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振动基本知识及故障诊断 1 上篇 振动基本知识 一 振动及其分类振动 指物体在一定位置附近的往复运动 普遍存在于宇宙及人类生产 生活中 是电厂重要安全经济指标之一 电厂中振动过大的危害 1 减少设备的使用寿命 造成设备损坏 甚至酿成灾难性事故 2 动静部件碰摩 使转轴弯曲 部件及基础损坏 3 降低机组的机械性能和热力性能 4 振动及其产生的噪声 影响运行人员身体健康和工作效率 2 振动的分类 1 按振动的产生方式分 自由振动受迫振动 2 按振动的规律分 简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动 3 按振动故障的性质分 自激振动强迫振动 4 按振动模型的自由度分 单自由度振动多自由度振动 3 二 简谐振动 一 简谐振动的运动学方程以无阻尼自由振动的弹簧振子为例得出普遍结论 4 解可得 速度 加速度 5 结论 1 单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函数表示的 故称为简谐振动 2 自由振动的角频率即系统的固有频率仅由系统本身参数确定 与外界激励 初始条件无关 3 自由振动的振幅A和初相角 由初始条件所确定 6 振幅A Amplitude 偏离平衡位置的最大值 描述振动的规模 频率f Frequency 描述振动的快慢 单位为次 秒 Hz 或次 分 c min 周期T 1 f为每振动一次所需的时间 单位为秒 圆频率 2 f为每秒钟转过的角度 单位为弧度 秒初相角 Initialphase 描述振动在起始瞬间的状态 二 描述简谐振动的三要素 7 三 简谐振动的合成 合振动 1 同方向 同频率简谐振动的合成 仍然为简谐振动 两种特殊情况 振动与其它运动形式一样也可以进行合成与分解振动往往是由若干种频率的简谐振动合成的下面我们研究几种基本而重要的简谐振动的合成 8 2 同方向 不同频率简谐振动的合成 周期振动 m n为整数 m n用x t图像合成最方便如 T1 2s T2 3s 结论 合振动不是简谐振动 但有周期性 合振动周期为两个分振动周期的最小公倍数 9 合振幅做周期性变化的现象叫拍 合振幅大小每变化一个周期叫1拍 单位时间内拍出现的次数叫拍频 2 两个分振动频率很高 又非常接近 即 可视为振幅做周期性缓慢变化的准简谐振动 又称调幅振动 10 3 方向垂直 同频率简谐振动的合成 将两个式子展开 消去参数t 可得质点运动的轨迹方程 在一般情况下 为一椭圆方程 椭圆的形状 大小 长 短轴方位 由振幅和相位差决定 11 4 方向垂直 不同频率简谐振动的合成 若分振动频率不成整数比 则合运动轨迹不能形成稳定的封闭曲线 质点运动不具有周期性若分振动频率成整数比 则合运动轨迹为一稳定的封闭曲线 质点运动具有周期性 轨迹图形称为利萨如图形图形的花样与振幅 初相 频率比有关用作图法画利萨如图形T1 T2 1 2A1 A2 3 2 1 2 2 2 12 三 单自由度系统自由振动 13 d为阻尼自由振动的圆频率阻尼比 Mi Mi 1分别为阻尼自由振动的相邻超调量 14 四 单自由度系统强迫振动 一 谐激励的强迫振动 15 16 图a 幅频特性曲线图b 相频特性曲线 1 当激励频率时 振幅达到最大值 称临界 2 不管系统的阻尼比是多少 在时 位移始终落后于激励力90度现象 称共振 17 二 单圆盘转子不平衡振动和临界转速 C A m O O k y x 由上式中解出x和y 并求得振幅r 圆盘惯性力 轴弹性力 偏心的离心力 18 单圆盘转子的不平衡振动响应 C A C O O cr er e 重点高点 C 19 系统有多个固有频率 从小到大 称为第1阶 第2阶等等 每个频率有一对应的振型和阻尼值 同一阶的固有频率 振型和阻尼值一起 称为模态 五 多自由度系统自由振动两自由度系统的振动模态 第二阶模态 第一阶模态 20 三自由度系统振动模态 第二阶模态 第三阶模态 第一阶模态 振型是各自由度坐标的比例值 振型具有正交性 21 单转子的临界转速和振型 650MW发电机转子 n1 604r minn2 1840r minn3 4651r min 多自由度转子有多个临界转速和相应的振型 22 多转子轴系的临界转速和振型 