振动基础知识.doc

1 振动的危害1.1 动静部分发生摩擦解释：由于汽轮机单机容量的增加以及对效率的追求，动静部分特别是径向间隙很小（一般为2-5mm），过大的振动极易造成动静部分摩擦从而造成灾难性的后果，如果摩擦发生在转轴的汽封处，将会造成转子的热弯曲引起振动的进一步增加，形成恶性循环引起转子的永久性弯曲。1.2 加速某些部件的磨损和产生偏摩解释：因振动产生不均匀的磨损，主要有轴颈、轴承、活动试联轴器、发电机滑环、励磁整流子以及静止部分的滑销系统。振动之所以使这些部件产生不均匀的磨损，主要是动静部件或二个部件之间存在差别振动，同时，轴颈的回转中心不在轴瓦的中心，回转轨迹有一定的偏心度（以后会看到，这个偏心是轴承不产生油膜震荡的条件），周期性的作用力常常偏向某一方向，这是造成偏摩的根本原因。1.3 动静部分的疲劳损坏解释：刚体的振动具有一定的能量，振动的强度越大、振动的能量越大，由此使某些部件产生过大的动应力导致疲劳损坏并造成事故的进一步扩大。在现场，由振动使零件发生疲劳损坏的主要有轴瓦乌金碎裂，这是由于转轴和轴承之间的差别振动太大（对于一般落地试轴承，轴颈的振动强度是轴承的5-10倍）1.4 某些紧固件的断裂和松弛解释：过大的振动使轴承座紧固螺栓断裂和某些零件的松脱，丧失原有的功能，甚至浇筑的基础松动，最典型的事例是日本海南电厂的600MW机组，在启动过程中发生强烈振动最后导致51米长的轴系中断17处，国内也有类似事件，主要是国产200MW机组因调速系统故障引起机组的强烈振动导致轴系断裂，轴承座飞出。1.5 机组经济性降低解释：一般的振动最先使转子的轴封处发生摩擦，导致汽封间隙的扩大（几乎在每台汽轮机上发生，燃气轮机也不例外）使机组的漏汽量增加，经济性降低。1.6 直接或间接造成事故解释：过大的振动使汽轮机危急保安器或机组其他保护仪表的正常工作受到直接的影响，国产200MW机组就发生过因振动导致危急保安器误动的事例。另一方面，振动产生的噪音对运行人员的身心健康造成危害。2 振动的表示方法以及允许范围2.1 通频振动的要素振动是一种非常复杂的机械运动，通常很难用准确的数学式子进行表达，其特征为具有一定周期性。按照傅立叶分析，复杂的振动（通频值）可以表示为一系列不同频率、不同辐值的简谐振动的线性叠加。最具意义的是当i=1.2时所对应的振动辐值，称为工频振动和倍频振动。一般大型回转机械产生振动最主要的原因是回转质量的不平衡而引起的。机组旋转一周，不平衡的离心力就产生一次振动，这类原因产生的振动频率和机组转速相等，固称工频振动。另外由于汽流的激振力、电磁激振力等其他强迫力的作用下，机组还会产生2、3、4.倍工频的高频振动。按照傅立叶原理，使用频普仪我们可以将机组复杂的通频振动进行分解，以横坐标为频率（）纵坐标为振动辐值，将每一频率对应下的振动辐值标在坐标系上，这类图称为频普图，依据频普图可以帮助我们分析产生振动的原因，从而采取防范措施。2.2 振动的允许范围我国水利电力部在1959年制订的电力工业技术法规中对1500r/min和3000r/min的汽轮发电机组的轴承振动标准，如表21水利电力部振动标准（单位m）转速（r/min）优良合格150030507030002030501969年国际电工委员会（IEC）推荐了汽轮发电机组振动数值的要求，如表22IEC振动标准（单位m）转速（r/min）100015001800300036006000以上轴承座上755042252112轴振（相对振动）15010084504225根据ISO 