汽轮发电机组振动故障诊断和处理.doc

汽轮发电机组振动故障诊断和处理技术学习班培训讲义黑龙江省电力科学研究院2006年7月目 录第1章 振动测试技术及仪器1第1节 振动测试内容1第2节 传感器2第节 振动的测量10第4节 振动信号分析技术15第章 旋转机械的故障诊断技术及处理方法21第节 机械故障诊断的基础21第节 影响旋转机械振动因素的分析23第3节 旋转机械的故障诊断技术及处理方法25第3章 转子的现场平衡理论及轴系平衡技巧33第1节 转子平衡概念33第2节 刚性转子动平衡35第3节 柔性转子动平衡40第4节 轴系平衡46第4章 机组轴系振动故障诊断及处理实例53第1节 某热电厂一台3MW机组对轮联接偏差引起的振动53第2节 某自备电厂一台25MW机组励磁机转子振动54第3节 国产125MW机组弯轴事故分析55第4节 某厂200MW机组轴系破坏事故分析61第5节 某热电厂#1机组异常振动测试、分析及现场动平衡试验71第6节 某发电公司1号汽轮机（350MW）2瓦振动原因的分析75第5章 附录汽轮发电机组轴承振动和转轴振动评判标准81第1章 振动测试技术及仪器第1节 振动测试内容汽轮发电机组是电厂最重大的关键设备，机组振动水平是直接反映机组安全运行的重要指标之一。无论是新机组调试还是已投入运行的机组，或是服役多年的机组，都必须掌握机组振动状况，尤其是当机组振动出现异常情况时，对机组振动的测试则更为重要，而要获得正确可靠的测试结果，首先要了解振动测试仪器的各项性能，还要熟悉振动测试的基本概念和具体测试方法，更需要掌握一定的振动测试实践经验。首先介绍一下机组振动测试有哪些具体内容。1.1 新机组投运中的振动测试 新机组启动调试阶段的振动测试，是对新机组制造和安装质量的检验，此阶段的振动测试数据作为该机组的振动原始资料，为今后正常运行提供判断故障的依据。新机组投运期间的振动测试通常需要测试的项目包括：低转速时的振动，各阶临界转速的实测数据和通过临界转速时的最大振动数据，额定转速时的振动数据，超速试验时的振动数据，带负荷过程的振动数据，如有可能还应测量记录轴振的振幅和相位。1.2 运行中的振动监测机组运行中的振动监测是了解机组振动状态随时间变化的情况，通过振动监测，取得机组有可能发生故障的信息。目前多数电厂采取的方法为：对于安装有振动监测保护装置的机组，振动数据进入数据自动采集系统，由数采系统自动记录并可打印；对于没有安装振动监测保护装置的老机组，正常运行时采用每天或每周测量一次，振动数据作为该机组的历史资料予以保存。机组大修前停机的振动数据，以及大修后启动时的振动测试数据应作为重要的资料予以保存。1.3 振动试验中的振动测试 当机组的振动水平超过正常值时，也就是说机组存在振动问题时，为了分析引起机组振动增大的原因和判断振动性质，需要进行一些专门的试验，试验中测试的内容根据需要而定。通过在现场进行的振动试验，有时能很快找出振动原因，采取针对性措施而消振；但有时振动情况复杂，需要反复进行多次试验研究，经过一段时间，才能找对振动原因从而采取针对性消振措施；甚至有的机组振动问题需要多方专家会诊。总而言之，机组振动问题充满个性又非常复杂，可以说，每一台机组的振动问题都是具有其独特性的，因此，现场测试和试验也应因事而易，只有积累了丰富的实践经验才能真正在振动试验中获得有价值的信息。1.4 动平衡中的振动测试 质量不平衡是引起机组振动的主要原因之一，现场高速动平衡已成为消除振动的常用手段，动平衡试验中振动测试是为了计算平衡重量提供可靠的数据，一般需要测量基频振幅和相位及通频振幅，而测取通过第一阶临界转速时的振幅和相位尤其重要。如果机组的振动与负荷等运行参数有密切关系，还需要测取不同工况下振幅和相位。1.5 研究性的振动测试 为了对机组设计、制造、安装和运行中发生的振动问题进行探讨和研究，往往需要进行一些研究性的振动测试，例如有的机组发生基础共振，需要对机组的结构、基础、大梁等进行模态分析试验，这种大型的试验往往需要众多的单位协同作战攻关，有时大型振动试验需要比较长的时间才能初见成效。第2节 传感器进行振动测试除了要掌握振动基本概念以外，很重要的一点是对测振仪器 要有相当的了解，这样才能清楚地有的放矢地测量所需要的数据，并进行数据处理，最终对振动做出分析诊断。目前现场测量振动绝大多数是用电气式测振仪器进行的。测振仪器由传感器和仪表本体两个部分组成。振动传感器也称拾振器，它的主要功能是把机械振动转化成电信号，输入仪表本体进行处理后，指示振幅、相位、频率或频谱等。振动传感器按工作原理分，有电涡流型、速度型、加速度型、电容型、电感型五种，目前在现场使用的主要是前三种。2.1 电涡流传感器电涡流传感器的外形如图所示，当传感器头部线圈通上高频（1-2MHz）电流时，在线圈周围产生高频电磁场，此交变磁场通过邻近的金属板在其表面产生感应电流，即电涡流。根据楞次定律，电涡流产生的电磁场与原线圈的电磁场方向相反，这两个电磁场相互叠加，改变了原线圈的阻抗，线圈阻抗的变化值与金属材料电导率，线圈尺寸r，磁导率、线圈与金属板之间举离d、流过线圈的电流I及其频率有关，当、r、I和一定时，并假设金属导体是均匀的，其性能为线性，而且各向同性，则线圈阻抗变化值便是线圈与金属之间距离d的单值函数。