大型电站辅机振动分析与诊断技术研究.pdf

东南大学 硕士学位论文 大型电站辅机振动分析与诊断技术研究 姓名：盛澍 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：陆颂元 20061201 东南大学硕士擘位论文 摘要 随着近年我国经济发展的需要，国内电力生产同时得到了飞速发展。2 0 0 5 年全国电力供需形势较2 0 0 4 年有所缓解，但总体形势依然紧张，预计今年全国 电力缺口最大约2 0 0 0 至2 5 0 0 万千瓦。保证已投运机组安全可靠运行是缓解电力 供需矛盾的关键环节。 在影响电力生产的诸多因素中，电站旋转机械振动仍是主要问题之。振动 影响到新投运机组不能按期投运；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。扬州第二发电有限责任公司两台6 0 0 M W 汽轮发电机 组配套的关键辅机，如锅炉汽动给水泵、三大风机等时有故障发生，其中有数起 振动故障曾较大地影响到主机正常运行，带来一定的经济损失。 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也是另一个重要方面。 在广泛调研的基础上，本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狈4 、故障诊断与数据处理 技术发展现状。 论文对旋转机械振动测试技术和轴系失稳产生的机理进行了深入研究。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表示法，并对旋转 机械现场各种常见振动故障及其故障特征进行了总结；然后，从理论上分析了轴 系产生失稳的原因，着重分析了转子油膜振荡失稳机理，分析了轴系失稳的影响 因素，详细讨论了失稳的故障特征以及现场对失稳的诊断方法和相应的处理措 施。 结合作者近年参与和主持的本单位旋转辅机典型振动故障的测试、分析、故 障诊断、处理方案论证确定以及具体参与分析处理过程的经历，本论文详细探讨 了扬州第二发电有限责任公司汽轮发电机组和辅机新投运阶段现场振动分析、状 态评估和故障诊断技术要点；2 B 汽动锅炉给水泵轴系振动的测试、分析、诊断 与现场处理技术；给出了一台仪用空压机喘振控制机理分析与治理技术；l B 送风 机不稳定质量不平衡振动分析与现场动平衡方法。在实际故障的处理过程中，作 者应用学习的理论知识，对实际设备的缺陷进行了分析和处理，最终成功地消除 了缺陷，为保障正常生产起到了积极作用。 关键词：电站辅机，轴系振动，测试与数据分析，轴系失稳，喘振，质量不平衡， 现场动平衡 东南大掌硕士学位论文 A b s t r a c t W 弛t h ed e m a n do fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w eh a v eg a i ng r e a ti m p r o v e m e n ti n t h en a t i v ep o w e rp r o d u c t i o n I t st r u et h a tt h es u p p l yo fp o w e ro f2 0 0 5i sb r i g h tt h a n 2 0 0 4 b u ti ti ss t l 锄U O t l Si na 1 1 I ti Se s t i m a t e dt h a tt h e r ei Ssl a c ko fp o w e ri sa b o u t 2 0 0 0 0t o2 5 0 0 0 M W ：W em u s tm a k et h ew o r k i n g - s e t ss e c u r i t yf o rs l o w i n gt h es i t u a t i o n o f t h ed e m a n do f p o w e r I na l lt h ep r o b l e m st h a ta f f e c tp o w e rp r o d u c t i o n , v i b r a t i o no ft u r b i n e g e n e r a t o r s e t si 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 nd e l a yt h ec o m m e r c i a lp r o d u c t i o n , r e s u l ti 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 I t Sa n e x a m p l et h a tv i b r a t i o nf a u l t si