振动分析基础知识.doc

旋转机械振动分析基础汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械，是电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济损失。 振动在设备故障中占了很大比重，是影响设备安全、稳定运 行的重要因素。振动又是设备的“体温计”，直接反映了设备健康状况，是设备安全评估的重要指标。一台机组正常运行时，其振动值和振动变化值都应该比较小。一旦机组振动值变大，或振 动变得不稳定，都说明设备出现了一定程度的故障。振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在： (1)振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。 (2)过大振动将会造成通流部分磨损，严重时将会导致大轴弯曲。统计数据表明，汽轮发电机组 60以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。(3)振动过大还将使部件承受大幅交变应力，容易造成转 子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。正因为振动对设备安全运行相当重要，人们对振动问题都很重视。目前大型机组上普遍安装了振动监测系统，并将振动信号投了保护。振动超标时，保护动作，机组自动停机，从而保证设备的绝对安全。一、振动分析基本概念 振动是一个动态量。图 所示是一种简单的振动形式简 谐振动，即振动量按余弦（或正弦）函数规律周期性地变化，幅值反映了振动大小；频率反映了振 动量动态变化的快慢程度；相位反映了信号在t=0时刻的初始状态。可见，为了完全描述一个振动信号，必须同时知道幅值、频率和相位这三个 参数，人们称之为振动分析的三要素。 振动是一个动态变化量。为了突出反映交变量的影响，振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值，又称为峰峰值。简谐振动是一种简单的振动形式，实际机组上发生的振动比简谐振动要复杂得多。不管振动多么复杂，由信号分析理论可知，都可以将其分解为若干具有不同频率、幅值和相位 的简谐分量的合成。旋转机械振动分析离不开转速，为了方便和直观起见，常以 1x 表示与转动频率相等的频率，又称为工（基）频；以 0.5x、2x、3x 等表示与转动频率的 0.5 倍、2 倍和 3 倍等相等的频率，又称为半频、二倍频、三倍 频。 采用信号分析理论中的快速傅立叶变换（FFT）可以快速、方便地求出复杂振动信号中所含频率分量的幅值和相位。该过程称 为频谱分析，并已成为振动故障分析领域基本和常用的工具。 频谱分析所起的作用可以概括为以下两点：(1） 不同故障所对应的频率不同。例如：转子不平衡故障的 频率为工频，汽流激振和油膜振荡等故障的频率为低频，电磁激 振等故障的频率为高频等。频率特征是故障判断的必要条件。某 种故障必然具备相应的频率特征。因此，根据频谱分析结果可以 对故障性质作一个初步、定性判断。本书第 35 章将详细介绍 每一种故障的频率特征。 （2） 多种故障的频率特征具有很强的相似性，频率特征并不 是故障判断的充分条件。例如，热变形、不平衡、共振、刚度不 足、摩擦等故障的特征频率都是工频，仅根据频率特征无法将故障原因进一步定量细化。为了能确诊故障原因，振动分析必须结 合过程参数和相关试验数据进行，突出相似故障之间的微小差别。 二、 振动位移、速度和加速度 除了振动位移外，振动分析时还经常用到振动速度和加速 度。将位移信号对时间求一次和两次导数，可以分别得到振动速 度和加速度；反之，对振动加速度信号进行一次和二次积分可以分别得到 速度和位移信号。（1）振动位移、速度和加速度信号的频率相同。不管采用何 种表示方式，故障性质不会变化，都可以用于振动监测。三种方 式在旋转机械振动分析中都有广泛应用。 （2）在相同位移幅值下，频率越高，振动所产生的交变应力 越大，对设备的危害也越大。因此，故障频率越高，位移幅值应 该控制得越严格。对于旋转机械而言，转速越高，振动标准越严。 （3）振动速度（或加速度）幅值是振动位移和频率（或频率 平方）的乘积，幅值中同时反映了振动频率和位移幅值的影响， 较单纯的振动位移幅值更全面。 （4）振动加速度相位超前振动速度相位 90o，振动速度相位 又超前振动位移相位 90o。采用不同表示方式时，必须考虑相互 之间的相位差。 （5）值得指出的是，同一种故障在振动位移、速度和加速度频谱中表现出来的故障特征不完全相同。于高频振动故障，为了在故障的早期能够比较明显地反映出振动变化，采用振动速度或加速度监测比较有效。 对于低频振动故障，监测振动位移更能够突出反映 振动变化。（6）振动位移、速度和加速度之间可以相互转换。