电涡流传感器外形1-头部线圈 2-螺母 3-引出线将传感器的涡流线圈接入振荡回路，振荡回路输出一个与d值有关的高频谐波，经高频放大、检波、滤波后，便可得到一个与d值大小成正比的输出电压。输出电压的直流分量表示线圈与金属之间的静态间隙；若线圈与金属板之间存在振动，则有交流电压输出，它表示金属板相对于线圈的位移值，因此这种传感器又称位移传感器。它不但可作静态测量，而且还可以作动态测量。电涡流传感器检测到的交直流信号是叠加在线圈的高频电源上的，如果直接将这种混频信号送到振动仪，即使采用高频电缆，也会使传感器灵敏度显著降低，而且易受干扰。为防止这些不利影响，必须在电涡流传感器附近设置放大器、检波器和滤波器，将振动信号放大并检出后送到振动仪，这一装置称为电涡流传感器的前置器。前置器到电涡流传感器这段高频电缆，是由制造厂精心调配好的，不同型号或不同系列的传感器不能互换，目前最长达10m，但凡是配置了延长线的电涡流传感器，使用时必须将延长线接上否则仪表指示值和零位与实际不符。2.2 速度传感器速度传感器是目前较常用的一种振动传感器，它的工作原理实际上是一个往复式永磁小发电机。按其支承系统工作原理分，有绝对式和相对式两种。绝对式速度传感器的结构如图所示，当传感器的外壳固定在振动物体上时，整个传感器跟着振动物体一起振动，而处在空气间隙内的动线圈是用很软的簧片1、8固定在外壳上的，其自振频率较低。当振动物体的振动频率时，动线圈处在相对（相对于传感器外壳）静止状态，线圈与磁钢之间发生相对运动，动线圈切割磁力线而产生感应电动势E式中 B-磁场强度 L-感应线圈导线长度 v-相对运动速度。当B、L一定时，输出电动势E正比与振动速度v，所以称它为速度传感器。有因为其振动的相对速度是相对于空间某一静止点而言，故又称为绝对式速度传感器，或称为地震式速度传感器。相对式速度传感器工作原理和绝对式速度传感器基本相同，不同的是动线圈采用较硬的簧片和外壳固定，与动线圈直接相连的拾振杆伸出传感器外壳，测量振动时将拾振杆直接压在振动物体上，传感器外壳固定在支架上，测量的振动是表示支架相对于物体的振动，所以称它为相对式速度传感器。由于拾振杆与振动物体存在摩擦，因此这种传感器目前很少采用。不论是绝对式还是相对式速度传感器，若要取得与振动位移成正比的振动信号，传感器输出的信号必须经过积分回路，这种电路一般都设在仪表本体内，但少数振动仪将这一电路单独分离出来，称它为速度/位移转换器，如美国本特利的速度传感器附带这种转换器，而仪表本体内还设有积分电路。这种外设积分电路给记录振动位移信号带来方便，但投资也相应增加2.3 加速度传感器加速度传感器利用压电材料（如石英、陶瓷等）的压电特性，当有外力作用在这些材料上时便产生电荷，输出电荷与振动加速度成正比，所以称为加速度传感器。加速度传感器不能作为静态测量，只能作为动态测量。采用加速度传感器要获得振动速度信号，必须经过一次积分，要获得振动位移信号，必须经过两次积分，由此使原来的振动信号衰减98%以上，灵敏度显得不足，而且受外界干扰影响较大，所以加速度传感器结构虽然简单，而且特别牢靠，但在汽轮发电机组振动测试中一直没有得到广泛的应用。2.4 复合式传感器 目前汽轮机监测装置上用得比较多的一种测量振动的传感器是复合式传感器。复合式传感器是涡流传感器和磁电式速度传感器复合而成，即将速度传感器和涡流传感器安装与同一个刚性装置中，测量同一个测点的振动，速度传感器测量得到的是轴承处外壳的绝对振动，而涡流传感器测量得到的是轴的相对振动，这两个测量量同时送入测量仪器中进行矢量相加，则可得到转轴的绝对振动位移量。这种复合式传感器可以测量到涡流传感器安装点的间隙、转轴相对于轴瓦的相对振动、转轴的绝对振动、轴瓦的绝对振动。由于复合式传感器与二次仪表配合起来可测量的振动信息比较多，因此得到广泛的应用。但是复合式传感器的安装需要制造厂在轴瓦上留有安装孔，通常新机组在制造厂就留有安装复合式传感器的位置，并且复合式传感器的金属延长杆件在制造厂也已配置好，而一些老机组改造时要加装复合式传感器有一定的难度。2.5 传感器的选择目前较先进的振动仪可以分别配有电涡流传感器、速度传感器和加速度传感器。在机组振动测试中合理地选择振动传感器，不但可以获得满意的测量结果，节省劳力和时间，而且对于尽快查明振动故障原因，提高转子平衡精度和减少机组启停次数，都有着重要作用。合理地选择传感器主要考虑两个方面：一是传感器性能；二是被测对象的条件和要求，只有两者很好地结合，才能获得最佳效果。对于测量汽轮发电机组振动来说，电涡流传感器和速度传感器都是需要的，但是在一般测试中，由于电涡流传感器安装麻烦，要求很严格，而且费时，故尽可能以速度传感器替代，但在某些振动故障诊断中及当转子质量与定子质量之比小于1/10时，如汽轮机高压部分，应采用电涡流传感器测量转轴振动；相反，当转子质量与定子质量之比值较大时，如汽轮机低压和发电机部分，应采用速度传感器测量轴承振动或测量转轴绝对振动。现将电涡流传感器和速度传感器的主要特性和优缺点归纳如下，供选用时参考。2.5.1 电涡流传感器2.5.1.1可以直接测量转轴振动，而且能作静态测量，适用于绝大多数机器的环境条件。2.5.1.2输出信号与振动位移成正比，对于采用振幅描述振动状态的大多数机器来说，它可以获得较高的输出信号。