na u x i l i a r i e s ( f e e dp u m p ，t h ef a no fb l o wa n dl e a d ) h a p p e nn O Wa n da g a i n S o m eh 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 el I l a d eb i g e 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 武s 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 e o 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 印s 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 s a n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b o a r d 1 1 ”t 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 f v i b r a t i o n f a u l to f t h ep 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 ap r o c e s s i n gW a s s t u d i e d ，a n dt h ec o m l n o nv i b r a t i o nf a u l t sa n d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sw e r es u m m a r i z e d T h e n , 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 f m a s su n b a l a n c e ，m e c h a n i c so f v i b r a t i o n r e s u l t e df i o mm a s su n b a l a n c e , t h ei n s t a b i l i t yo f s h a f ts y s t e m ，w e r es t u d i e d 1 1 尬 m e c h a n i c so f o f ff i l mw h i p1 ：氍e 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 f i n s t a b i l i t y , t h e c h a r a c t e r so f t h e s et w of 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 C o m b i n i n gw i t ht h ei 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 dd i s p o s a lt 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 ；t h et h e s i sa n a l y z e dt h es h a f I s i 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 dd i s p o s a lt e c h n o l o g i e so f t h eS e c o n dp o w e r o fY a n g z h o u 1 1 托a u t h o rd e a l e dw i t ht h e s e p r o b l e m ss u c c e s s f u l i nw h i c ht h e k n o w l e d g et h ea u t h o rm a s t e r ym a k e si m p o r t a n ts o l e K e y w o r d s ：t u r b o - m a c h i n e r y , s h a f ts y s t e mv i b r a t i o n , d a t am e a s u r ea n da n a l y s i s s h a f I s y s t e mi n s t a b i l i t y , s u r g e ，s h a f t su n b a l a n c e ，f i e l dd y n a m i cb a l a n c e U 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 1 1 论文研究工作的背景 第一章绪论 由于资源条件和历史问题的制约，我国电力生产目前仍以火力发电为主。