虽然将位移信号对时间求导可以得到速度信号和加速度信号，但是由于求导过程中误差有可能会放大，实际上很少进行这样的转换。信号积分过程中误差是收敛的，因此，目前采用得比较多的是由加速度或速度信号积分求出位移信号。一些采用加速度传感器的振动仪表，可以通过积分同时测量出振动加速度、速度和位移值。 转换关系（1）位移信号对时间求导得到速度，再求导得 到加速度（2）加速度对时间积分得到速度，再积分得到 位移选用原则（1） 三种表示方式都可以用于监测；（2） 速度和加速度信号更能突出反映高频分量的变化；（3） 位移信号进行监测更能突出反映低频分量的变化三、 旋转机械振动标准 振动直接影响到大型旋转机械的安全、稳定运行。目前，大 型旋转机械振动评定尺度主要有轴承座振动位移、轴承座振动烈度和轴径向位移三种。 （一）、轴承座振动 轴承座振动，又称为轴承振动或瓦振，它是以轴承座垂直、水平和轴向三个方向中的最大振动为评定依据。振动位移和振动烈度是轴承座振动监测所主要采用的两个尺度。 1、轴承座振动位移 表 3 给出了我国电力工业技术管理法规中给出的汽轮发 电机组轴承振动标准。该标准以轴承振动位移信号峰峰值为尺 度，在我国电力行业得到了广泛应用，是汽轮发电机组轴承座振 动评判的主要依据。 表 3 汽轮发电机组轴承振动标准（单位：m） 汽轮发电机组转速优良合格1500 rpm3050703000 rpm2030502、轴承振动烈度振动速度幅值同时反映了振动位移幅值和频 率的影响，因此又称为振动烈度。对于高频振动或冲击型振动， 监测振动烈度比振动位移更为有效。支承刚度对轴承振动的影响很大。相同激励力下，支承刚度 越小，轴承振动越大。因此，轴承振动烈度评定时，针对刚性支 承和柔性支承给出了不同标准。刚性支撑通常指的是支撑系统固 有频率高于激振力频率，柔性支撑通常指的是支撑系统固有频率 低于激振力频率。ISO10816：1996 规定：如在测量方向上机器与 支撑系统组合的低自振频率至少大于主激振频率（大多数情况 下为旋转频率）25，则支撑系统在该方向上可看作刚性支撑， 其它支撑系统都可看作柔性支撑。例如：大型电动机、泵和小型 汽轮发电机组一般是刚性支承，大型汽轮发电机组部分轴承座则 采用柔性支承。某些情况下，支撑部件可能在某一测量方向上为 刚性，而在其它方向上为柔性。A区 域新投产机组的振动应在此区域内。B区 域振动在此区域内的机组通常认为是合格的，可以长期运行。C区 域振动在此区域内的机组不适宜长期连续运行。一般来说，该机器可在这种状态下运行有限时间，直到有采取补救行动的合适时机为止。D区 域振动在此区域内，通常认为其剧烈程度足以引起机组破坏。表 6 功率50MW 陆地安装的大型汽轮发电机组 区域边界轴转速（rpm）1500 或 18003000 或 3600振动速度 mm/s（rms）A/B2.83.8B/C5.37.5C/D8.511.8（二）、转轴振动标准 轴承座振动并不能完全反映转轴在轴瓦内的振动（轴振）。轴承振动和轴振的比值与轴承支承刚度有关。激振力一定时，支承刚度越大，轴承座振动越小，轴振越大。即使在不大的轴承振动下，转轴仍有可能存在较大的相对振动。转轴振动过大，可能使轴承乌金疲劳损坏并导致动、静部件碰磨。振动评定标准中应充 分考虑该因素。为弥补轴承振动不能全面反映转轴振动的不足，大型旋转机械一般考虑以转轴振动作为机组振动状态评定标准的尺度。大型汽轮发电机轴振标准（峰峰值，GB/T 11348.2-1997）m区域相对振动绝对振动界限A80120-165180-260100150-200250-320报警打闸BCD四、大唐集团转动设备振动标准1轴承振动标准:1.1以振幅为标准（峰值pp) m工作转速优良(A)合格(B)报警(C)打闸(D)15003050703000203050100表中：当轴承振幅大于B而小于C时，不发报警，但应设法消除。1.2以振动烈度为标准（有效值rms)工作转速(rmin)A(mm/s)B(mm/s)C(mm/s)D(mm/s)600120001.84.611.211.2表中A新投产机器应达到标准B机器可以长期运行C机器尚可短期运行，但必须采取补救措施D停机，不允许运行2转轴振动标准相对轴振(m)绝对轴振（m)优良(A)80100合格(B)120150报警(C)120150打闸(D)260320注：（1）具体机组的振动限值应根据机组设计、长期运行特点确定后，由厂总工程师批准后执行；（2）按两个互成90的传感器的大值考核；（3）相对轴振增减超过40m 或绝对轴振增减超过50m 时应报警；（4）新投产机组的轴振水平应在(A)以内；3机组通过临界转速的振动标准3.1轴承振动： 合格值50m 打闸值l00m3.2转轴振动：（1）相对轴振： 合格值80m 打闸值260m（2）绝对轴振： 合格值100m 打闸值320m4机组起动过程中，在中速暖机之前，轴承振动超过30m或轴振动超过100m立即打闸停机；通过临界转速时，轴承振动超过100m,相对轴振超过200m应立