旋转机械振动与动平衡(ppt 118页).ppt

,旋转机械振动与动平衡,顾煜炯教授/博士生导师,地址：北京市昌平区北农路2号邮编：102206TEL-mail:guyujiong,国家火力发电工程技术研究中心常务副主任,第一章机械振动基础,1.1振动的广义概念1.2机械振动及其特点1.3振动形式的分类1.4振动问题及其解决方法1.5振动系统的分类1.6简谐振动及其表示方法1.7简谐振动的合成1.8周期振动的谐波分析1.9非周期振动与富里叶积分1.10函数及其应用,1.1振动的广义概念,1振动的定义振动是一种复杂的物理现象，它是指物体经过它的平衡位置所作的往复运动或系统的物理量在其平衡值（或平均值）附近来回变化。振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至亚原子粒子，无不存在振动。各种形式的物理现象，诸如：声、光、热等都包含振动。人们的生活中也离不开振动；心脏的波动、耳膜和声带的振动，都是人体不可缺少的功能；人的视觉靠光的刺激，而光本质上也是一种电磁振动；生活中不能没有声音和音乐，而声音的产生、传播和接收都离不开振动。在工程技术领域中，振动现象也比比皆是：桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动，飞机和船舶在航行中的振动，机床和刀具在加工时的振动，各种动力机械的振动，控制系统中的自激振动等。,2振动的消极因素和积极因素在许多情况下，振动被认为是消极因素。例如：振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度，引起物件的疲劳和磨损，缩短结构物的使用寿命。振动还可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而坍毁；飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往会造成事故；车、船和机舱的振动会劣化承载条件；强烈的振动噪声会形成严重的公害。然而，振动也有它积极的一面，例如，振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础。20世纪50年代以来，陆续出现许多利用振动的生产装备和工艺，例如，振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动沉桩、振动消除内应力、超声波清洗等，它们极大地改善了劳动条件，成十倍、成百倍地提高了劳动生产率。可以预期，随着生产实践和科学研究的不断进展，振动的利用还会与日俱增。,各个不同领域中的振动现象虽然各具特色，但往往有着相似的数学力学描述。正式在这种共性的基础上，有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题。振动学就是一门基础学科，它借助于数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象的机理，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用振动的积极因素，为实现解决实践中遇到的振动问题提供理论依据。,3振动学科的产生,1.2机械振动及其特点,振动是一种极其普遍的物理现象。物体围绕平衡位置作往复运动就称为振动。机械振动是指机械系统（即力学系统）的振动。任何力学系统，只要它具有弹性和惯性，都可能发生振动。在振动过程中，振动的位移、速度、加速度、力和应变等机械量都是随时间而变化的。人们在长期的观察和实践中发现，机械设备的振动具有以下几个特点：(1)任何机械系统在动态情况下都会或多或少地产生一定的振动，即振动存在的普遍性。(2)当机械系统发生异常或故障时，振动将会发生变化，一般表现为振幅加大。这一特点使得人们从振动信号中获取故障诊断信息成为可能，因此称为振动监测的有效性。,(3)随着信号分析技术的发展，人们还看到由不同类型、性质、原因和部位产生的异常或故障所激发的振动具有不同的特征。这些特征可表示为振动信号的频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况等。这一特点使得从振动信号中识别机械系统的故障成为可能，因此称为振动的可识别性。(4)进一步的研究表明，振动信号的性质、特征不仅与故障有关，而且还与振动系统的固有特性有关，表现为：1）同一故障对不同的系统，由于系统固有特性不同，其振动的幅值和相位可能相差很大；2）同一故障发生在不同部位，其振动的特征相同，但因故障激励传递通道的不同（即传递函数不同），将会对振动有较大的影响；3）同一故障在不同部位布置测点，由于传递通道的不同，其振动响应亦会有较大的差别。这一特点表明，振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统特性的影响。特别是当数种故障不同程度地在不同位置同时发生时，将使振动特征表现为异常错综复杂、难于辨识。因此，这一特点又称为振动识别的复杂性。,1.3振动形式的分类,1振动系统的激励与响应一个实际振动系统，在外界振动激励作用下，会呈现出一定的振动响应。这种激励就是振动系统的输入，响应就是振动系统的输出，其二者由系统的振动特性联系着，其关系框图如下图所示。,系统振动特性,激励（输入）,响应（输出）,系统的激励可分为两类：确定性激励和随机激励。