2.5.1.3结构简单、尺寸小，对于汽轮发电机组振动来说，具有合适的频响范围，标定较容易。2.5.1.4除测量振动和部件静态位置外，还可测量轴中心的位置，启动过程中轴中心的移动轨迹，轴中心的变化等。此外，还可以作为转速测量和振动相位测量的键相信号。2.5.1.5当测量振动物体材料不同时，影响传感器线性范围和灵敏度，需要重新标定。2.5.1.6需外加电源，安装比较麻烦，要求十分严格，而且必须配前置器。2.5.2 速度传感器2.5.2.1安装简单，可适用于绝大多数机器的环境条件。2.5.2.2不需要外加电源，振动信号不经任何处理可以传送到需要的地方。2.5.2.3体积、质量较大，活动部件易损坏，低频响应不好，一般速度传感器在15Hz以下，将产生较大的振幅和相位误差，这种影响在3时才完全消失（为传感器的自振频率）。2.6 振动传感器的安装振动传感器安装正确与否，直接关系到振动测量结果，不正确的安装，还会造成传感器的损坏，下面介绍涡流传感器和速度传感器的安装方法。2.6.1 涡流传感器涡流传感器是振动传感器中最复杂的一种，在安装中要考虑一下几点：2.6.1.1 初始间隙。各种型号电涡流传感器应在一定的间隙电压值下，其读数才有较好的线性度，所以在安装传感器是必须调整好合适的初始间隙。根据电涡流传感器特性曲线，用于振动测量的传感器静态最大量程不能大于2.5 mm，动态下为了获得较好的线性度，其工作间隙应在0.32.8 mm范围内，即仪表所指示间隙电压为216V，因此传感器工作点的选择应为静态时安装间隙电压为11V左右。2.6.1.2 被测表面必须光洁，椭圆度小于20m，否则所测结果中包含了表面光洁度及椭圆度给测量结果带来较大误差，甚至测量结果不能使用。2.6.1.3 避免交叉感应和过小的侧向间隙。当两个垂直或平行安装的传感器相互靠拢时，它们之间将产生交叉感应，使传感器输出灵敏度降低。为了避免交叉感应两个传感器不能靠得太近，图中的A40mm。侧隙过小使传感器头部两侧存在导体，这也会降低传感器输出灵敏度，正确的侧隙b1.5d，d是传感器顶部线圈直径。传感器头部外露高度c，一般没有特别规定，但现场使用证明，c太小也会降低传感器灵敏度，正确的c2d。现场安装传感器有时受到位置限制，b，c不能满足要求，可以设计成下图结构，把传感器头部附近的金属钻去，使b，c满足要求。第82 页2.6.1.4 金属材料。在使用中，除了要注意间隙问题外，还须考虑被测物体是何种金属材料，因为同一传感器测量不同材质的物体时，其输出灵敏度也不相同，因此，制造厂用某种标定材料给出的标准曲线，在实际使用时如果不是标定材料，最好用实际使用中的材料重新标定。2.6.1.5 温度影响。一般涡流传感器最高容许温度180，目前国产涡流传感器最高容许温度大部分在120以下，实际上工作温度超过70，不仅其灵敏度会显著降低，还会造成传感器的损坏，因此测量汽轮机高、中、低压轴轴振动时，传感器必须安装在轴瓦内，而且在安装前，还必须进行校验，有条件的话最好给出温度影响修正曲线。2.6.2 速度传感器速度传感器一般是用来测量轴承振动，有时也用来测量转轴振动。测量轴承振动时，速度传感器安装比较方便，有手扶、螺丝固定、橡皮泥粘接、永磁吸盘固定等方法，不论用哪种方法，都必须注意下面两点：（1） 测点位置要选择正确，传感器的质量中心线必须与轴承的轴线重合。（2） 传感器安装要稳固，不能有晃动。第节 振动的测量3.1 振动的名词和术语机械振动是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。机械振动通常以其幅值、频率和相位来描述，它们是构成振动的三个基本要素。以下介绍在振动测量和分析中经常用到的有关名词和术语。3.1.1 振动幅值、频率和振动相位振幅表示振动或动态运动的幅度，它是表示机组振动严重程度或烈度的一个重要指标。振幅可用峰-峰、峰值、均方根值或平均值来表明。峰-峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰-峰值的1/2。只有在纯正弦波的情况下，均方根值才等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍。振动幅值通常采用位移、速度或加速度值为度量单位。一般在振动测量中，除特别注明外，振动位移以峰-峰值表示，单位m或mm；而振动速度用均方根值表示，单位mm/s。振动频率是指振动物体在单位时间1s内振动的周期数，它是分析振动原因的重要依据。根据振动频率可以初步查明振动的源。振动频率可采用赫兹、周/每分钟、转/每分钟为度量单位，或以相对于转速的频率为度量单位，如一倍转速频率、二倍转速频率等。振动相位是由键相信号与选频振动信号构成的相对关系，它是转子某一瞬间的振动选频信号与轴上某一固定标志的相位差。相位的度量单位为度，通常在0度360度范围之间变化。基频振动的相位在振动分析中十分重要，它不仅仅反映了不平衡分量的相对位置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重要作用。3.1.2 通频振动、选频振动、基频振动通频振动表示振动原始波形正峰和负峰之间的最大偏差值。