据统计，2 0 0 2 年底全国装机容量3 5 3 亿千瓦，其中火电2 6 4 亿千瓦，水电0 8 5 亿千瓦，火力发电在总发电 量中居于支配地位。2 0 0 4 2 0 0 5 年我国经济仍维持较高增长的势头，G D P 的增长将会大于 7 3 ，电力需求也将较快增长。可以预见，2 0 0 5 年电力供需形势仍不乐观。 “九五”初期，我国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，采取如“以大代小”工程建设 等一系列措施，缓解缺电矛盾。2 0 0 5 年全国电力供需形势较2 0 0 4 年有所缓解，但总体形势依 然紧张，预计全国最大电力缺口约2 0 0 0 至2 5 0 0 万千瓦。为了解决缺电问题，必须保证已投运 机组正常运行。2 0 0 4 年全国火电设备平均利用小时为5 9 8 8 d 、时，部分省区超过6 0 0 0 d 、时，有 的达到7 0 0 0 d 时。长时间的大负荷运行，电力生产事故出现上升苗头。防止电力安全事故是 保证电力稳定供应的重要前提。电站的安全经济运行，除了有赖于主机的可靠性之外，辅机 也起着重要作用。大型火力发电站配套的辅机门类繁多，涉及面广，特别是锅炉给水泵、三 大风机等关键设备，直接影响锅炉和主机的正常运行。辅机的可靠性得不到保证，主机也无 法正常运行 近年来，随着我国经济的迅速发展，小容量、低参数、自动化程度低的发电机组逐渐被 大容量、高参数、高自动化机组所代替。单机容量增加，系统复杂性提高，使得辅机发生故 障带来的损失也增大。虽然制造精度和安装水平的改进使辅机的故障发生率有所减少，但由 于设备的复杂性、运行与安装检修中的不确定因素，振动问题仍是当前影响关键旋转辅机正 常运行的主要原因。 扬州第二发电有限责任公司两台6 0 0 M W 汽轮发电机组，所配关键辅机，如锅炉汽动给水 泵、一次风机、送风机、引风机等时有故障发生，其中有数起振动故障曾较大地影响到主机 正常运行，带来一定的经济损失 1 2 国内外现状 1 2 1 辅机设计制造技术现状 国外火电机组辅机制造、运行都达到了较高的水平，设备可用系数远高于我国。机组辅 机整机动力特性优良，性能稳定。 我国长期存在着“重主机，轻辅机”的思想，至今主要电站辅机设备仍落后于主机制造 水平，6 0 0 唧机组配套的锅炉给水泵，风机等关键辅机，还需要从国外进口或与国外厂商合 作生产。 世纪之交，在我国电力工业的火电主力机组由3 0 0 姗级向6 0 0 姗等级提升之际。K S B 公司与 清华大学合作，对国内火电机组相对集中的8 个省、市和地区的火电厂配套用泵进行了调查。 调查对象以3 0 0 唧级机组为主，含部分6 0 0 i 椰机组配套的泵，包括全进口产品、泵芯进口产品 和引进技术国产化产品。清华大学于1 9 9 9 年6 月完成了对三种主要配套用泵：主给水泵、前 东南失擘硕士学位论文 置增压泵和冷却循环水泵的调研专题报告“1 。故障统计数据显示故障率高的前五项是转动部 件及其支撑件与配合件。这与1 9 7 9 年美国E M a k a y 的给水泵故障调查报告中故障率高的项目 相同。时隔二十年的两份给水泵故障调查报告给我们启示，目前提高给水泵可靠性的根本途 径仍需以转子部件为中心，提高运行稳定性、做好轴系振动动力特性和水动力学计算。 根据电力可靠性管理中心1 9 9 7 年对火电机组五种主要辅机设备( 锅炉给水泵、引风机、 送风机、磨煤机，高压加热器) 运行可靠性统计，大部分国外进口设备的可用系数高于国内 生产的同类产品：在这五种主要辅机非计划停运责任原因中，。产品质量不良”占主要因素， 姗锅炉给水泵占3 9 9 8 ；引风机占能1 8 ；送风机占7 2 3 7 “1 。 根据我国电力工业发展规划，今后十五年，将完善3 0 0 枷、6 0 咖汽轮发电机组，广泛采 用技术先进的各种形式大容量亚l f 自界机组，开始设计制造6 0 0 M 1 、1 0 0 0 姗级超临界机组，并 将开发研制单机容量百万千瓦的先进核电机组”1 。根据石洞口二厂和南京电厂的运行经验， 如辅机设备、热控系统、高压阀门等的质量跟不上，会影响机组的可用率，同样会发挥不出 超临界机组的优越性“1 。因此，辅机及其配套能力应同步发展，突出的是给水泵等关键辅机。 这些缺陷的存在，一方面说明了引进技术的给水泵与风机轴系的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 缶界机组所配锅炉给水 泵及风机等关键辅机，必须做好有关轴系稳定性和安全运行的前期研究，对整机引进的设备。 