确定性激励，也称定则激励，是指可以用时间确定函数来描述的激励。典型的确定性激励包括：脉冲激励、阶跃激励、谐和激励、周期激励热等都包含振动。随机激励则是指不能用确定性函数描述的激励，但它们具有一定的统计规律，因而可以用随机过程来描述。,2振动形式的分类（1）按激励性质分，振动可分为定则振动（确定性振动）和随机振动一个确定性系统，即系统振动特性是确定的，无论它是常参数的，还是变参数的，在受到确定性激励时，其响应也是确定性的，这类振动称为定则振动（确定性振动）。即使是确定性系统（定则系统），在受到随机激励时，系统的响应也会是随机的，这类振动称为随机振动。（2）按激励控制方式分，振动可分为以下四类：自由振动，通常是弹性系统在偏离平衡状态后，不再受到外界激励的情形下所产生的振动。强迫振动，通常是指弹性系统在外界控制的激励作用下发生的振动，这种激励不会因振动被控制而消失。,自激振动，是指弹性系统在受系统振动本身控制的激励作用下发生的振动，在适当的反馈作用下，系统会自动地激起定幅振动；一旦振动被抑制，激励也随之消失。参数振动，是指激励方式是通过周期地或随机地改变系统的特性参量来实现的振动。归纳起来，振动形式的分类如下图所示：,振动形式,（按激励性质分）,定则振动（确定性振动）,随机振动,定则振动（确定性振动）,随机振动,定则振动（确定性振动）,随机振动,（按激励控制方式分）,1.4振动问题及其解决方法,不论是定则系统还是随机系统的振动问题，一般来说，无非是在激励、响应以及系统特性中已知两者求第三者。这样，就有以下三种振动问题：第一种振动问题：在激励条件和系统特性已知的情况下求系统的响应，这就是所谓的振动分析问题，这是结构动力学的正问题。第二种振动问题：在系统特性和响应已知的情况下，反推系统的激励，这就是所谓的振动环境预测问题，这是结构动力学的第二类逆问题。通过这类问题的研究，可以查清外界干扰力的水平和规律，以便采取措施来控制振动。第三种振动问题：在系统的激励与响应均为已知的情况下，来确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测定问题或系统识别问题。在这种情况下，问题的另一种提法是，在一定激励条件下，如何来设计系统的特性，使得系统的响应满足指定的条件，这就是所谓的振动综合问题或振动设计问题。这是结构动力学的第一类逆问题，这类问题需要应用模态分析的方法来识别参数，正确地建立系统的动力学模型，并完成从模态参数到物理参数的转换，从而弄清结构的薄弱环节，为改进结构提供依据。,实际振动问题往往错综复杂，它可能同时包含识别、分析、综合等几方面的问题。通常，先将实际问题抽象成为力学模型，这实际上就是一个系统识别问题；进而对系统模型列式求解，这实际上就是振动分析的过程；而分析并非问题的终结，分析的结果还必须用于改进设计或排除故障（实际的或潜在的），这实际上就是振动综合或设计问题。解决振动问题的方法不外乎通过理论分析和实验研究，二者是相辅相成的。在大量实践和科学实验基础上建立起来的理论，反过来对实践起一定的指导作用；而从理论分析得到的每一个结论都必须通过实验的验证，并接受实践的检验，才能确定它是否正确。在振动理论分析中大量地应用了数学工具，特别是快速数字计算机的日益发达，为解决复杂振动问题提供了强有力的手段。从上个世纪60年代中期以来，振动测试和信号分析技术有了重大突破和进展，这又为振动问题的实验、分析和研究开拓了广阔的前景。,2振动的分类,在工业生产、工程建设和日常生活的各个领域中存在着各种振动现象，这些振动现象可按不同的分类方法分为很多种。(1)按研究对象分：机械振动、土木结构振动、地震和大地脉动、汽车飞机等运输机械的振动、武器及爆炸引起的冲击振动等。(2)按振动频率范围分：高频振动、低频振动和超低频振动。一般10Hz以下称为超低频，1kHz以下称为低频，10kHz以上称为高频。(3)按振动信号的统计特征分：确定性振动与非确定性振动两大类，如图2-1所示。确定性振动又分为周期性振动和非周期振动，周期性振动是指经过相同的时间间隔其振动量重复出现的振动。,周期振动包括简谐振动和复杂周期振动。复杂周期振动是由一些不同频率的简谐分量合成的振动，一个大型设备的振动可以看成若干不同频率的简谐振动叠加合成的复杂周期振动，据此即可进行测量、分析，作出正确的诊断。冲击与瞬时振动是最常见的非周期振动，它的时间函数是一个衰减函数。随机振动是一种非确定性振动，其运动周期是不规则的，事先无法确定其振幅、频率或相位的瞬时值，但有一定的统计规律性，是简易监测仪器无法精确测试的一种振动。,(4)按根据机械振动特征分：强迫振动、自激振动和冲击振动。因机器旋转和外界干扰而产生的振动为强迫振动，其频率与转速有关。各个零部件、结构件在外力作用下所产生的固有共振称为自激振动，其频率与不同的结构相对应。设备的运转部件因局部缺损和摩擦而产生的振动为冲击振动，其特征一般为高频衰减振动，频率与结构和转速有关。振动监测技术主要是研究上述各种振动的特征及其变化规律。,3简谐振动,若物体振动时其位移随时间变化的规律可用正弦（或余弦）函数表示，则此振动就称为简谐振动，如图3-1所示，其数学表达式如下：式中x(t)物体相对于平衡位置的位移；A振幅，表示物体偏离平衡位置的最大距离；振动角频率，也称为圆频率，表示秒内振动的次数；振动的初相位角，表示振动物体的初始位置。振幅、频率和初相位是表征简谐振动的三个基本量，称为简谐振动的三要素。