选频振动表示所选频率的正弦波正峰和负峰之间的偏差值。基频振动表示与转速频率相同的正弦波正峰和负峰之间的偏差值。对于工作转速为3000r/min的机器，基频振动频率为50赫兹。3.1.3 径向振动、轴向振动径向振动是指垂直于转轴中心线方向的振动。径向振动有时也称为横向振动。轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。3.1.4 同步运动、异步运动同步是指与转速频率变化成比例的振动频率分量。通常，同步分量是旋转频率的整数倍或分数倍。异步是指与转速频率无关的振动频率成分，也可称为非同步运动。3.1.5 相对轴振、绝对轴振、瓦振转子的相对轴振是指转轴相对于轴承座的振动，它可用非接触式传感器来测量。转子的绝对轴振是指转轴相对于地面的振动，它可用接触式传感器或用一个非接触式传感器和一个惯性传感器组成的复合传感器来测量。瓦振是指在轴承座相对于地面的振动，它可用惯性传感器来测量。3.1.6 自由振动、强迫振动、自激振动、随机振动自由振动一般是指弹性系统偏离于平衡状态以后，不再受外界激扰的情形下所发生的振动。强迫振动是指在外来激振力作用下面发生的振动。一般而言，强迫振动的频率与激振力的频率相同。自激振动是指由振动体自身所激励的振动。维持振动的交变力由运动本身产生或控制的。自激振动的起因归之于转子支承系统中某一机械能的反馈环节。这一反馈环节使转子从转动中获取能量，并转变为某一特定频率的横向振动能量，而这一横向振动又通过反馈环节进一步从运动中取得能量，从而加剧了横向振动，直至获取的能量等于消耗于阻尼的能量，这振动稳定在某一极限环上。随机振动是指在任何时刻，其大小不能正确预知的振动。3.1.7 振动高点和重点振动高点是指传感器测量振动时，振动波形上产生正峰值的那一点，该点用键相器测其角度位置。高点可能随转子的动力特性的变化（如转速的变化）而移动。重点是指在一个转轴特定横截面上，不平衡向量的角度位置。重点一般不随转速变化。在一定转速下，重点和高点之间的夹角称为机械滞后角。3.1.8 临界转速 临界转速是指使转子支承系统产生共振的特征转速。3.1.9 同相振动和反相振动 在一对称转子中，若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相同时，则称这两轴承的振动为同相振动；若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相差180度时，则称这两轴承的振动为反向振动3.1.10 转子挠曲转子挠曲是指转子弹性弯曲值，现场习惯称为挠度。转子挠曲分为静挠曲和动挠曲，静挠曲是静止状态下的转子在自重或预载荷作用下产生的弹性弯曲值，沿转子轴线上不同的点，静挠曲值不同；动挠曲是旋转状态的转子在不平衡力矩和其它作用下产生的弹性弯曲值。3.1.11 偏心在转子平衡领域，偏心是指转子质量中心偏离转轴回转中心的数值，此偏心是引起转轴振动最主要的激振力；而在机组运行监测中偏心是指轴颈中心偏离轴瓦中心的距离，也称为偏心位置，通过该偏心的监测可以发现转子承受的外加载荷和轴瓦工作状态。3.1.12 间隙电压、油膜压力间隙电压是指电涡流传感器测量的直流分量，其值反映了轴颈和探头间的间隙。由此可给出转子扬度、支承载荷等的有关信息。油膜压力反映了轴承支承油膜的厚度及稳定性，该压力能帮助诊断转子问题和轴瓦稳定性等方面的问题。3.2 振动试验引起汽轮发电机组振动的原因往往较为复杂，因素较多。例如，一些振动不仅与质量不平衡、不对中等旋转机械本身的因素有关，而且与运行中电气、热膨胀、流体等因素有关，有些还与结构刚度和安装质量有关。因此需要进行一些有关的振动试验来确定引起振动的原因。3.2.1 升、降速振动试验该实验的目的是确定机组实际的轴系临界转速和相位的振动值。由于制造厂商提供的都是计算临界转速，在计算中有关参数的模拟可能与实际机组本身和其安装条件有些偏差，故计算结果和实际值会有一定的误差。机组的临界转速应以实测结果为准。根据过临界转速时的振动值大小，也可以判断转子各阶振型的平衡状况。该实验的另一个目的是可以确定转子是否发生热弯曲。如果冷态下机组启动过程中过临界转速时的振动值不大，但在带负荷运行一段时间后快速降负荷并解列打闸停机过程中临界转速下振动增大许多时，则可以作为判断转子产生了热弯曲的因素之一。3.2.2 发电机励磁电流试验发电机励磁电流试验的目的是判断机组振动原因是来自电磁方面，还是机械方面，电磁方面的原因可分为两种，一是由于纯电磁激振力引起的振动（如发电机转子线圈匝间短路以及转子与定子间的空气不均匀引起的激振力），二是由于电方面的原因引起的发电机受热不均的热弯曲而引起的振动。后者由于转子热惯性，其振动值的增大在时间上较励磁变化滞后，通常只有在发电机转子励磁电流有较大幅度变化时振动才有明显改变。励磁电流试验是在机组带上一定负荷时保持该负荷不变而增大发电机转子励磁电流（降低功率因素）的条件下进行的，发电机转子励磁电流的变化范围是以不超过其额定值为限。通常随着励磁电流增加，振动值也随之增大。如试验曲线呈光滑上升形状，则说明振动直接与励磁电流有关，是纯电气原因造成的。