转换器的作用是将计算机的分析处理结果以模拟量形式输 出，波形显示或其他用途。目前计算机软件技术的发展，已经不用模 1 8 西华大学硕士学位论文 拟信号输出来提供实现，通过虚拟仪器，直接用数字信号实现。 9 ) 定时与控制逻辑 如果数据采集系统各部分的定时不准确就会影响系统稽度，定时 电路按照各电路单元的工作次序产生各种时序信号，控制单元是在时 序信号的控制下产生控制信号。图3 2 为一个典型的数据采集系统时 序图。 万二二竺! ! 二二= 厂 2 厂| 3 ! ! 型= n f i g u r e3 - 2 t h et i m i n gs e q u e n c ed i a g r a mo fat y p i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 图3 - 2 一个施甜的麴搌票垂磊统时庠囝 开始m u x 开关切换( 设切换时间为0 6 ps ) 。 同时开始信号调理电路切换( 设切换时间为0 6 上s ) 。 开始采样保持( 设信号调理电路产生稳定输出时间为 0 3 肛s ) 。 开始a d 转换( t s h 为采样保持电路的跟踪时间，t 。为模数 转换时间) 。 a ，d 转换完成。 系统的转换周期：t _ t 。+ t 。，系统的采集频率：f = l ( t m + t 。) 。系统若要保持a d c 正常工作且前后两个采样点的数据不 发生错误，系统的采样频率必须小于l f r 。在a d c 一定的情况 下，系统的采样频率越低越好，但不得低于信号最高频率的两倍， 在高速数据采集系统中，a d c 的转换速度最关键。 1 9 西华大学硕士学位论文 2 数据采集系统基本结构 常见的数据采集系统有以下几种形式。 1 ) 集中式数据采集系统 集中式数据采集系统分为三种。 多通道共享采集保持器和a d 转换器 在某一时刻，多路开关选择其中某一通道接入到采样保持 器的输入端。在控制命令的作用下，采样，保持器由采样状态进 入保持状态，开始进行a d 转换，完毕后输出数字信号。在转 换期间，多路开关可以将下一路接通到采样保持器的输入端。结 构简单、芯片数量少的结构，适用于信号变化速率不高、不要求 同步的场合。 多通道同步型数据采集系统 各路信号共用一个a d 转换器，每一通道都有一个采样保 持器，模拟开关在同一个指令下分时地将各路采样，保持器接到 a d 转换器上进行模数转换，得到各路信号在同一时刻的瞬时 值。这种结构的速度仍然较慢。 多通道并行数据采集系统 每个通道都有独自的采样保持器和a d 转换器，可以独立 进行采样和d 转换。转换的数据经过接口电路直接送到计算 机中。这种结构的系统速度最快，所用硬件最多，成本高。 集中式数据采集系统结构简单，体积小，设备量少，能满足中、 小规模数据采集的要求：但其系统结构不灵活，抗干扰能力差，不适 合于高速采集系统，系统扩展的灵活性较差。 2 ) 分布式数据采集系统 由若干个单片机控制的数据采集站和一台上位机及通信线路组 成。数据采集站位于被测对象附近，可独立完成数据采集任务，采集 的数据以数字信号形式送给上位机处理。上位机一般是高档微机或工 作站，用来集中处理、显示、打印或储存数据并给各个数据采集站发 送控制参数。分布式数据采集系统适应能力强，可靠性高，实时响应 性好，对硬件的要求不高，抗干扰能力强。 2 0 西华大学硕士学位论文 3 数据采集系统的主要性能指标 数掘采集的目标有两个：一是精度，二是速度。提高速度也就提高了 工作效率，扩大了系统的适用范围。以下是几个比较主要和常用指标的含 义： 1 ) 系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。 通常用最低有效位值( l s b ) 占系统满度信号的百分比表示，或者用 系统可分辨的实际电压数值表示，也可用满度信号可以分的级数 ( 2 ”，n 为位数) 表示。 2 ) 系统精度 系统精度是指系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换 精度，是系统的实际输出值与理论输出值之差、系统各种误差之和， 通常为满度值的百分数。系统精度取决于系统各个环节的精度。 3 1 采集速率 采集速率又称为系统通过率、吞吐率等，是指在满足系统精度指 标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间( 每秒) 内所完成的采 集次数。 4 1 动态范围 数据采集系统的动态范围指所允许输入的最大幅值k 。与最小 允许幅值k 。2 l l 的分贝数，即： 矿 i i = 2 0 1 9 罟坚 ( 3 1 ) y l l l j 式中k 。是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换 器发生溢出的最小输入幅值，k 。常用等效输入噪声电平来替代。 5 ) 非线形失真( 谐波失真) 系数 该系数用来衡量系统产生非线形失真的程度，通常用下式表示： 肝了攀墨萋丝；：舢。 ( 3 - 2 ) 4 箴+ 麓+ 麓+ 置扣 西华大学硕士学位论文 式中a 。为基波振幅，a 。为k 次谐波的振幅。 3 2 2 并口数据采集系统【2 4 】 微机控制数据采集系统，传统的设计方法是插卡设计，即制作一块数据采 集适配板插在总线上，经专用电缆与机外适配器连接，适配器由专用电源供电 来完成数据采集。插卡或拔卡需要打开微机机箱，连接不方便：占用了扩展槽， 而且会与现有插卡的d m a , i r q ，i 0 端口等方面出现冲突。 那么，如何才能既能获得比较高的数据传输速度，又能够保证其使用的方 便性与灵活性呢? 能满足此要求的接口有基于i