,振动除了可以用位移表示外，还可以用振动的速度或加速度表示。对上述简谐振动由图3-1可见，简谐振动的位移、速度和加速度三者波形形状相同，频率完全相同。它们之间的区别只在于幅值和相位。幅值关系为：相位关系为：式中位移初相位；速度初相位；加速度初相位。,由此可知，位移、速度和加速度之间存在着相位差。速度相位比位移超前90；加速度相位比速度超前90，比位移超前180。加速度可由速度的一次微分或位移的两次微分来求得。工程实际中因微分电路误差大，这种方法很少采用。加速度的一次积分为速度，两次积分为位移，多数测振仪中具有积分电路。物体每振动一次所需的时间称为周期，用字母T表示，单位是秒。每秒振动的次数叫做频率，用字母f来表示，频率越高，振动越快。频率单位为赫兹(次/秒)。振动的频率、圆频率和周期有下列关系：,不同的结构、不同的零部件、不同的故障源，将产生不同频率的振动。因此，频率是振动特征的一个重要信息，频率分析是设备状态监测与故障诊断的最重要的内容之一。两个不同的振动源都会有各自的相位。如果相位相同，则可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵消，起到减振作用。因此，相位也是反映振动特征的重要信息。相位测量一般用于谐波分析、动平衡测量、振动类型测量和判断共振点等。一般地，工程上振动位移的单位为微米()；速度的单位为米/秒(m/s)；加速度的单位为米/秒2(m/s2)或g（重力加速度，1g=9.806m/s2）。,4振动的统计量,（1）峰值峰值一般分为单峰值和双峰值。单峰值是指振动波形上与零线的最大偏离值。双峰值，又称为双振幅，是指振动波形的最大值与最小值之差。位移信号的单峰值记为Xp，双峰值记为Xpp。单峰值的检测往往用于设备或部件的强度考核，双峰值检测则多用于设备或零件的动态范围考核和疲劳考核。多数振动表的读数为位移的双峰值。（2）有效值有效值即均方根值，是振动测量中用得最多的统计参量之一，它反映了信号的能力或功率的大小。对任意一个振动波形，其有效值定义为式中T信号长度。对周期为T的周期振动，有效值为,用有效值度量振动量级的优点在于，有效值既考虑到了振动时间变化的经历过程（峰值与时间历程无关），又表示了机械振动能量的大小，如：位移的有效值与位能有关，速度有效值与动能有关，加速度有效值与惯性力大小有关。在高频时，虽然振动位移值很小，但由于加速度是位移值的倍，因而引起零件惯性力破坏的情况常常发生在高频，所以国际上近年来特别重视高频振动的监测。ISO标准规定，振动速度的均方根值称为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个量。,（3）平均幅值平均幅值定义为对周期函数平均幅值即平均绝对值，工程上也称为平均值。,（4）波形系数与波峰系数对于简谐振动信号，有效值与平均幅值、单峰值的关系为即有：如图4-1所示。在工程实际中，振动极少为简谐振动，因此，有效值与平均幅值、单峰值的关系不满足上述关系。对于一般的振动信号，有效值与平均幅值、单峰值的关系可表示为,o,t,波形系数与波峰系数在一定程度上反映了振动波形的形状差别。例如，下列三种典型波形的波形系数与波峰系数均不相同：正弦波：Ff=1.11，Fc=1.414；三角波：Ff=1.156，Fc=1.732；矩形波：Ff=1.0，Fc=1.0。,（5）方差方差是描述随机振动信号偏离其平均值的程度，即平均值是描述信号的静态分量，方差是描述信号的动态分量。方差定义为式中为平均值。对周期性号,（6）歪度和峭度歪度和峭度都是反映振动信号中大幅值成分的影响。歪度定义为峭度定义为,（7）概率密度函数和概率分布函数所谓一个振动信号X(t)是平稳的，是指其统计特性不随时间t变化，在t为任意值时的随机变量的概率密度函数和概率分布函数都是相同的。所谓振动信号X(t)是各态历经的，是指可以用一个样本函数X(t)的统计特性代表整个过程相应的统计特性，即各态历经的振动信号的概率密度函数和概率分布函数可以从样本函数X(t)计算出来。对于图4-2所示的各态历经的振动信号X(t)，其概率密度函数定义为：概率分布函数为在振动信号分析中，由于概率密度函数可以在许多振动信号中直接比较而与振幅区间的宽度无关，因此，较多使用概率密度函数。,（8）自相关函数与互相关函数自相关函数定义为自相关函数是乘积在足够长的观测时间T内的平均值，它定量地描述了与之间的相关程度。若x(t)，y(t)分别为两个不同的振动信号，则它们间的互相关函数定义为互相关函数是乘积在足够长的观测时间T内的平均值，它定量地描述了与之间的相关程度。,（9）自功率谱密度函数与互功率谱密度函数由概率密度函数可得到振动信号的振动幅值的分布特征，由功率谱密度函数可以得到振动信号的频率分布特征。若自相关函数绝对可积，则定义其自功率谱密度函数为若互相关函数绝对可积，则可定义互功率谱密度函数为,5频谱分析,振动量随时间变化的曲线称为时域振动波形图；其横坐标为时间t，纵坐标为振动值x(t)。简谐振动的时域波形为正弦波（或余弦波），复杂周期振动可以看成是由许多简谐振动的合成。这种将复杂周期振动信号分解为一系列单一频率的正弦波的过程称为频谱分析。设复杂周期振动信号为x(t)，则有式中为基频，T为周期。,可见，一个复杂的周期振动可视为频率为基频及其整倍数的若干或无数振动分量的合成。这些分量依据，分别称为基频分量（基波），二倍频分量（二次谐波），三倍频分量（三次谐波），等。