200MW汽轮发电机组轴系发电机转子型n1 1002r min中压转子型n2 1470r min高压转子型n3 1936r min低压转子型n4 2014r min发电机转子型n5 2678r min 高压转子中压转子低压转子发电机转子 轴系各阶振型中 一般有一个转子起主导作用 23 多转子轴系的固有频率和振型 24 单跨转子与多跨轴系临界转速的关系 200MW汽轮发电机组轴系 轴系的各阶临界转速高于相应的单转子的临界转速 弹性支承转子的临界转速低于刚性支承转子的临界转速 25 振动的频率等于外激励的频率 振型为各阶振型的叠加 各阶振型所占的比例 决定于外激励的频率和作用点位置 激励频率接近某阶固有频率时 该阶振型增大而占主导地位 是为该阶共振状态 共振峰大小决定于该阶阻尼值和激励的位置 作用在某阶节点上的激励力 不能激起该阶振动 六 多自由度系统的强迫振动 26 简谐振动各幅值参数是常数 彼此间有确定关系峰值xp A 峰峰值xp p 2A平均绝对值xav 0 637A有效值xrms 0 707A平均值 中篇 振动测试一 振动基本量的测量1 振动幅值测量 位移 速度和加速度 27 简谐振动位移 速度 加速度之间的关系 振动位移 Displacement 速度 Velocity 加速度 Acceleration 位移 速度 加速度都是同频率的简谐波 三者的幅值相应为A A A 2 相位关系 加速度领先速度90 速度领先位移90 x v a x v a 28 复杂振动的幅值参数 各幅值参数随时间变化 彼此间无明确定关系 29 若干幅值参数的定义 瞬时值 Instantvalue 振动的任一瞬时的数值 峰值 Peakvalue 振动离平衡位置的最大偏离 平均绝对值 Averageabsolutevalue 均值 Meanvalue 又称平均值或直流分量 有效值 Rootmeansquarevalue xp x x t 30 常用的幅值参数及其单位 位移峰峰值 单位为微米 m 速度有效值 单位为毫米 秒 mm s 加速度峰值 单位为米 秒平方 m s2 31 2 振动信号的频率分析 把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法 频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法 FFT 频率分析可用频率分析仪来实现 也可在计算机上用软件来完成 频率分析的结果得到各种频谱图 这是故障诊断的有力工具 32 时间域频率域 33 各种振动的频谱图 名称波形频谱名称波形频谱 34 基频是转速频率 基频分量的幅值和转子的不平衡大小有关 基频分量的相位和不平衡在转子上的方位有直接对应关系 在转子上布置键相标记K 在轴承座上布置键相传感器K 光电式或涡流式 其输出为相位参考脉冲 参考脉冲是测量相位的基准 参考脉冲也可用于测量转子的转速 3 旋转机械振动的基频分量的幅值和相位的测量 35 振动相位测量原理 从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位 振动相位与转子的转动角度一一对应 在平衡和故障诊断中有重要作用 振动信号 参考脉冲 36 波形图 Wave 时间域内的振动波形频谱图 Spectrum 组成振动的各谐波成分轴心轨迹 Orbit 转轴中心的振动轨迹 由水平和铅垂两方向波形合成 二 旋转机械的振动测量分析图示1 定转速图示 37 波形图 频谱图及轴心轨迹 38 轴心轨迹的测定 轴心轨迹 Orbit 是诊断旋转机械故障的有力工具 轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到 也可以用计算机完成 39 波德图与极坐标图 Bode PolarPlot 升 降 速时 基频幅值和相位的变化三维频谱图 Cascade 轴心轨迹阵轴心位置判定轴颈静态工作点和油膜厚度 2 变转速图示 40 波德图和极坐标图 波德图 BodePlot 和极坐标图 PolarPlot 两者所含信息相同 都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律 41 三维频谱图是频谱的集合 本图的第三个坐标是转速 本图表明在升 降速过程中振动频谱的变化 第三坐标也可是时间 工艺参数等 三维频谱图 