如振幅增加呈阶梯形，即振动不立即随励磁电流的增加而增大，而是到一定时间阶跃增加，则振动是因转子热弯曲变形增大引起的，通常的原因是转子冷却通风道开孔不正确或灰尘、杂物的不均匀堵塞、线圈膨胀受阻等。3.2.3 发电机水温、氢温等试验当发电机转轴存在不对称冷却时，发电机转子会发生热弯曲，引起振动增大。因此通过改变冷却介质的温度可以判断有无不对称冷却。对于水冷发电机可采用改变冷却水温试验，而对于氢冷发电机可采用改变冷却氢温试验，观察其变化对振动发展的影响。双流式氢冷系统，可以单独改变发电机某一端氢冷器的出口氢温，有助于判断不对称冷却发生在转子的哪一端。通常在存在不对称冷却故障时，冷却介质温度越高，振动越小。3.2.4 负荷试验负荷试验的目的是判断机组负荷变化过程中汽轮机的机械状态和热状态的变化对振动的影响。当机组负荷变化时，一方面汽轮机经联轴节传递到发电机的扭矩立即会发生变化，如果联轴节有缺陷，则机组的振动状态也会立即发生变化。另一方面，因流过汽轮机的蒸汽流量变化，会引起汽缸内蒸汽压力和温度分布的变化，也即汽轮机汽缸、转子和轴承座的热膨胀要相应改变。如果此时汽缸出现不均匀变形而使转子中心不正，导致轴承不能正常工作或汽缸滑销系统卡涩等缺陷，机组振动就要发生变化。由于热惯性，后者引起的振动变化在时间上要比负荷的改变滞后得多。若试验结果表明，振动随负荷的增大立即增大，则说明振动与传递的扭矩有关，一般是联轴节有缺陷或齿牙之间负荷不均等原因造成的。负荷试验时负荷的增加应在运行规程允许的范围内进行。试验时应保持真空等参数不变。3.2.5 真空试验如怀疑机组振动过大是由于汽轮机排汽口在凝汽器建立真空后使轴中心错位或转子静负荷在各轴承间重新分配而引起的，可进行真空试验。试验一般在工作转速及空负荷下进行。真空先减至允许最低值，然后再升高至额定值。在这期间观察振动的变化情况。3.2.6 轴承座外部振动特性试验对初步发现振动过大的部位，如轴承、发电机定子、汽缸和基础台板等应进行外部振动特性试验。根据这些振动偏大部位外部周界上振动变化的特点，可以判断转子各支承相互连接处等部位的一些缺陷。例如轴承和台板之间，台板和基础之间等的连接刚度减弱的程度，或可发现在基础和支承件中是否出现裂纹或断裂。第4节 振动信号分析技术4.1 振动分析常用技术为了有效地利用由振动传感器及其二次仪表采集的振动信号，准确判断振动故障的起因，必须通过一定的数学分析把有关机器本身状态的有用信息最大限度地提取出来。一般的分析方法包括时域分析、频域分析、幅值域分析、相关分析、系统的传递特性分析及模态分析等。下面主要介绍现场振动分析最常用到的前两种分析方法。4.1.1 时域分析时域分析是在时间坐标轴上表示振动信号的方法，它是直观地描述振动的方法。时域波形可以在示波器或一些具有图形显示的二次振动仪表上显示。在振动分析中，经常需要对波形及于波形有关的图形（如轴心轨迹）进行分析。4.1.1.1波形分析在对原始振动波形分析中，除可观察到振动的瞬态峰值振幅和稳态振幅外，还可以确定其振动周期（频率）。有些振动，如拍振，通过波形可很容易判定。另外，根据波形的形状亦可初步判定一些振动故障原因。4.1.1.2轨迹分析在机器上同一径向轴承互成90度安装的涡流传感器的输出振动信号经放大器后，在示波器上所显示的轨迹表示转轴中心线的实际动态路径。轴心运动轨迹的形状是有关机械运动状态的一个很重要的信息。通常机器所产生的波形轨迹都是略呈椭圆形的，这主要原因是由于油膜支承刚度X、Y方向不对称缘故。根据经验统计，一些振动故障反映出的轴心轨迹具有其各自的特点，因此，将实测的轴心轨迹与这些典型的轴心轨迹图形比较，可以有助于分析振动产生的原因。4.1.1.3键相分析键相器的功能是由一个单独的涡流传感器所提供的，该传感器可观测转轴上每转一次的不连续点，即转轴上的凹槽（键相）或凸槽。当转轴上不连续点每次经过键相器时，传感器就会感受到在间隙距离上的变化，因而输出的电压值也会有相应的变化。输出电压的变化，发生在不连续点出现的很短时间内，因而表现为每转一次所产生的电压脉冲。转轴旋转时电压脉冲为一连串正向电压升（凸槽）或负电压降（凹槽）。键相器的主要作用是测量振动相位角。相位角定义为从键相器脉冲到振动信号的下一个正峰之间转轴转过的角度。为了能测到相位角，振动信号的频率表现和转轴转动的频率相同或为其整数倍。因此要精确地测量相位角，必须对转动信号按转速频率进行滤波。由于转轴每转一圈就会产生一个键相器脉冲，故键相器亦可用来测量转轴转速（旋转频率）或转动周期。相位测量可以鉴别出一些机械故障，某些机械故障与相位有密切的确定关系。例如，运转速度高于一个或多个平衡共振频率的机器，在经过共振频率区时，一般会发生180度的相位变化。因此相位测量可用于证实转轴共振频率或临界转速的存在。4.1.1.4直流分量及浮起量的分析在采用涡流传感器测量转轴振动的同时，其输出直流电压（间隙电压）与转轴和传感器之间的平均间隙成正比。在油膜轴承中该平均间隙可以换算成轴颈在油膜中的浮起量，亦可称之为偏心位置。在机器运行中应密切注意偏心位置的变化，因为测量的偏心位置实际反映轴承中转轴的稳态位置。一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷（稳态力），轴承内的轴颈就会出现位置的变化。