为n倍频分量的幅值和初相位。为均值（直流分量）。以f或为横坐标，为纵坐标，得到图分别为幅值谱、相位谱，如图5-1(a)。非周期振动信号的频谱分析，则通过傅里叶变换，可得到由于频谱为复函数，则式中为幅值谱，为相位谱，如图5-1(b)所示。,周期振动信号频谱(b)非周期振动图5-1振动信号频谱分析,AX(f),ff,频谱分析一般有两种方法，即滤波法和FFT分析法。滤波法是让振动信号通过不同带宽的滤波网络或可调带通滤波器，分别测量各个频段的振幅值，并以图形方式显示出来得到频谱图。FFT分析法是利用FFT信号分析仪，对振动信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到频谱图。,6.1振动对设备的危害动静部分发生摩擦由于机组单机容量的增大和效率要求的提高，汽轮机通流部分的间隙，特别是径向间隙一般都比较小（50m），在较大振动下，极易造成动静部分摩擦。由此，不但直接造成动静部件的损坏，而且当汽轮机通流部分的间隙变大后，增大了转子的轴向推力，引起推力瓦温度升高，甚至发生推力瓦损坏事故。如果摩擦直接发生在转轴处，将会造成转子的热弯曲，使轴和轴承振动进一步增大，形成恶性循环，由此常常引起转轴的永久弯曲。,6汽轮发电机组振动的危害,加速某些部件的磨损和产生偏磨因振动而产生不均匀摩擦的部件，主要有轴颈、蜗母轮、蜗杆活动室、联轴器、发电机转子滑环、励磁机的整流子等等。对静止部件来说，主要是加速滑销系统的磨损。振动之所以能够使这些部件加速磨损或偏磨，是由于动静部件或两个部件之间存在着差别振动，而且这个差别振动的方向对转子来说是一定的，它由转子上的扰动力的方向所决定（在一定转速下）。这些转子部件在定向差别振动的作用下，转子部件的某一方向磨损较其他方向大，因而产生偏磨。例如，发电机滑环和励磁机整流子椭圆度过大，将使电刷冒火；滑销系统磨损后，会使机组膨胀失常。,动静部件的疲劳损坏由于振动，使某些部件产生过大的动应力，因而导致疲劳损坏，并且由此造成事故进一步的扩大。这种疲劳损坏虽然要有一个时间过程，但是随着部件上应力的增大，时间过程可以大为缩短。因此，有些机组尽管只是在起停过程中发生了几次大振动，但也能使某一部件发生疲劳损坏。在现场，由于振动而使零件发生疲劳损坏的，以轴瓦乌金破碎较多。主要原因是由于轴颈和轴瓦的差别振动太大，轴颈在轴瓦内发生撞击，乌金经一段时间撞击后，引起局部疲劳而产生表面剥落、脱胎或碎裂。当碎裂的乌金块落入油隙时，会把轴瓦乌金辗坏或引起整个轴瓦的烧坏。,某些紧固件的断裂和松脱过大振动会使轴承座地脚螺栓断裂和某些零件发生松动而脱落，失去它原有的功能，从而使机组发生事故。这类事故中最典型的是1972年日本海南电厂3号机组（600MW）全机毁损的大事故。根据资料介绍，事故的起因是在机组几次起停过程中发生了较大的振动，造成励磁机轴承盖固定螺栓松脱，从而引发共振。强烈的振动导致发电机转子联轴器失效、励磁机损坏，轴系中转子接连发生扭断，最后使51米长的轴系折断17处。过大的振动使紧固件发生松动的另一种形式是基础二次灌浆松裂，使轴承座刚度降低，使轴承振动进一步增大。这种现象在现场较为常见，有时还会引起基础和周围建筑物产生裂纹。,直接或间接造成设备事故当汽轮机发生过大振动时，危急保安器或机组保护仪表的正常工作将直接将受到影响，严重时会引起这些部件的误动作，直接造成事故停机。发电机定子铁芯和端部线圈振动过大，会使铁芯叠片间绝缘破坏和线圈绕组间绝缘损坏，造成铁芯过热损坏，使绕组与绕组间以及绕组对地短路。美国在1965年投运的一台1000MW双轴汽轮发电机组，就因为发电机定子铁芯振动过大和定子绕组端部绝缘块发生问题，连续两次发生设备重大事故。对于水轮发电机定子，振动过大会引起水管断裂，冷却水泄露事故。,6.2振动对人身的危害过大的机械振动和噪声，对运行人员的生理将产生不利的影响。考虑振动和噪声对人体的影响时，要计及机械和心理两种效应。据一些资料介绍，从承受振动和冲击的角度出发，人体也可以看作为一个简单的机械系统。在低频和低振级的情况下，在36Hz范围内，胸腹系统出现明显的谐振效应；而在2030Hz范围内，头颈肩系统出现谐振效应；在6090Hz范围内，感觉到的是眼球谐振等等。因此，在0100Hz范围内（这也是汽轮发电机组振动频率的范围），过大的振动在多数情况下将引起工作人员显著的疲劳感觉，降低工作效率，从而降低了预防、判断和处理事故的能力。,6.3机组在起停机过程中的振动从振动造成的主要危害出发，不仅额定转速下的过大振动会产生这些危害，而且在启动和停机过程中所发生的过大振动，也有着类似的危害。即使发生过大振动的时间很短，也同样会造成动静部分摩擦，经多次起停后发生大的振动，也能使某些紧固件松脱和某些部件的疲劳损坏。因此，在机组起动中，当临界转速下的振动很大时，过去不是从降低临界转速下的振动着手，而是采用冲临界转速的方法，这从振动对机组的危害考虑是极为有害的。在升速过临界转速时，虽然可以用加速的方法冲临界转速，使轴承振动得不到扩散；但在停机过程中，就难以避免在临界转速下发生的过大振动。实际上这种冲临界转速的起动方法，是早先转子平衡技术非常落后时的起动方法。当前，由于平衡技术的提高，一般无需花多大的精力就可以使转子在各个临界转速下的振动保持在要求范围以内，因而无须采用冲临界转速的办法。对临界转速下振动较大的机组，应该从改善转子平衡工艺着手来消除振动。过去调整转子平衡只考虑工作转速下的轴承振动，而对于转子临界转速下的轴承振动很少注意，这是不合理的。