谱阵图 42 轴心轨迹阵图 汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵 43 轴心位置的测定 轴心位置可以用计算机及其外设来绘制 44 轴心位置的变化 汽轮发电机中压缸轴承升速时轴心位置逐渐升高 到工作转速时 偏心率为0 66 偏位角32 属正常 以后数月 轴承基础下沉 导致轴心上浮 偏心率减少 偏位角接近90 发生了油膜振荡 监测轴心位置有助于发现机器的故障 45 汽轮机 齿轮增速箱 压缩机 涡流传感器 速度传感器 加速度传感器 键相传感器 三 旋转机械振动测量系统及仪器 46 磁电速度传感器 接收形式 惯性式变换形式 磁电效应典型频率范围 10Hz 1000Hz典型线性范围 0 2mm典型灵敏度 20mV mm s 测量非转动部件的绝对振动的速度 不适于测量瞬态振动和很快的变速过程 输出阻抗低 抗干扰力强 传感器质量较大 对小型对象有影响 在传感器固有频率附近有较大的相移 47 涡流位移传感器 不接触测量 特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移 有零频率响应 可测静态位移和轴承油膜厚度 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关 相移很小 接收形式 相对式变换形式 电涡流典型频率范围 0 20kHz典型线性范围 0 2mm典型灵敏度 8 0V mm 对象为钢 48 涡流传感器的工作原理 输出电压u正比于间隙d且于测量对象的材质有关 49 压电加速度传感器 接收形式 惯性式变换形式 压电效应典型频率范围 0 2Hz 10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化 测量非转动部件的绝对振动的加速度 适应高频振动和瞬态振动的测量 传感器质量小 可测很高振级 现场测量要注意电磁场 声场和接地回路的干扰 50 轴承振动的测点布置 51 轴振动的测点布置 52 轴承振动与轴振动的比较 53 四 振动标准 一 轴承座振动标准 GB T6075 2 2007 准则一 振动幅值的标准1 评价区域和区域边界50MW以上汽轮机和发电机轴承座区域A 新投产的机器通常在此区域内振动速度评价区域边界的推荐值区域B 可长期运行单位 振动速度均方根值 mm s 区域C 不适宜长期连续运行 有适当机会采取补救区域D 一般认为足以引起机器损坏注 适用于额定转速正常稳态运行工况 54 2 稳态运行的限值 报警的设定报警值设定高出基线值 高出的量为B C值得25 推荐报警值一般不超过区域边界B C值的1 25倍停机的设定一般来说 停机限值在C或D内推荐停机限值应不超过区域边界C D值的1 25倍3 瞬态运行的振动幅值1 额定转速下瞬态运行时通常振动应不超过区域边界C D值2 升降速和超速时报警值设定高出基线值 高出的量为B C值得25 推荐报警值一般不超过区域边界C D值的1 25倍此时一般不设定停机值准则二 振动幅值变化的标准在稳态工况下 如果振动变化量明显 达到B C值的25 要查明原因和确定措施 55 二 转轴振动标准 GB T6075 2 2007 准则一 振动幅值的标准1 评价区域和区域边界50MW以上3000r min汽轮机和发电机转轴区域A 新投产的机器通常在此区域内振动位移评价区域边界的推荐值区域B 可长期运行单位 振动位移峰 峰值 微米 um 区域C 不适宜长期连续运行 有适当机会采取补救区域D 一般认为足以引起机器损坏注 适用于额定转速正常稳态运行工况 56 2 稳态运行的限值 报警的设定报警值设定高出基线值 高出的量为B C值得25 推荐报警值一般不超过区域边界B C值的1 25倍停机的设定一般来说 停机限值在C或D内推荐停机限值应不超过区域边界C D值的1 25倍3 瞬态运行的振动幅值1 额定转速下瞬态运行时通常振动应不超过区域边界C D值2 升降速和超速时报警值设定高出基线值 高出的量为B C值得25 转速大于0 9倍的额定转速 推荐报警值不宜大于区域边界C D值转速小于0 9倍的额定转速 推荐报警值不宜大于区域边界C D值的1 5倍准则二 振动幅值变化的标准在稳态工况下 如果轴振动变化量明显 达到B C值的25 要查明原因和确定措施 57 下篇 故障诊断概述机械振动产生的原因和性质 