所以轴颈在轴承中的偏心位置是判断轴承有无过大的预负荷（如由不对中原因引起的等）或轴承是否会发生过分磨损的一种依据。对于可能发生中心线偏移或其它预加负荷的情况下，必须密切地监测偏心位置甚至于需要连续监测，以收集机组的冷态偏心位置和热态偏心位置的数据，并建立一个参考系统。这对以后比较偏心位置是很重要的。4.1.2 频域分析频域分析是在频率坐标轴上表示振动的方法。大多数旋转机械一般产生带有周期的振动信号，即不是都只含有单一频率成分的谐波运动，而是包含有多种的频率成分。这些频率成分往往直接与机械中个零部件的机械物理特性联系在一起的。频域分析十分清晰、简洁，将振动波形在频域中分解为不同频率的正弦分量，就更容易抓住故障的本质。测量振动信号的频率成分，一般可以采用两种方法。第一种是利用滤波技术有次序地观察信号中每一个频率成分以达到分解信号的目的，第二种方法是捉住信号的一个数据块，然后用一台信号分析仪或计算机借助于快速富利叶分析技术来处理这些数据。4.1.2.1滤波方法振动信号的频谱分析可以用电子滤波的方法来实现，滤波后把信号分解成为各种频带。通常采用带通滤波器来完成滤波。一个理想的电子滤波器应该能选择一个特定的离散频率值，但实际上这是不合实际的。因为这样一个滤波器必须具有对某个特殊频率的鉴别能力，即一个带宽能够通过一个离散频率成分，而把其它频率成分完全衰减掉。实际滤波器是一个定义带宽的，其定义为信号衰减不大于这个频率范围，这个范围包括了中心频率，下限频率和上限频率。滤波器的带宽与衰减特性（滤波形状）决定了对频率分析时的分辨率。频带越窄，则衰减响应愈陡，分辨率则愈高。除上述的带通滤波器外，滤波器还有高通、低通等种类。高通滤波器可让高于所调频率的信号通过，并滤去或排除低于所调频率的信号。而低通滤波器的应用正好相反，如果某些高频信号部分对分析并不重要，则可用低通滤波器来排除这些信号，如电气或机械噪声常常在振动信号上以很高的频率出现，应予以排除。矢量滤波器是一种跟踪滤波器。它可以把带通滤波器的频率自动调整到机器的转速，其输入信号是键相器的信号和振动信号。它可以显示出转速，滤波后的振幅及振动相位角，也可测量振动响应。4.1.2.2快速富利叶变换快速富利叶变换（FFT）是离散富利叶变换（DFT）的一种快速运算方法，它可以用软件（在普通计算机上），亦可用硬件（专用信号分析仪）来实现。目前它是频率分析的主要方法之一。FFT技术首先是对时域信号进行采样、离散化，然后计算其离散富利叶变换，获得一系列联系在一起的频率分量，各频率之间的分辨率为。这类频率谱线总计有条，一般是512条谱线。FFT技术能够提供取自旋转机械振动信号的基频以及其各次谐波分量的分析结果。任何包含在振动信号中的非同步频率分量也同时被确定。实践证明，对于极短时间信号的分析工作是极为有效的。4.2 振动数据的特征分析由于振动是动态参数，为表示振动特性，通常采用各种图形方式来进行描述。振动特征分析就是将振动信号时域分析和频域分析的结果用一定的图形或曲线表示出来。下面将对分析振动原因极其有用的有关图形作一详述：4.2.1 波德图波德图定义为与转速同步的振动及其相位和运行转速的关系曲线。波德图是最常使用的振动分析工具之一，其用来确定机器的临界转速及其过临界转速时的振幅和相位，从分量的波德图可以看出转子的副临界转速。波德图常用作设备的验收试验。一些标准规定转子的临界转速与工作转速必须有一定的避开范围。相位信息（在其他显示图形中可能不会出现）可对怀疑的共振频率提供进一步的检查。在线性系统中当转速接近共振频率时除了振幅会出现共振响应峰值外，振动相位也会出现180度的变化。因此，在波德图中如果某一振动响应峰值怀疑对应于一共振频率，但振动相位并未明显变化，则可以排除发生共振。由于除测量主系统的自然频率外，还通常测量局部辅助设备或结构的共振频率，因此对波德图的解释要求具有一些经验和直观判断。4.2.2 极坐标图将各转速下基频振动信号的振幅和相位在极坐标上表示时则称为极坐标图或振型园。它实际上是波德图在极坐标上的另一种表现形式。极坐标图用于确定轴系临界转速及其过临界转速时的振幅和相位，帮助判断不平衡转子的轴线位置及其不平衡型式。4.2.3 振动波形及频谱图振动波形图是表示在某一时间采样周期内由振动传感器采集的振动原始波形。对振动波形进行FFT分析则得到振动的频谱分布，即频谱分析图，该图反映了振动的频谱构成，对于机组振动常见的振动频率成分包括：与转速频率同步的振动分量，也称基频振动分量；两倍转速频率的振动分量；转速频率的高倍频振动分量；转速频率的分频振动分量通频振动表示振动原始波形正峰和负峰之间的最大偏差值。4.2.4 转速瀑布图它是用来观测振动频率作为转子转速函数变化的一种三维曲线图。该图由在不同转速下所得到的一系列振动频谱组成，其中X轴表示振动频率，Y轴表示振动幅值，Z轴表示不同的转速（如转速增大）。该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。4.2.5 时间瀑布图它是用来观测振动频率作为时间函数变化的一种三维曲线图。该图由在不同时间下所得的一系列振动频谱组成，其中X轴表示振动频率，Y轴表示振动幅值，Z轴表示不同的时间（如时间增加）。