,7汽轮发电机组振动测试,要掌握机组振动状态，诊断振动故障，进行转子平衡，分析振动事故，首先要对机组振动进行测试并搜集振动数据。因此，熟悉和掌握机组振动测试方法是完成这项工作的基础。要获得正确、可靠和具有实际价值的振动测试结果，不仅要熟悉振动测量原理、机组振动测试要求和方法，还要在熟悉仪表使用方法和功能的前提下，具有一定的现场振动测试经验。机组振动测试包括振动测量和振动试验两个方面，只有将振动测量和振动试验紧密的结合，才能深入地了解机组振动特征。重要的是，在现有和可能的振动测量手段和试验条件下，如何取得有价值的测量结果？这要求一定的经验和技巧。振动测量的目的，是为了描述机器的工作状态，包括振动位移（振幅），速度和加速度三个应测物理量。但为了有效地反映机器危安状态，对于工作性质、转速、结构不同的机器，应采用不同的振动物理量描述。例如，对于高速或带有较大冲击的机器，采用加速度描述较合理；相反，对于转速较低、无明显冲击的机器，应采用振动位移描述运转的平稳性。,当汽轮发电机组工作转速不是很高，也无冲击时，应用振动位移和速度较为合理。但长期以来一直沿用振动位移，这也是由下列原因所致：汽轮发电机组动静间隙很小，特别是汽轮机高压部分，为了避免振动过大发生动静碰撞，采用振动位移限制机组振动较采用振动速度、加速度有效。支承刚度一定时，振动位移是转子不平衡力的单值函数，因而采用振幅作为转子平衡重量计算依据较采用速度有效。由大量的振动故障诊断经验证明，采用振动位移描述故障特征和现象，较采用振动速度容易和直观。测量振动的历史原因。早先的振动测量技术，测量位移较测量振动速度、加速度容易，由此使人们对振动位移建立了明确的直观概念。因此，尽管目前测量振动速度较测量振动位移容易实现，但由于上述前三点原因，在目前机组振动故障诊断、转子和轴承平衡、机组振动状态评价中，有时虽也有采用振动烈度（速度均方根值）的，但没有采用振动位移那么广泛，因此不能简单地认为机组振动测试中采用振动位移是一种陈旧的方法。,如果按目的分，机组振动测试的内容可分为下列六类：1.运行中的振动测试运行中的振动监测不仅是为了掌握机组振动状态，而且是将振动作为机组故障的信号，例如转轴裂纹，汽轮机叶片损坏，静子部件松动等。为了监测振动状态，采用传统的定期和不定期监测已不能完全满足机组安全运行要求，大机组应连续监测和自动记录维护。早在上世纪70年代初，因为少数机组采用计算机控制的数据采集、储存、打印图表，目前在大机组中已较为普遍利用。70年代中期，国外积极研究的振动故障在线诊断，有的称专家系统，目前国内正在研究和开发。这种在线诊断系统从实际使用情况来看，不论是国外还是国内研制的，诊断结果的可信度和实用性尚待研究。,2.机组振动评价在机组投运、生产、机组振动性能考核时，必须对机组振动水平作出评价，这是一项带权威性的振动测试。这种振动测试，除了对仪表精确度有要求外，还应依据一定的规范进行。3.机组调试中的振动测试机组启动调试中的振动监测是一项重要的、专业性较强的工作，其主要目的是指导机组启动，评定机组制造、安装质量，并为以后启停、运行和判断振动故障提供依据。若振动过大，还应按振动故障诊断的要求进行测试。4.振动故障诊断中的振动测试这种振动测试的目的是诊断故障，而这里所说的诊断故障要比上述运行中在线故障诊断深入和具体得多。由振动现象制定测试方案，到测试结果归纳提炼成振动特征，最后作出诊断并提出消振对策，涉及内容是诸多振动测试中最为丰富、难度最大的。,5.转子和轴系平衡中的振动测试转子不平衡是引起机组振动最主要的激振力，因此轴系平衡是一项重要的消振工作。轴系平衡中振动测试的目的是为计算转子平衡重量提供依据，主要测取转子有关轴承或转轴原始和加重后的振幅及相位。当轴系平衡与机组工况有关时，还应测试不同工况下轴承振幅和相位，以便对不同工况下转子平衡给予合理的折中。6.振动特性试验研究的振动测试这是针对机组设计、制造、安装和运行中发生的振动问题所进行的专项振动研究的测试，如支承刚度、自振频率的实测，其目的是从结构上查明故障原因和机理，制定改进方案。这种振动测试的内容和方法与振动故障诊断相似，但涉及的因素较为简单。,8机组振动标准及规范,8.1运行机组振动标准与评定产品质量的振动标准的差别首先要提出的是，这里讨论的振动标准，应与转子平衡标准及制造厂试车时的振动标准不能等同看待。前者是用来评定运行机组健康状况的，后者是用来评定产品质量的，目前两者常常发生混淆，它们的主要差别在于：1.制造厂局部试车和转子平衡时引起振动的激振力比较单一，但运行机组振动的激振力很复杂。制造厂为了使它的产品性能在现场满意地运行，产品出厂时的振动标准至少比运行机组振动标准中“合格”提高一个等级。2.运行机组振动评定是对机组整体而言，因此零部件在试验台测得的振动不能以运行机组振动标准来评价，例如单个转子在高速平衡台上测得的振动值，不能以运行机组振动标准中“合格”这一档来评定转子平衡质量合格与否。3.评定产品质量可以只采用某一方向的振动值作为评定依据，但在评定机组运行健康状况时，若是测量轴承振动，应以三个方向中振幅最大值作为评定的依据。,其次应指出的是，评定机组振动状况时，不仅要了解振动标准的具体规定值（用表或曲线），而且要了解标准中所规定的测量要求。只有根据标准中所规定的要求进行测量，用所获得的结果对振动做出评价才是有效的。这是因为采用不同的测量方法，其结果可能有较大的差别。