包括今后可能引进的百万千瓦机组辅机，做好消化吸收和运行技术的研究工作。 I 2 2 辅机运行、监测与故障诊断技术研究现状 国内过去长期对电站给水泵、风机这样重要的辅机不够重视，对其运行的振动监测手段、 故障诊断技术和诊断设备研究甚少，仅停留在定期巡回检测振动及事后事故分析的低层次阶 段。 由于给水泵的质量问题，加上缺乏有效的监测、诊断手段，国内2 0 0 姗机组配备的某型 给水泵，自1 9 7 8 年出厂的4 8 台中，已有8 次断轴事故发生，造成了严重的经济损失”；山西 化肥厂引进的S u l z e r w e i s eB M B H 公司制造的锅炉给水泵，在试生产过程中相继发生泵轴断裂 事故，严重地影响了试生产进度”1 ；1 9 9 9 年日照2 号机组两台汽动给水泵冷水试转，A 汽泵试 转正常，当B 汽泵停泵自投盘车时，其前置泵转子与密封环摩擦发生抱轴事故”。 我国1 9 9 1 年内1 0 0 姗以上火电机组非计划停运和非计划降低出力事件共涉及2 6 2 类主、 辅机类别，其中锅炉引风机所造成的损失排在第6 位，全年损失电量达1 2 7 T l l r l 。我国电站风 机的主要故障为转子故障，尤其严重的是叶轮飞车事故时有发生，如秦岭、通辽，大同二厂、 淮北等电厂；其次是叶轮磨损，积灰问题普遍，如秦岭，石横，清镇、姚孟等电厂的引风机 和排粉机；轴承寿命短，损坏频繁也是我国电站风机的主要故障之一，如邹县，镇海、石锦 山等厂。 旋转机械7 0 以上的故障都可以通过振动的形式表现出来，为了保证电站旋转辅机的 安全可靠运行，对旋转辅机进行振动监测，分析、故障诊断是必要的。国外许多电站都建立 了给水泵的运行工况振动监测和故障诊断制度。 辅机振动故障机理是诊断的基础。国外这方面所进行的理论研究已很多，如对流体激振、 转子裂纹、动静碰摩等典型故障的研究。国内该领域研究多偏重于学术，且由于理论、试验 室研究和工程实际的差距，以致至今现场对辅机典型故障的诊断仍缺乏较系统的方法，影响 正常生产。 - 2 东南大擘硕士学位论文 因此，从辅机设备和现场的实际状况出发，密切结合实际运行的相关因素，抓住常见 的重要故障，进行机理和征兆的研究具有重要意义。 利用振动监测系统可及时发现和识别异常振动现象。通过振动发展趋势观察分析，密切 注意振动变化，对旋转辅机运行工况进行调整并采取其他措施，可以达到控制或减小振动的 目的。给水泵和风机除了具有大型旋转机械常见的一些振动问题，如转子不平衡、对轮对中 不良、动静碰磨、滑动轴承故障外，还有一些特殊振动现象。例如给水泵水泵内部流体的汽 化空穴现象引发的振动。给水泵入口压力低于流体当时温度下的汽化压力时，水发生汽化产 生气泡，在叶轮通道内随着压力增加，气泡破灭，周围液体在向气泡中心流动时将产生强烈 冲击，造成部件被冲蚀及强烈振动；对于风机而言。最主要的是在非设计工况下发生旋转失 速，如果与风机联合工作的管网容量较大，有可能导致风机发生喘振。给水泵和电站风机的 振动机理及表现形式较为复杂，最常见、最重要的振动故障有：( 1 ) 轴承油膜振荡；( 2 ) 结构 共振； ( 3 ) 自激振动；( 4 ) 水力引起的低频振动；( 5 ) 转子不平衡；( 6 ) 热变形导致的轴弯 曲；( 7 ) 部件的偏转；( 8 ) 由于叶片间的不平衡引起的水流模式和水流量造成的水力不平 衡；( 9 ) 不对中产生的振动；( 1 0 ) 轴承裂纹；( 1 1 ) 轴承松动和其它机械松动；( 1 2 ) 动 静碰磨：( 1 3 ) 转子裂纹t( 1 3 ) 密封泄漏； ( 1 4 ) 汽蚀引起的振动i ( 1 5 ) 喘振。 目前，国内大容量机组的锅炉给水泵和送引风机基本都配置了振动监测保护装置。对于 这些关键辅机，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? 设备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设备发生故障、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。 1 3 本论文研究内容 根据作者的工作性质和工作需要。结合近年具体参与、主持多起本公司旋转辅机典型振 动故障的分析处理项目。本论文对下列内容进行了研究： ( 1 ) 旋转机械振动测试技术； ( 2 ) 机组轴系稳定性机理，提高稳定性和消除轴系失稳的方法； ( 3 ) 一台锅炉给水泵轴系失稳的振动分析、诊断与现场处理技术； “) 仪用空压机控制机理研究及喘振问题治理； ( 5 ) 风机不稳定质量不平衡振动分析、诊断与现场高速动平衡。 通过上述研究，掌握了大型机组主要辅机的振动规律、振动特征、测试分析方法、诊断 方法、现场处理措施等各方面理论和技术。其中有些技术要点为国内同型设备振动处理的先 进技术。 