该图常用来了解不同时间下振动频谱变化情况，可以确定工作转速下振动变化趋势、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。4.2.6 轴心轨迹图轴心轨迹图表示轴振在旋转时轴心运动的轨迹。轴心轨迹是由两个互为正交的电涡流传感器在某一采样时间周期的输出信号叠加而成。当系统在X、Y方向刚度对称时，则轴心轨迹为园，此时安装在同一截面不同方向的传感器所测得的轴振幅值均相同。但在汽轮发电机组上，转子及其支承系统在X和Y方向刚度一般不对称，所以实际轴心轨迹为椭圆，表明X和Y方向测得的轴振动幅值有一定的差异，有时相差很大。轴心轨迹图不仅可以判断一些振动故障种类，而且可以了解转轴在轴承中的运动情况。4.2.7 振动趋势图该图表示通频振动、各频率分量的振动、相位的变化趋势，其用来观察振动故障的发展趋势。第章 旋转机械的故障诊断技术及处理方法第节 机械故障诊断的基础以下几条基本原则可以作为机械故障诊断的基础1.1 了解机器基本机械特性振动分析人员除应了解机器结构设计（包括轴承间隙、汽封间隙）等外，还应了解机器的稳态（正常带满负荷或部分负荷）与瞬态（启动或停机）特性。包括：轴系临界转速与轴系振型、系统中的阻尼量、机器是否容易失稳、各部位不平衡响应的灵敏度、振动与负荷的关系以及振动限值等。汽轮发电机组的这些机械特性应由制造厂提供。制造厂在设计中需通过计算得到这些特性，其必须满足以下三个基本要求：1.1.1 临界转速不能靠近工作转速。1.1.2 在整个工作转速范围内振动幅值应较低，以确保必需的间隙，防止碰磨，且转子传给轴承的动反力较小。1.1.3 转子和轴承系统应能抑制自激振动（油膜振荡和蒸汽涡动等）。汽轮发电机组的机械特性是由转子、轴承和基础的特性共同确定的。因而一些振动故障可能与转子、轴承等部件的结构有关，有时通过现场测得的特性与制造厂计算求得的特性进行比较，可能不但发现故障原因，而且有利于彻底解决问题，尤其是在必须改变上述部件的设计时应利用原有的计算方法，估算改进后的效果。1.2 了解机械故障的振动响应，进行振动特征分析对表示振动特性的曲线或图表进行分析即是特征分析。通常振动特征曲线是由旋转机械本身的设计、结构材料以及安装条件等因素确定的，一旦这些因素在运行中发生变化，振动特性则必须随之变化。一般可通过理论计算求解振动特性，但在具体应用中往往采用经验性的资料，这些资料是现场或试验室长期振动分析经验的总结。对于每个具体的振动故障，其能够表现出特有的振动特性，反映在诸如振动频谱、轴心轨迹及时域波形图等特性曲线上有一定的差异。当然，有些振动故障反映出的振动特性曲线可能类似，但可以进一步分析振动相位和其他一些非振动量加以区别。1.3 了解使机器情况发生变化的历史事件除了汽机断叶片等引起机组振动突然增大的情况，机组振动的恶化一般大都有一逐渐发展的过程。在这期间发生的历史事件，如发电机匝间短路、非同期合闸、汽机进水等故障以及机组检修可能都会对机组的振动产生影响。因此，根据振动的变化趋势，查询对振动增大有决定性影响的历史事件，有助于分析振动原因及采取相应的措施。1.4 监测能表示出机器特征改变的关键参数汽轮发电机组振动往往涉及许多因素，所以应设法使振动参数与其他运行参数（如温度、压力、流量、负荷、励磁电流等）关联以寻找振动原因。因此，现场常进行振动的工况试验（如发电机励磁电流试验、负荷试验、真空试验等）和外部特性试验，来确定引起振动增大的关键参数，这就有利于进而分析振动的起因。1.5 处理数据使其成为容易理解的格式为便于振动分析，通常要对测量的振动进行数据处理。将处理完毕后的数据用纯文字和简单数据表格形式列出，并与一些由经验得出的典型振动故障和振动特征关系表格相比较，这样可以较容易地判断具体的故障原因。一般典型的振动故障和振动特征关系由试验及概率统计得出，包括各种振动故障对应的主要振动频谱图表、振动原因与最大振幅的方向和位置表及振动原因与机组升、降速过程中振幅变化情况等。第节 影响旋转机械振动因素的分析目前国外对于旋转机械的维护大多采用预测维修程序以降低生产成本，提高工效。但是预测维修的关键问题在于当设备的振动水平超过设定的报警值后能否快速、准确地诊断出振动原因，进而采取相应的处理方案。旋转机械，尤其是大型汽轮发电机组轴系的振动十分复杂，影响因素较多，不但有静态的，而且有动态的，并且这些因素往往综合作用，相互影响。因此有必要了解下面一些影响旋转机械（及其轴系）振动的主要因素。2.1 临界转速当转子的工作转速接近其临界转速时，就要发生共振，这是产生极大振动的主要原因之一。因此，在转子设计时，应保证工作转速相对于其临界转速有足够的避开率。2.2 支座特性通常轴承座的振动幅值与转子激振力的大小成正比，与支承系统的动刚度成反比。所以，在转子激振力一定的条件下，轴承座的振动大小主要决定于支承系统的动刚度。增大轴承座的刚度，可使振动响应峰值转速略有抬高，但可较大的降低轴承座振动峰值。为避免转子与支座发生共振现象，应使支座自振频率与工作频率之比大于2。2.3 轴承特性轴承是提供转子系统阻尼的主要来源。阻尼的大小不仅对振动系统的稳定性有直接的影响，而且对振动响应峰值也有很大的影响。