在国际交往和贸易中，如果只读振动数值，不说明振动的规范，这些数值不认为有多大价值，这一点在前些年与国外厂家谈判时，也吃了一些亏。因此，下面在介绍机组振动标准的同时，还要详细介绍测量方法、要求和测试结果换算。评定机组振动健康状况标准，目前有轴承振幅、转轴振幅、和轴承振动烈度三种尺度。制定这三种尺度的主要出发点是为了避免转动和静止部件应力过载、瓦轴过载、动静碰磨、转动部件过度磨损，防止与振动有关的故障进一步扩大，保护周围环境，使仪表、保安系统和控制系统能正常地工作等。下面具体介绍评定现场运行机组振动健康状况标准的三种尺度，这三种振动标准均不适用于制造厂对零件产品质量的评定。,8.2以轴承振幅为尺度的振动标准1.我国电力行业振动标准我国在1954年制定的电力工业技术管理法规中就正式规定了在电厂运行的1500、3000r/min汽轮机发电机组的轴承振动标准，该法规在1957年、1959年又重新作了修订，但机组振动标准一直未变，见下表。,表8-1电力工业技术管理法规中规定的汽轮发电机组振动标准（双振幅um）,在电力工业中规定，评定机组振动以轴承垂直、水平、轴向三个方向振动中最大者作为评定的依据。这三个方向在轴承座上的测量位置如下图所示，即轴承垂直振动测点是轴承座顶盖上正中位置；水平振动测点是在轴承盖中分面正中位置，平行于水平面，垂直于转子轴线；轴向振动测点是在轴承盖上方与转子轴线平行。,评定机组振动的运行工况时，以机组额定转速下，各种负荷（包括满负荷）下轴承某一方向振动最大值，作为评定机组振动状态的依据。以轴承振动为尺度评定机组振动状态的标准，每一个国家以至每一个公司或厂家都有自己的标准，有实用和参考意义的还有下列一些标准。,国际电工委员会（IEC）1931年提出，最近又修订的汽轮机振动标准见表8-2。,上表规定的轴承振动是双振幅，测量方向规定为“轴承座上沿直径方向测得的振动”，这句话可以理解为，除轴向振动外，垂直和水平及其他径向振动都可作为评定机组振动状态的依据。振动测点在轴承座上的位置没有明确。上表所列的振动值是指经过良好平衡，在额定转速和稳定工况下运行的汽轮机轴承或转轴的振动值。标准对振动限制值没有作出规定，标准规定又指出，“一台汽轮机振动高于表8-2中相应规定值情况下，也可以持续良好地运行。”从标准本身看来，它相当于表8-1中“良”这一档。,2.国际电工委员会（IEC）振动标准,3.美国石油协会振动标准（API）在许多资料中提到美国石油协会的振动标准，简称（API），它也是以轴承振动为尺度。它虽然只对高转速小型汽轮机的振动标准做出了规定，但这些标准可以用来评定火力发电厂运行机组发生的高频振动。API有关汽轮机振动方面的标准有三个。API-611石油精炼通用汽轮机振动标准API-611振动标准只规定振动容许值，具体数值见下表：,表8-3API-611振动标准（um）,API-612石油精炼用特殊汽轮机振动标准，它没有对不同转速（这些汽轮机实际上都是高速）下振动标准做出规定，而只规定在任何工况下机组振动不容许超过下列数值（双振幅），轴承：25；转轴：50API-613石油精炼用特殊齿轮装置振动标准这个标准对不同转速和不同负荷下的振动最大容许值作出了规定，见下表：,表8-4API-613振动标准（um）,以轴承振动为尺度，除上述所列的三个标准外，还可以列出其他许多标准，但是在我国未公布新的振动标准和废除旧的振动标准以前，表8-1是具有法规效能的，其他所有的振动标准只供参考。从目前各国振动标准来看，表8-1振动标准是属于中上水平的，与我国制造运行水平基本相适应，这也是这个标准一直沿用至今的一个重要原因。,4.以轴承振幅为尺度评定机组振动状态的缺点制定振动标准的目的是防止有害的振动。但是由于各种形式机组的转子质量、转子刚度、支承动刚度、油膜刚度、基础刚度、动静间隙等因素不同，在同样的轴承振动振幅条件下，振动对机组引起的危害将不同，这是采用轴承振动为尺度评定机组振动状态的缺点，这些缺点主要表现为：1）机组各轴承振动和轴承三个方向振动的不等效性不论是我国还是外国，许多以轴承振动为尺度的振动标准，一般都把机组各个轴承和轴承三个方向振动等效看待，即相同的振动发生在不同的方向和不同的轴承上，有着同样的危险。事实上并非如此，这主要是因为：当激振力一定时，轴承振幅与支承动刚度成反比；而转轴相对振动又与轴承座刚度成正比，即在不大的轴承振幅下，转轴可能存在较大的相对振动。过大的转轴振动会引起轴瓦乌金过载（疲劳剥落、裂纹和碎裂）、转轴动应力过载、轴承调整垫块过载（金属疲劳剥落、凹坑使轴瓦失去紧力）、径向动静摩擦等故障，加速转动部件不均匀磨损。,2）对周围环境危害有差别在一定的轴承振幅下，振动传给基础的激振力与轴承座刚度成正比，所以振动对周围环境的危害随轴承动刚度的增大而加大。3）不同频率的振动分量的不等效性上述振动标准，对振动中所含的不同频率的振动分量没有给予另外的规定，而机组实际振动中常常含有较显著的不同频率的振动分量。不同频率值一般是随转速升高而显著减少，这是由于在同样振动幅值下，频率较高的振动需要较大的能量，造成的危害较大。在振动标准中，将机组振动看作只含基波一种成分，虽然对于现场运行的大多数机组是可行的，但是还有不少机组的振动含有较大的1/2X、2X或3X振动分量，有时这些分量超过基波分量，因此合理的评定机组振动状态应以不同频率振动分量与相对应的转速分别作出评价。可见，表8-1振动标准只规定两档转速是不够的。从实际机组振动来看，标准中所列最低转速应不高于现场运行机组最低转速的1/3；标准中上限转速不应低于现场运行机组最高转速的3倍。