1977年标准，对于功率大于300KW，转速从600 r/min-12000 r/min-的回转机械，以振动速度为表示参量的评价表如表23振动速度支撑分类（mm/s）刚性支撑挠性支撑0.460.711.121.802.84.67.111.218.0028.0071.00好好满意满意不满意不满意不允许不允许2.3 振动强度的表示方法如果对上式的“通频值”进行二次微分，就分别得到振动速度和振动加速度，因此，位移、速度、加速度这三个参量都可以对振动的强度进行定量的表示。由于受前苏联的影响，我国电力行业一直用位移作为振动的单位，西欧和美国一般用速度作为振动的单位，而加速度一般不作为振动单位。既然这三个参量都可以作为度量振动强度的单位，那么到底采用哪个参量作为度量呢？下面举例说明1）有三台汽轮发电机组，转速分别为1500 r/min、3000 r/min、6000 r/min，工频振动位移都是0.03mm。则对应的振动速度分别是4.71mm/s、9.42 mm/s、18.85mm/s，对应的振动加速度分别是0.075g、0.3 g、1.2 g。g就是重力加速度。显然，对于一台转速分别为1500 r/min的汽轮发电机组，若用振动加速度作为振动强度的表示单位，显然不合适，因为加速度很小，会给人以振动很小的假象。同样对于一台转速分别为6000 r/min的汽轮发电机组，若用振动位移作为振动强度的表示单位，显然不合适，粗看振动才3丝，但振动加速度非常大。2）将振动速度的平方乘以回转体的质量就是振动体的能量；将振动加速度乘以回转体的质量就是支撑系统（轴承）的动反力。对于一台低转速的回转机械，因工频振动频率低，振动能量不大，轴承动反力也较小，振动产生的危害主要是防止动静部分的碰摩，因此宜用位移作为度量单位。对于高转速的回转机械，由于振动频率高，振动的能量和轴承的动反力非常大，因此宜用加速度作为度量单位，我厂的分离机由于转速高，其振动保护就是用加速度作为度量单位。对于3000 r/min的发电机组，主要还是考虑习惯，国产机组一般用位移作为振动的度量，进口机组用速度居多。只要清楚各种单位之间的数量关系以及对振动造成的危害有充分的了解，采用任意一种参量都是一样的。上面谈了物理量的表示方法，在数值上的变化很大，这是由于不同的习惯所致。我们国家通常用峰峰值表示，除此外还有有效值、单峰值、单峰有效值、平均值等等通常在欧美国家使用，我厂的振动就是单峰值。80年代，由于缺乏经验，在进口设备时吃了很多的亏，粗看技术要求中振动要求很高，但人家使用的是单峰有效值，和我们国家相差2.824倍。我们知道振动是反映机械制造水平的标志，振动要求降低了，制造当然就粗糙了，成本也降低了。1999年我在参观比利时艾苏瓦尔水泵厂（就是以前我们的给水泵），老板吹嘘他们的产品质量如何好，振动很低，当时听他介绍确实了不起，感觉我们比不上他们，可后来想想接近3000转的水泵振动如此好，有些不可思议，但一下子又想不通，面对语言交流的困难，我就用上了参观室内的临时黑板，在上面画了一条正弦曲线，请老板指出他们表示的振动范围，原来他们也用单峰有效值，我告诉他，我们国家规定的振动数值是峰峰值，他们的振动要乘以2.828才能和我们进行比较。通过交流，本来安排在食堂就餐，老板领着我们走了几十公里享用了一顿法国大餐。3 轴振动和瓦振动的区别 由于测量技术的原因，早期的汽轮发电机组只测量轴承的振动，一般是测量三个方向（垂直、水平、轴向），因轴承往往固定在基础上，此时测量的轴承振动是绝对振动。