自激振动 激励 响应 58 简易诊断和精密诊断 状态监测 简易诊断 内容 识别有无故障明确故障严重程度作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行 故障诊断 精密诊断 内容 确定故障部位确定故障原因提出维修建议由设备诊断人员在现场或中心进行 59 精密诊断的方法 频谱分析法趋势分析法通频值趋势分析 频谱趋势分析时域分析法波形分析 相关函数分析倒频谱分析法模态分析法随机减量法 其他数学方法模式识别法模糊诊断法故障树诊断法神经网络法小波分析法灰色系统法分形几何法 60 故障诊断的专家系统框图 专家系统是一个故障诊断的专用程序 用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作 61 转动机械常见故障的频率特征 强迫振动类故障 自激振动类故障 X 转动频率 62 强迫振动故障类 转子不平衡故障的特征振幅随转速变化而变化 过临界转速有共振峰相位随转速变化而变化 过临界转速时变化大振动1X频率为主波形为简谐波 少毛刺 轴心轨迹为圆或椭圆 轴向振动不大 63 转子不平衡的类型 64 转子不对中的类型及对振动的影响 正确对中e 0 0 平行不对中e 0 0 角度不对中e 0 0 综合不对中e 0 0 65 自激振动故障类 失稳振动类 造成失稳的因素滑动轴承的油膜力密封中的流体力定 转子间径向间隙不均匀转轴的材料内阻和结构内阻转子内腔部分充液转子和定子的碰摩转子质量和刚性在各径向不对称 失稳的危害突发性一般无明显的先兆 失稳运动一般规模很大 低周涡动 转轴受交变应力 引起疲劳破坏 66 油膜轴承工作原理 67 油膜失稳的机理 油膜力 轴颈涡动轨迹 油膜力做的功 常大于零恒小于零较小可不计 如W 0 就可能会失稳 弹性力阻尼力 68 油膜半速涡动 流入油0 5R C e 流出油0 5R C e 故多余的油为R e如轴颈绕O作角速度为 的涡动 就留出空间2R e为维持流量平衡 就有2R e R e得 0 5 是为半速涡动 分析流经此直径的油流 69 半速涡动下的运动形态 公转 涡动 速度 为自转速度 的一半 转子上轴向的各纤维受交变力 交变的频率为 自转 70 正常情况下的转子同步正进动 定转速时 转子作刚体弓形回转 同步正进动 转子上轴向的各纤维不受交变力 轴心线形状决定于不平衡分布 转子转速和临界转速的分布 变转速时 轴心线形状 弯曲大小和相位均变化 自转 公转 71 油膜振荡的特征 突发性 到达阈速 t时 突然发生 阈速大于2倍固有频率 破坏性 振幅一般很大 涡动频率锁住在 c 低周正向进动 轴纤维受交变应力 惯性 消失滞后于发生 72 从油膜涡动发展到油膜振荡 涡动频率c min 转子转速 r min 73 油膜涡动的波形和轴心轨迹 涡动频率约为转子转速的一半 并随转速变化 涡动方向为正向进动 轴心轨迹出现双内环 涡动的幅度并不很大 74 油膜振荡的波形和轴心轨迹 到达阈速时突然发生 幅度一般很大 涡动频率锁定在转子的固有频率 不再随转速变化 涡动方向为正向进动 轴心轨迹为多重椭圆 一旦发生不易消失 有惯性效应 75 油膜振荡的防治措施 临时措施 增加油温 更换粘度较低的油 减小轴承的宽度 以增加比压 抬高失稳轴承的标高 增加轴承的负载 减小轴承的间隙 根本措施 改变轴瓦的结构 增加预负荷 开油槽 改变供油方式等 改用稳定性较好的轴承 圆瓦 椭圆瓦 多油叶瓦 多油楔瓦 可倾瓦 改变转子结构 将其临界转速提高到工作转速的一半以上 76 油膜失稳的实例 某电厂1号机组 200MW 77 汽流激振故障机理 1 叶顶间隙激振力间隙不均 动叶气动力不等 形成涡动激振力 如图 2 汽封蒸汽激振力动叶顶部汽封中蒸汽受挤压而对转子产生反作用力 从而对转子产生蒸汽激振力 同样在隔板汽封及轴端汽封中也存在蒸汽激振力 3 不对称的蒸汽力和力矩喷嘴调节的汽轮机 调节级进汽的非对称性引起不对称的蒸汽力作用在转子上 汽缸跑偏 转子径向位移等引起蒸汽在转子上力矩径向分布不平衡 78 汽流激振故障特征 1 对负荷变化较敏感通常出现在机组带负荷过程中 且一般发生在高负荷区 振动与负荷之间有一定的重复性 2 与调节阀门开启顺序和开度有一定关联 3 振动频率大多数情况下以0 5X分量为主 有时也等于转子固有频率 4 具有突发性振动可能会在几秒钟内被激发出来 而