3 第二章旋转辅机振动测试、分析与故障诊断技术 第二章振动测试、分析与故障诊断技术 2 1 振动概述 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随 时间变化所做的一种往复式运动。 2 1 1 简谐振动 简谐振动是典型的周期振动，它是最基本的振动形式。 简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即质点的运动规律为： 一 Y = A s i n ( 笔 ，+ 力= a s i n ( 2 n f + 妒) = 一s 缸耐+ ) j 式中，Y 一质点位移；t 一时间；，一振动频率：A 位移最大值， 动周期，为振动频率厂的倒数；一园频率；一初始相位。 简谐振动波形是按周期丁重复相同的图形，也就是 y ( 0 = y ( t + 万 ，靠= O ，l ，2 ， 2 1 2 旋转机械振动 ( 2 1 ) 称为幅值；丁一振 ( 2 2 ) 旋转机械的振动是一个以周期振动为主的运动。 根据函数的傅立叶级数展开定理，周期函数可以展开为傅立叶级数，即 ) ，( f ) = 等+ ( c o s n w t + b 。s i n n m t ) ( z 3 ) 由( 2 3 ) 可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。进一步简化可写成 y O ) = 4 + 4 1s i n ( t o t + 旃) + 4s i n ( 2 研+ 丸) + + 4s i n ( n 砑+ 丸) + ( 2 4 ) 式中第一项以为均值或直流分量，第二项4 为基本振动或基波，第三项4 以下总称 为高次谐波振动，由于旋转机械振动时具有上述特性。故可用的频谱分析方法进行研究。 旋转机壤的振动信号都是周期性连续信号，振动专业习惯称这种信号为通频信号。用F F r 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l 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振动，被称为低频振动；高于工作转速频率的搌动，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 2 振动测量 2 2 1 测量位置的选取 设备的结构及其动力特性将确定传感器的配置点，而机器的尺寸、临界状态、运行经历 4 末南大学硕士学位论吏 和预先估计故障的类型和内容，将确定要安装传感器的数目。 首次试运转的新设备，需要设置尽可能多的测点，应该保证每个主轴承上至少有一个速 度或涡流传感器。 大修后开机的设各，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。如对于汽轮发电机组而言，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。 需要进行动平衡的设备，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设备，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 对问题缒分析都可能会有帮助。 2 2 2 旋转机械相位的物理意义和测量 旋转机械振动测量中的相位具有专门的含义。一般地讲，相位是振动波形与转轴转动之 间的角度差。 简谐振动： x = 彳s i n ( 砑+ 们 式中的毋是初始相位角。 有阻尼强迫振动的稳态解： x = A c o s ( 耐- 们 O = t a n - I ( 等等) ( 2 - 5 ) 式中的相位，9 表示的是稳态响应滞后于激振力的角度。 旋转机械振动测量中的相位和这两个角度的含义均不相同，它是某一指定的谐振信号相 对于转轴上某个物理标记产生的每转一次的脉冲信号之间的角度差。 测量电路中可以做到将键相脉冲信号出现的时刻同步标记在垂直和水平振动波形上，两 个波形上的标记是键相探头和键相槽重合的瞬间，两个涡流探头分别测得的轴心动态位移。 脉冲在时间轴上的位置，即转轴上与探头对应的物理点一键槽在波形上的位置这样，由波 形图很容易推算出，高点H ( Y 方向振动正波峰) 转过由y 达到垂直上方，X 方向振动正波峰转 过纯达到水平右方。丸和以理论上存在这样的关系： 丸一识= 9 0 。 以屯可以通过相关线路自动测得并显示出来，这就是振动测试中得到的相位。 铡振仪显示的相位是自振动传感器逆转向到高点的角度，也就是高点颟转向到振动传感 器的角度，或波形图上键相标记到高点的角度。 高点可以看作是在转轴上径向位置固定的一个具体的物理点，也可以把它表示成一个矢 量，转动过程在Y 轴上的投影就是转子在垂直方向上的振动位移。这样，相位也是自振动传 感器逆转向到振动矢量的角度。 5 第二章旋转辅帆振动测试、分析与故障诊断技术 高点相对于转轴上键相槽的角度是固定的。