但是，轴承的振动是由于转子运动而产生，振动造成的危害主要由转子的振动决定，随着测量技术的发展，60年代美国本特利公司首先在一台汽轮机轴承座内安装了二支成90度角的电涡流传感器，用于测量转子的振动，此时的振动是转轴相对于轴承座的振动。由于转子是振源，因此转子相对于轴承座的振动比受迫轴承的振动要大的多，这个比值能达到5倍以上。一般来说，轴承座的振动（或称瓦振）决定于轴振动，轴振动的增加会导致瓦振的增加，但不是一般的线性比例关系，因为轴承座有它自己的固定方式，如轴承座尺寸较大，连接部件很少且与基础浇铸在一起，那么随转轴振动的增加轴承座振动的增加量就较小，为表征轴承座的这一特性，我们用动刚度这个术语来表征。所谓刚度就是材料（或构件）在弹性范围内抵御变形的能力，实质上就是材料的弹性模量。轴承座由很多的零件组成，零件之间以及与基础之间有连接，轴承座的动刚度除了构件本身的刚度外还决定于它们之间连接的牢固程度。因此轴承的支撑也分为挠性支撑和刚性支撑。例如#3机的2、3、4瓦是刚性支撑而#1瓦是挠性支撑。显然轴承座的动刚度越大，引起轴承座的振动就越困难，转轴振动（轴振）与瓦振的差别就越大。轴承座的振动通常要测量三个方向，而轴承座在这三个方向的刚度是不一样的，对落地式轴承轴向刚度最小；水平方向次之。有些机组轴承垂直振动较小而水平及轴向振动较大，就是轴承座在不同方向上的动刚度的差别所造成。4 汽轮机振动产生的原因前面说过，振动产生的本质是回转体的质量中心偏离回转中心所致，它涉及设计、制造、安装等因素，特别是加工质量与安装对中（对刚性联轴器）。但我们所关心的是对于一台已经投入使用的汽轮机（燃气轮机）它们在运行中振动的变化情况，当然更关心的是是否由于我们的操作上的原因而影响机组的振动。许多的案例告诉我们，汽轮机启动过程中最容易产生较大的振动，本质上启动过程就是其各个部件加热膨胀的过程，汽轮机是一台大型、高精密度的回转机器，它的特点是尺寸大且动静间隙很小，受热后绝对膨胀量大，动静间隙是启动过程中最难控制因素。疏水系统：启动过程中产生较大的振动绝大部分原因是由于疏水不畅或者疏水不彻底原因造成的，这里的疏水系统是指轴封系统、主汽（再热）系统、抽汽系统以及汽机本体的疏水。水只能以导热的方式进行热传递，蒸汽以凝结的方式进行热传递，二者的传热能力相差数千倍，疏水往往存积在静止部分的低处，转子受热条件好温度升高快，部件膨胀也快，这种动静部件膨胀不一致导致间隙的变小甚至消失是产生振动的最主要原因。典型的案例是老厂的#1机，主汽管道的疏水不畅（包括主汽门、调门、导汽管等），这些部位的疏水随蒸汽高速流动冲击在叶片上，高速流动的水滴的能量密度是蒸汽的数万倍（比容相差数万倍），这种打击力非常大，且打击力不是叶片的轮周方向，相当于给转子产生了一个干扰力而引起振动，严重的要打断叶片，因此水冲击是汽轮机最可怕的故障之一。暖机不充分：暖机分低速暖机与高速暖机，暖机是汽轮机启动中重要的过程，通常认为高速暖机由于进汽量大暖机效果好，往往压缩低速暖机时间增加高速暖机时间以加快启动速度，这是由于没有正确的理解低速暖机的作用。低速暖机的真正作用还是暖管疏水！汽轮机进汽前，疏水系统的暖管不可能暖到每一个死角，由于汽门的严密性，主汽门、调门以及导汽管、进汽室等部位的疏水就靠低速暖机来完成，这些部位承受压力最高，壁厚、质量大，暖体需相当长的时间，在低速阶段，即使有水进入通流部分，由于相对速度低，对叶片的危害小。