,8.3以转轴振幅为尺度的振动标准为了克服以轴承振动为尺度的振动标准不能正确反映转轴振动状态的缺点，不少专家提出采用转轴振动为尺度的振动标准来评定机组振动状态。随后，由于振动测试技术的发展，转轴振动测试在现场获得广泛应用，所以在上世纪70年代，不少国家在采用以轴承振动为尺度的振动标准的同时，又附上以转轴振动为尺度的振动标准，见表8-2、表8-3和表8-4，它们是简单地将轴承振动增大一倍，作为转轴振动标准，在评定机组振动状态时，两种尺度同时有效，具体选定由买主和制造厂协商确定。通过二十几年来大量的现场实例，发现轴承附近的转轴振动在许多情况下不是简单地比轴承振动大一倍，而是与许多因素有关，因此，在上世纪70年代后期，在采用以轴承振动为尺度的振动标准的同时，又给出比轴承振动大一倍的转轴振动标准的做法，已不再提倡，而是采用实测转轴振动，以独立尺度评定机组振动状态。,目前，转轴振动测量已逐渐在我国推广及普及，在未制定转轴振动标准以前，参考国际标准或在国际上具有一定权威性的标准是必要的。下面介绍国际影响较大和目前国内普遍采用的三个转轴标准。（1）VDI-2059和ISO7919/1-1986标准VDI是德国工程师协会的简称，它在1981年颁布了“透平机组转轴测量及其评价”，简称VDI2059。国际标准化组织（ISO）1986年制定的“回转机械转轴振动测量和评价”（ISO7919/1-1986）与VDI2059有关部分的规定和规范基本相同。VDI2059全文分为五个部分，与火电厂有关的是其中第二部分“汽轮发电机组振动标准”，现摘录如下：应用范围本规范适用于下列机器：1）与转轴直接相连的汽轮发电机组和由单相轨道牵引的汽轮机；2）采用齿轮传动的汽轮发电机组和由单相轨道牵引的发电机；3）机器的转速范围是1000-3600r/min。,测量值的换算在可能的测量值中，有振动位移、速度和加速度，而振动位移被认为是转轴振动的决定性振动量，它的通用单位是m。采用电涡流传感器或电感式传感器，可以直接获得振动位移的信号，其中包括直流分量和交流分量。直流分量是表示在一段时间内信号的平均值，时间间隔的交流信号是振动信号的瞬时值。为了确定转轴在径向测量平面内的运动，必须在这个测量平面内安装两个传感器，而且最好两个传感器相互垂直。如果一个径向平面内安装的1、2两个传感器相互垂直，其振动位移分别为S1和S2，则在测量平面内转轴动态位移为,如图所示，两个测量上的转轴位移和随时间变化构成轴心轨迹，Sk为转轴位移的瞬时值，S1和S2是一般所说的转轴振动双振幅。在周期振动中，转轴最大位移和转轴位移瞬时值近似相等，在VDI-2059规范中，评价转轴振动是采用测量平面内转轴的最大值。,如果一个测量平面内1、2两个传感器相互不垂直，其夹角为，1、2两个传感器测得的转轴位移为S1和S2，则与垂直的转轴位移由下式求得：,测量平面测量平面指的是测量的轴向位置。为了监测径向间隙，电涡流传感器安装的理想轴向位置是机组运行时动静间隙最小的位置；为了监测轴承的安全，在轴承附近选取测量平面是必要的。机器结构和温度条件的限制，常常迫使人们选择一些并不理想的测量点。目前透平机组转轴振动测量平面主要选择在转轴外伸悬臂处和轴承与机壳之间的径向平面内。运行监测从运行监测的目的来说，人们希望有一种最简单可行的测量和记录转轴振动的方法，以便使快速和短时间的振动变化能清楚地记录下来。如果改变转轴振动测量的目的和要求，并考虑时标的改变，记录纸的速度应该是可调的。为了适用于运行监测记录数据，为诊断振动故障提供依据，应同步记录机组的转速和机组的负荷。,测量结果的评价就现有的测量技术而言，电站运行的汽轮发电机组转轴和轴承振动都是可以测量的。如果在同一平面内和同一方向上比较这两种测量方法，那么，在已有的一般机组中，转轴振幅是轴承振幅的48倍；在大机组（600MW以上）的低压部分，转轴绝对振动几乎与轴承振动相等，即转轴相对振动很小，这时转轴振动应以绝对振动来衡量。VDI-2059评价机组振动状态分为良好、报警、停机三个等级，它分别采用以下三个计算公式求得：,式中，n转轴工作转速（r/min）。按以上三个公式计算求得10003600r/min等几个转速档次的振动评价标准，见表8-5。,表8-5VDI-2059汽轮发电机组转轴振动标准,上表中的转轴振幅不是直接测量而得，而是经换算求得的转轴最大位移。（2）ISODIS7919/2的规定VDI2059和ISO7919/11986是以测量平面内轴心轨迹最大位移单峰值作为评价机组振动标准，而ISO7919/2则以两个相互垂直方向上轴振最大位移的峰峰值作为评价机组振动标准，该标准和规范摘录如下：,应用范围陆地电站，转速为15003600r/min、功率大于50MW的汽轮发电机组。轴振测量方法早先采用速度传感器与转轴相接触，测量转轴绝对振动；目前较普遍地采用非接触式涡流传感器测量转轴相对振动。如果采用速度传感器测量轴承振动，涡流传感器测量转轴相对振动，两者叠加后可获得转轴绝对振动。用这三种测量方法评价机组振动都是有效的。测点轴向位置，应靠近汽轮发电机组各轴承处。评定准则ISO7919/2规范评价机组振动状态准则为：1）额定转速下空负荷和不同负荷，包括满负荷下轴振最大值，作为评价依据。2）实测转轴相对和绝对振动两者均可评价机组振动状态。3）在选定的轴向位置上，两个相互垂直方向轴振峰峰最大绝对值和轴振变化最大相对值，两种尺度作为评价依据。