因而，如果键相传感器安装的角度改变，逆 转口角，和丸也随之增加口。 同理，测振传感器位置的改变也要使得丸和丸改变。这些变化及其相互之间的折算， 在动平衡时要经常用到。 在实际测试中，键相信号可以用三种传感器获得。 I ，光电传感器 2 、涡流传感器 3 、磁电传感器 2 2 3 转速 和其它振动测量不同的是，旋转机械振动测量中转速是一个和振幅、相位同等重要、必 须要测的量。旋转机械振动现象和转子转速有不可分离的关系，升降速瞬态过程的振动分析、 动平衡、频谱分析、扭振固有频率测试等等都必须要有转速量。 测振仪转速的测量采取的形式是每转一个脉冲，经记数器处理后显示出来。这样的方法 使得在测量转速的同时，还得到了转轴转动的相位基准，用于和振动波形比较得出振动相位 来。实际测试中转速和相位的测量是在仪表相应线路中一体实现的。 现场振动测试时转速一相位的测垂必须要保证。近年生产的测振分析仪表如果转速一相 位信号没有，仪器不能进行跟踪滤波，无法正常工作。先进的测振仪设计有内部触发电路， 可以人工设置任一转速，但这时只能测通频信号，没有相位。 2 2 4 振动位移、速度和加速度振幅的量度 简谐振动可以用位移、速度和加速度三种形式表示。 式( 2 1 ) 中的筒谐振动位移的大小，用振幅以表示，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A 。，： 单位都是微米( J m ) 或毫米( m m ) 。电厂习惯用“丝”或“道”表示，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。如图下所示 一 1 ， 、 9 1 匕、么 - 圈2 吨简谐振动的振幅 同样，速度和加速度的振幅也可以用峰值或峰峰值来表示 加速度、速度和位移三个量，它们之间表现为微积分关系，对单一频率分量： 对于位移变化形式为 x = 4 s i n ( 砑+ ) 的振动，速度为 6 东南太学硕士学位论文 v = 专= 彳巧c o s ( 研+ 妒) = c o s ( 研+ ) ( 2 6 ) 口f 加速度为 口= 譬= 一A w 2s i n ( 研+ 妒) = 一口一s i n ( m r + # ) ( 2 7 ) p ，傩= 彳刃，是最大速度值；口。= 4 珂2 ，是加速度最大值 速度和加速度的振幅值随频率变化关系是及其重要的概念，因为它是形成振动烈度标准 的基础。位移的振幅值与原频率无关，另外一方面，即使位移峰值A 保持常值，速度振幅 值A 万以正比于频率的平方而增加同样在位移幅值不变情况下，加速度峰值值A 巧2 将随 频率的平方增加。 振动加速度随频率的降低有极大的衰减，这就决定了检测低频故障需检测振动位移的变 化，而检测高频故障需检测振动加速度的变化而振动速度是覆盖整个频率范围的机械状态 的有效示值。这就导致了许多人推荐用一个恒定的速度标准作为机械振动状况的评定标准。 2 2 5 振动烈度 对于速度振幅，因为振动能量与速度的平方成正比例，所以更多的是使用均方根值或称 有效值又称作振动烈度，单位：坍m s 。 根据测量得到的振动速度一时间曲线，速度均方根值p 幺由下式计算： = 吾r v 2 0 陟 ( 2 8 ) 对于复合振动，速度均方根值可以按下式计算： = I + 吃，24 - - + 吃， ( 2 9 ) 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式： V 纛( r a m I s ) A p _ F p ( _ o n ) ( 2 1 0 ) y 用振动烈度表征振动量级的优点在于：既考虑了振动的时间历程，同时又表征了机械振 动能量的大小。在高频时，虽然振幅很小，但是由于加速度是位移的国2 倍，因此零部件的 惯性力破坏常发生在高频，故国际上近年来除了要求测量仪器满足振动测量频带满足 l O I - I z 1 0 0 0H z ，还要求满足1 K H z I O K H z 乃至更高频率的振动监示和测量。国际标准化 组织颁发了两种判断振动烈度的标准。这就是目前欧洲广泛使用的I S 0 2 3 7 2 和I S 0 3 9 4 5 ，前 者是为车间试验和验收而设计的透用标准；后者是为了现场评价大型机器的振动而设计的专 用标准 2 2 6 振动数据分析技术 随着对机械设备故障机理研究的不断深入，振动数据分析技术日臻完善，方法越来越 多，限于时间关系下面仅介绍几种最常用的方法 7 第二章旋转辅机振动铡试、分析与故障诊断技术 2 2 6 1 幅度谱： 旋转机械的振动一般表现为周期振动，它可分为许多频率分量的合成，即频率谱是离散 谱，幅度谱表征每个频率分量上振动幅值的大小，它是故障诊断中最常用的分析手段，由它 可依据前面介绍的故障特征频率诊断一般的故障类型。 