在低速阶段，这些部位大都处理真空状态，对暖体疏水非常有利。如果低速暖机不充分，在高速阶段就有可能出现凝结水！从而导致振动的产生。进汽不均匀导致振动：现代大型汽轮机为提高内效率，几乎无例外地采用喷嘴调节，每一个调门对应一个进汽室和一组喷嘴，当调速系统出现故障发生单侧进汽时造成机组的振动。案例，老厂#1机于96年大修后启动负荷40MW，#2、4调门单侧关闭使机组振动突然增加导致停机。轴承动刚度降低导致振动增加：案例，95年老厂#5机在正常振动测试时发现#5轴承轴向振动达15丝，通过紧固底角螺栓，振动将至7丝左右，后利用停机进一步做动平衡才将振动将至合格范围。以上主要讨论了启动过程中的一些因素，但还有一些案例是机组正常运行中振动突然增加以至超过允许值，作为运行人员几乎没有时间来寻找振动的原因，更谈不上采取措施。在这种情况下，不应有丝毫的犹豫，根据规程规定该停则停。案例：96年夏天，老厂#1机满负荷运行，由于凝汽器跌真空，机组快速大幅度减负荷至20MW，约几分钟后，机组振动大幅度增加，最高时#2轴承垂直振动达8丝，停机惰走时#1瓦振动最高达12丝。当时运行人员对振动虽然害怕，但怕停错机以至振动大幅增加。庆幸的是副司机还坚持抄表，日后使我们在运行报表上发现了异常，找到了产生振动的根源进而采取了措施。在此也提醒我们的运行人员，在机组发生异常时能尽快及时地保存一些画面和数据，便于日后分析。5 临界转速的概念任何一个弹性体都有它的自振频率，叶片有它自己的自振频率，汽轮发电机组轴系也有它的自振频率，当由不平衡离心力（或其他强迫力）所引起的强迫振动的频率与轴系的自振频率相等时，振动被急剧放大，此时频率对应的转速就是转子的临界转速。临界转速是一个回转体的固有特性，它只决定于转子的质量和刚度系数，但是当它被安放在轴承上运行时，实际的临界转子还是发生了变化，这是由于轴承的阻尼以及轴承的动刚度影响了临界转速，一般来说，阻尼越大、轴承动刚度越低，临界转速下降的越多。现在再谈谈暖机，对于温度变化大的转子，暖机是必要的，但从振动的角度看，均匀升速是最有利的，均匀升速升速率低要碰到临界转速，此时振动被放大以至超过允许值，有经验的老师傅在过临界时加大升速率快速通过临界转速，这样振动值要小得多。为什么呢？我们知道，描述一个回转体的振动可以用一个高介微分方程或微分方程组进行描述，其解由通解和特解组成，通解是系统的固有特性，随时间衰减，特解是外界对系统的影响，是一个稳定的解。在临界转速附近停留的时间越短，振幅衰减的越快，由于阻尼和惯性的作用，振动没有被充分放大时就越过了，6 转子的分类转子的分类很多，从振动的角度看，转子可以分为二大类，即刚性转子和挠性转子。理论上，如果在整个转速运行范围内转子不产生变形，这样的转子就称为刚性转子，但绝对的刚性转子是不存在的，由于质量的不平衡，在转动的过程中不平衡的离心力使转子轴线产生变形，只是在工作转速范围内这种变形量很小以至其临界转速远高于工作转速，习惯上称这样的转子为刚性转子。反之若临界转速低于工作转速，这样的转子就是挠性转子。之所以要对转子进行区分，除对运行有影响外（大家可以思考，有什么影响？启动时为什么要暖机？），对转子的动平衡的方法和手段是至关重要的。一个转子是刚性还是挠性，取决于它本身的质量、质量的分布以及所用的材料，如果一个专子粗而短，质量不大如单级水泵、风机等可以看成是刚性转子，这类转子的特点是振动随转速的提高而增加。如果一个转子质量大且相对细长，那往往是挠性转子，