,4）转轴振动（相对、绝对）绝对值，分为A、B、C三个区域，或称三个等级：A区：轴振小于该值，可认为机组振动良好；B区：轴振小于该值，可认为机组振动合格，可以长期运行，但超过此值应发出报警；C区：轴振小于该值，机组可以短时间地运行，但应发出报警，并应尽快采取消振措施。如果轴振超过此值，应跳闸（打闸停机）。评定标准下面分别给出转轴相对振动和绝对振动及轴振变化的相对值两种评定标准。1）转轴相对和绝对振动的绝对值，评定标准如表8-6。2）轴振变化相对值评价标准。某些机组轴振绝对信号虽然没有超出表8-6B区，但瞬态或在某一段时间内轴振变化值较大，这种现象表明机组存在异常。为此，ISO7919/2对此作出了规定，如果轴振变化值超过表8-6B区的25%，不管是减少还是增大，应发出报警，并应查明轴振变化原因，采取相应措施。观察振动在新的状态下能否稳定下来，这是十分重要的，它将为拟定消振措施提供依据。,（3）美国西屋和GE公司轴振标准前些年来，国内先后制造了引进型300MW和600MW机组，并从美国进口了一些350MW机组，这些机组的运行采用了美国西屋和GE公司轴振标准，如表8-7，这一标准目前国内在大机组上应用较为普遍。,表8-6ISODIS7919/2转轴振动评价标准（双振幅m）,表8-7所列的轴振幅值，是采用振动仪表直接测量而得的。与一般机组振动标准、规范一样，是以额定转速下（3000r/min）空负荷和不同负荷（包括满负荷）下轴系中轴振最大值作为评价机组振动状态的依据。该标准与表8-6相比，接近于3600r/min机组的转轴相对振动标准。因此，对3000r/min机组和转轴绝对振动来说，表8-7标准是相当高的。采用这一标准，还应考虑下列一些问题：（1）转轴相对和绝对振动没有区分：转轴绝对振动和相对振动的关系，从目前现场实测结果来看，并不是所有的情况下转轴的绝对振动都比相对振动大，估计制定这一标准时已考虑到这种现象，故两者没有区分。,表8-7美国西屋和GE公司轴振标准,（2）轴振方向没有做出规定：按西屋和GE公司规定，测轴振涡流传感器如下图所示。国产和进口机组为了减少投资，绝大多数机组在左45或右45方向上安装一个传感器，由现场实测结果证明，左45和右45方向上轴振和瓦振差别甚大，前者与油膜刚度有关，后者与轴承座支撑和连接刚度有关，因此有些机组原来在左45方向振动过大，大修后涡流传感器改装在右45方向，空负荷和带负荷下的振动都达到了良好水平，实际是因两个方向上振动差别所致。,（3）原始晃摆值没有扣除：如果轴振测点在轴颈上，其原始晃摆值一般小于20m，但大多数轴振测点较远地偏离轴颈，这些测点原始晃摆值进口机组一般小于30m，国产和引进型机组一般为40-60m。这一晃摆值在工作转速下是直接叠加在轴振幅值内，从轴振测量正确性考虑，应将轴振值扣除原始晃摆值，但目前使用的振动监测系统都无此功能。若要扣除，应测取晃摆值、转轴相对或绝对振动的幅值和相位，经人工计算求得。,8.4以轴承振动烈度为尺寸的振动标准所谓轴承振动烈度，是指轴承振动速度的均方根值，单位mm/s。早在上世纪50年代初期就有一些专家建议，评定汽轮发电机组振动的标准应采用轴承振动速度。1977年国际标准化组织提出了以轴承振动烈度为尺度的振动标准，即ISO3945-1977，国内正积极移植这个标准。就其本质来说，ISO3945-1977与以轴承振幅为尺度的振动标准基本相同，所不同的是它采用了振动速度这个参数。从振动能量考虑，不同频率的振动分量的不等效性得到了考虑，但事实上机组振动过大引起的故障，不仅决定于振动能量，而且还决定于振动的位移值，如动静碰磨与振动位移直接有关。因此，利用振动烈度为尺度的振动标准，并没有克服以轴承振动为尺度的振动标准所存在的弊病，而且还带来了一个不直观的振动量值概念，对此目前还有许多人持不同看法。,ISO主要是以欧美各国为中心的世界性民间组织，世界各国一般都比较尊重此机构提出的各种标准，我国也是ISO成员国。下面简要地介绍ISO3945-1977标准和一些具体规范。（1）振动烈度推荐值本标准是采用轴承振动速度均方根值Vrms作为评价的尺度。这个标准共分为优、良、尚可、不允许四个等级，各个等级的轴承振动速度均方根值Vrms见表8-8。表8-8ISO3945-1977,6001200r/min大型旋转机械振动烈度推荐值,（2）适用范围转子转速范围为6001200r/min的汽轮发电机组，其中包括带减速齿轮箱的汽轮发电机组、工业汽轮机组、压缩机和各类水泵、风机等回转机械。（3）测量平面轴承振动烈度的测量应在主轴承中心或邻近主轴承中心的轴承盖上，沿垂直、水平和轴向进行，它在轴承座上的具体位置如下图所示。,（4）评价机组振动标准的依据振动方向。以轴承振动方向中振动烈度最大者，作为评价机组振动标准的依据。运行工况。以额定转速下和机组各种负荷（包括额定负荷）下轴承振动烈度最大者，作为评价机组振动的标准。机组各轴承振动的烈度。以机组主要轴承（不包括励磁机轴承）振动烈度最大者，作为评价机组振动的标准。振动烈度的表示。以轴承振动速度的均方根值（即有效值）来表示振动烈度。应采用振动仪直接测量，由振动主频率的振幅值A求振动烈度的方法，会产生较大的误差，在本标准中不推荐使用。注意，振动速度的均方根值近似等于振动速度双幅值的1/3。(5)支承系统机组支承系统分为柔性支承和刚性支承两类，它们的区别决定于机组和基础在测量方向上的刚度。柔性支承是指支承系统的自振频率低于激振力的频率；刚性支承是指支承系统的自振频率高于