2 2 6 2 功率谱( “自谱”、“均方谱密度”) ： 功率谱是信号的自相关函数： 九( f ) = 1 1 m I ：x ( t ) x ( t + r ) d t J 7 的幅度谱( 付氏变换) ，由于振动的能量与振幅的平方成正比，因此，功率谱是以能量的观 点对振动信号进行谱分析。 2 2 6 3 对数谱： 前面介绍的幅度谱和功率谱都是该物理量的线性谱，但对许多故障信号往往反映在振动 信号的边带分量和谐波分量上，虽然其变化量级可以很大，但对其基波分量( 往往是转频) 相对而言，幅值是较小，甚或是相当微弱的。这样，在幅度谱上不容易观察到其变化的程度， 这时应采用对数谱。对数谱是将各频谱分量的幅度取对数而变为分贝( d B ) 量度单位的幅 度谱。即： 么( 国) ( d 8 ) = 2 0 1 9 A ( a 0 对数谱实质上是加权幅度谱，对强信号给予小的加权，对弱信号给予大的加权。 2 2 6 4 小波分析( W a v e l e tT r a n s f o r m a t i o n ) 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 2 6 5 包络分析 包络分析也是目前故障诊断中常采用的技术，许多故障的振动信号表现为幅度调制，如 轴承故障或齿轮表面剥落或损伤会产生周明性的冲击振动信号，一般其载波信号是系统的自 由振荡信号及各种干扰信号频率，而调制信号即包络线多为故障信号，其频率较低，包络分 析就是对信号进行解调分离提取出包络信号，分析它的特征分维数和幅度，就能准确可靠地 诊断出轴承和齿轮的疲劳、缺齿、剥落等故障。 2 3 旋转机械故障特征汇总 旋转机械振动故障诊断是根据相关的数据和信息对故障定性，进而对其产生的原因或机 8 东南戈擘硕士学位论文 理做出判断，并确定解决措施和实施处理方案。 振动故障有很多类型，总计有数十种之多，但其中数种常见故障( 转子质量不平衡、转 子不对中) 的发生率占了总数的9 5 以上根据现场经验，如果能对这些典型故障做出准确 的判断，则足可以应付生产实际的需要。因此，对典型、常发故障诊断技术的掌握有十分重 要的工程意义。 近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教训说明，对振动故障的定性 一般并不困难，但在确定故障的具体原因时，由于对造成故障的机理分析有分歧，使得误判 时有发生。因此，机组振动赦障的诊断除需要现场经验外，还应该掌握一定的机组振动故障 的基础理论知识和科学的分析能力，这样才能快捷地找出故障的确切原因，提出正确的根治 措施，而不致盲目一概采用现场高速动平衡的方法，使得表面上振动有所减小，实际上没有 根治，机组经过一段时间的运行或检修后，振动重复出现。 表2 1旋转机械振动故障特征汇总表 序号故障名称频谱特征 其它特征 振幅、相位随转速变化，随时间不变，轴心 1 原始质量不平衡 l X 轨迹呈椭圆或圆形 低转速下转轴原始晃度大，临界转速附近振 2 转子原始弯曲 1 X 动略减小 振幅、相位随时闻缓慢变化到一定值，转子 3 转子热弯曲 l X 冷却后状况恢复 转子部件( 叶片、平衡块) 4l X 振动突增。相位突变到定值，伴随声响 飞脱 高的2 x 或3 x 幅，1 2 1 临界转速有2 ) 【共振峰，“8 ” 5 转轴不对中 “、2 】【 字形轨迹 6 联轴罂松动1 】【、2 X 等与负荷有关 内环或外环轨迹，振幅、相位缓慢旋转：或 7 动静碰摩l X ，整分数、倍频 振幅逐渐增加 8 油膜涡动 0 3 5 0 5 X 低频的出现与转速有关 9油膜振荡 辄 在一定转速出现突发性的大振动，频率为转 子第一临界转速，大于1 x 振幅 与负荷密切相关，突发性的大振动，频率为 1 0 气流激振 f 转子第一临界转速，改变负荷即消失 1 1 结构共振l X 、分频、倍频存在明显的共振峰，与转速有关 1 2结构刚度不足1 X 与转速有关，瓦振轴振接近 降速过1 2 临界转速有2 x 振动峰，随时间逐渐 1 3 转子裂纹l x 2 ) 【 增大 与启机次数有关，随定速、带负荷时间而逐 1 4 转子中心孔进油 l x 、0 8 O 9 X 渐增大 1 5 转轴截面刚度不对称 2 X 1 2 I 临界转速有2 x 振动峰 1 6轴承座刚度不对称2 X垂直，水平振动差别大 1 7轴承磨损l x 、次同步l X 、1 2 X 。1 5 X 高 1 8 轴承座松动 1 X 与基础振动差别大 1 9 瓦盖松动，紧力不足 1 】c 、分频、 2 X 可能出现和差振动和拍振 2 0 瓦体球面接触不良1 x 和其它 、 振幅不稳定 9 第二章旋转辅机振动铡试、分析与故障诊断技术 2 1 叶轮松动 1 X 相位不稳定，但恢复性好 2 2 轴承供油不足 l X瓦温、回油温度过高 2 3 匝间短路 1 X ，2 X 和励磁电流有关 2 4冷却通道堵塞 1 X 与风压、时间有关 2 5 磁力不对中 Z X随有功增大 2 6密封瓦碰摩l X 、Z X振幅逐渐增大 2 4 轴系振动稳定性概述 2 4 1 简单系统稳定性的特征值分析 图2 - 3 可以简要说明稳定性的基本概念。