理论计算和试验表明，轴承的动力特性不仅与轴承的几何尺寸有关，而且还与轴承型式、流体介质和流动状态、线性与非线性计算方法等因素有关。目前一致认为减小轴承的长径比能提高油膜刚度，增大轴承偏心率，提高轴承的稳定性；当间隙比较小时，增大间隙比可提高轴承的刚度和阻尼，增加轴承的稳定性，当间隙比较大时，反而会降低稳定性，使失稳转速降低；应用低粘度的润滑油或提高平均油温，可以增加轴承的稳定性；从轴承型式上，一般认为圆轴承的承载能力最强，但稳定性较差，椭圆轴承稳定性较好，可倾瓦轴承稳定性最好。2.4 转子动平衡质量在线性系统（绝大多数情况），转子不平衡响应的峰值与转子残余不平衡量的大小成正比。减少不平衡量可以明显地降低响应峰值，尽可能的提高转子动平衡精度是提高转子振动品质的有效措施。2.5 转子温度效应在高参数或超临界汽轮机中，高、中压转子温度较高，这会引起转子材料弹性模量的变化。材料的弹性模量随温度的升高而降低，从而使转子的弯曲的刚度和临界转速降低，故在分析计算中应计入转子温度变化的影响。当汽缸或轴承座温度较高时（如空载下汽轮机叶片的鼓风作用），会引起支撑系统动刚度降低，使得轴瓦振动增大。另外，当负荷运行后，如果转子存在不均匀的温度分布，会导致转子产生热弯曲，引起振动增大。2.6 汽流激振在高参数、大容量，尤其是超临界汽轮机的高压转子中，由于汽隙（叶顶间隙和汽封间隙）的不均匀会引起附加的蒸汽力作用，他可能影响轴系的稳定性，使失稳转速降低。另外，对于喷嘴调节的汽轮机，在某些负荷工况，因部分进汽改变轴承的动特性，也可能导致轴承失稳。2.7 转子间的连接和对中安装因素是轴系振动一个重要影响因素，对于动平衡质量较好的转子，如果连接偏差较大，也会引发振动。在轴系中，找中时应进行预调，以保证在热态时轴系是一条光滑曲线，减少轴心的偏差，确保轴承有良好的动力特性。此外，在安装时，要保证动、静部件间隙均匀，且尺寸合理，防止局部间隙过小引起动静碰摩而产生振动以及径向间隙偏差较大引起汽流激振。2.8 运行方式异常维持机组正常的运行方式是保证机组振动状态稳定的因素之一。启机过程中应根据需要在一定的转速下进行暖机，防止因转子或汽缸膨胀不畅引发振动。在运行中应严防可能引起转子弯曲的汽机进水、进低温蒸汽等异常操作。另外，发电机的非同期并列除对轴系产生扭转振动冲击外，也可能产生较大的弯曲振动。第3节 旋转机械的故障诊断技术及处理方法3.1 旋转机械的故障诊断技术尽管旋转机械的振动问题往往是许多因素综合造成的结果，但各种类型的振动仍有其固有属性。除振动发生过程和振动特征上的表现有所不同外，通常振动频谱可以较完整地反映出振动的性质，分析者可根据测量的振动频谱分布来寻找振动的起因。然而，有时仅由频谱分析进行故障诊断仍不能收到很好的效果，因为一些故障类型产生的振动可能有相同或相似的频谱，这时候就需要通过振动的相位关系和其他一些相关因素来作进一步的分析。因此，振动频谱和相位关系是振动故障诊断工作中使用的基本工具。下面将列出一些典型故障的振动频谱特征和相位关系及振动特征。3.1.1 质量不平衡质量不平衡是旋转机械最常发生的故障。由于机械加工质量偏差，运行中联轴器、轴承相对位移的改变，盐等矿物质在转轴上不均匀的沉积，轴本身的腐蚀等因素的影响都可能使转子产生不平衡。转子不平衡往往导致临界转速下振动峰值显著增大。质量不平衡往往反映出很大的1X振动。由跨内转子离心力本身引起的不平衡一般表现径向振动。纯静不平衡时支撑转子的两个轴承同一方向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支撑转子的两个轴承振动相位呈反相，即相位差为180度。但实际转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的力偶不平衡（即存在动不平衡），此时支撑转子的两个轴承同一方向振动相位差在度之间变化。但是在外伸转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支撑转子的内跨两轴承的轴向振动相位相同。一般在分析由转子不平衡离心力等引起的振动采用线性转子动力学理论，此时假设振幅相对于轴承间隙较小（通常1015%的轴承间隙）。但在发生大不平衡时（如汽轮机末级叶片脱落），振动性质会发生，在一定的转速下振幅并不随不平衡力大小的增大而线性增加，而是往往产生非线性振动特性。呈现的振动频谱较为丰富，除基频分量外，可能还有大量的0.5X，1.5X，2X，2.5X等低、高频成分量。如果大不平衡是发生在接近稳定性界限转速（失稳转速）附近运行的转子上，振动频率除基频外，主要表现在转子一阶临界转速频率的低频振动分量。3.1.2不对中不对中是旋转机械最为常见的故障之一。转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可以分为联轴器不对中和轴承不对中，其结果是在联轴器处产生附加弯矩。轴系产生不对中的原因通常是加工制造误差和安装误差及基础受热不均、基础下沉不均、机组各部件的热膨胀变形和扭曲变形等其他因素。3.1.2.1 联轴器不对中联轴器不对中有联轴器偏角不对中（端面瓢偏）、平行不对中（不同心）和平行偏角不对中三种情况。联轴器端面瓢偏表现为产生较大的轴向振动，且沿联轴器两端测量的振动相位反相，一