在图2 3C a 中，一个圆柱体放在内哑柱面上。 平衡时圆柱体处于最低点A 。如果藏加一扰动，使匿柱体偏离平衡状态尔处于圈中的虚线位 置。去掉扰动后，在重力的作用下圆柱体绕A 点左右滚动最后返回到原先的平衡状态。 称这样的平衡状态使稳定的。 在图2 3 ( b ) 中，圆柱体放在外圆柱面上。设平衡时圆柱体处于最高点B 。当小球受到 扰动偏离平衡状态，它将无限地偏离原先的平衡状态。称这样的平衡状态是不稳定的。 ( a ) ( b ) 图2 3 位于不同球面的小球处于不同的稳定状态 线性系统的稳定性可以这样定义：如果受到扰动后，系统最终可以返回到原先的平衡状 态，则这一平衡状态是稳定的；如果受到扰动后，系统无限偏离原先的平衡状态，则这一平 衡状态是不稳定的。方程3 1 描述的是具有n 个自由度的转子一轴承线性系统在平衡状态附近 作自由振动的方程。 阻舱 + 【D ) + 医括) = o ( 2 1 1 ) 阻】、p 】、【五】一分别是系统的质量、阻尼和剐度矩阵( 维数为n ) ： 窖卜位移矢量 当所有特征根的实部均小于零时，系统是稳定的： 当至少有一个特征值的实部大干零时，系统是不稳定的。 当只有一个特征值的实部等于霉时，系统处于稳定性边界状态 2 4 2 滑动轴承支承的对称刚性转子稳定性分析“3 。” 滑动轴承支撵的对称刚性转子系统如图2 4 所示，这个模型是最简单的一种 在某一平衡状态时转子轴颈中心处于轴承中的点A 处，在轴承中的位置是( 岛，O o ) 。 当受到一个扰动，轴颈中心瞬间移到点B 。这时，轴颈中心的位移、速度、加速度分别为( x ， y ) ：。( 一，少) 和( ，少) ，根据油膜刚度、阻尼的定义可以得到油膜因此而产生 的作用在转轴上的反力增量为： l O 东南大学项士学位论吏 ( 岛如 F ， 图2 4 滑动轴承支承的对称刚度转子系统受力 氏F 。= k 。x 七k 口y + a 七d q y F P = k + k w y + d + d 呼y 这样，转子的运动方程可以写做： m x + 只= 0 彬”+ E = 0 即 m x 。+ k x + y + 丸，+ ，= 0 1 m y l + k 矿+ k w y + d 弘+ d 弹) ，= 0 这是一个线性齐次二阶微分方程组，设通解： x = x o e ” Y = y o e ” 这里x 、Y 、而，都是复数将它们代入( 2 1 2 ) 后得： ( 朋V 2 + z + k ) 而+ ( V + b ) = 0 ( 印+ k ) 而+ ( 删2 + 岛y + ) = o J 式( 2 1 3 ) 有非零解的条件是特征行列式值为零，即： B m C + d 4 ”k ：乏，+ b | - o 展开式( 2 1 4 ) 可以得： a o v 4 + a l v 3 + 口2 v 2 + a 3 y + a 42 0 式中 a o2 埘2 口I = 肌( 丸+ 岛) 吒= 州( k + 砀) + 丸勺一岛如 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章旋转辅机振动测试、分析与故障诊断技术 吒= k 0 一k 口d 。一k q d ”一k w n I = k 0 口一k 口d 式( 2 1 5 ) 是一个四次多项式代数方程，它有四个根v i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。每一个v i 对应于 一个特征函数P V ，轴心绕平衡位置的涡动轨迹可以用这四个特征函数的线性叠加来表示， 即 X - - - - 再P V ( i = 1 。2 ，3 ，4 ) 对于某个v i ，若其实部大于零，则相应于该v I 的位移五随时间的增大而消失：如果其 实部小于零，则玉必然随时间的增大而发散。因此，如果要求运动是稳定的，必需每一个v I 都含负实部。 从式( 2 1 5 ) 判断系统是否稳定可采用下列两种方法之一；一是用N e w t o n - - B a i r s t o w 法求解这个四次方程的复根，如果四个复根中均含有负实部，系统是稳定的；否则系统是不 稳的。解中的虚部是涡动频率，进而还可以求得涡动时的转子振型。另一种方法是采用稳定 性准则来判断，如R o u t h H 岍i t z 准则、N y q u i s t 准贝i J 、L e o I l 1 a r d t C r 明e r 准则等”。 2 4 3 动压径向轴承油膜失稳机理。 关于油膜发生失稳的机理有若干种解释。通常的转子轴颈在轴承中围绕着平衡点做转动 的同时，还会因为自身的不平衡重而以平衡点为中心做同步涡动( 图2 5 ) 。转子受扰动后， 轴心动态椭轨